KR100646212B1 - Producing method of highly porous, high strength ceramics materials and the materials the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 산업의 기초재료로서 사용되는 다공질세라믹스에 관한 것으로, The present invention relates to a porous ceramics used as a base material of various industries,

폴리실록센분말, 반응성필러 및 강도증진재로 이루어지는 출발원료에, 기공형성의 매개체로서 고분자 미세구(微細球) 또는 팽창 가능한(expandable) 고분자 미세구를 균일하게 혼합하여 성형하고, 이를 경화 또는 가열팽창 및 경화시킨 후, 열분해 및 화학반응시켜 고기공율 고강도의 다양한 다공질세라믹스 소재를 제조하는 것을 특징으로 한다.A starting material consisting of a polysiloxane powder, a reactive filler, and a strength enhancer is formed by uniformly mixing polymer microspheres or expandable polymer microspheres as a medium for pore formation, and curing or thermal expansion thereof. And after curing, pyrolysis and chemical reaction to produce various porous ceramic materials having high porosity and high strength.

본 발명의 다공질세라믹스 소재는, 기공율 60~93%, 압축강도 12Mpa 이상, 기공밀도 109~1010개/㎤의 고기공율 및 고강도를 가지므로, 각종 고온용구조재료로서 아주 적합하게 사용될 수 있다.Since the porous ceramic material of the present invention has a porosity of 60 to 93%, a compressive strength of 12 Mpa or more, a porosity of 10 9 to 10 10 / cm3, and a high porosity and high strength, it can be suitably used as various high temperature structural materials. .

폴리실록센, 다공질세라믹스, 반응성필러, 고분자 미세구, 팽창 가능한 고분자 미세구, 강도증진재, 성형체, 열분해, 화학반응Polysiloxane, porous ceramics, reactive filler, polymeric microspheres, expandable polymeric microspheres, strength enhancers, shaped bodies, pyrolysis, chemical reactions

Description

고기공율 고강도 다공질세라믹스의 제조방법 및 그 세라믹스소재{PRODUCING METHOD OF HIGHLY POROUS, HIGH STRENGTH CERAMICS MATERIALS AND THE MATERIALS THE SAME}Manufacturing method of high-porosity high-strength porous ceramics and its ceramic materials {PRODUCING METHOD OF HIGHLY POROUS, HIGH STRENGTH CERAMICS MATERIALS AND THE MATERIALS THE SAME}

도 1은, 본 발명의 고기공율 다공질세라믹스의 제조방법을 나타내는 공정도이고,1 is a process chart showing a manufacturing method of the high porosity porous ceramics of the present invention,

도 2는, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 고기공율 고강도 탄화규소 다공질세라믹스의 전자현미경사진이다. 2 is an electron micrograph of a high porosity high-strength silicon carbide porous ceramics produced by the production method of the present invention.

본 발명은 각종 산업의 기초재료로서 사용되는 다공질세라믹스에 관한 것으로, 특히 고기공율 및 고강도를 가지는 다공질세라믹스의 제조방법 및 그 세라믹스소재에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to porous ceramics used as basic materials in various industries, and more particularly, to a method for producing porous ceramics having a high porosity and high strength, and a ceramic material thereof.

다공질세라믹스는 각종 고온용 구조재료나, 각종 필터, 고온용 내화물, 고온로용 치구(kiln furniture), 충격흡수재, 흡음재, 경량구조재, 단열재, 함침에 의해 제조되는 복합재료용 프리폼(preform) 등 각종 산업의 기초재료로서 광범위하게 사용되고 있는 소재이다. Porous ceramics include various high temperature structural materials, various filters, high temperature refractory materials, kiln furniture, impact absorbing materials, sound absorbing materials, lightweight structural materials, insulating materials, and preforms for composite materials manufactured by impregnation. It is a material widely used as an industrial base material.

그런데, 이러한 다공질세라믹스의 기공율이 낮으면 단열특성과 여과특성이 저하되며, 다공질세라믹스 소재에서의 소재절감효과도 감소하는 단점이 있다. However, when the porosity of the porous ceramics is low, the insulation and filtration characteristics are lowered, and the material saving effect in the porous ceramic material is also reduced.

따라서, 다공질세라믹스의 기공율은 높은 것이 좋지만 기공율이 높아질수록 소재의 강도가 저하되는 단점이 있다. 또한, 다공질세라믹스 소재의 기공밀도가 낮으면 기공율이 저하되거나, 일정한 기공율에서 상대적으로 기공의 크기가 커진다는 것을 의미하므로, 기공밀도가 낮은 소재 역시 강도가 떨어지는 문제가 있다. 다공질세라믹스 소재의 강도가 낮으면 일정한 하중을 받는 구조물로 사용될 경우 그 두께를 두껍게 할 수 밖에 없어 소형 경량이 요구되는 기술분야에 적용하기 힘들며 제조비용도 상승하게 된다.Therefore, the porosity of the porous ceramics is good, but the higher the porosity has the disadvantage that the strength of the material is lowered. In addition, if the porosity of the porous ceramic material is low, it means that the porosity is lowered, or the pore size is relatively increased at a constant porosity, and thus the material having a low pore density also has a problem of low strength. When the porous ceramic material is low in strength, it is difficult to apply to a technical field requiring small and light weight because of its thick thickness when used as a structure that receives a constant load, and the manufacturing cost increases.

따라서, 고기공율, 고기공밀도를 동시에 달성할 수 있으면서도, 고강도를 갖는 다공질 소재의 개발이 요망된다.Therefore, it is desired to develop a porous material having high strength while achieving high porosity and high porosity at the same time.

한편, 다공질세라믹스의 강도는 기공율에 크게 의존하며, 일반적으로 다음과 같은 경험식을 따른다.On the other hand, the strength of the porous ceramics largely depends on the porosity, generally following the empirical formula.

σP = σO exp(-bP)σ P = σ O exp (-bP)

상기 식에서 σP 는 다공질세라믹스의 강도, σO는 기공율이 0%인 세라믹스의 강도, b는 상수, P는 기공의 부피분율이다. 상기 식에서 다공질세라믹스의 강도는 기공율이 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하므로, 기공율 60% 이상에서 고기공율 및 고강도의 다공질세라믹스를 제조하기 위해서는, (1)기공에서 응력집중 (stress concentration)을 피할 수 있는 구형 기공을 만들고, (2) 임계 결함의 크기를 줄이기 위해 기공의 크기를 작게 만들며(즉, 기공밀도를 높임), (3)기공과 기공 사이의 지주(strut) 부분의 강도를 높이는 것이 필수적이다.Σ P is the strength of the porous ceramics, σ O is the strength of the ceramic having a porosity of 0%, b is a constant, and P is the volume fraction of the pores. Since the strength of the porous ceramics decreases exponentially as the porosity increases, in order to prepare a high-porosity and high-strength porous ceramics at a porosity of 60% or more, (1) the stress concentration in the pores can be avoided. It is essential to create spherical pores, (2) to reduce the size of critical defects (ie to increase pore density), and (3) to increase the strength of the strut between the pores and the pores. to be.

한편, 일반적으로, 다공질세라믹스 소재의 제조방법은 다음과 같이, 크게 네가지 방법으로 구분할 수 있다.On the other hand, generally, the manufacturing method of a porous ceramic material can be largely divided into four methods as follows.

첫 번째로는, 고분자 스폰지를 원하는 세라믹 조성의 세라믹 슬러리에 담근 후(dipping), 세라믹 슬러리가 코팅된 고분자 스폰지를 압축하여 여분의 슬러리를 제거하고, 건조 및 소결 공정을 거쳐, 여러 가지 조성의 다공질 세라믹스를 제조하는 방법이다. 이 때, 고분자 스폰지는 소결 공정 동안에 열분해 되어 기체로 날라 가며, 기공과 기공 사이의 지주(strut) 내부에 기공(스폰지의 지주가 위치했던 곳)을 남기게 된다. 공정은 고분자 스폰지의 기공크기를 제어함으로서 다공질 세라믹스의 기공 크기를 용이하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. First, after dipping the polymer sponge into a ceramic slurry of a desired ceramic composition, the polymer slurry coated with the ceramic slurry is compressed to remove excess slurry, followed by a drying and sintering process, and a porous composition having various compositions. It is a method of manufacturing ceramics. At this time, the polymer sponge is pyrolyzed during the sintering process to fly to the gas, leaving pores (where the strut of the sponge was located) inside the strut between the pores and the pores. The process has the advantage that the pore size of the porous ceramics can be easily controlled by controlling the pore size of the polymer sponge.

