KR100188988B1 - Fabrication method of silicon nitride/silicon carbide nanocomposites from polymer and silicon compounds - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기지상인 질화규소 분말에 고분자 및 규소 화합물을 첨가시켜 혼합한 후, 혼합물 중의 고분자를 탄화시켜 생성된 탄소 (C)를 질화규소의 산화막 또는 첨가한 규소 화합물과 반응시킴으로써, 초미립인 탄화규소가 고르게 분산된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 종래 방법에 비해 제조 단가가 저렴하고 탄화규소의 분산 특성이 우수한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료를 제조할 수 있다.In the present invention, a polymer and a silicon compound are added and mixed with a known silicon nitride powder, and the carbon in the mixture is carbonized to react the carbon (C) formed with an oxide film of silicon nitride or the added silicon compound, thereby producing ultrafine silicon carbide. A method for producing evenly dispersed silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials. According to the method of the present invention, a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material having a low manufacturing cost and excellent dispersion characteristics of silicon carbide can be produced compared to the conventional method.

Description

고분자와 규소 화합물을 이용한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 제조법Manufacturing method of silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material using polymer and silicon compound

본 발명은 기지상인 질화규소 (Si3N4)에 입경이 수십 nm 내지 수백 nm인 초미립의 탄화규소 (SiC)가 기지상의 입계와 입내에 고르게 분산된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 제조용 분말 및 소결체를 탄화규소 분말의 첨가없이 제조하는 방법에 관한 것이다.The invention powder base merchant silicon nitride (Si 3 N 4) in the particle size of several tens nm to several hundreds nm and ultra fine silicon carbide (SiC) is evenly the silicon nitride / silicon carbide ultrafine dispersion composites in the grain boundaries and the mouth on the base for making and A method for producing a sintered body without the addition of silicon carbide powder.

질화규소 (Si3N4)는 구조 세라믹스에서 요구되는 파괴 강도, 파괴 인성, 내열성이 우수하여 현재 절삭공구 등의 내마모성 재료, 예연소실, 밸브, 터보 챠저 로터 (turbo charger rotor)등의 자동차 엔진용 부품으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 질화규소는 공유결합성을 갖기 때문에 소결을 촉진하는 첨가제 (소결조제)를 사용하지 않으면 1700℃ 이상의 고온에서 소결하여도 치밀한 소결체를 얻을 수 없다. 따라서, 질화규소의 소결을 촉진시켜 치밀한 소결체를 제조하기 위해서 산화물계의 소결조제가 사용된다. 그러나, 소결을 촉진시키기 위해 첨가한 산화물은 입계에 유리질 막을 형성시켜, 대부분의 경우 1200 ℃ 이상에서 질화규소 소결체의 강도를 현저하게 저하시킨다.Silicon nitride (Si 3 N 4 ) has excellent fracture strength, fracture toughness, and heat resistance required for structural ceramics, and is currently used in automotive engine parts such as wear-resistant materials such as cutting tools, preburn chambers, valves, and turbo charger rotors. Widely used. However, since such silicon nitride has covalent bonding properties, a compact sintered compact cannot be obtained even if it is sintered at a high temperature of 1700 ° C. or higher unless an additive (sintering aid) which promotes sintering is used. Therefore, an oxide-based sintering aid is used to promote the sintering of silicon nitride to produce a dense sintered body. However, the oxide added to promote sintering forms a glassy film at the grain boundaries, which in most cases significantly lowers the strength of the silicon nitride sintered body at 1200 ° C or higher.

