BaTiO3의 소결 실제왿� 밀도측정, SEM을 통한 미세구조 관찰

1. 실험목적

이번 실험에서는 기본적인 BaTiO3 분말을 가지고 세가지 물질을 도핑하여 전체적인 세라믹 공정을 시행하고자 한다. 분말을 적당한 형태로 성형한 후 소결(sintering)을 통해 제조하고, 아르키메데스의 원리를 이용하여 소결된 시편의 밀도 측정을 통해 소결 밀도에 미치는 첨가제의 영향을 확인한다. 그리고 제조된 소결체를 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 이용해 미세 표면을 관찰하도록 한다.

2. 이론배경

2.1 소결(Sintering)이란?

소결은 분말 성형체(powder compact)가 가열에 의해 조립화 또는 치밀화를 이루는 과정을 말한다. 조립화는 가공이 많고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 변화는 없이 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소왿� 높아진 강도를 나타내는 것이다. 그 좋은 예는 세라믹스 단열재나 세라믹스 촉매 담체(membrane)의 소결이다. 치밀화는 기공이 많고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 증가(기공의 감소)왿� 함께 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소왿� 높아진 강도를 나타내는 것이다. 대부분의 고강도 세라믹스 제품의 소결은 여기에 해당된다. 그러나 실제에서는 치밀화가 진행되면서 어느 정도의 조립화가 같이 일어나게 된다.
비금속 또는 금속의 가루를 가압성형한 것을 녹는점 이하의 온도에서 열처리한 경우, 가루간에 결합이 생겨 성형된 모양으로 굳는 현상, 요업제품 또는 세라믹, 분말야금, 서멧등을 제조하는 중요한 수법이다. 소결의 구동력은 가루가 가진 여분의 표면에너지이다. 즉 분말이 단순히 모인 상태에서는 표면에너지의 총합이 최소가 되지 않고 열역학적으로는 비평형상태가 된다. 가열처리를 하면 표면에너지를 감소시키려는 방향, 즉 표면적이 감소하는 방향으로 물질이동이 일어나 입자들이 서로 결합된다. 소결과정에서 미세구조의 변화는 복잡한데, 일반적으로 다음의 세 단계로 나누어서 생각한다.