그러나 다공질 세라믹스의 강도는 기공크기와 기공과 기공 사이의 지주(strut) 부위의 강도에 의존하는바, 상기 공정에 의해 제조된 다공질 세라믹스는 기공의 크기가 100㎛ ~ 3mm 정도로 매우 크고, 또한 기공과 기공 사이의 지주 내부에 기공을 포함하므로, 다공질 세라믹스의 강도가 낮다는 문제점을 갖고 있다.However, the strength of the porous ceramics depends on the pore size and the strength of the strut between the pores and the pores. The porous ceramics produced by the above process have a pore size of about 100 μm to 3 mm, Since pores are included in the posts between the pores, the strength of the porous ceramics is low.

두 번째로는, 세라믹스에 열분해성 물질 또는 휘발성 물질을 첨가하여 혼합하고, 이 혼합물 중의 열분해성 성분 또는 휘발성 성분을 휘발시켜 기공을 형성함으로써, 다공질세라믹스 소재를 제조하는 방법이 있다. 이러한 방법으로는, 미국 특허 제5,358,910호 및 제5,790,449호에 개시되어 있는 방법이 대표적이다. 이를 요약하면, 먼저 폴리실록센과 탄화규소(SiC) 혼합물에 선택적으로 폴리실록센의 경화재와 소결조제를 첨가하여 소정 형상의 성형체를 제조하고, 경화공정 및 소결공정을 거쳐 다공질 세라믹스가 만들어진다. Secondly, there is a method of manufacturing a porous ceramic material by adding and thermally decomposing a thermally decomposable substance or a volatile substance to the ceramics, and volatilizing the thermally decomposable component or the volatile component in the mixture. As such a method, a method disclosed in US Pat. Nos. 5,358,910 and 5,790,449 is representative. In summary, first, a polysiloxane and a silicon carbide (SiC) mixture is optionally added with a polysiloxane hardener and a sintering aid to prepare a molded body of a predetermined shape, and a porous ceramics is formed through a hardening process and a sintering process.

그러나, 이러한 방법은 제조된 다공질 세라믹스의 개기공율(open porosity)이 25% 이상 40% 미만으로서 기공율 60% 이상의 고기공율 소재를 제조하기 어렵다는 문제가 있다.However, this method has a problem that the open porosity of the prepared porous ceramics is 25% or more and less than 40%, making it difficult to manufacture a high porosity material having a porosity of 60% or more.

세 번째로는, 세라믹스의 소결성을 저하시킴으로써, 다공질세라믹스 소재를 제조하는 방법이 있다. Third, there is a method of producing a porous ceramic material by lowering the sinterability of ceramics.

이는 다시, 두 가지의 방법으로 나눌 수 있는데, 먼저 세라믹스의 소결조건, 예컨대 소결온도를 적정 소결온도 이하로 소결하여 세라믹스의 상대밀도를 낮춤으로써, 기공이 보다 많이 형성되도록 하는 방법이 있다. 하지만, 이 방법에 의해 제조된 다공질세라믹스는 최적 소결조건으로 소결되지 않았으므로, 강도 등 기계적 특성이 현저하게 저하된다는 문제점이 있다. This can be divided into two methods. First, there is a method of forming more pores by sintering conditions of ceramics, for example, by sintering the temperature below an appropriate sintering temperature to lower the relative density of ceramics. However, since the porous ceramics prepared by this method are not sintered under optimum sintering conditions, there is a problem that mechanical properties such as strength are significantly lowered.

또한, 미국 특허 제6,214,078호에 개시되어 있는 발명과 같이, 세라믹스 원료의 입자 크기의 차이를 이용하여 소결성을 저하시킴으로써, 다공질세라믹스를 제조하는 방법이 있다. 이를 상술하면, 입자 크기가 큰 입자와 작은 입자의 세라믹스 원료를 혼합하여 소정 형상의 성형체를 제조하고, 열을 가하여 소결을 시키면 작은 크기의 입자에 비하여 소결의 구동력으로 작용하는 입자 표면에너지가 상대적으로 작은 큰 입자가 소결을 방해하므로, 세라믹스의 상대밀도는 저하되고 기공이 형성되어 다공질세라믹스가 제조된다. 그러나, 이 방법 역시, 기공율 50% 이상의 다공 질세라믹스를 제조하기 어렵다는 단점을 가지고 있고, 기공의 크기 및 분포의 불균일, 기공 크기 제어의 곤란 등의 문제점을 가지고 있다.In addition, as the invention disclosed in US Pat. No. 6,214,078, there is a method for producing a porous ceramic by lowering the sintering property by using a difference in particle size of a ceramic raw material. In detail, a large-size particle and a small particle ceramic raw material are mixed to prepare a molded article having a predetermined shape, and when sintered with heat, the particle surface energy acting as a driving force for sintering is relatively higher than that of the small-sized particle. Since small large particles interfere with sintering, the relative density of the ceramics is lowered and pores are formed to produce a porous ceramics. However, this method also has a disadvantage in that it is difficult to produce porous fine ceramics having a porosity of 50% or more, and has problems such as uneven pore size and distribution and difficulty in controlling pore size.

네 번째로는, 미국특허 제4,900,698호에 개시되어 있는 방법으로서, 세라믹스 원료에 금속분말을 첨가함으로써 다양한 성분조성의 다공질세라믹스 소재를 얻을 수 있는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은, 세라믹 필러(filler), 금속분말, 폴리올레핀과 가소제(plasticizer)로 이루어진 혼합물로 성형체를 만들고, 이를 가열하는 과정에서 가소제와 폴리올레핀을 분해시켜 태워 기공을 형성하고, 금속성분이 산화되는 온도로 승온하여 금속분말을 산화시킴과 동시에 산화된 금속분말과 세라믹 필러와 결합하여 다공질세라믹스 소재를 얻는 공정으로 이루어져 있다. 하지만, 상기 방법은 다공질세라믹스 소재의 조성이 산화물로 제한되어, 예컨대 탄화규소질이나 질화규소질 등의 비산화물계의 소재 제조가 곤란하다는 문제가 있다. Fourthly, as a method disclosed in U.S. Patent No. 4,900,698, there is disclosed a method for obtaining porous ceramic materials of various composition by adding metal powder to a ceramic raw material. In this method, the molded body is made of a mixture of ceramic filler, metal powder, polyolefin and plasticizer, and during heating, the plasticizer and polyolefin are decomposed and burned to form pores, and the temperature at which the metal component is oxidized. It is composed of a process of obtaining a porous ceramics material by heating the metal powder and oxidizing the metal powder and combining the oxidized metal powder with a ceramic filler. However, this method has a problem in that the composition of the porous ceramic material is limited to oxide, so that it is difficult to manufacture non-oxide-based materials such as silicon carbide or silicon nitride.

또한, 탄화규소질, 질화규소질, 뮬라이트질, 코디어라이트질의 세라믹스소재는, 상기에 개시된 어느 방법에 의하더라도, 60% 이상의 고기공율에서 목표로 하는 높은 강도와 높은 기공밀도를 가지는 다공질세라믹스 소재를 제조하기 어렵다는 한계가 있었다. Further, the ceramic materials of silicon carbide, silicon nitride, mullite, cordierite, etc. can be made of porous ceramic materials having high strength and high pore density targeted at high porosity of 60% or more by any of the methods described above. It was difficult to manufacture.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고기공율과 고강도를 동시에 달성할 수 있는 다공질세라믹스 소재의 제조방법 및 그 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a porous ceramic material and a material capable of achieving high porosity and high strength at the same time.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다공질세라믹스 소재의 제조방법은,Method for producing a porous ceramic material of the present invention to achieve the above object,

폴리실록센분말, 반응성필러, 고분자 미세구(微細球) 및 강도증진재로 이루어지는 출발원료를 균일하게 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계;Preparing a molded body by uniformly mixing and molding a starting material consisting of a polysiloxane powder, a reactive filler, a polymer microsphere, and a strength enhancer;

상기 성형체를 경화시키는 단계;Curing the molded body;

상기 경화된 성형체를 가열하여 상기 성형체의 구성성분들을 열분해 및 화학반응시키는 단계;를 포함하여 구성된다.And thermally decomposing and chemically reacting the components of the molded body by heating the cured molded body.

