Transition metal borides and carbides are characterized by high melting points, high mechanical properties and relatively good oxidation resistance in extreme environments. This family of ceramic materials has come to be known as Ultra High Temperature Ceramics (UHTCs). Interest in UHTCs has increased significantly in recent years because of the drive to produce thermal protection systems (TPS) and other components for hypersonic aerospace vehicles.
Among the UHTCs hafnium carbide (HfC) and tantalum carbide (TaC) have the highest melting point ($>3900\degC$). But due to the high melting point, densification of HfC and TaC need pressure-assisted sintering procedures at temperatures higher than $2000\degC$.
In this study, sintering techniques used for the densification of HfC and TaC were hot pressing by using $MoSi_2$ as a sintering aid. HfC / TaC - 5 vol % $MoSi_{2}$ were densified by hot pressing. Furnace test and acetylene torch test were used oxidation test types. Furnace test was used at intermediate temperature. And acetylene torch test was used at high temperature.
For furnace test at intermediate temperature, HfC / TaC showed poor oxidation resistance in air. TaC showed higher oxidation resistance than HfC in low $pO_2$ atmosphere. And HfC showed active oxidation behavior with linearly increase in mass and oxidation depth.
For acetylene torch test at high temperature, results showed HfC/TaC had proper oxidation resistance. And results suggested evidence of oxidation behavior at high temperature (specially TaC).
세라믹 화합물 중 탄화물, 붕화물, 질화물이 높은 융점과 경도, 화학적 안정성 및 산화 저항성이 좋은 것으로 알려져 있고, 이러한 재료 중, HfC와 TaC는 극 초음속 관련 연구에 많은 관심사가 되고 있다. 특히 HfC와 TaC는 높은 고온에서 열적, 기계적 특성이 우수하며, 화학적 안정성이 높고, 높은 전기 및 열전도도, 그리고 부식 및 침식 저항성이 좋다. 하지만 HfC와 TaC는 높은 용융점과 강한 공유 결합 그리고 낮은 확산 계수 때문에 치밀화가 어렵다. 본 연구에서는 HfC와 TaC에 $MoSi_{2}$를 소결 조제로 사용하여 고온 가압소결을 통해 치밀화를 이루었다. 이 결과 5vol % $MoSi_{2}$가 첨가 되었을 때가 가장 치밀화가 잘 된 결과를 보였다.
이렇게 치밀화 된 HfC와 TaC의 산화 저항성 평가를 위해 furnace test 와 acetylene torch test를 이용하였다. 중 - 저온 영역에서의 산화 저항성 평가는 furnace test를 이용하였고, 고온 영역에서의 산화 저항성 평가는 acetylene torch test를 이용하였다.
$1500\degC$에서의 일반 공기 중에서 furnace test결과 HfC와 TaC 모두 산화 저항성이 전혀 없음을 알 수 있었고, 이를 열역학적으로 분석해 보았다. 그리고 실제 초고온재료가 사용되는 환경의 분위기와 유사한 조건인 낮은 산소 분압에서의 furnace test결과 TaC는 우수한 산화 저항성을 나타내었고, HfC는 산화시간에 따라 산화 깊이 및 무게 변화가 선형적으로 증가하는 산화 양상을 나타내었다.
또한 실제 초고온재료의 사용 환경과 아주 유사한 조건인 $1800\degC$이상에서의 acetylene torch test 결과를 분석해 보았다.