상기한 질화규소의 고온에서의 강도 저하를 억제하는 방법으로 내열성이 강하고 질화규소와 반응성이 없는 탄화규소를 첨가하여 복합화시키는 방법이 있다. 첨가하는 탄화규소의 형태에 따라서 섬유 강화 (예를 들면, 일본 특허 제113893호, 동 제113902호), 화이버 강화 (예를 들면, 미국 특허 제450147호, 국제 특허 출원 공개 제9108992호 등), 입자 강화 (예를 들면, 일본 특허 제329552호) 복합 재료가 있으며, 초미립 복합 재료는 입자 강화 복합 재료의 하나인 초미립 입자를 사용하여 기지상을 강화한 복합 재료이다.As a method of suppressing the strength drop at high temperatures of silicon nitride described above, there is a method of adding and complexing silicon carbide having high heat resistance and which is not reactive with silicon nitride. Depending on the type of silicon carbide to be added, fiber reinforcement (for example, Japanese Patent No. 113893, 113113902), fiber reinforcement (for example, US Patent No. 450147, International Patent Application Publication No. 9108992, etc.), There is a particle-reinforced (for example, Japanese Patent No. 329552) composite material, and the ultrafine composite material is a composite material in which the matrix phase is reinforced by using the ultrafine particles which are one of the particle-reinforced composite materials.

질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료는 기계적 특성이 우수하다고 알려진 재료로서, 그 제조 방법으로는, 출발 물질로써 ([Si(CH)3]2NH + NH3+ N2)의 혼합 기체를 1000 ℃에서 기상 반응시켜 합성한 Si-C-N 비정질 분말을 이용하여 제조하는 방법 (일본 특허 제329552호)과 질화규소 분말에 메탄 가스를 열분해시킴으로써 탄소를 증착시켜 제조하는 방법이 있다. 또한, 이들 초미립 복합 재료 제조용 분말을 이용하지 않고, 질화규소 분말과 초미립의 탄화규소 분말을 직접 혼합하여 초미립 복합 재료 소결체를 제조하는 방법도 있다.Silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material is a material known to have excellent mechanical properties. As a production method, a mixed gas of ([Si (CH) 3 ] 2 NH + NH 3 + N 2 ) is used as a starting material at 1000 ° C. There is a method of producing by using a Si-CN amorphous powder synthesized by gas phase reaction at (Japanese Patent No. 329552) and a method of producing by depositing carbon by thermal decomposition of methane gas to silicon nitride powder. In addition, there is also a method for producing ultrafine composite material sintered bodies by directly mixing silicon nitride powder and ultrafine silicon carbide powder without using these ultrafine composite material powders.

기상 반응에 의하여 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 제조용 비정질 분말을 제조하는 방법의 장점은, 이 방법에 의해서 합성된 분말이 구형에 가깝고 화학 성분이 균질하다는 것이다. 그러나, 상기와 같은 기상 반응에 의한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 분말의 제조 방법은 생산성이 낮고 제조 단가가 높으며, 대량 생산하기 어려운 단점이 있을 뿐만 아니라, 소결 중에 비정질 분말이 결정화하면서 약 40 %의 중량 감소를 일으키므로 가압 소결과 같은 특수한 소결법에 의해서만 치밀한 소결체를 얻을 수 있다는 단점이 있다.An advantage of the method of producing amorphous powders for the production of silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials by gas phase reaction is that the powder synthesized by this method is close to spherical and the chemical composition is homogeneous. However, the method of producing the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material powder by the above gas phase reaction has a disadvantage of low productivity, high manufacturing cost, and difficulty in mass production, and about 40% of the amorphous powder crystallizes during sintering. Due to the weight reduction of, a compact sintered body can be obtained only by a special sintering method such as pressure sintering.

질화규소 분말에 탄소를 증착시키는 방법도 기상법을 사용하므로 제조 단가가 높고 생산성이 떨어지며, 탄소가 증착되는 부위가 메탄 가스에 노출되는 곳에 한정되기 때문에 질화규소 분말 전체에 탄소를 고르게 증착시킬 수 없는 단점이 있으며, 또한, 이 방법에 의해서는 탄화규소를 합성하기 위하여 필요한 규소를 공급하지 못하고 탄소만을 증착시키므로, 질화규소/탄화규소 소결체에 포함시킬 수 있는 탄화규소의 양을 조절하지 못하는 단점도 있다.As a method of depositing carbon on silicon nitride powder also uses a vapor phase method, the manufacturing cost is high, productivity is low, and carbon deposition is limited to a place where carbon deposition sites are exposed to methane gas. In addition, this method does not supply silicon necessary for synthesizing silicon carbide, and only deposits carbon, so that there is a disadvantage in that it cannot control the amount of silicon carbide that can be included in the silicon nitride / silicon carbide sintered body.

