KR100379743B1

KR100379743B1 - 다공성 탄화규소체의 접합방법

Info

Publication number: KR100379743B1
Application number: KR10-2000-0032205A
Authority: KR
Inventors: 서기식; 이도영
Original assignee: (주)글로벌코센테크
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2003-04-11
Also published as: KR20010111654A

Abstract

본 발명은 다공성 탄화규소체의 접합방법 및 그로부터 접합된 탄화규소 접합체에 관한 것이다. 본 발명에서는 열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 도포, 압착하고, 열경화성 수지를 중합하여 임시 접합한 다음, 이를 소성하여 다공성 탄화규소체를 접합하는 방법 및 그로부터 접합된 탄화규소 접합체를 제공한다. 본 발명에 의하여, 다양한 형상의 다공성 탄화규소체를 비교적 간단한 방법으로 접합할 수 있게 되었음은 물론, 접합된 다공성 탄화규소 접합체는 다공성 탄화규소체 본래의 강도와 동등한 수준의 접합강도를 가지며, 물이나 강산 등의 조건에서도 뛰어난 안정성을 보인다. 따라서, 본 발명은 자동차 정화용 또는 산업현장의 분진제거용으로 사용되는 각종 탄화규소체 필터를 접합하는데 널리 활용될 수 있을 것이다.

Description

다공성 탄화규소체의 접합방법{Method for Jointing Porous SiC Body}

본 발명은 다공성 탄화규소체의 접합방법 및 그로부터 접합되는 탄화규소 접합체에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 도포, 압착하고, 열경화성 수지를 중합하여 임시 접합한 다음, 이를 소성하여 다공성 탄화규소체를 접합하는 방법 및 그로부터 접합된 탄화규소 접합체에 관한 것이다.

자동차의 배기가스나 기타 생산현장에서 발생하는 분진 제거용 필터로 사용되는 탄화규소체는 통상적으로 탄화규소 분말을 포함하는 고분자로 이루어진 전구체를 형성한 다음, 이를 고온에서 소결시키는 방법으로 제조된다. 이때, 전구체를 형성하는 공정으로는 압출 또는 압착방법이 사용될 수 있으나, 실제 산업현장에서는 연속공정 가능한 압출방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 압출방법의 경우,공정의 특성상 제조되는 탄화규소체의 크기가 제한되는 것은 피할 수 없기 때문에, 실제에 있어서는 압출공정에 의하여 제조되는 탄화규소체들을 접합하여 산업현장에서 사용되고 있는 바, 탄화규소체들을 효과적으로 접합하려는 노력이 다양하게 시도되고 있다.

예를 들어, 로시(Rossi) 등의 미국특허 제 4,925,608호 및 굽타(Gupta) 등의 미국특허 제 4,487,644호에는 접합하려는 탄화규소체의 표면을 유리와 같이 연마한 다음, 고온에서 높은 압력으로 압착하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 표면을 연마하는 별도의 공정이 필요할 뿐만 아니라, 연마 중 과도한 압력에 의하여 탄화규소체가 부서지는 등의 문제점이 발생할 수 있어, 다공성 탄화규소체의 접합에는 적합하지 않은 방법이다. 또한, 이 방법에서는 고온에서 계속적으로 압력이 유지되어야 하므로, 접합되는 탄화규소체의 크기가 제한되고 형상 또한 자유롭지 못하다는 단점이 있다.

또한, 라빈(Rabin) 등의 미국특허 제 5,139,594호에는, 탄소섬유나 탄화규소가 포함된 탄화규소 복합체의 표면에, 전기 복합체와 발열반응이 가능한 물질 즉, 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si), 티타늄(Ti)과 카본(C) 또는 티타늄과 보론(B)을 포함하는 접합물질을 단독으로 또는 혼합하여 도포하고, 이를 발열반응이 시작하는 온도에서 소결하여 탄화규소 섬유를 포함하는 세라믹을 접합하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 다공성 탄화규소체가 아닌 치밀한 탄화규소체를 접합하는 방법일 뿐만 아니라, 이 방법을 사용하는 경우 탄소섬유의 존재가 필수적이라 가격적인 측면에서 일반적인 다공성 탄화규소체의 접합방법으로 사용될 수 없다는 단점이 있다.