또한, 본 발명의 또 다른 다공질세라믹스 소재의 제조방법은,In addition, another method for producing a porous ceramic material of the present invention,

폴리실록센분말, 반응성필러, 팽창 가능한(expandable) 고분자 미세구 및 강도증진재로 이루어지는 출발원료를 균일하게 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계;Preparing a molded body by uniformly mixing and molding a starting material consisting of a polysiloxane powder, a reactive filler, an expandable polymer microsphere, and a strength enhancer;

상기 성형체를 가열 팽창시키는 단계;Thermally expanding the molded body;

상기 팽창된 성형체를 경화시키는 단계;Curing the expanded molded body;

상기 경화된 성형체를 가열하여 상기 성형체의 구성성분들을 열분해 및 화학반응시키는 단계;를 포함하여 구성된다.And thermally decomposing and chemically reacting the components of the molded body by heating the cured molded body.

상기의 방법에 의하여, 기공율 60~93%, 압축강도 12Mpa 이상, 기공밀도 109~1010개/㎤ 이상의 고기공율, 고기공밀도 및 고강도를 가지며, 기공 형상이 구형인 균일한 다공질세라믹스 소재를 얻을 수 있다.According to the above method, a porous porous ceramic material having a porosity of 60 to 93%, a compressive strength of 12 Mpa or more, a pore density of 10 9 to 10 10 particles / cm 3 or more, a porosity and a high porosity, and a high pore shape You can get it.

이하에서는, 본 발명의 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법 및 그 소재에 대하여 자세하게 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the high porosity high strength porous ceramic raw material of this invention, and its raw material are demonstrated in detail.

본 발명은, 폴리실록센과 이와 반응하는 다양한 종류의 반응성필러를 출발원료 중에 필수적으로 첨가하고 상기 반응물들의 화학반응에 의하여, 예컨대, 탄화규소, 질화규소, 뮬라이트, 코디어라이트 등의 다양한 종류와 조성을 가지는 비산화물계 및 산화물계의 다공질세라믹스소재를 얻고자 하는 것에 그 주된 특징이 있다. In the present invention, polysiloxane and various kinds of reactive fillers reacting with the same are essentially added to the starting materials and chemically reacted with the reactants, such as silicon carbide, silicon nitride, mullite, cordierite, and the like. The main characteristic is to obtain a porous ceramic material of cargo type and oxide type.

또한, 출발원료 중에 기공형성의 매개체로서 미세한 구형의 입자들(이하, 미세구라 함)을 포함시켜 상기 미세구의 증발이나 팽창 및 증발에 의하여 균일한 분포를 가지는 많은 구형의 기공을 형성시킴으로써, 높은 기공율과 고강도를 동시에 달성할 수 있도록 한 것에 본 발명의 또 다른 특징이 있다. 또, 본 발명에서는 소정함량의 강도증진재를 출발원료에 필수적으로 포함시켜, 소재의 강도를 높이고 있다. In addition, by including the fine spherical particles (hereinafter referred to as microspheres) as a medium for pore formation in the starting material to form a large number of spherical pores having a uniform distribution by evaporation or expansion and evaporation of the microspheres, high porosity Another feature of the present invention is that it is possible to achieve a high strength and at the same time. In addition, in the present invention, a strength enhancing material having a predetermined content is essentially included in the starting material, thereby increasing the strength of the material.

따라서, 본 발명 소재를 제조하기 위한 출발원료에는, 폴리실록센 분말, 반응성필러, 미세구, 강도증진재가 필수적으로 포함된다. Therefore, the starting material for producing the material of the present invention, polysiloxane powder, reactive filler, microspheres, strength enhancer is essentially included.

도 1은, 본 발명의 미세다공질세라믹스 소재의 제조방법을 나타내는 공정도이다. 1 is a process chart showing a method for producing a microporous ceramic material of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재를 제조하기 위한 공통의 공정은, 출발원료의 혼합 성형공정, 경화공정, 기공을 형성하고 원하는 성분의 세라믹스 생성물을 얻기 위한 열분해 및 화학반응공정이다.As shown in FIG. 1, a common process for producing a high porosity high strength porous ceramic material of the present invention is a mixed molding process of a starting material, a curing process, pyrolysis to form pores and to obtain a ceramic product of a desired component. It is a chemical reaction process.

본 발명의 제조방법은, 기공형성의 매개체로서 사용되는 미세구의 기공형성기구에 따라 두 종류로 구분될 수 있다.The production method of the present invention can be classified into two types according to the pore forming mechanism of the microspheres used as a medium for pore formation.

먼저, 고분자 미세구를 사용하는 경우에는 도1a에 도시된 바와 같이, 출발원료의 혼합성형, 경화, 열분해 및 화학반응공정에 의하여 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재를 제조할 수 있다. 이 경우에는, 열분해 및 화학반응공정에서 고분자 미세구가 증발하고 그 증발한 자리에 기공이 형성되는 방식으로 기공이 형성된다(이하, 기공형성기구 a 방식이라 함). First, in the case of using the polymer microspheres, as shown in Figure 1a, it is possible to produce a high porosity high-strength porous ceramic material by mixing molding, curing, thermal decomposition and chemical reaction process of the starting material. In this case, pores are formed in such a way that the polymer microspheres evaporate in the pyrolysis and chemical reaction processes and pores are formed at the evaporated sites (hereinafter, referred to as pore forming mechanism a).

다음에, 도1b와 같이 기공형성의 매개체로서 팽창 가능한 고분자 미세구를 사용하는 경우에는, 출발원료의 혼합 성형 후에 그 성형체를 가열 팽창시키는 공정이 추가되며, 이후의 경화 공정 등은 기공형성기구 a방식의 고분자 미세구를 사용하는 경우와 동일하다. 이 경우에는, 상기 팽창 가능한 고분자 미세구가 가열 팽창과정에서 팽창되어 성형체 전체의 부피를 증대(즉, 밀도 감소)시키므로, 기공율을 더욱 높이는데 효과적이다. 이후 열분해공정에서는 상기 팽창된 미세구가 증발하여 기공이 형성된다(이하, 기공형성기구 b라 함). Next, in the case of using expandable polymer microspheres as a pore-forming medium as shown in FIG. 1B, a step of heat-expanding the molded body after mixing molding of the starting material is added, and the subsequent curing step is performed by the pore forming mechanism a. Same as the case of using a polymeric microsphere of the type. In this case, the expandable polymer microspheres are expanded during the thermal expansion process to increase the volume of the entire molded body (ie, decrease the density), and thus are effective in further increasing the porosity. In the pyrolysis process, the expanded microspheres are evaporated to form pores (hereinafter, referred to as pore forming mechanism b).

이하에서는, 각 기공형성기구에 따른 다공질세라믹스 소재의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a porous ceramic material according to each pore forming mechanism will be described in detail.

먼저, 어떠한 기공형성기구에 의하든 출발원료를 혼합 및 성형하여 소정형상의 성형체로 만들어야 한다. First, the starting material should be mixed and molded into a shaped body by any pore forming apparatus.