출발 원료로 초미립 탄화규소 분말을 사용하여 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료를 제조하는 방법은, 종래의 세라믹 제조공정과 동일하므로, 상기한 비정질 분말이나 탄소 증착에 의한 방법보다 공업적으로 용이하게 초미립 복합 재료 소결체를 제조할 수 있다. 그러나, 이 방법은 출발 물질인 초미립 탄화규소 입자가 질화규소 입자와 균일하게 혼합되기 어렵고, 또한 건조 중에 잘 응집되기 때문에 소결체에 결함이 발생하여 기계적 특성이 우수하고 신뢰성이 있는 소결체를 제조하기가 어려우며, 평균 입경이 수십 nm인 초미립 분말은 기상 반응에 의해서 제조되기 때문에 가격이 비싸다는 단점이 있다.The method for producing silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials using ultrafine silicon carbide powder as a starting material is the same as that of a conventional ceramic manufacturing process, and thus is more industrially easier than the amorphous powder or carbon deposition method described above. Ultrafine composite material sintered body can be manufactured. However, this method is difficult to produce sintered compacts having excellent mechanical properties and defects due to defects in the sintered compacts because the ultrafine silicon carbide particles, which are starting materials, are difficult to be uniformly mixed with the silicon nitride particles and are well aggregated during drying. Ultrafine powder having an average particle diameter of several tens of nm is expensive because it is manufactured by a gas phase reaction.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래 방법의 문제점을 극복하고, 출발 원료의 가격이 저렴하며, 탄화규소가 질화규소 내에 균일하게 분포된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to overcome the problems of the conventional method described above, to provide a method for producing a powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material in which the starting material is low in cost and silicon carbide is uniformly distributed in silicon nitride. will be.

본 발명의 다른 목적은 상기 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료의 소결체의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a sintered body of the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention.

도 1은 본 발명의 기본 원리를 설명하는 개념도.1 is a conceptual diagram illustrating the basic principle of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 공정도.Figure 2 is a manufacturing process of the powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 소결체의 제조 공정도.3 is a manufacturing process diagram of a sintered compact for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material according to Example 2 of the present invention;

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체 (a)와 종래의 공정으로 제조된 질화규소 소결체 (b)의 XRD 회절도.4 is an XRD diffraction diagram of a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body (a) prepared according to Example 2 of the present invention and a silicon nitride sintered body (b) prepared by a conventional process.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명에 따르면, 질화규소 분말에 초미립인 탄화규소가 균일하게 분포된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법이 제공된다.First, according to the present invention, there is provided a method for producing a powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material in which ultrafine silicon carbide is uniformly distributed in silicon nitride powder.

본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법은 질화규소 분말에 고분자를 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막을 반응시키는 것을 특징으로 한다.The method for producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material powder according to the present invention is characterized in that a polymer is added to silicon nitride powder, and carbon produced by carbonizing the polymer reacts with an oxide film on the surface of silicon nitride.

또한, 본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법은 질화규소 분말에 고분자 및 규소 화합물을 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막과 규소 화합물을 반응시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for producing a powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials according to the present invention includes adding a polymer and a silicon compound to the silicon nitride powder, and reacting the carbon film formed by carbonizing the polymer with the oxide film on the silicon nitride surface and the silicon compound. It features.

보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법은More specifically, the method for producing the powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material according to the present invention is

질화규소 분말에 고분자, 임의로 규소 화합물 및 용매를 혼합시키는 공정,Mixing a silicon nitride powder with a polymer, optionally a silicon compound and a solvent,

상기 혼합물을 건조시키는 공정,Drying the mixture,

건조시킨 혼합물을 볼밀 등의 방법으로 혼합시켜 응집체를 분쇄시키는 공정,Mixing the dried mixture by a method such as a ball mill to crush the aggregates,

분쇄된 건조 분말을 전기로에서 열처리하여 고분자를 탄화시키는 공정,Heat treating the pulverized dry powder in an electric furnace to carbonize the polymer,

