150MPa 이상의 고강도 도자기(porcelain) 제조를 위해 고융점 원료인 알루미나(2,072℃)나 알루미나 함량이 35% 이상인 원료(점토, 고령토)들이 사용된다. 이러한 알루미나 함량이 높은 원료의 사용은 mullite(3Al₂O₃·2SiO₂) 생성에는 도움이 되나 소결성이 낮아져 치밀화를 위해서는 소성온도를 높이거나 소결촉진제를 사용하여만 결함이 적은 고강도 자기를 만들 수 있다. 그러나 일반 도자기들은 1,300℃ 미만에서 소성되기 때문에 고융점 원료들을 사용하면 치밀한 소성체를 얻기 어려워 소결촉진제(융제)를 사용하는 경우가 많다. 하지만 소결촉진제로 사용되는 장석(KAlSi3O8, NaAlSi3O8, CaAl2Si2O8), 석회석(CaCO₃, CaO) 등의 원료들은 치밀화를 촉진하나 점토(Al2Si2O5(OH)4)나 규석(SiO₂)과의 반응으로 비정질상의 생성도 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 비정질상(amorphous phase)의 증가는 강도 저하의 원인으로 알려져 있으나 비정질상과 소성체의 기계적 물성에 대한 정량적 평가 연구는 부족하다.
본 연구에서는 알루미나 함량이 높은 조성물의 소결을 촉진하면서 비정질상 생성을 억제하기 위하여 본차이나의 주원료인 본애쉬(Ca5(PO4)3)의 첨가 영향에 관하여 연구했다. 본애쉬는 소성중에 β-TCP(Ca₃(PO₄)₂)와 CaO로 분해되고, CaO는 점토, 규석, 장석류와의 반응성이 좋아 성형체의 소결을 촉진시키거나, 점토류와 반응하여 anorthite(CaAl2Si2O8)를 형성하는 것으로 알려져 있다. 즉 본애쉬 첨가는 장석류의 소결촉진제와 달리 소결 촉진제의 역할도 하면서 비정질상의 생성을 억제할 것으로 기대된다.
본애쉬의 첨가는 알루미나 함량이 높은 원료들의 흡수율과 밀도를 개선하여 소결촉진제의 역할은 확인되었다. 본애쉬를 첨가하지 않은 소성체의 흡수율은 0.5% 이상이었으나 본애쉬 1wt% 첨가로 흡수율이 0.1%까지 떨어져 치밀한 소성체를 얻었다. 또한 밀도에서도 본애쉬를 첨가하지 않은 소성체의 밀도는 2.6g/cm³이었으나 본애쉬 1wt% 첨가로 밀도가 2.7g/cm³까지 증가하였다.
본애쉬를 첨가하지 않고 1,280℃에서 소성한 소성체의 강도는 145MPa였으나 본애쉬 1wt% 첨가로 강도는 162MPa로 증가하였다. 본애쉬를 10wt%까지 첨가한 소성체의 강도는 183MPa까지 강도가 증가하였다. 본애쉬를 첨가하지 않고 1,300℃에서 소성한 소성체의 강도는 165MPa였으나 본애쉬 1wt% 첨가로 강도는 176MPa까지 증가하였다.
본애쉬가 첨가되지 않고 1,280℃에서 소성한 소성체의 결정상은 mullite, α-corundum, quartz 상만이 관찰되었고, 그 구성비는 각각 20.8%, 64.9%. 14.3%로 나타났다. 소성온도가 높아짐에 따라 α-corundum은 58.7%로 감소하고, mullite는 26.2%로, quartz는 15.1%로 증가하였다. 이는 소성온도 증가로 인해 첨가된 알루미나가 mullite로 전환되면서 강도를 증가시킨 것으로 판단된다.
1,280℃ 소성체에서 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 비정질상의 양은 크게 증가하지 않았다. 그러나 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 mullite는 감소하기 시작해 10wt%에서 완전히 사라졌고, anorthite는 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 최대 9.8%까지 생성되었다. α-corundum과 quartz는 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 크게 변화하지 않은 것으로 보아 본애쉬 첨가는 점토와의 반응으로 mullite의 감소와 anorthite의 생성량 증가로 나타났다.
그러나 1,300℃ 소성체에서는 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 비정질상은 61%에서 72.7%까지 증가하였다. 또한 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 mullite는 감소하였지만, anorthite는 크게 생성되지 않아 본애쉬 10wt% 첨가할 때 anorthite는 4%만 생성되었다. 또한 α-corundum과 quartz는 본애쉬 첨가량이 증가함에 따라 3% 정도 감소하였다. 즉 본애쉬의 첨가는 소성온도가 증가함에 따라 anorthite 생성보다는 비정질상 증가의 결과로 나타났다.
소결촉진제로 본애쉬 대신 장석을 첨가하여 1,300℃에서 소성한 소성체는 mullite, α-corundum, quartz만이 존재하였고 장석 첨가량이 증가함에 따라 mullite 생성은 증가하지 않고 α-corundum이 많이 남아 있는 결과로 나타났다. 또한 액상도 장석 첨가량이 증가함에 따라 증가하였다. 장석 첨가에 따른 기계적 물성은 크게 변화하지 않았고 이는 mullite 생성이 억제되고 비정질 생성이 많아 기계적 물성 향상에는 도움이 되지 않음을 알 수 있었다.
본애쉬의 첨가는 1,280℃ 소성체에서 소결촉진제의 역할을 하였고, 비정질상 생성에도 영향을 미치지 않아 결과적으로 소성체의 기계적 강도값을 증가시키는 결과로 이어졌다. 그러나 1,300℃ 소성에서는 소결촉진제의 역할을 하였으나 비정질상의 증가로 나타나 기계적 강도값을 감소 결과로 나타났다.