한편, 베이트(Bate) 등의 미국특허 제 4,921,554호에는 다공성 탄화규소체의 접합방법으로 전기의 다공성 탄화규소체와 동일 탄화규소 조성에 소결조제(sintering aid)와 접합소결 전 다공성체의 핸들링(handing) 강도를 부여하는 결합제(binder)를 혼합한 후 정수압(CIP: cold isostatic pressure)으로 압착가공하고, 이를 다시 고온에서 열처리하는 방법이 개시되고 있다. 그러나, 이 방법은 정수압으로 가공을 하는 바, 크기가 큰 다공성 탄화규소체나 허니컴(honeycomb)형과 같이 복잡한 모양을 가지는 다공성 탄화규소체는 정수압으로 가공이 어렵다는 단점이 있어 바람직하지 못하다.

그리고, 크렌켈(Krenkel) 등의 미국특허 제 5,942,064호에는 탄소섬유(carbone fiber)가 강화(reinforcement)되어 있는 탄화규소 복합체 사이에 카본이 함유된 유기 바인더를 도포한 후, 열분해시켜 카본 골격으로 만든 다음, 여기에 액상의 실리콘을 침윤시켜 복합체의 미세균열과 접합체의 카본 골격을 영구적으로 접합하는 방법이 개시되어 있으나, 이 경우는 탄소섬유강화 탄화규소 치밀체의 접합방법으로서 외부에서 침투되는 용융 실리콘의 정량적인 제어가 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 전술한 선행기술의 단점을 극복하고, 접합하려는 다공성 탄화규소체의 형상에 구애받지 않으면서도 단순한 공정만으로 다공성 탄화규소체를 접합할 수 있는 방법을 개발하여야 할 필요성이 끊임없이 대두되었다.

이에, 본 발명자들은 보다 간단한 공정만으로 탄화규소체를 접합할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 직접 도포하고, 이들을 소성하면 간단한 공정으로 다공성 탄화규소체를 접합할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 목적은 다공성 탄화규소체를 접합하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전기 방법에 의하여 접합되는 접합강도가 우수한 다공성 탄화규소 접합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다공성 탄화규소체 접합방법은 열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 도포하는 단계; 전기 혼합물이 도포된 탄화규소체를 압착한 다음, 열경화성 수지를 중합하여 임시접합체를 수득하는 단계; 및, 전기 임시접합체를 소성하는 단계를 포함한다.

이하에서는, 본 발명의 다공성 탄화규소체의 접합방법을 단계별로 나누어 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

제 1단계: 접착제의 도포

열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 도포한다:

이때, 열경화성 수지는 페놀계, 에폭시계 또는 아크릴계 수지가 사용될 수 있는데, 이 경우 열경화성 수지의 액상 단량체가 직접 사용될 수도 있으며, 열경화성 수지의 전구체(prepolymer)가 사용될 수 있다. 또한, 전기 열경화성 수지와 함께, 반응개시제, 경화촉진제 또는 경화지연제 등의 각종 첨가제가 필요에 따라 사용될 수 있음은 당업계에서 자명하다 할 것이다.

한편, 열경화성 수지와 실리콘 혼합물의 열경화성 수지의 배합비는, 고체 실리콘 분말의 양이 열경화성 수지가 승온중 카본으로 전환되는 양에 대하여 50 내지 300몰%이 되도록 한다. 전기 고체 실리콘 분말의 양이 잔류 카본의 량에 비하여 50몰%에 이르지 못하는 경우에는, 고온에서 고체 실리콘이 전환된 용융 실리콘과 잔류 카본의 반응이 충분치 않으므로, 반응에 참가하지 못한 카본이 접합층에 남아 접합 강도가 충분치 않게 되며, 300몰%를 초과하는 경우 소성 후 실리콘이 잔류하여 다공성 탄화규소체의 기공을 폐쇄하게 될 뿐만 아니라, 이종의 재료를 접합했을 때 나타나는 열충격에 의한 크랙의 발생가능성이 높아지므로 바람직하지 못하다.