온도를 계속 상승시킴으로써 상기 탄화 단계에서 형성된 탄소를 질화규소 표면의 산화막 또는 규소 화합물과 반응시켜 질화규소 표면에 탄화규소를 생성시키는 공정을 포함한다.And continuing to increase the temperature to react the carbon formed in the carbonization step with an oxide film or silicon compound on the silicon nitride surface to produce silicon carbide on the silicon nitride surface.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참고로 하면, 질화규소는 공기와 접촉함으로써 표면에 산화막이 생성되고 일정 두께의 산화막이 형성되면 상온에서는 더 이상의 산화는 거의 진행되지 않는다. 이때 질화규소 분말에서 산화막이 차지하는 양은 분말 중에 포함된 산소의 양으로 측정 가능하다. 예를 들어, 우베 시멘트 캄파니 (UBE CEMENT CO.)가 제조하는 SN-E10에는 1.26 %의 산소가 포함되어 있고, 오노다 시멘트 캄파니 (ONODA CEMENT CO.)의 HM-5MF에는 1.5 %의 산소가 포함되어 있다. 따라서, 본 발명의 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료를 제조하는 경우, 상기한 바와 같이 산화막이 있는 질화규소 분말의 표면에 고분자를 균일하게 입히고, 고분자가 산화되지 않는 분위기에서 급격한 휘발을 억제하면서 열처리시키면, 고분자의 종류에 따라서 차이가 있으나 탄화하여 탄소가 된다. 계속해서 온도를 상승시키면 상기 탄소와 질화규소의 산화막인 산화규소가 반응하여 질화규소 표면에 탄화규소가 생성되어 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말을 제조할 수 있다.Referring to FIG. 1, when silicon nitride is formed on the surface by contact with air and an oxide film having a predetermined thickness is formed, further oxidation hardly proceeds at room temperature. In this case, the amount occupied by the oxide film in the silicon nitride powder may be measured by the amount of oxygen contained in the powder. For example, SN-E10, manufactured by UBE CEMENT CO., Contains 1.26% oxygen, and HM-5MF of ONODA CEMENT CO., 1.5% oxygen. Is included. Therefore, in the case of producing the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material of the present invention, if the polymer is uniformly coated on the surface of the silicon nitride powder with the oxide film as described above, and heat treatment while suppressing rapid volatilization in an atmosphere in which the polymer is not oxidized However, there is a difference depending on the type of polymer, but carbonized to carbon. Subsequently, when the temperature is increased, silicon oxide, which is an oxide film of carbon and silicon nitride, reacts to generate silicon carbide on the surface of silicon nitride, thereby preparing a powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material.

