Park, Ji Sook;Lee, Hwa Jun;Ryu, Sung Soo;Lee, Sung Min;Hwang, Hae Jin;Han, Yoon Soo
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.52
no.6
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pp.435-440
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2015
It is a challenge from an industrial point of view to fabricate silicon nitride substrates with high thermal conductivity and good mechanical properties for power devices from high-purity Si scrap powder by means of thick film processes such as tape casting. We characterize the residual carbon and oxygen content after the binder burnout followed by nitridation as a function of the temperature in the temperature range of $300^{\circ}C-700^{\circ}C$ and the atmosphere in a green tape sample which consists of high-purity Si powder and polymer binders such as polyvinyl butyral and dioctyl phthalate. The optimum condition of binder burnout is suggested in terms of the binder removal temperature and atmosphere. If considering nitridation, the burnout of the organic binder in air compared to that in a nitrogen atmosphere could offer an advantage when fabricating reaction-bonded $Si_3N_4$ substrates for power devices to enable low carbon and oxygen contents in green tape samples.
In the binary system of SiC and carbon, porosity and pore size distribution of green body was controlled by varying pH, by the addition of polyelectrolyte dispersants, and by using different particle size of starting powders. The preforms having different green microstructure were fabricated by slip casting from suspensions having different dispersion condition. The reaction bonding process was carried out for these preforms. The condition of reaction bonding was 1600$^{\circ}C$ and 20 min. under vacuum atmosphere. The analyses of optical and SEM were studied to investigate the effect of green microstructure on that of reaction bonded silicon carbide and subsequently the mechanical properties of sintered body was investigated. Different green microstructures were obtained from suspensions having different dispersion condition. It was found that the pore size could be remarkably reduced for a fine SiC(0.5$\mu\textrm{m}$). The bimodal microstructure was not found in the present study, which is frequently observed in the typical reaction bonded silicon carbide. It is considered that the ratio between SiC and C was responsible for the formation of bimodal microstructure. For the preform fabricated from the well dispersed suspension, the 3-point bending strength of reaction-bonded silicon carbide was 310${\pm}$40 MPa compared to the specimen fabricated from relatively agglomerated particles having lower value 260${\pm}$MPa.
In an effort to protect a RBSC(reaction -bonded SiC) tube SiC films from methyltrichlorosilane(MTS) by low pressure chemical vapor deposition were deposited in hydrogen atmosphere on the RBSC(reaction-bonded SiC) substrates over a range of input gas ratio(${\alpha}=P_{H2}/P_{MTS}=Q_{H2}/Q_{MTS}$=1 to 10) and deposition temperatures(T=1050~1300$^{\circ}C$). At the temper-ature of 1250$^{\circ}C$ the growth rate of SiC films increased and then decreased with decreasing the input gas ratio. The microstructure of SiC films was changed from granular type structure exhibiting (111) preferred orientation in the high input gas ratios to faceted columnar grain structure showing (220) in the low input gas ratios. The similar microstructure change was obtained by increasing the deposition temperature. These results were closely related to a change of deposition mechanism. Double layer structure having granular type and faceted ciolumnar grain structure from the manipulation of mechanism. Double layer structure having granular type and faceted columnar grain structure from the manipulation of the input gas ratio without changing the deposition temperatue was successfully fabricated through in -site process.
Effect of sintering additives on the densification behavior of reaction-bonded silicon nitride prepared by using coarse Si powders is discussed. Sintering additives such as 6 wt% $Y_2O_3$+1wt% $A1_2O_3$ (6YlA) did not give rise to full densification, while full densification was obtained by using the sintering additives such as 6wt% $Y_2O_3$+3 wt% $A1_2O_3$+ 2wt% $SiO_2$ (6Y3A2S) and 9wt% $Y_2O_3$+ 1.5wt% $A1_2O_3$+ 3wt% $SiO_2$ (9Yl.5A3S). In the case of 6Y3A2S addition, high fracture strength of 960 MPa and the fracture toughness of $6.5 MPa.m^{1/2}$ were obtained.
In this study, Kaolin was carbonized at 1300~175$0^{\circ}C$ and its constituent mineral change was investigated. Carbonized kaolin at 1$650^{\circ}C$ was mixed with metallic silicon, formed and nitrified at 135$0^{\circ}C$ in N2-NH3 atmosphere. Properties of this product such as porosity, bulk density, MOR, nitrization rate and oxidation resistence were measured, and its mineralogical changes were investigated by XRD. The results were as follows; 1) $\beta$-SiC was initially synthesized at 150$0^{\circ}C$, and its amount was continuously increased with reaction temperature to 1$700^{\circ}C$. 2) At 1$600^{\circ}C$, mullite was rapidly decomposed and the amounts of $\beta$-SiC and $\alpha$-Al2O3 were increased simultaneously. 3) By adding alkali to kaolin, the decomposition temperature of mullite was dropped approximately 10$0^{\circ}C$, but the amount of $\alpha$-SiC was increased. 4) The highest values of their nitrization rate and MOR were obtained at the specimen of 35 wt% metallic silicon in nitrization reaction. 5) It seems that increment of $\alpha$-Si3N4 and $\alpha$-Al2O3 phase during nitrization was due to the decomposition of Al4SiC4 existed in carbonized kaolin. 6) Si3N4 bonded SiC-Al2O3 composite were fabricated from kaolin at relatively low temperature (135$0^{\circ}C$).
To fabricate porous SiC-Si composites for heating element applications, both SiC powders and Si powders were mixed and sintered together. The properties of the sintered SiC-Si body were investigated as a function of SiC particle size and/or Si particle contents from 10 wt% to 40 wt%, respectively. Porous SiC-Si composites were fabricated by Si bonded reaction at a sintering temperature of $1650^{\circ}C$ for 80 min. The microstructure and phase analysis of SiC-Si composites that depend on Si particle contents were characterized using scanning electron microscope and X-ray diffraction. The electrical resistivity of SiC-Si composites was also evaluated using a 4-point probe resistivity method. The electrical resistivity of the sintered SiC-Si body sharply decreased as the amount of Si addition increased. We found that the electrical resistivity of porous SiC-Si composites is closely related to the amount of Si added and at least 20 wt% Si are needed in order to apply the SiCSi composites to the heating element.
Chemical reaction occurred in the interface of Mn-Zn ferrite and glass after bonding. Effects of the formation of reaction layer on the magnetic properties were investigated. The composition of glass was 23PbO-61SiO2-6ZnO-8Na2O-2K2O and the ferrite was chosen to have a high permeability. Toroid samples of ferrites bonded with glasses, were heat-treated at $700^{\circ}C$, 80$0^{\circ}C$ and 90$0^{\circ}C$ for 1h. The reaction was observed to increase with bonding temperature, resulting in the development of reaction layer. Subsequently the initial permeability was found to be decreased. The permeabilities decreased by 25% with increasing bonding temperature from $700^{\circ}C$ to 80$0^{\circ}C$. At the bonding temperature of 90$0^{\circ}C$, the permeability was decreased by 45%, compared to that of 80$0^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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