NETZSCH Termica Neo, 고밀도 세라믹 소결 기술 공개

소결 과정에서 세라믹 내부에서는 어떤 일이 일어날까요?

온도 구배, 밀도 변화, 열유동 변화는 모두 최종 미세구조를 형성합니다.
지금까지 이러한 역학적 현상은 수축 곡선이나 밀도 측정값을 통해 추정될 뿐, 실제로는 파악되지 않았습니다.

NETZSCH Termica Neo 는 이러한 상황을 바꿉니다. 이 소프트웨어는 소결 동역학을 온도, 치밀화 속도 및 열전달의 3D 맵으로 변환하여 , 재료가 층별로 어떻게 치밀화되는지 보여줍니다.

세라믹 소결 과정에서 발생하는 열 및 치밀화 영역을 시각화한 실리콘 질화물(Si₃N₄)의 온도 및 소결도 3D 시뮬레이션. — 그림: Si₃N₄ 내의 온도 및 소결 정도 분포를 보여주는 3D 시뮬레이션 이미지.

소결 시뮬레이션의 과제

소결은 단순히 가열하는 것 이상의 과정입니다. 이는 확산, 기공률, 열전도도가 서로 결합된 현상으로, 이들 각각은 온도와 밀도에 따라 변화합니다.
용광로 온도가 균일하다고 해서 치밀화가 균일하게 이루어지는 것은 아닙니다. 형상과 열전달에 따라 심부가 가열이 뒤처지거나 과열될 수 있습니다.

NETZSCH 의 Termica Neo 소프트웨어는 이러한 현상들을 동적으로 연계합니다:

Kinetics Neo 모델을 가져와 소결 속도와 온도의 관계를 분석합니다.
밀도 의존적 열전도도를 고려합니다.
2D 또는 3D 공간에서 온도, 소결 속도 및 소결도(α)를 시뮬레이션합니다.

사례 연구: 실리콘 질화물 (Si₃N₄)

Termica Neo 시뮬레이션 결과, 열전도율이 급격히 증가하는 것으로 나타났는데, 미소결 상태에서 완전 소결된 재료로 전환될 때 약 25배 정도 높아집니다. 이러한 변화로 인해 내부 열 흐름이 달라지고 표면의 치밀화가 가속화됩니다. 모델에 따르면 다음과 같이 예측됩니다.

~17%의 길이 수축,
40%의 밀도 증가,
온도 및 치밀화 전선이 안쪽으로 이동.

핵심 통찰: 단순히 전체적인 치밀화뿐만 아니라 미세 균열 없이 균일성을 달성하기 위해 가열 속도와 유지 온도를 제어해야 합니다.

사례 연구: 지르코니아 최적화

Termica Neo는 지르코니아에 대해 여러 가지 가열 프로파일을 테스트했습니다. 최적화된 72분 소결 프로그램은 응력을 최소화하면서 균일한 온도 분포와 치밀화 영역을 만들어 냈습니다.
불균일한 프로파일의 경우 중심부가 더 차가워지고 소결 전선이 지연되는 현상이 나타났습니다. 이는 공정을 조정하는 데 있어 핵심 지표입니다.