도 2에 도시되어 있는 바와 같은 본 발명의 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법에 따르면, 우선, 시판되고 있는 질화규소 분말에 수용성 고분자 및 규소 화합물을 볼밀 또는 어트리션 밀과 같은 일반적인 습식 혼합법으로 혼합한다. 이때, 사용하는 고분자가 고체 상태인 경우, 또는 액체 상태이지만 점도가 높아 질화규소 분말을 충분히 적시지 못하는 경우에는 고분자를 용해시킬 수 있는 용매를 첨가하여 고분자 수용액의 점도를 낮추어 질화규소 분말이 잘 젖도록 한다. 질화규소 분말의 응집체가 파괴되어 1차 입자가 완전히 젖을 때까지 혼합한다. 혼합이 완료된 혼합물을 고분자가 산화하지 않는 온도, 즉, 70 ℃ 내지 100 ℃에서 6 시간 동안 건조시킨다. 건조시킨 혼합물을 건식 볼밀 등의 방법으로 건식 혼합하여 건조시 생성된 응집체를 분쇄시킨다. 분쇄된 건조 혼합물의 분말을 알루미나 보트 또는 알루미나 도가니에 넣어 분위기를 조절할 수 있는 전기로에서 진공 또는 질소 기체나 아르곤 기체 분위기 하에서 300 ℃ 내지 1000 ℃에서 24 시간 동안 열처리시켜 고분자를 탄화시키고, 이와 같이 하여 형성된 탄소를 온도를 1300 ℃ 내지 1500 ℃에서 4 시간 동안 계속 상승시켜 질화규소 표면의 산화막 또는 규소 화합물과 반응시켜 질화규소 표면에 탄화규소를 생성시킨다. 이상과 같은 간단한 종래의 세라믹 제조 공정을 통하여 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말을 제조할 수 있다.According to the manufacturing method of the ultrafine composite material powder of the present invention as shown in Fig. 2, first, commercially available silicon nitride powder is mixed with a water-soluble polymer and a silicon compound by a general wet mixing method such as a ball mill or an attention mill. do. At this time, when the polymer used is in the solid state or liquid state, but the viscosity is high enough to sufficiently wet the silicon nitride powder, by adding a solvent capable of dissolving the polymer to lower the viscosity of the aqueous polymer solution so that the silicon nitride powder wet well. . The aggregate of silicon nitride powder is broken and mixed until the primary particles are completely wetted. The mixed mixture is dried for 6 hours at a temperature at which the polymer does not oxidize, that is, 70 to 100 ° C. The dried mixture is dry mixed by a dry ball mill or the like to pulverize the aggregates produced during drying. The powder of the pulverized dry mixture is placed in an alumina boat or an alumina crucible and heat treated at 300 ° C. to 1000 ° C. for 24 hours in a vacuum or nitrogen gas or argon gas atmosphere in an electric furnace to control the atmosphere, thereby carbonizing the polymer. The carbon is continuously raised at 1300 ° C to 1500 ° C for 4 hours to react with an oxide film or silicon compound on the silicon nitride surface to produce silicon carbide on the silicon nitride surface. Through the simple conventional ceramic manufacturing process as described above, the powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material can be produced.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같이 제조된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말을 소결하여 치밀한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체를 제조하는 방법을 제공한다.Further, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a compact silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body by sintering the powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material prepared as described above.

본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 제조 방법은 질화규소 분말에 고분자 및 소결조제를 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막을 반응시키는 것을 특징으로 한다.The method for producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body according to the present invention is characterized in that a polymer and a sintering aid are added to silicon nitride powder, and carbon produced by carbonizing the polymer is reacted with an oxide film on the surface of silicon nitride.

또한, 본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 제조 방법은 질화규소 분말에 고분자, 소결조제 및 규소 화합물을 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막 및 규소 화합물을 반응시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body according to the present invention includes adding a polymer, a sintering aid, and a silicon compound to silicon nitride powder, and reacting carbon produced by carbonizing the polymer with an oxide film and a silicon compound on the silicon nitride surface. It is characterized by.

보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 제조 방법은More specifically, the method for producing the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body according to the present invention

질화규소 분말에 고분자, 소결조제 및 임의로 규소 화합물 및 용매를 첨가하여 혼합시키는 공정,Adding a polymer, a sintering aid and optionally a silicon compound and a solvent to the silicon nitride powder and mixing the same;

상기 혼합물을 건조시키는 공정,Drying the mixture,

건조시킨 혼합물을 볼밀 등의 방법으로 혼합시켜 응집체를 분쇄시키는 공정,Mixing the dried mixture by a method such as a ball mill to crush the aggregates,

분쇄된 건조 분말을 전기로에서 열처리하여 고분자를 탄화시키는 공정,Heat treating the pulverized dry powder in an electric furnace to carbonize the polymer,

온도를 계속 상승시킴으로써 상기 탄화 단계에서 형성된 탄소를 질화규소 표면의 산화막 또는 규소 화합물과 반응시켜 질화규소 표면에 탄화규소를 생성시키는 공정,Continuously increasing the temperature to react the carbon formed in the carbonization step with an oxide film or silicon compound on the silicon nitride surface to produce silicon carbide on the silicon nitride surface,

탄화규소가 생성된 분말을 체거름을 통하여 과립을 형성시키는 공정,Forming a granule through the sieve through the powder of silicon carbide,

상기 과립을 소정의 형태로 성형하여 성형체를 제조하는 공정,Molding the granules into a predetermined form to produce a molded article,

상기 성형체를 소결하여 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체를 형성시키는 공정으로 이루어진다.The molded body is sintered to form a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body.

