$BaTiO_{3}$ 계에서 입계구조 제어를 통한 입자성장 억제와 치밀화

Abstract

$BaTiO_{3}% 계에서 산소분압과 two-step sintering이 미세구조에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. $BaTiO_{3}$ 의 입계구조는 산소분압에 따라 다르게 나타나고 또한 입계구조의 변화는 입자성장과 치밀화에 영향을 미치게 된다. $BaTiO_{3}$ 계에서 산소분압이 높을수록 즉 산화분위기일수록 입계구조는 faceted되며 step mechanism에 따르고 산소분압이 낮을수록 즉 환원분위기일수록 입계구조는 rough해지며 cubic law를 따르게 된다. 산소분압이 입자성장과 치밀화에 대한 영향을 보면 산소분압이 높을 때 $(P_{O_{2}} ~1.54*10^(-8) atm)$ 입자성장은 억제되고 치밀화 율은 낮으며 산소분압이 중간 정도의 값을 $(P_{O_{2}} ~7.85*10^(-12) atm)$ 가질 때에는 소결 후기 첫 단계에서 어느 정도 입자성장이 일어나지만 오랜 시간을 유지하면 입자성장이 일어나지 않고 치밀화만 진행된다. 그리고 그 보다 더 낮은 산소분압에서는 $(P_{O_{2}} ~8*10^(-18) atm)$ stagnant한 입자성장으로부터 twin이 없는 비정상이 발생하였고 나중에 이런 비정상 입자들이 서로 충돌되는 양상을 보였으며 소결 시간에 따라 빠른 치밀화 율을 보여주었다. 산소분압이 낮을 때는 $(P_{O_{2}} ~4*10^(-19) atm)$ 입자성장이 촉진되고 밀도도 시간에 따라 증가되었지만 소결 후기에 빠른 입자성장으로 인한 기공 포획 때문에 밀도가 95%정도에 머물렀다. $BaTiO_{3}$ 계를 normal sintering, two-step sintering 방법으로 열처리 해 보았다. Normal sintering을 한 경우 상대밀도가 입자성장과 함께 증가되었고 시간에 따라 평균입자크기가 증가되었다. 반면에 Two-step sintering을 한 경우 미세조직이 균일하면서 치밀화도 잘 되었으며 평균 입자 크기도 normal sintering에 비하여 작았다. 따라서 two-step sintering은 고상에서 일반 소결보다 입자성장도 억제되고 미세구조 균일화에도 효과가 있음이 증명되었다.