출발원료를 균일하게 혼합하는 것은 기공의 균일한 분포에도 밀접한 관련이 있기 때문에 매우 중요하다. 따라서, 상술한 출발원료를 건식 또는 습식으로 충분 한 시간동안 균일하게 혼합하고, 이를 통상의 성형공정으로 소정 형상의 성형체로 성형한다. 즉, 상기 원료 혼합물을 일반적으로 쓰이는 일축가압성형공정 및 정수압성형공정을 모두 거쳐 성형하거나, 아니면 일축가압성형공정 또는 정수압성형공정만을 선택하여 성형할 수도 있다. 그러나, 이러한 성형방법 외에도 필요에 따라 압출성형 또는 사출성형과 같은 성형공정을 사용할 수 있음은 물론이다.The uniform mixing of starting materials is very important because it is closely related to the uniform distribution of pores. Therefore, the above starting materials are uniformly mixed for a sufficient time, either dry or wet, and are molded into a molded body having a predetermined shape by a conventional molding process. That is, the raw material mixture may be molded through both the uniaxial pressure molding process and the hydrostatic pressure molding process which are generally used, or may be selected by molding only the uniaxial pressure molding process or the hydrostatic pressure molding process. However, in addition to such a molding method, if necessary, a molding process such as extrusion molding or injection molding can be used.

출발원료의 조성은, 최종 산물인 세라믹스 소재가 필요로 하는 용도에 적합한 특성을 가지도록 하는 범위 내에서 다양하게 조정할 수 있다. 다만, 소재를 보다 안정적으로 제조하고, 바람직한 특성(예컨대, 고기공율, 고기공밀도 및 고강도)을 가지는 소재를 제조하기 위한 측면에서 출발원료 조성비율은 다음과 같은 것이 바람직하다.The composition of the starting material can be variously adjusted within a range to have properties suitable for the use required by the ceramic material as the final product. However, the starting material composition ratio is preferably as follows in order to manufacture the material more stably and to produce a material having desirable properties (eg, meat porosity, meat porosity and high strength).

중량%로 폴리실록센은 출발원료중 9~50% 범위로 포함되는 것이 좋다.By weight polysiloxane is preferably included in the range of 9 to 50% of the starting material.

폴리실록센은 성형공정에서 성형조제의 기능을 수행하므로, 너무 작게 포함되면 성형체의 강도가 약해 후속의 팽창 내지 경화공정에서 파괴되거나 시편을 취급할 수 없을 정도로 강도가 저하되므로, 9% 이상 포함되는 것이 바람직하다.또한, 그 함량이 지나치게 많아지면 기공형성제인 미세구의 함량이 상대적으로 적어져 60% 이상의 고기공율을 달성하기 어렵기 때문에 50% 이하로 포함되는 것이 좋다. Since polysiloxanes function as molding aids in the molding process, if they are too small, the strength of the molded body is so weak that they will be destroyed in the subsequent expansion or curing process or the strength will be reduced so that the specimen cannot be handled. In addition, if the content is excessively high, the content of the microspheres, which are pore-forming agents, is relatively small, so that it is difficult to achieve a porosity of 60% or more.

또한, 반응성필러는 중량%로 출발원료중 3~51% 범위로 포함되는 것이 바람직하다. In addition, the reactive filler is preferably included in the range of 3 to 51% by weight of the starting material.

반응성필러는 열분해 및 화학반응공정에서 폴리실록센의 열분해 잔류물과 화학반응하여 소정의 다공질세라믹스 소재를 형성하므로, 상기 반응에서 화학양론적 화합물을 형성하기 위해서 최소한 3% 이상 포함되는 것이 좋다. 또한, 그 함량이 지나치게 많아지면 기공형성제인 미세구의 함량이 상대적으로 적어져 60% 이상의 고기공율을 달성하기 어렵기 때문에 51% 이하로 포함되는 것이 좋다. 반응성필러는, 폴리실록센의 열분해 잔류물과 반응하여 다양한 성분조성의 다공질세라믹스 소재를 형성하므로, 폴리실록센과 반응성이 양호한 소재 중에서 적절하게 선택하여 사용할 수 있다. 바람직한 반응성필러로서는, Al2O3, MgO, 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black), 페놀수지(phenol resin) 중에서 선택되는 하나 이상 또는 그 혼합물이 좋다.Since the reactive filler chemically reacts with the pyrolysis residue of polysiloxane in the pyrolysis and chemical reaction process to form a predetermined porous ceramic material, it is preferably included at least 3% or more to form a stoichiometric compound in the reaction. In addition, if the content is too large, the content of the microspheres, which are pore-forming agents, is relatively small, so that it is difficult to achieve a porosity of 60% or more. Since the reactive filler reacts with the pyrolysis residue of the polysiloxane to form porous ceramic materials of various component compositions, the reactive filler can be appropriately selected and used from materials having good reactivity with the polysiloxane. As a preferable reactive filler, one or more or a mixture thereof selected from Al 2 O 3 , MgO, graphite, carbon black and phenol resin is preferable.

또한, 기공형성매개체로서 포함되는 고분자 미세구의 바람직한 출발원료 중 함량은 중량%로 30~75%이다. 고분자 미세구의 함량이 상기 범위 미만이면, 60% 이상의 고기공율을 달성하기 어렵고, 상기 범위 이상이면 기공이 지나치게 많이 형성되어 목표로 하는 압축강도(예컨대, 12MPa 이상)를 달성하기 어렵기 때문이다. 또, 고분자 미세구의 입도는 증발후에 생성되는 기공의 크기와 직접적으로 관련이 있다. 기공 크기의 편차가 너무 크면 상술한 것과 같은 강도의 불균일 등의 단점이 생기므로, 고분자미세구의 입도는 기공 크기의 균일성 측면에서 8~100㎛의 입도범위를 가지는 것이 좋다. 상기 고분자 미세구로서는, 폴리실록센의 열분해 잔류물과 반응성필러의 반응을 방해하지 않으면서도 열분해조건에서 용이하게 증발이 될 수 있는 것이어야 한다. 이러한 조건에 부합되는 재료로서, 구형 폴리메틸메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylate))(이후 PMMA 미세구라 칭한다) 또는 구형 폴리 메틸메스아크릴레이트코에틸렌글리콜디메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate))가 바람직하다. In addition, the content of the preferred starting material of the polymer microspheres included as the pore-forming medium is 30% to 75% by weight. If the content of the polymer microspheres is less than the above range, it is difficult to achieve a high porosity of 60% or more, and if it is above the above range, too many pores are formed to achieve a target compressive strength (eg, 12 MPa or more). In addition, the particle size of the polymer microspheres is directly related to the size of the pores generated after evaporation. If the variation in pore size is too large, there are disadvantages such as nonuniformity of strength as described above, and the particle size of the polymer microspheres may have a particle size range of 8 to 100 μm in terms of uniformity of pore size. The polymeric microspheres should be ones that can be easily evaporated under pyrolysis conditions without disturbing the reaction of the pyrolysis residue of the polysiloxane with the reactive filler. As a material meeting these conditions, spherical polymethylmethacrylate (poly (methylmethacrylate)) (hereinafter referred to as PMMA microspheres) or spherical polymethylmethacrylate ethylene glycol dimethacrylate (poly (methylmethacrylte-co-ethylene glycol) dimethacrylate)).

한편, 기공형성매개체로서 팽창 가능한 고분자 미세구를 사용하는 경우에는 출발원료중 그 함량이 30~70% 범위로 포함되는 것이 좋으며, 그 수치한정이유는 상기 고분자 미세구의 함량을 제한하는 이유와 동일하다. On the other hand, when using expandable polymer microspheres as pore-forming medium, the content of the starting material is preferably included in the range of 30 ~ 70%, the numerical limitation is the same as the reason for limiting the content of the polymer microspheres .