본 발명에 따른 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체 제조 방법에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 출발 물질로서 질화규소에 고분자, 추가로 소결체의 치밀화를 촉진시키기 위한 소결조제 및 임의로 탄화규소의 함유량을 조절하기 위한 규소 화합물 및 용매를 사용하여, 상기한 초미립 복합 재료용 분말의 제조 공정과 실질적으로 동일한 공정을 수행한 후, 추가로 탄화규소가 생성된 분말을 체거름을 통하여 과립상으로 하고, 과립된 분말을 프레스나 정수압 성형법 등의 방법으로 소정 형태로 성형한다. 이와 같이 성형된 성형체를 전기로에서 1700 ℃ 내지 2000 ℃에서 4 시간 동안 소결하고, 이를 냉각시켜 치밀한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체를 제조한다.According to the method for producing the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body according to the present invention, as shown in FIG. 3, the content of the sintering aid for promoting the densification of the polymer, additionally the sintered body, and optionally silicon carbide in silicon nitride as a starting material Using a silicon compound and a solvent for controlling the above, substantially the same process as the manufacturing process of the powder for the ultrafine composite material described above, and further, the silicon carbide powder is granulated through a sieving The granulated powder is molded into a predetermined form by a press or a hydrostatic molding method. The molded article thus formed is sintered at 1700 ° C. to 2000 ° C. for 4 hours in an electric furnace, and cooled to prepare a compact silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body.

본 발명에서 사용하는 고분자 및 규소 화합물은 초미립 탄화규소 분말 보다 가격면에서 저렴하다[예를 들면, 스미또모 시멘트 캄파니 (Sumitomo Chemical Company)의 초미립 탄화규소 분말 T-1의 가격은 $1,000/kg인데 비하여 도꾜 가세이 (TOKYO KASEI)의 고분자인 폴리비닐 알코올의 가격은 $20/kg, 시그마 케미칼 캄파니 (SIGMA CHEMICAL CO.)의 산화규소의 가격은 $26.4/kg임].The polymers and silicon compounds used in the present invention are less expensive than the ultrafine silicon carbide powder [For example, the price of ultrafine silicon carbide powder T-1 of Sumitomo Chemical Company is $ 1,000 / Compared to kg, polyvinyl alcohol, a polymer of TOKYO KASEI, is $ 20 / kg and silicon oxide of SIGMA CHEMICAL CO. is $ 26.4 / kg].

본 발명에서 사용하기에 적당한 중합체의 예로는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리부타디엔, 폴리프로필렌, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리비닐 아세테이트, 페놀 수지를 들 수 있다.Examples of suitable polymers for use in the present invention include polyethylene glycol, polybutadiene, polypropylene, polyvinyl alcohol, polyethylene, polystyrene, polyvinyl acetate, phenol resins.

또한, 본 발명에서 사용하기에 적당한 규소 화합물의 예는 산화규소, 실리카 졸, 실리카 겔, 수산화규소, 탄산규소를 들 수 있다.Further examples of silicon compounds suitable for use in the present invention include silicon oxide, silica sol, silica gel, silicon hydroxide and silicon carbonate.

상기 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조에서, 고분자는 예를 들면, 질화규소에 대하여 PEG를 3 중량% 내지 30 중량%의 양으로 첨가한다.In the preparation of the silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material powder, the polymer is added, for example, in an amount of 3% to 30% by weight of PEG, relative to silicon nitride.

또한, 상기한 탄화규소의 함유량을 조절하기 위한 규소 화합물은 예를 들면, 질화규소에 대하여 산화규소 1 중량% 내지 20 중량%의 양으로 첨가하는 것이 바람직하고, 용매로서는 물 또는 알콜과 같은 유기 용매를 질화규소 분말에 대하여 100 부피% 내지 200 부피%의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다.In addition, the silicon compound for controlling the content of the silicon carbide described above is preferably added in an amount of 1% by weight to 20% by weight with respect to silicon nitride, and an organic solvent such as water or an alcohol is used as the solvent. It is preferred to add in an amount of 100% by volume to 200% by volume relative to the silicon nitride powder.