또한, 고체 실리콘 분말의 크기는 평균직경이 10 내지 500㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 전기 고체 실리콘 분말의 평균직경이 10㎛에 이르지 못하는 경우 분말간의 응집현상으로 혼합이 용이치 않을 뿐만 아니라, 전기 분말간의 응집을 막기 위하여 다량의 분산제가 별도로 첨가되어야 한다는 문제가 발생할 수 있으며, 500㎛을 초과하는 경우에는 접합층의 두께가 두꺼워져 접합 후 조합된 다공성 탄화규소체의 전체 부피가 증가할 뿐만 아니라, 크기가 큰 고체 실리콘이 소성 중 용융 실리콘으로 전환할 때, 도포층의 함몰이 일어날 수 있어 바람직하지 못하다.

그리고, 전기 혼합물의 도포는 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위의 어느 한 쪽 또는 양쪽 모두에 수행될 수 있는 바, 이때, 도포되는 혼합물의 두께는 0.5 내지 20mm가 되도록 한다. 전기 도포되는 혼합물의 두께가 0.5mm에 이르지 못하는 경우 접합이 충분치 않게 되며, 20mm를 초과하는 경우 접합층의 증가로 접합된 다공성 탄화규소체를 배기가스 정화용 필터로 응용시 전체 부피 증가로 경제적으로 바람직하지 못하다.

제 2단계: 임시접합체의 수득

전기 혼합물이 도포된 탄화규소체를 압착한 다음, 열경화성 수지를 중합하여 임시접합체를 수득한다: 이때, 압착방법은 두 접합체를 밀착시키는 방법이면 어느 것이든 족하며, 당업계에서 수행되는 통상의 방법에는 일출압착법, 정수압 압착법 등이 있으나, 본 발명에서 사용되는 압착방법이 이들에 제한될 필요는 없다. 한편, 열경화성 수지를 중합하는 방법에서도 수지의 특성과 본 발명의 목적에 맞는적절한 방법이 선택되어 사용되어질 수 있는 바, 빛이나 온도에 의하여 작용하는 중합개시제를 사용하여 고분자를 중합하는 방법이 가장 일반적이다. 이상의 중합공정에서 수득되는 임시접합체는 운반도중의 가벼운 충격에 견딜 수 있는 핸들링(handling) 강도를 유지하게 된다.

제 3단계: 임시접합체의 소성

전기 임시접합체를 1450℃ 내지 2000℃에서 소성한다: 이 공정은 열경화성 수지에서 유래하는 탄소가 소성 온도에서 고체 실리콘 분말에서 전환된 용융 실리콘과 반응하여 새로운 탄화규소체로 전환되고, 전기의 새로운 탄화규소체가 다공성 탄화규소체 사이에서 이들을 연결하는 다리가 형성되는 공정이다. 이때, 소성 온도가 1450℃에 이르지 못하면 카본과 용융 실리콘의 반응이 실질적으로 일어나지 않으며, 2000℃ 이상이 되면 카본과 실리콘의 반응으로 생성된 탄화규소체가 기화를 시작하여 접합강도가 약해지는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1:

먼저, 에폭시 레진(epoxy resin)(금호 피앤피 화학(주), KER 828(분자량: 184 ∼ 190g/몰, 비중: 1.17g/cc, 점도(Pa. S): 12∼14(at 25℃)), 카본전환율 :60%))을 전체 함량에 70중량%와 고체 실리콘 분말(고순도화학(일본), 크기: 10∼100㎛, 순도: 99%, 비중: 2.31g/cc) 30중량%을 교반기(stirring machine)로 혼합한 후, 전기의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체(벌집모양(honeycomb), 크기: 40x40x150mm, 벽두께(wall thickness): 0.45mm, 셀 피치(cell pitch): 1.80mm, 셀 밀도(cell density): 100cell/in², 기공율(porosity): 40%, 평균기공크기(mean pore diameter): 14㎛, 열팽창계수(thermal expansion coefficient): 4.5×10^-6/℃, 압축강도(compression strength): a-축 60, b-축 50, c-축 15Mpa)들의 접합부위에 각각 0.5, 10, 15mm의 두께로 도포하였다.

다음으로, 전기 혼합물이 도포된 접합하려는 다공성 탄화규소체들을 유압프레스를 이용하여 1Mpa의 일축가압력으로 10분간 압착한 다음, 열풍건조기에 100 ℃, 1 시간 열처리하여 고분자를 중합함으로써 임시접합체를 수득하였다.

마지막으로, 전기의 임시 접합체를 진공로(vacuum furnace)(진공도: 10^-1torr)에 1600℃(승온속도: 15℃/min), 1시간 소성하여 다공성 탄화규소체의 접합을 완료하였다.