또한, 상기 기공형성매개체로서 사용되는 팽창 가능한 미세구는 PMMA로 구성된 피막(shell)과 상기 피막 내부 공간에 팽창의 매개체로서 이소부탄(isobuthane) 또는 이소펜탄(isopenthane) 기체가 채워진 평균직경 6~12㎛의 구형 소재로서, 이는 상업적으로 판매되고 있는 소재이다. 상기 미세구는 대기압에서 120~200℃로 가열하면 피막은 연화되고, 내부 기체상의 부피가 팽창하여 평균 직경 10~50㎛의 구형 소재로 팽창하는 성질을 가지고 있다. In addition, the expandable microspheres used as the pore-forming medium have an average diameter of 6 to 12 μm filled with isobutane or isopentane as a medium for expansion in the shell made of PMMA and the space inside the film. Is a spherical material of which is a commercially available material. When the microspheres are heated to 120 ~ 200 ℃ at atmospheric pressure, the film is softened, the internal gas phase volume is expanded and has the property of expanding to a spherical material having an average diameter of 10 ~ 50㎛.

한편, 출발원료중 강도증진재는 성형-경화공정에서 불활성입자로 남아 있어서 성형체의 형상을 유지하고, 열분해 및 화학반응공정에서 화학반응에 의하여 생성되는 생성물에 강도를 증진시키기 위하여 포함된다. 바람직한 강도증진재로서는, Al2O3, Y2O3, Y3Al5O12 중에서 선택되는 하나 이상 또는 그 혼합물이 있다. 상기 강도증진재는 충분한 강도증진효과를 가질 수 있도록 출발원료 중에 중량%로 적어도 0.5% 이상 함유되는 것이 좋다. 또한, 그 양이 너무 많아지면 세라믹스 소재가 지나치게 치밀화되어 목표로 하는 기공율을 얻을 수 없으므로, 8% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 강도증진재는 폴리실록센의 열분해에 의해 생성된 잔류물과 반응성필러 사이의 화학반응 공정에서 액상을 형성하여 화학반응을 촉진하고, 반응이 완결된 후에는 기공과 기공 사이의 지주 부위의 치밀화를 촉진하여 지주 부위의 강도를 증진시킴으로서 전체 다공질 세라믹스의 강도 증진에 기여한다.On the other hand, the strength enhancer in the starting material is included to remain inert particles in the molding-curing process to maintain the shape of the molded body, and to enhance the strength of the product produced by the chemical reaction in the thermal decomposition and chemical reaction process. Preferred strength enhancers include at least one selected from Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , and Y 3 Al 5 O 12 , or mixtures thereof. The strength enhancer is preferably contained at least 0.5% by weight in the starting material to have a sufficient strength enhancing effect. In addition, when the amount is too large, the ceramic material becomes too dense and the target porosity cannot be obtained, so it is preferably added at 8% or less. The strength enhancer promotes a chemical reaction by forming a liquid phase in a chemical reaction process between a residue produced by thermal decomposition of polysiloxane and a reactive filler, and after completion of the reaction, promotes densification of the support site between the pores and the pores. By increasing the strength of the strut site contributes to the strength of the entire porous ceramics.

상술한 바람직한 조성의 각 성분들을 혼합 성형하여 만든 성형체는, 경화(기공형성기구 a의 경우) 또는 가열팽창 후 경화(기공형성기구 b의 경우)공정을 거치게 된다.The molded product formed by mixing and molding the components of the above-described preferred composition is subjected to curing (for the pore forming mechanism a) or curing after heat expansion (for the pore forming mechanism b).

기공형성기구 b의 경우, 가열팽창조건은 폴리실록센의 연화온도와 용융온도 사이 범위에서 가열되는 것이 바람직하다. 팽창 가능한 고분자 미세구가 팽창하기 위해서는 주위의 폴리실록센 입자가 연화되는 것이 필요하며, 폴리실록센이 용융되면 성형체의 형상이 유지되기 어렵기 때문이다. 또한, 상기 가열팽창공정에 있어서 원하는 온도에 도달한 후에는, 팽창된 성형체를 폴리실록센의 연화온도 이하로 유지하여 그 팽창된 부피를 그대로 유지할 있도록 하는 것이 중요하다. In the case of the pore forming mechanism b, the thermal expansion conditions are preferably heated at a range between the softening temperature and the melting temperature of the polysiloxane. In order for the expandable polymer microspheres to expand, the surrounding polysiloxane particles need to be softened, and when the polysiloxane is melted, it is difficult to maintain the shape of the molded body. In addition, after reaching the desired temperature in the heat expansion step, it is important to maintain the expanded molded body below the softening temperature of the polysiloxane to maintain the expanded volume as it is.

경화공정에서는, 예컨대 폴리실록센을 열경화하기 위하여, 성형체(기공형성기구 a의 경우) 또는 팽창된 성형체(기공형성기구 b의 경우)를 대기압하에서 130~190℃로 가열한다. 가열한 최고온도에서 48시간 이내로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 최고 온도에서의 유지 시간이 48시간보다 길어도, 더 이상의 경화가 일어나지 않으므로 상기 최고온도에서의 유지 시간은 48시간 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 이 때, 가열속도가 지나치게 빠르면 폴리실록센의 경화가 충분치 못할 염려가 있으므로, 가열속도를 2℃/min 이하로 하는 것이 바람직하다.In the curing step, for example, in order to thermoset the polysiloxane, the molded body (for the pore forming mechanism a) or the expanded molded body (for the pore forming mechanism b) is heated to 130 to 190 ° C under atmospheric pressure. It is desirable to keep it within 48 hours at the heated maximum temperature. Even if the holding time at the maximum temperature is longer than 48 hours, no further curing occurs, so the holding time at the maximum temperature is preferably limited to within 48 hours. At this time, if the heating rate is too fast, there is a fear that the curing of the polysiloxane is insufficient, so the heating rate is preferably 2 ° C / min or less.

본 발명 방법에 있어서, 핵심이 되는 공정은 마지막으로 행해지는 열분해 및 화학반응공정이다. In the process of the invention, the core process is the last pyrolysis and chemical reaction process.

상기 열분해공정에서 고분자 미세구나 팽창된 고분자 미세구가 열분해되어 기체로 증발하여 기공을 형성하며, 반응성필러의 일부 성분(예컨대, 페놀수지 중 H, C의 일부)도 열분해되어 기체로 증발하여 기공을 형성한다. 또한, 폴리실록센은 열분해되어 H, C의 일부가 휘발하고 분위기에 따라 SiO2 (공기 또는 산소분위기하에서 열분해시) 또는 SiO2 + C(질소 또는 불활성분위기하에서 열분해시)의 열분해 잔류물을 남기게 된다. In the pyrolysis process, the polymer microparticles or the expanded polymer microspheres are pyrolyzed to evaporate into gas to form pores, and some components of the reactive filler (for example, a part of H and C in the phenol resin) are pyrolyzed to evaporate into gas to obtain pores. Form. In addition, polysiloxanes are pyrolyzed to leave a portion of H and C volatilized, leaving behind pyrolysis residues of SiO 2 (when pyrolyzed under air or oxygen atmosphere) or SiO 2 + C (when pyrolyzed under nitrogen or inert atmosphere). .

폴리실록센의 열분해 잔류물은 반응성필러 또는 반응성필러의 열분해 잔류물(예컨대, 페놀수지의 경우 carbon)과 화학반응하여 소정의 다공질세라믹스 소재를 형성한다. 이 때, 반응성필러의 종류와 반응분위기에 따라, 이하와 같은 다양한 종류의 세라믹스 소재가 제조될 수 있다.The pyrolysis residue of the polysiloxane is chemically reacted with the reactive filler or the pyrolysis residue of the reactive filler (e.g. carbon in the case of phenol resins) to form the desired porous ceramic material. At this time, according to the type and the reaction atmosphere of the reactive filler, various kinds of ceramic materials as follows can be produced.

2SiO2 + 3Al2O3 → Al6Si2O13 (뮬라이트) …(1)2SiO 2 + 3Al 2 O 3 → Al 6 Si 2 O 13 (mullite). (One)

5SiO2 + 2Al2O3 + 2MgO → Mg2Al4Si 5O18(코디어라이트) …(2)5SiO 2 + 2Al 2 O 3 + 2MgO → Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 (cordierite). (2)

SiO2 + 3C → SiC + 2CO …(3)SiO 2 + 3 C → SiC + 2CO... (3)

3SiO2 + 6C + 2N2 → Si3N4 + 6CO …(4)3SiO 2 + 6C + 2N 2 → Si 3 N 4 + 6CO... (4)

상기 (1)과 (2)의 반응에서는, 공기 또는 산소분위기하에서 반응성필러로서 Al2O3 또는 Al2O3 과 MgO가 사용된 경우로, 각각 뮬라이트와 코디어라이트질의 다공질세라믹스 소재가 만들어진다.In the reactions of (1) and (2) above, when Al 2 O 3 or Al 2 O 3 and MgO are used as the reactive filler in an air or oxygen atmosphere, a mullite and cordierite porous ceramic material is produced, respectively.