상기 소결체 제조용 소결 조제로서는 알루미나 (Al2O3)와 잇트리아 (Y2O3)를 각각 4 중량%, 6 중량%만큼 첨가하는 것이 바람직하다.It is preferable to add alumina (Al 2 O 3 ) and yttria (Y 2 O 3 ) by 4% by weight and 6% by weight, respectively, as the sintering aid for producing the sintered body.

상기 출발 물질의 혼합 및 건조된 혼합물의 혼합시의 볼밀링은 질화규소 볼 등을 사용하여 6 내지 24 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.Ball milling during mixing of the starting material and mixing of the dried mixture is preferably carried out for 6 to 24 hours using silicon nitride balls or the like.

상기 소결체의 제조에서, 성형체의 소결은 1700 내지 2000 ℃에서 2 내지 4 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.In the production of the sintered compact, the sintering of the compact is preferably performed at 1700 to 2000 ° C. for 2 to 4 hours.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예 1Example 1

폴리에틸렌 용기에 질화규소 분말 (UBE E-10) 100 g, 고분자로서 5% PVA 수용액 300 cc 및 질화규소 볼 150 cc를 넣고 24시간 동안 습식 혼합하였다. 혼합된 슬러리를 비이커에 담아 80 ℃에서 완전히 건조시켰다. 건조된 혼합물을 폴리에틸렌 용기에 담아 질화규소 볼을 사용하여 4시간 동안 건식 혼합하였다. 건식 혼합한 분말을 알루미나 보트에 담아 분위기를 조절할 수 있는 튜브로에 넣고 질소 기체를 흘려주면서 350 ℃로 가열하여 24시간 동안 유지한 후, 계속해서 1400 ℃로 승온시켜 4시간 동안 유지시키고 냉각하여 질화규소 분말의 표면에 초미립 탄화규소 분말이 균일하게 분포된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말을 제조하였다.100 g of silicon nitride powder (UBE E-10), 300 cc of 5% PVA aqueous solution and 150 cc of silicon nitride ball were put into a polyethylene container and wet mixed for 24 hours. The mixed slurry was placed in a beaker and completely dried at 80 ° C. The dried mixture was placed in a polyethylene container and dry mixed for 4 hours using silicon nitride balls. The dry mixed powder was put into an alumina boat and placed in an atmosphere-controlled tube furnace, heated at 350 ° C. for 24 hours while flowing nitrogen gas, and then heated up to 1400 ° C. for 4 hours, cooled, and silicon nitride A powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials was prepared in which ultrafine silicon carbide powder was uniformly distributed on the surface of the powder.

실시예 2Example 2

폴리에틸렌 용기에 질화규소 분말 (UBE E-10) 100 g, 고분자로서 5% PVA 수용액 300 cc 및 소결조제로서 알루미나 (Al2O3) 4 g 및 잇트리라 (Y2O3) 6 g, 및 질화규소 볼 150 cc를 넣고 24시간 동안 습식 혼합하였다. 혼합된 슬러리를 비이커에 담아 80 ℃에서 완전히 건조시켰다. 건조된 혼합물을 폴리에틸렌 용기에 담아 질화규소 볼을 사용하여 4시간 동안 건식 혼합하였다. 건식 혼합한 분말을 알루미나 보트에 담아 분위기를 조절할 수 있는 튜브로에 넣고 질소 기체를 흘려주면서 350 ℃로 가열하여 24시간 동안 유지시킨 후, 계속해서 1400 ℃로 승온시켜 4시간 동안 유지시키고 냉각시켜 초미립 탄화규소 분말과 질화규소 분말이 고르게 혼합되어 있는 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말을 제조하였다. 제조한 분말을 150목의 체로 체거름하여 과립상으로 하였다. 과립상 분말을 금형에 넣고 프레스하여 직경이 15 mm, 높이 10 mm인 디스크로 만들어 냉간정수압 성형하였다. 냉간정수압 성형한 성형체를 흑연 발열체를 사용하는 전기로에서 10기압의 질소 기체 분위기에서 1900 ℃로 승온시켜 4시간 유지한 후, 냉각시켜 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체를 제조하였다. 수득된 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 소결 밀도는 99% 였으며, 탄화규소가 생성되어 있음을 X-선 회절 분석기를 사용하여 확인하였다.100 g of silicon nitride powder (UBE E-10) in a polyethylene container, 300 cc of 5% PVA aqueous solution as polymer, 4 g of alumina (Al 2 O 3 ) as a sintering aid and 6 g of itrira (Y 2 O 3 ), and silicon nitride 150 cc of the ball was added and wet mixed for 24 hours. The mixed slurry was placed in a beaker and completely dried at 80 ° C. The dried mixture was placed in a polyethylene container and dry mixed for 4 hours using silicon nitride balls. The dry mixed powder was put into an alumina boat, placed in a tube furnace for controlling the atmosphere, heated to 350 ° C. for 24 hours while flowing nitrogen gas, and subsequently heated to 1400 ° C. for 4 hours, cooled, and A powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials, in which fine silicon carbide powder and silicon nitride powder were evenly mixed, was prepared. The powder thus obtained was sieved through a 150-neck sieve to obtain granular form. The granular powder was put into a mold and pressed to form a disk having a diameter of 15 mm and a height of 10 mm, and cold-statically molded. The cold hydrostatically formed molded body was heated to 1900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere of 10 atm in an electric furnace using a graphite heating element, held for 4 hours, and cooled to prepare a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body. The sintered density of the obtained silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body was 99%, and it was confirmed using an X-ray diffraction analyzer that silicon carbide was produced.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 X-선 회절도로서, 이를 통해 본 발명의 제조 방법에 의해서 출발 원료로 첨가하지 않았던 탄화규소가 소결체 내에 생성되었음을 확인할 수 있다.4 is an X-ray diffraction diagram of a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body prepared according to Example 2 of the present invention, through which silicon carbide, which was not added as a starting material by the manufacturing method of the present invention, is contained in the sintered body You can see that it was created.

