반응 결합 탄화붕소(RBBC) 복합재료 준비에서 볼 밀의 주요 기능은 단단한 탄화붕소 입자와 비정질 카본 블랙의 초균질 혼합물을 얻는 것입니다. 고순도 용매 내에서 분쇄 매체의 기계적 충격 및 전단력을 활용하여, 밀은 입자 응집체를 분해하여 탄소 공급원이 탄화붕소 매트릭스 전체에 균일하게 분산되도록 합니다.
핵심 요점 볼 밀링 단계는 단순히 재료를 혼합하는 것이 아니라, 재료의 최종 미세 구조를 결정하는 중요한 단계입니다. 여기서 카본 블랙의 높은 분산도를 달성함으로써 후속 반응 결합 공정 동안 균일한 탄화규소 강화상을 위한 기반을 마련하게 됩니다.
공정의 역학
기계적 충격 및 전단
볼 밀은 분말 혼합물과 함께 분쇄 매체(일반적으로 탄화규소 볼)를 회전시켜 작동합니다. 이 볼들이 충돌하고 서로 위를 구르면서 상당한 운동 에너지를 생성합니다.
이 에너지는 충격(분쇄) 및 전단(찢김) 힘으로 나타납니다. 이러한 힘은 미세 분말이 덩어리지는 경향을 극복하는 데 필수적입니다.
액체 매체의 역할
주요 참고 자료에 따르면 이 공정은 고순도 용매에서 수행됩니다. 습식 밀링은 이 응용 분야에서 건식 밀링보다 일반적으로 우수합니다. 왜냐하면 용매가 먼지를 방지하고 열을 발산하며 입자 분리를 용이하게 하기 때문입니다.
이는 현탁된 입자가 더 자유롭게 이동하고 혼합될 수 있는 슬러리를 생성하여, 비정질 카본 블랙이 탄화붕소 입자를 효과적으로 코팅하거나 분산되도록 합니다.
분산이 중요한 이유
응집체 분해
비정질 카본 블랙과 미세 세라믹 분말은 높은 표면 에너지를 가지고 있어 빽빽한 덩어리 또는 "응집체"를 형성합니다.
이러한 응집체가 볼 밀에 의해 물리적으로 분해되지 않으면, 최종 재료는 균일한 혼합물 대신 탄소가 풍부한 "섬"을 포함하게 됩니다.
반응 기반 구축
RBBC 준비의 궁극적인 목표는 용융된 규소가 탄소와 반응하여 탄화규소(SiC)를 형성하는 반응 결합 공정입니다.
이 반응이 균일하게 일어나려면 반응물이 긴밀하게 접촉해야 합니다. 볼 밀은 탄소가 매트릭스 내의 모든 곳에서 미세 수준으로 존재하도록 하여, 후속 반응 생성 탄화규소가 균일한 강화상 역할을 할 수 있도록 합니다.
절충안 이해
매체 오염
볼 밀링의 일반적인 함정은 분쇄 매체의 마모로 인해 분말에 이물질이 유입되는 것입니다.
RBBC 준비에서는 탄화규소 볼을 사용하여 이를 완화하는 경우가 많습니다. 탄화규소는 최종 복합재료에서 원하는 상이기 때문에, 이러한 볼의 마모 잔해는 강철 볼의 금속 오염보다 해가 덜합니다.
공정 시간
밀링은 시간의 균형입니다. 불충분한 밀링은 낮은 분산도와 최종적인 구조적 결함으로 이어집니다.
그러나 과도한 밀링 시간은 취급이나 후속 단계에서 처리하기 어려울 수 있는 초미세 입자를 생성할 수 있습니다. 목표는 무한한 입자 크기 감소가 아니라 균일한 분산입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
## 분말 준비 최적화
- 구조적 균질성에 중점을 둔다면: 카본 블랙 응집체를 완전히 분해할 수 있도록 충분한 밀링 시간을 확보하십시오. 이는 최종 소결체의 결함을 방지합니다.
- 화학적 순도에 중점을 둔다면: 분쇄 매체(예: 탄화규소 볼)가 최종 복합재료의 화학적 조성과 일치하는지 확인하여, 불가피한 마모 잔해를 오염물이 아닌 호환 가능한 강화재로 전환하십시오.
최종 RBBC 복합재료의 품질은 반응 단계 훨씬 이전에 결정됩니다. 이는 볼 밀 내부에서 달성된 균일성에 의해 결정됩니다.
요약표:
| 특징 | RBBC 준비에서의 기능 | 최종 복합재료에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 기계적 힘 | 카본 블랙 및 $B_4C$ 응집체 분해 | 결함 없는 균일한 미세 구조 보장 |
| 습식 밀링 용매 | 열 발산 및 분말 덩어리짐 방지 | 우수한 입자 분산 촉진 |
| 분쇄 매체 | 유해한 오염 최소화를 위해 SiC 볼 사용 | SiC 강화상의 화학적 순도 유지 |
| 운동 에너지 | 긴밀한 혼합을 위한 충격 및 전단 제공 | 균일한 규소 반응의 기반 구축 |
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참고문헌
- Wenhao Sha, Qing Huang. Effect of Carbon Content on Mechanical Properties of Boron Carbide Ceramics Composites Prepared by Reaction Sintering. DOI: 10.3390/ma15176028
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