또한, 상기 (3)의 반응에서는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성분위기하에서 탄화규소질의 다공질세라믹스 소재가 만들어지고, (4)의 반응에서는 질소분위기하에서 질화규소질의 다공질세라믹스 소재가 만들어진다. (3)과 (4)의 반응에서 C성분의 일부는 폴리실록센의 열분해 잔류물이고, 또 다른 일부는 반응성필러로 첨가된 흑연, 카본블랙 또는 페놀수지로부터 기인한 것이다.In addition, in the reaction of (3), a porous silicon ceramic material is made under an inert atmosphere such as argon or helium, and in the reaction of (4), a silicon nitride porous ceramic material is produced in a nitrogen atmosphere. Part of the C component in the reactions of (3) and (4) is the pyrolysis residue of polysiloxane, and the other part is from graphite, carbon black or phenol resin added with reactive filler.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 출발원료의 조성을 적절히 선택하고, 반응성필러와 반응분위기를 적절히 선택함으로써, 다양한 종류와 조성을 가지는 고기공율 고강도의 다공질세라믹스 소재를 제조할 수 있다.As described above, according to the present invention, a high porosity high strength porous ceramic material having various kinds and compositions can be produced by appropriately selecting the composition of the starting material and appropriately selecting the reactive filler and the reaction atmosphere.

열분해 및 화학반응공정의 온도는 1300~1700℃의 범위인 것이 바람직하다. 1300℃ 미만의 온도로 열처리하는 경우에도 폴리실록센은 열분해되지만, 화학반응이 완결되지 않아 형성되는 소재의 강도가 약하게 되고, 1700℃보다 높은 온도로 열처리하면 기공이 성장하여 역시 강도 저하가 일어날 가능성이 크기 때문이다. 열분해 및 화학반응공정에서 승온속도를 너무 급격하게 올리게 되면, 폴리실록센이 급격하게 열분해되어 성형체 내에 균열이 발생할 우려가 있으므로, 폴리실록센의 열분해가 완료되는 800℃까지는 승온속도는 5℃/min 이하로 하는 것이 좋다.The temperature of the pyrolysis and chemical reaction process is preferably in the range of 1300 ~ 1700 ℃. Polysiloxanes are pyrolyzed even when heat treated at temperatures below 1300 ° C, but the strength of the formed material is weak due to incomplete chemical reactions. Because of the size. If the temperature increase rate is increased too rapidly in the pyrolysis and chemical reaction process, the polysiloxane may be thermally decomposed rapidly and cracks may occur in the molded body. Thus, the temperature increase rate is lower than 5 ° C./min up to 800 ° C. when the thermal decomposition of the polysiloxane is completed. Good to do.

상술한 바와 같이, 다공질세라믹스의 제조에 있어, 출발원료의 혼합 성형, 경화, 열분해 및 소결공정은 공통되는 공정이다. 본 발명 방법에서도 이러한 공통의 공정이 적용되지만, 열분해공정시에 구성성분들의 화학반응이 완결되어 원하는 특성을 가지는 다공질세라믹스를 얻을 수 있으므로 추가적인 소결공정이 필요없으 며, 따라서 열분해공정시의 가열온도도 종래와 같이 소결이 이루어질 정도의 고온일 필요가 없다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 제조공정은 혼합 성형공정외에는 압력용기를 사용할 필요 없고, 대기압하에서 거의 모든 공정이 이루어질 수 있다. 이와 같이, 본 발명 방법은 종래의 다공질세라믹스 제조방법에 비하여 상대적으로 저온 저압하에서 행해질 수 있으므로, 보다 경제적이다.As described above, in the production of the porous ceramics, mixing molding, curing, pyrolysis and sintering of the starting materials are common processes. Although this common process is applied to the method of the present invention, since the chemical reaction of the components is completed during the pyrolysis process, a porous ceramic having desired characteristics can be obtained, and thus no additional sintering process is required, and thus the heating temperature during the pyrolysis process is also required. There is an advantage that it does not have to be a high temperature enough to sinter as in the conventional. In addition, the manufacturing process of the present invention does not need to use a pressure vessel other than the mixing molding process, almost all processes can be performed under atmospheric pressure. As such, the method of the present invention can be carried out at a relatively low temperature and low pressure as compared with the conventional method for producing porous ceramics, and therefore is more economical.

또한, 본 발명에 의해 제조된 다공질 세라믹스 소재는 기공의 형상이 구형이고, 기공의 크기가 100㎛ 이하로 작으며, 기공밀도가 109~1010 개/cm3으로 매우 높고, 기공과 기공 사이의 지주 부분이 강도증진재의 역할로 충분히 치밀화 되어, 종래의 기술로 제조된 다공질 세라믹스에 비하여 동일한 기공율에서 강도가 매우 우수하다는 장점이 있다. In addition, the porous ceramic material prepared by the present invention is a spherical shape of the pores, the pore size is small to 100㎛ or less, the pore density is 10 9 ~ 10 10 / cm 3 very high, between the pores and pores The strut portion of is sufficiently densified in the role of strength enhancer, and has the advantage that the strength is very excellent at the same porosity as compared to the porous ceramics manufactured by the prior art.

이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예 1Example 1

출발원료로서, 평균입자크기 44㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 3㎛의 Al2O3(반응성필러) 분말, 직경 8~20㎛의 PMMA 미세구, 평균입자크기 1㎛의 Y2O3(강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표1에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리에틸렌 볼밀 내에 장입하고 테프론 볼을 사용하여 24시간 동안 건식 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물을 100×100×8mm의 직육면체 형상의 금형에서 150kg/ ㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 44 μm or less, Al 2 O 3 (reactive filler) powder having an average particle size of 3 μm, PMMA microspheres having a diameter of 8 to 20 μm, and Y 2 O having an average particle size of 1 μm 3 (Strength Enhancer) Powder was prepared and charged into a polyethylene ball mill at the mixing ratio (weight ratio) shown in Table 1 and mixed by dry ball milling for 24 hours using a Teflon ball. Thereafter, the raw material mixture was uniaxially press-molded at a pressure of 150 kg / cm 2 in a mold having a rectangular parallelepiped shape of 100 × 100 × 8 mm to prepare a molded body.

12,13번 시편은 비교예로서 평균입자크기 약 1㎛의 뮬라이트분말과 직경 8~20㎛의 PMMA 미세구를 표1에 도시된 혼합비로 혼합 및 성형하여 성형체를 제조하였으며, 혼합 및 성형방법은 다른 시편들과 동일하다.Specimen No. 12 and 13 were prepared as a comparative example by mixing and molding mullite powder having an average particle size of about 1 μm and PMMA microspheres having a diameter of 8 to 20 μm at the mixing ratios shown in Table 1. Same as the other psalms.

상기 성형체를 표1에 도시한 조건으로 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 뮬라이트질 세라믹스를 제조하였다. 다만, 12, 13번의 비교예의 경우 경화공정이 필요없어 거치지 않았다. The molded body was cured and heat treated (pyrolysis and chemical reaction) under the conditions shown in Table 1 to prepare a porous mullite ceramics. However, in the case of Comparative Examples Nos. 12 and 13, no curing process was necessary and did not go through.