본 발명의 고분자를 이용한 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말 및 소결체의 제조 방법은 고가의 초미립 탄화규소 대신에 상대적으로 가격이 저렴한 고분자와 규소 화합물을 사용하므로, 종래 방법에 비하여 제조 단가가 낮고, 제조 공정이 간단하여 산업적 규모의 제조에 적합하며, 초미립 탄화규소 입자를 질화규소 표면에 균일하게 분산시킬 수 있어 재료의 특성을 향상시킬 수 있다.The method for producing powders and sintered compacts for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials using the polymer of the present invention uses relatively inexpensive polymers and silicon compounds in place of expensive ultrafine silicon carbide, which is more expensive than conventional methods. Low, simple manufacturing process, suitable for industrial scale production, ultra-fine silicon carbide particles can be uniformly dispersed on the silicon nitride surface to improve the properties of the material.

Claims (4)

질화규소 분말에 고분자를 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막을 반응시키는 것을 특징으로 하는 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법.A method for producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material powder, comprising adding a polymer to silicon nitride powder and reacting carbon produced by carbonizing the polymer with an oxide film on a silicon nitride surface. 질화규소 분말에 고분자 및 규소 화합물을 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막과 규소 화합물을 반응시키는 것을 특징으로 하는 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료용 분말의 제조 방법.A method for producing a powder for silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite materials, comprising adding a polymer and a silicon compound to a silicon nitride powder, and reacting the carbon produced by carbonizing the polymer with an oxide film on the silicon nitride surface and the silicon compound. 질화규소 분말에 고분자 및 소결조제를 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막을 반응시키는 것을 특징으로 하는 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 제조 방법.A method of producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body, wherein a polymer and a sintering aid are added to silicon nitride powder, and carbon is produced by carbonizing the polymer to react with an oxide film on the surface of silicon nitride. 질화규소 분말에 고분자, 소결조제 및 규소 화합물을 첨가하고, 고분자를 탄화시켜 생성되는 탄소와 질화규소 표면의 산화막과 규소 화합물을 반응시키는 것을 특징으로 하는 질화규소/탄화규소 초미립 복합 재료 소결체의 제조 방법.A method for producing a silicon nitride / silicon carbide ultrafine composite material sintered body, comprising adding a polymer, a sintering aid, and a silicon compound to silicon nitride powder, and reacting the carbon produced by carbonizing the polymer with an oxide film on the silicon nitride surface and a silicon compound.
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