이상에서 제조된 다공성 탄화규소체의 접합체에 대하여, 만능시험기(Instron)를 이용하여 압축강도 및 인장강도를 측정하여 접합강도를 측정하였다. 인장강도는 시편을 3×4×25mm 치수의 시편을 4점 곡강도 측정방법에 의하여 헤드 속도(cross head speed) 0.5 mm/min, 안쪽 스팬길이(inner span length) 10mm, 바깥쪽 스팬 길이(outer span length)를 20mm로 하여 측정하였다. 압축강도는 20×20×25mm 치수의 시편을 아래의 표1에서 보는 바와 같이 a, b 및 c축의 3방향에서 압축하여 측정하였다. 표 1에서와 같이, 에폭시 레진과 고체 실리콘 분말 혼합물의 도포두께가 0.5mm 이상인 경우, 접합전 탄화규소체 본래의 강도에 비하여 동등한 수준의 이상의 접합강도를 보이는 것을 확인할 수 있다.

	접합후 다공성 탄화규소체	접합전탄화규소체
도포두께(mm)	0.5	접합전탄화규소체	10	15
압축강도^*(MPa)	a-축	59	72	63	60
	b-축	55	66	57	50
	c-축	14	23	17	15
4점 인장강도(MPa)	16	37	27	30

*압축방향:

한편, 탄화규소체의 접합체에 대하여, 물 또는 강산 등에 대한 안정성을 측정하기 위하여, 상기 접합체 중 에폭시 레진과 고체 실리콘 분말의 혼합물을 10mm 두께로 도포하여 얻어진 접합체에 대하여, 물, HF(50%) 및 HNO₃에 24시간 동안 처리한 다음, 100℃에서 24시간 건조하고, 압축강도 및 기타 물성을 측정하여 하기 표 2에 정리하였다. 표 2에서 보듯이, 본 발명에 의한 접합체는 물 이나 강산 등의 가혹한 조건에서도 매우 안정하여, 24시간이 지나도 초기의 물성을 유지함을 확인할 수 있다.

	처리전	처리후
	처리전	HF(50%)	물	HNO₃
압축강도(MPa)	a-축	72	74	73	72
	b-축	66	66	63	67
	c-축	23	23	24	26
4점 인장강도(MPa)	37	38	36	38
밀도(g/cc)	0.75	0.74	0.77	0.75
기공율(%)	40	41	39	41
기공크기(㎛)	14	14	14	14

이상에서 상세하게 설명하고 입증하였듯이, 본 발명에서는 열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 도포, 압착하고, 열경화성 수지를 중합하여 임시 접합한 다음, 이를 소성하여 다공성 탄화규소체를 접합하는 방법 및 그로부터 접합된 탄화규소 접합체를 제공한다. 본 발명에 의하여, 다양한 형상의 다공성 탄화규소체를 비교적간단한 방법으로 접합할 수 있게 되었음은 물론, 접합된 다공성 탄화규소 접합체는 다공성 탄화규소체 본래의 강도와 동등한 수준의 접합강도를 가지며, 물이나 강산 등의 조건에서도 뛰어난 안정성을 보인다. 따라서, 본 발명은 자동차 정화용 또는 산업현장의 분진제거용으로 사용되는 각종 탄화규소체 필터를 접합하는데 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims

열경화성 수지의 단량체 또는 전구체와 열경화성 수지가 승온중 카본으로 전환되는 양에 대하여 50 내지 300몰% 양의 10 내지 500㎛크기를 갖는 고체 실리콘 분말의 혼합물을 접합하려는 다공성 탄화규소체들의 접합부위에 0.5 내지 20㎜의 두께로 도포하는 단계;

전기 혼합물이 도포된 탄화규소체를 압착한 다음, 100℃에서 열처리함으로써, 열경화성 수지를 중합하여 임시접합체를 수득하는 단계; 및,

전기 임시접합체를 1450℃ 내지 2000℃에서 소성하는 단계를 포함하는 다공성 탄화규소체의 접합방법.
제 1항에 있어서,

열경화성 수지는 페놀계, 에폭시계 또는 아크릴계 수지인 것을 특징으로 하는

다공성 탄화규소체의 접합방법.
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