복합재료에 대한 질문~내공팍팍
서로 다른 재료(즉 복합재료) 를 열팽창 시킬 때 일어나는 현상에 대해 알고 싶습니다. 그림이나 그래프 포함 된 제대로된 지식을 올려 주셧으면 감사 하겠습니다 .급합니다 내공 팍팍~!이상한 댓글들 다 신고 팍팍~!
익명 작성일 - 질문 자체가 너무 광범위합니다,
일단 모으기 쉬운 자료를 몇가지 올립니다.
열탄소 환원법을 이용한 합성법
탄화규소가 열탄소 환원반응계에서 한 방향으로 성장하여 휘스커 모양을 갖기 위해선 탄소 성분(element)과 실리콘 성분이 반드시 기체 상태로 휘스커 성장이 일어나는 끝(growing tip)에 공급되어야 한다. 이것은 성장한 탄화규소 휘스커를 통해 탄소나 실리콘이 확산하여 휘스커 끝에 공급되기에는, 확산속도가 너무 늦기 때문이다. 따라서 열탄소 환원반응계에서 먼저 탄소와 실리콘 성분을 포함한 반응기체(reactants in a vapour form)가 발생시킨 다음, 이 기체를 반응시켜 휘스커를 합성한다. 반응로는 여러 가지를 사용할 수 있다. Fig. 1에서 대표적인 반응로 두 가지를 볼 수 있는데, (a)에 나타난 토카이 카본 사의 반응로는 대량생산을 위한 배치(batch)방식이고, (b)에 나타난 반응로는 기판에 기상-액상-고상방식으로 탄화규소 휘스커를 합성하는 반응로이다. 합성반응에서 SiO(v) 발생 원료는 왕겨(rice hulls), 쌀겨(cereal chaff), 실리카 겔 (silica gel), 질화규소, 실리카 같은 것들이 쓰인다. 탄소 원료로는 카본블랙(carbon black)이 가장 많이 쓰인다. 그리고 반응기체 발생을 돕기 위해 불화물을 넣기도 한다.
Fig. 1. Schematics of the silicon carbide whisker reactor :
(a) batch type developed by Tokai Carbon Co., (b) seperation type developed by Carborundum Co.
탄화규소 휘스커 합성반응기구는 그동안 여러 가지가 제안되었으나, 가장 많이 제안된 반응기구는 다음과 같다 [3-4]. 실리카와 탄소를 고온에서 먼저 다음과 같은 2 단계 반응에 의해 SiO(v)와 CO(v)가 발생한다.
1 단계 :
SiO2(v) + CO(v) = SiO(v) + CO2(v) ( 1 )
C(s) + CO2(v) = 2CO(v) ( 2 )
SiO(v) + 2C(s) = SiC(s) + CO(v) ( 3 )
---------------------------------------
SiO2(s) + 3C(s) = SiC(s) + 2CO(v) ( 4 )
2 단계 :
2SiO2(s) + SiC(s) = 3SiO(v) + CO(v) ( 5 )
따라서 전체 반응은 다음과 같다.
SiO2(s) + C(s) = SiO(v) + CO(v) ( 6 )
발생된 SiO(v)와 CO(v)는 다음과 같은 반응을 거치면서 탄화규소 휘스커로 합성된다.
SiO(v) + 3CO(v) = SiC(s)w + 2CO2(v) ( 7 )
그리고 이 반응에서 발생된 CO2(v)는 다음과 같은 반응으로 분해된다.
2CO2(v) + 2C(s) = 4CO(v) ( 8 )
결국 반응 ( 6 ), ( 7 ), ( 8 )을 고좡?전체반응식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
SiO2(s) + 3C(s) = SiCw(s) + 2CO(v) ( 9 )
이같은 반응기구는 불활성 분위기에서 합성한 경우며, 만약 수소분위기를 사용한다면 탄화규소 휘스커는 다른 반응기구에 의해 합성된다. 즉, SiO(v)의 발생은 불활성 분위기와 같은데, 다만 탄소성분을 포함한 반응기체가 발생하여 탄화규소 휘스커가 합성된다.
2C(s) + 4H2(v) = 2CH4(v) ( 10 )
SiO(v) + 2CH4(v) = SiC(s)w + CO(v) + 4H2(v) ( 11 )
물론 수소분위기에서도 전체 반응은 ( 6 ), ( 10 ), ( 11 )을 고려하면 ( 9 )와 같이 표현된다.
탄화규소 휘스커는 기상-고상 기구(vapor-solid growth mechanism), 2 단계 성장기구(two stage growth mechanism), 기상-액상-고상 기구 (vapor-liquid-solid growth mechanism) [4]로 성장할 수 있다 (Fig. 2). 기상-고상 기구 성장한 휘스커는 적층결함(stacking faults)을 갖고 있으며, 기상-액상-고상기구로 성장한 휘스커가 직경이 크고 기계적 특성이 우수하다. 탄화규소 휘스커를 기상-액상-고상기구로 합성하기 위해 금속 촉매를 사용하는데, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 스테인레스강(stainless steel) 같은 것들이 쓰이며, 가장 많이 쓰이는 것은 Fe 이다. 탄화규소 휘스커는 결정학적으로 <111> 방향으로 성장한다. 그리고 반응조건에 따라 -형 결정구조를 갖는 경우도 있지만, 대부분 -형 결정구조를 갖는 것으로 보고되고 있다.
Fig.3은 기상-고상 기구로 성장한 탄화규소 휘스커를 투과 전자 현미경으로 관찰한 것으로 중간에 적층결함이 있다는 것을 알 수 있다. 이같은 적층결함은 탄화규소 휘스커의 특성을 나쁘게 하는 것으로 알려졌다. Fig. 4는 기상-액상-고상기구로 성장한 탄화규소 휘스커를 주사 전자 현미경으로 관찰한 것으로 크기가 3 ㎛이상이며, 길이도 수 mm 달한다. 그리고 이 휘스커는 투과전자 현미경으로 관찰해도 적층결함이 거의 없는 것으로 나타났다.
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