탄화규소(SiC)는 합성재료로서 세라믹스 분야에서 가장 중요한 탄화물이다. 탄화규소는 입방 정(cubic) 결정구조를 갖는 β상과 육방정(hexagonal) 결정구조를 갖는 α상이 존재한다. β상은 1400-1800oC의 온도 범위에서 안정하고, α상은 2000oC 이상에서 형성된다. SiC의 분자량은 40.1 이고, 비중은 3.21이며, 2500oC 이상에서 분해된다.
탄화규소는 1970년대에 미국 G.E.의 Prochazka에 의해 boron 및 carbon의 첨가로 상압소결 이 처음 성공한 이래로 SiC는 고온강도가 높고, 내마모성, 내산화성, 내식성, 크립저항성 등의 특 성이 우수하여 고온 구조재료로서 주목을 받는 재료이며, 현재 "메카니컬 씰", "베어링", "각종 노 즐", "고온 절삭공구", "내화판", "연마재", "제강시 환원재", "피뢰기" 등에 광범위하게 사용되고 있는 소재이다.
탄화규소 분말은 현재 세계적으로 년간 약 60-80만톤 정도가 생산되고 있는데, 대표적인 제 조회사는 미국의 Carborundum사, 독일의 ESK사, 일본의 소화전기사 등이다. 우리나라는 탄화규 소가 전혀 생산되지 않아서 월 2,500톤 정도씩 전량 수입에 의존하고 있고, 주로 고순도 분말 (연 마재용, 내화물용, 전기용 등)이 수입되고 있다.
탄화규소 원료의 주요 생산 회사는 Table 1에서 보여준다.
중국은 년 20만톤의 생산시설을 보유하고 있으나 전기값의 상승으로 생산량이 줄어들고 있고, 1995년에는 12만톤을 생산하였다. 공급이 줄어들므로 중국산 SiC 분말의 수출단가가 상승추세에 있다.
국내에는 탄화규소 분말을 생산하는 업체가 없고, 전량 수입에 의존하고 있고, 월 210만달러 (월 2,400톤, 1995년 기준, 무역연감)정도가 수입되고 있다.
Table 1. Silicon carbide manufacturers [1]
| Manufacturer | Location | Capacity (metric tons) |
|---|---|---|
| Norton Advanced Ceramics | Canada | 40,000 |
| Exolon-ESK | Hennepin | 42,000 |
| Treibacher | Canada | 18,000 |
| Sicven | Venezuela | 15,000 |
| Casil | Brazil | 28,000 |
| Alcoa | Brazil | 12,000 |
| Casale | Argentina | 4,000 |
| Norton AS | Norway | 67,000 |
| ESK | Netherland | 50,000 |
| Lonza | Switzerland | 8,000 |
| Nabaro | Spain | 16,000 |
| Pacific Rundum | Japan | 7,000 |
| Yakushima Denko | Japan | 24,000 |
| Nortom | Venezuela | 20,000 |
탄화규소 소결체의 특성은 Table 2에서 보여준다.
국내에서는 대한중석 과 쌍용양회에서 내마모부품(메카니컬씰, 샌드노즐, 펌프부품), 내열부품 (열전대 튜브), 내화학부품(화학펌프용 씰, 밸브부품) 등을 생산하고 있다.
Table 2. Properties of SiC sintered materials
| Company Grade | Carborundum Hexoloy SA | Kyocera SC-211 |
Asahi Glass | Ibiden IBICERAM |
|---|---|---|---|---|
| Bulk density (g/cm3) | 3.1 | 3.2 | 3.02-3.20 | 3.08-3.15 |
| Flexural strength (MPa) | 459 | 539 | 581 | 850 |
| Fracture toughness (MPa m1/2) | 4.2 | 5.6 | 5.7 | 5.6 |
| Young's modulus (GPa) | 406 | 431 | 350 | 396 |
| Remarks | Pressureless sintering | Pressureless
sintering Additive: B4C+C | HIP Additive: Al2O3 |
Pressureless sintering |
상업적 양산 방법으로 3X3X30 m 정도의 대형 아킨슨(Acheson)형 전기로에서 고순도 규사 (99.5% SiO2)와 저유황 석유 코크스를 2200-2500oC의 고온에서 반응시켜 제조한다. 이 때 합성 반응은 아래와 같다.
SiO2 + 3C = SiC + 2CO (1)
초미립 β-SiC를 제조할 때 사용하는 방법으로 흑연반응로에서 silane을 열분해시켜 제조한 다. 이 때 반응식은 아래와 같다.
CH3SiH3 = SiC + 3/2H2 (2)
1. Annual Mineral Review, Am. Ceram, Soc. Bull. 75 [6] 153-154 (1996).
2. J. G. Lee and I. B. Cutler, "Formation of Silicon Carbide from Rice Hulls," Ceram. Bull.,
52 [2] 195-198 (1975).
3. J. G. Lee, et al., "Carbothermal Reduction od Silica," Reactivity of Solid (ed. by J. Wood
et al.), Plenum Press, N.Y., pp707-711, 1977.
4. P. D. Miller, J. G. Lee, and I. B. Cutler, "The Reduction of Silica with Carbon and Silicon
Carbide," J. Am. Ceram. Soc., 62 [3,4] 147-149 (1979).
1997년 9월 18일 김영욱