Figure 112005005961640-pat00001
Figure 112005005961640-pat00001

표 1의 조건으로 제조된 뮬라이트질의 발명예 1~11 및 비교예 12,13에 대하여 압축강도를 측정하고, 그 전자현미경사진으로부터 기공크기, 기공밀도(단위부피당 기공의 개수) 및 기공율(소재 전체부피에 대한 기공의 부피분율)을 측정하고, 그 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. 기공의 크기는 전자현미경 사진을 이용하여 상분석기(즉, Image-Pro Plus, Medis Cybernatics, Inc., Silver Spring, Md, USA와 같은)를 사용하여 측정하였다.The compressive strength of the mullite-like invention examples 1 to 11 and Comparative Examples 12 and 13 prepared under the conditions of Table 1 were measured, and the pore size, pore density (number of pores per unit volume) and porosity (the entire material) were obtained from the electron micrograph. Volume fraction of pores to volume) is measured and the results are shown in Table 2. The pore size was measured using an electron micrograph using an image analyzer (ie, Image-Pro Plus, Medis Cybernatics, Inc., Silver Spring, Md, USA).

Figure 112005005961640-pat00002
Figure 112005005961640-pat00002

실시예 2Example 2

출발원료로서, 평균입자크기 37㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 1㎛의 Al2O3 분말 및 평균입자크기 2㎛의 MgO 분말(반응성필러), 직경 6~12㎛의 팽창 가능한 PMMA 미세구(PMMA피막과 피막 내부에 이소펜탄이 채워져 있는 구형 입자), 평균입자크기 1㎛의 Y2O3 (강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표3에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리프로필렌 볼밀 내에 장입하고 상기 원료와 동일한 중량의 에탄올을 용매로서 첨가한 후 테프론 볼을 사용하여 6시간 동안 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물의 슬러리를 배기가 잘 되는 곳에서 건조한 후, 50×50×5mm의 직육면체 형상의 금형에서 180kg/㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다. 18,19번 시편은 비교예로서 폴리실록센 대신에 평균입자크기 약 1㎛의 SiO2 분말을 사용하였고 다른 출발원료는 상기 발명예와 동일한 원료 및 공정을 사용하여 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 37 μm or less, Al 2 O 3 powder having an average particle size of 1 μm and MgO powder (reactive filler) having an average particle size of 2 μm, expandable PMMA fine particles having a diameter of 6 to 12 μm Spheres (spherical particles filled with PMMA film and isopentane inside the film) and Y 2 O 3 (strength enhancer) powder having an average particle size of 1 μm were prepared, and the polypropylene was mixed at the mixing ratio (weight ratio) shown in Table 3. Charged in a ball mill and ethanol of the same weight as the above raw material was added as a solvent, followed by mixing by ball milling for 6 hours using a Teflon ball. Thereafter, the slurry of the raw material mixture was dried in a well-ventilated place, and uniaxially pressurized at a pressure of 180 kg / cm 2 in a 50 × 50 × 5 mm rectangular parallelepiped mold to prepare a molded body. Samples 18 and 19 used SiO 2 powder having an average particle size of about 1 μm in place of polysiloxane as a comparative example, and other starting materials were prepared using the same raw materials and processes as the above examples.

상기 성형체를 표3에 도시한 조건으로 가열 팽창, 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 코디어라이트질 세라믹스를 제조하였다. 이 때, 비교예인 18,19번 시편은 팽창 공정에서 모두 깨어져서 후속 실험을 수행할 수 없었다. 이는 성형체 내에 팽창 가능한 미세구의 팽창을 수용할 수 있는 성분(예컨대, 폴리실록센)이 없기 때문이다. 이와 같은 결과로부터 기공형성의 매개체로서 팽창 가능한 미세구를 사용하는 경우에는 본 발명의 필수 구성성분인 폴리실록센이 출발원료에 반드시 포함되어야 함을 알 수 있다.The molded article was thermally expanded, cured and heat treated (pyrolyzed and chemically reacted) under the conditions shown in Table 3 to prepare porous cordierite ceramics. At this time, the specimens 18 and 19, which are comparative examples, were all broken in the expansion process, so that subsequent experiments could not be performed. This is because there is no component (eg polysiloxane) that can accommodate the expansion of the expandable microspheres in the molded body. From these results, it can be seen that when using expandable microspheres as a medium for pore formation, polysiloxane, which is an essential component of the present invention, must be included in the starting material.

Figure 112005005961640-pat00003
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표 3의 조건으로 제조된 코디어라트질의 발명예 14~17에 대하여 압축강도를 측정하고, 그 전자현미경사진으로부터 기공크기, 기공밀도 및 기공율 측정하고, 그 측정한 결과를 표 4에 나타내었다. Compressive strength was measured for Inventive Examples 14 to 17 of cordierite produced under the conditions of Table 3, the pore size, pore density and porosity were measured from the electron micrograph, and the measured results are shown in Table 4.

Figure 112005005961640-pat00004
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실시예 3Example 3

출발원료로서, 평균입자크기 44㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 0.5㎛의 Al2O3 분말과 평균입자크기 1㎛의 MgO 분말(반응성필러), 직경 15~25㎛의 구형 폴리메틸메스아크릴레이트코에틸렌글리콜디메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate))(고분자 미세구), 평균입자크기 1㎛의 Y2O3(강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표5에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리에틸렌 볼밀 내에 장입하고 테프론 볼을 사용하여 24시간 동안 건식 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물을 50×50×5mm의 직육면체 형상의 금형에서 200kg/㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 44 μm or less, Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.5 μm, MgO powder (reactive filler) having an average particle size of 1 μm, and spherical polymethylmethes having a diameter of 15 to 25 μm Acrylate coethylene glycol dimethacrylate (poly (methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate)) (polymer microspheres), Y 2 O 3 (strength enhancer) powder having an average particle size of 1㎛ was prepared, and Table 5 Charged into a polyethylene ball mill at the mixing ratio (weight ratio) shown in and mixed by dry ball milling for 24 hours using a Teflon ball. Thereafter, the raw material mixture was uniaxially press-molded at a pressure of 200 kg / cm 2 in a mold having a rectangular parallelepiped shape of 50 × 50 × 5 mm to prepare a molded body.

24,25번 시편은 비교예로서 폴리실록센 대신에 평균입자크기 약 1㎛의 SiO2분말을 사용하였고, 다른 출발원료는 상기 발명예와 동일한 원료 및 공정을 사용하여 제조하였다.Samples 24 and 25 used SiO 2 powder having an average particle size of about 1 μm in place of polysiloxane as a comparative example, and other starting materials were prepared using the same raw materials and processes as the above examples.

상기 성형체를 표5에 도시한 조건으로 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 코디어라이트질 세라믹스를 제조하고, 그 특성(압축강도, 기공크기, 기공율, 기공밀도)를 측정하여 표6으로 나타내었다. 다만, 비교예인 24,25번 시편의 경우에는 경화공정은 필요없어 거치지 않았다.The molded article was cured and heat treated (pyrolyzed and chemically reacted) under the conditions shown in Table 5 to prepare porous cordierite ceramics, and the characteristics (compressive strength, pore size, porosity, pore density) were measured. Indicated. However, in the case of specimens 24 and 25 as the comparative example, the curing process was not necessary and did not go through.

Figure 112005005961640-pat00005
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실시예 4Example 4

출발원료로서, 평균입자크기 44㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 0.01㎛의 카본블랙 분말 또는 평균입자크기 3㎛의 흑연분말(이상, 반응성필러), 직경 50~100㎛의 PMMA 미세구, 평균입자크기 0.5㎛의 Al21O3 분말과 평균입자크기 1㎛의 Y2O3(이상, 강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표7에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리에틸렌 볼밀 내에 장입하고 테프론 볼을 사용하여 24시간 동안 건식 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물을 50×50×5mm의 직육면체 형상의 금형에서 200kg/㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 44 μm or less, carbon black powder having an average particle size of 0.01 μm or graphite powder having an average particle size of 3 μm (reactive filler), PMMA microspheres having a diameter of 50 to 100 μm, Al 21 O 3 powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 (above, strength enhancing material) powder having an average particle size of 1 μm were prepared, and charged into a polyethylene ball mill at a mixing ratio (weight ratio) shown in Table 7. Teflon balls were mixed by dry ball milling for 24 hours. Thereafter, the raw material mixture was uniaxially press-molded at a pressure of 200 kg / cm 2 in a mold having a rectangular parallelepiped shape of 50 × 50 × 5 mm to prepare a molded body.

