알루미나 소결실험

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알루미나 소결실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

없음

본문내용

0.9777g
④아르키메데스의 원리를 이용한 밀도값
※ 겉보기 밀도와 덩어리 밀도
겉보기밀도 (g/cm3)
덩어리밀도 (g/cm3)
(DL은 물을 사용하였으므로 1로 고정한다.)
· 1400℃
밀도
시편
겉보기 밀도
덩어리 밀도
이론 밀도
1
3.9253g/cm3
2.6537g/cm3
3.9872g/cm3
2
3.9108g/cm3
2.4649g/cm3
3
3.9203g/cm3
2.4656g/cm3
4
3.9403g/cm3
2.6039g/cm3
평균
3.9242g/cm3
2.5470g/cm3
· 1500℃
밀도
시편
겉보기 밀도
덩어리 밀도
이론 밀도
1
3.9159g/cm3
2.5515g/cm3
3.9872g/cm3
2
3.9174g/cm3
2.5437g/cm3
3
3.9104g/cm3
2.5666g/cm3
4
3.9261g/cm3
2.7710g/cm3
평균
3.9175g/cm3
2.6082g/cm3
· 1600℃
밀도
시편
겉보기 밀도
덩어리 밀도
이론 밀도
1
3.8934g/cm3
2.7363g/cm3
3.9872g/cm3
2
3.9127g/cm3
2.9211g/cm3
3
3.9120g/cm3
2.9397g/cm3
4
3.8968g/cm3
2.7572g/cm3
평균
3.9037g/cm3
2.8386g/cm3
⑤소결 온도에 따른 밀도변화 그래프
E. 결론
a. 아르키메데스 원리를 이용한 밀도측정 원리를 이해하는가?
☞아르키메데스의 원리는 아르키메데스 원리는 어떠한 고체를 물 속에 넣으면 그 고체의 무게는 고체를 넣을 때 나온 물의 무게만큼 가벼워진다는 원리이다. 어떤 고체를 물속에 넣으면 일정량의 물이 넘치게 되는데 그 넘친 물의 양이 부피와 같은 크기이므로 무게와 부피의 단위를 서로 바뀌주기만하면 바로 그 고체의 부피가 되는 것이다. 이렇게 얻어진 고체의 부피를 이용하여 고체의 질량을 부피로 나눠주게 되면 밀도가 되는 것이다. 하지만 이렇게 측정된 부피에서는 오차가 발생할 수 있으므로 정확하게 측정하기에는 다소 힘들다. 그렇게 때문에 부피를 측정하지 않고 오직 무게만을 이용해서 구할 수 있다.
b. 밀도의 증가는 기공이 점점 없어지면서 이루어진다. 그렇다면 기공은 어떻게 없어지는 지 이해하는가?
☞초기에서 성형체분말은 50%의 상대밀도를 가지고 있다가 소결이 시작 되면 분말의 볼록면이나 계면에서 접촉면으로 물질의 이동(확산, 증발 및 응축)이 일어나면서 목형성이 현상이 일어나게 된다.
목형성이 생기고 나면 밀도가 55%로 늘어나게 되고 목형성에 따라 입계가 형성되고 열린기공이 생기게 된다. 중기 단계에는 물질의 이동이 목부위로 진행되어서 열린기공의 크기는 점점 줄어들게 되고, 분말들은 서로 단단히 접합되어 소결밀도가 95%까지 이루게 된다. 그리고 초기단계에서 생긴 입계가 이동하여 결정립이 성장하게 된다. 마지막 말기단계에서는 기공은 결정립모서리에 존재하며 열린기공에서 닫힌기공으로 바뀌게 되고 급격한 입계의 이동이 있게 된다. 이 단계에서 밀도는 100%에 가까워지며, 소결체가 완전한 100%의 밀도(기공률 0%)를 얻기 위해서는 기공이 항상 입계 위에 존재하면서 소결시에 완전히 소멸되어야 한다.
c. 소결온도가 증가하면 소결밀도가 증가한다. 그렇다면 높은 온도는 무엇을 촉진시켜 밀도의 증가를 이루는가?
☞소결온도가 증가하여 높은 온도가 되면 분자들의 확산속도가 증가하여 이동이 활발해지게 되고 그로인해서 물질의 이동도 활발해진다. 그래서 소결온도가 증가하게되면 물질안에 기공의 수를 줄여주기 때문에 밀도는 더욱 증가하게 된다.
d. 알루미나에서 MgO의 역할은 무엇인지 조사하시오.
☞고상소결에는 초기, 중기, 말기의 세 단계가 있다. 초기단계에서 생긴 계면과 기공은 중기 단계에서 이동을 하게 되는데, 이때 계면의 속도가 기공의 속도보다 빨라서 열린 기공은 닫힌 기공이 되어 기공의 소멸이 어려워지게 된다. 이 같은 현상을 막기 위해서는 계면의 속도를 느리게 하거나 기공의 속도를 빠르게 하여 계면과 기공이 분리 되는 것을 막아야 한다.
MgO를 첨가하면 계면의 이동을 방해하여 속도를 늦추는 역할을 한다. 모든 현상은 에너지가 높은쪽에서 낮은쪽으로 이동하는데 계면이 이동할 때 MgO를 만나면 에너지가 낮아지고 다시 MgO를 벗어나려면 에너지가 커져야 하기 때문에 이동하지 않는다.
이번 실험은 알루미나를 각 온도별로 소결하여 아르키메데스의 원리를 이용하여 각 소결 온도별로 밀도를 측정해서 이론적인 알루미나의 밀도값과 비교하여 어떻게 다른지 비교해보는 실험이었다.
우선은 각각 1400℃, 1500℃, 1600℃의 온도로 4개의 시편을 소결하여 온도별로 밀도가 어떻게 변하는지 알아보기로 하였다. 이론밀도인 3.9872g/cm3보다는 적게 나오리라 예상을 해보았는데 예상대로 겉보기밀도 같은 경우에는 0.8g/cm3정도 적게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 그 이유는 이론밀도의 경우에는 기공이 전혀없다는 가정하에 나오는 값이고 실험을 통해 측정된 겉보기 밀도의 경우에는 기공자체를 다 없애지 못하였기 때문에 이정도의 오차가 발생하는 것이라 생각된다. 덩어리밀도의 경우에는 이론밀도나 겉보기밀도보다 2.4g/cm3정도로 적게 측정되었다. 덩어리밀도의 경우에는 겉보기밀도(순수한소결체와 닫힌기공의 부피를 포함)와는 다르게 순수한 소결체의 부피와 닫힌 기공의 부피, 열린 기공의 부피를 모두 포함하기 때문에 오차범위가 큰 것이다. 그래서 이러한 오차범위를 최대한 줄이기 위해서는 소결온도를 1600℃보다 더 높게 올려서 소결을 시켜야 한다.
이로써 실험을 통해 결론을 말하자면 소결온도를 높여줌으로써 소결 과정에서 시편 안에 있는 분자는 외부에서 열을 가해주면 이동하려는 성질(확산)을 나타내기 때문에 분자들의 운동으로 인해 기공에 분자가 채워지므로 기공이 외부로 빠져 나가는 것이고 그렇기 때문에 소결온도가 높을수록 분자의 운동이 더욱더 활발해서 기공은 없어지게 되고 기공이 없어졌기 때문에 소결 밀도는 증가하게 되는 것이다.
F. 참고 문헌
디스플레이 및 세라믹재료실험(2009, 디스플레이 신소재공학과, 이경호 교수님)
소결의 이론 및 실제(다성출판사, 박상엽·백용균)
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