Grain growth behavior with respect to the porosity and grain boundary structure was investigated in a 0.4mol%-TiO2-excess BaTiO3 model system. The samples with different average grain sizes, 0.7 and 1.4 ㎛, could be prepared by presintering powder compacts at 1250℃ for 30 min and 3 h, respectively, in H2. Through subsequent sintering either at 1270℃ or at 1310℃ in air, the porosity of the two kinds of samples was able to be controlled at 5 and 9%, respectively, with inappreciable grain growth. When the samples were sintered at 1290℃ in H2, all of the samples exhibited normal grain growth behavior. The grain growth kinetics, however, was lower in the samples with 9% porosity than in those with 5% porosity because of the pore drag. For the studied range of oxygen partial pressure (PO2) between and atm, abnormal grain growth (AGG) occurred. As the initial grain size increased and PO2 increased for the studied range, the formation of abnormal grains was delayed irrespective of the porosity. For samples sintered in air, however, grain growth hardly occurred, showing stagnant grain growth behavior. The observed change in incubation time for abnormal grain growth with respect to PO2 demonstrates the variation of the critical driving force for appreciable migration of boundaries. The present experimental results also shows that AGG in polycrystals is governed by the nonlinear migration of boundaries with respect to the driving force. The conventionally suggested pore/boundary separation does not appear to be valid as a cause of AGG.
다결정체에서 입자성장 양상은 현상적으로 볼 때 정상입자성장과 비정상 입자성장으로 분류된다. 정상 입자성장은 시간에 따라 입자크기 분포가 단순분포(unimodal)를 보이며 비정상 입자성장은 소수의 입자가 보통의 입자들에 비해 수 배 ~ 수십 배 까지 빠르게 성장해 이중분포(bimodal)을 보인다. 세라믹 뿐 아니라 금속, 합금의 미세조직에서 입자 크기와 입자 크기 분포는 재료의 전기적, 기계적 성질 등에 영향을 미치는 요소들로 이들을 제어하는 것이 재료의 안정적인 특성 확보에 있어 중요하다. 액상이 없는 계에서의 비정상 입자성장에 대한 고전적 설명은, 2차상이나 용질원자가 재료내에 불균일하게 분포되어 정상입자성장이 국부적으로 억제되거나 혹은 균일하게 분포되었다 하더라도 국부적으로 아주 큰 입자가 생겨났을 때 일어난다는 것이다.비정상 입자성장을 일으키는 요인 중, 계면에너지 이방성이 큰 경우 입계가 각지며(faceted) 비정상 입자성장이 일어난다. 입계 에너지 이방성이 낮거나 없어서 입계의 모양이 상대적 입자크기에 따라 굽어져(rough) 있는 경우에는 정상 입자성장이 일어나며 이것은 입계의 모양에 따라 입계의 이동도가 입계이동 구동력에 따라 다르기 때문인 것으로 해석되고 있다. 그러나 이론적으로 어떠한 원인이 비정상 입자성장을 야기하는 우선순위인가에 대해서는 아직도 논란의 여지가 남아 있다. BaTiO3는 그동안 입자성장 양상에 대해 깊이 있게 연구된 재료로 입자성장 조건인 입자 크기와 입자 크기 분포 등을 실험적으로 제어할 수 있는 시스템이다. 따라서 본 연구에서는 BaTiO3 시스템을 기반으로 비정상 입자성장의 원인으로 제시된 2차상 효과와 계면에너지 이방성 효과를 비교해 살펴보고자 한다.