30-31번 시편은 비교예로서 폴리실록센과 반응성 필러 대신에 평균입자크기 약 0.27㎛의 SiC 분말을 사용하였고, 미세구는 상기 발명예와 동일한 원료를 사용하였으며, 혼합 및 성형 공정도 상기 발명예와 동일한 공정을 사용하여 제조하였다. Samples No. 30-31 used SiC powder having an average particle size of about 0.27 μm in place of the polysiloxane and the reactive filler, and the microspheres were made of the same raw materials as the above examples, and the mixing and forming processes were the same as those of the above examples. Prepared using the process.

상기 성형체를 표7에 도시한 조건으로 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 탄화규소질 세라믹스를 제조하고, 그 전자현미경사진를 이용하여 압축강도, 기공크기, 기공율 및 기공밀도를 측정하여 표8로 나타내었다. 다만, 비교예인 30,31번 시편의 경우에는 경화공정은 필요없어 거치지 않았다.The molded article was cured and heat treated (pyrolysis and chemical reaction) under the conditions shown in Table 7 to prepare porous silicon carbide ceramics, and the compressive strength, pore size, porosity and pore density were measured using the electron micrograph. Represented by. However, in the case of specimens 30 and 31, which are comparative examples, the curing process was not necessary and did not go through.

비교예인 31번 시편은 열처리 공정 후에 깨어져서 후속의 특성 측정을 할 수 없었다. 이러한 결과로부터 본 발명의 특징인 폴리실록센의 열분해 잔류물과 반응성필러 사이의 화학 반응공정이 아닌 일반적인 분말제조공정으로는 기공형성의 매개체인 PMMA 미세구)를 50% 이상 첨가할 수 없음을 알 수 있고, 이는 고기공율의 달성이 어렵다는 것을 의미한다. Specimen No. 31, which is a comparative example, was broken after the heat treatment process, so that subsequent measurement of properties could not be performed. From these results, it can be seen that more than 50% of PMMA microspheres, which are mediators of pore formation, cannot be added by the general powder manufacturing process, not the chemical reaction process between the pyrolysis residue of the polysiloxane and the reactive filler. This means that it is difficult to achieve meat power.

Figure 112005005961640-pat00007
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Figure 112005005961640-pat00008
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실시예 5Example 5

출발원료로서, 평균입자크기 44㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 44㎛ 이하의 페놀수지 분말(반응성필러), 직경 6~12㎛의 팽창 가능한 PMMA 미세구, 평균입자크기 1㎛의 Y3Al5O12(강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표9에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리프로필렌 볼밀 내에 장입하고 상기 원료의 중량과 동일한 중량의 에탄올을 용매로서 첨가한 후, 테프론 볼을 사용하여 4시간 동안 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물의 슬러리를 건조후, 50×50×5mm의 직육면체 형상의 금형에서 180kg/㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 44 μm or less, phenolic resin powder (reactive filler) having an average particle size of 44 μm or less, expandable PMMA microspheres having a diameter of 6 to 12 μm, Y 3 having an average particle size of 1 μm An Al 5 O 12 (strength enhancer) powder was prepared, charged into a polypropylene ball mill at the mixing ratio (weight ratio) shown in Table 9, and ethanol having the same weight as the weight of the raw material was added as a solvent, followed by teflon ball. And mixed by ball milling for 4 hours. Thereafter, the slurry of the raw material mixture was dried and uniaxially press-molded at a pressure of 180 kg / cm 2 in a mold having a rectangular parallelepiped shape of 50 × 50 × 5 mm to prepare a molded body.

상기 성형체를 표9에 도시한 조건으로 팽창, 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 탄화규소질 세라믹스를 제조하고, 그 전자현미경사진를 이용하여 압축강도, 기공크기, 기공율 및 기공밀도를 측정하여 표10으로 나타내었다. Expanded, cured and heat treated (pyrolysis and chemical reaction) of the molded body under the conditions shown in Table 9 to prepare porous silicon carbide ceramics, and by using the electron micrograph to measure the compressive strength, pore size, porosity and pore density It is shown in Table 10.

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Figure 112005005961640-pat00010
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실시예 6Example 6

출발원료로서, 평균입자크기 44㎛ 이하의 폴리실록센 분말, 평균입자크기 44㎛ 이하의 페놀수지 분말(반응성필러), 직경 6~12㎛의 팽창 가능한 PMMA 미세구, 평균입자크기 0.3㎛의 Y2O3(강도증진재) 분말을 준비하고, 이를 표11에 도시된 혼합비(중량비)로 폴리프로필렌 볼밀 내에 장입하고 상기 원료의 중량과 동일한 중량의 에탄올을 용매로서 첨가한 후, 테프론 볼을 사용하여 4시간 동안 볼밀링하여 혼합하였다. 이후, 상기 원료혼합물의 슬러리를 건조후, 30×30×4mm의 직육면체 형상의 금형에서 170kg/㎝2의 압력으로 일축가압성형하여 성형체를 제조하였다.As starting materials, polysiloxane powder having an average particle size of 44 μm or less, phenolic resin powder (reactive filler) having an average particle size of 44 μm or less, expandable PMMA microspheres having a diameter of 6 to 12 μm, Y 2 having an average particle size of 0.3 μm Prepare an O 3 (strength enhancer) powder, load it into a polypropylene ball mill at the mixing ratio (weight ratio) shown in Table 11, add ethanol having the same weight as the weight of the raw material as a solvent, and then use Teflon ball. Mix by ball milling for 4 hours. Thereafter, the slurry of the raw material mixture was dried and uniaxially pressurized at a pressure of 170 kg / cm 2 in a 30 × 30 × 4 mm rectangular parallelepiped mold to prepare a molded body.

42-43번 시편은 비교예로서 평균입자 크기 약 0.3㎛의 Si3N4 분말을 사용하였고, 미세구는 직경 15~25㎛의 구형 폴리메틸메스아크릴레이트코에틸렌글리콜디메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate))(고분자 미세구)을 사용하여, 상기 발명예와 동일한 혼합 및 성형 공정을 사용하여 제조하였다. Specimen Nos. 42-43 used Si 3 N 4 powder having an average particle size of about 0.3 μm as a comparative example, and the microspheres were spherical polymethylmethacrylate coethylene glycol dimethacrylate having a diameter of 15 to 25 μm (poly (methylmethacrylte). -co-ethylene glycol dimethacrylate)) (polymer microspheres) was prepared using the same mixing and molding process as in the invention example.

상기 성형체를 표11에 도시한 조건으로 팽창, 경화 및 열처리(열분해 및 화학반응)하여 다공질 질화규소질 세라믹스를 제조하고, 그 전자현미경사진를 이용하여 압축강도, 기공크기, 기공율 및 기공밀도를 측정하여 표12로 나타내었다.The molded article was expanded, cured and heat treated (pyrolysis and chemical reaction) under the conditions shown in Table 11 to prepare porous silicon nitride ceramics, and the compressive strength, pore size, porosity and pore density were measured using the electron micrograph. 12.

비교예인 42-43번 시편의 경우에 팽창 및 경화공정이 필요 없어 팽창 및 경화공정은 거치지 않았고, 성형체를 표11에 도시한 조건으로 열처리하여 제조하였다. In Comparative Example 42-43, the expansion and hardening process were not necessary because the expansion and hardening process were not performed, and the molded body was manufactured by heat treatment under the conditions shown in Table 11.

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상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 방법에 의하여 제조된 뮬라이트, 코디어라이트, 탄화규소, 질화규소의 다공질세라믹스 소재들은, 모두 60% 이상의 높은 기공율을 가지면서도, 압축강도가 최소 12MPa 이상을 가지는 고기공율 고강도의 소재임을 알 수 있다. 또한, 기공밀도도 109개/㎤ 이상의 높은 값을 가지며, 도2에 개시된 바와 같이, 기공의 크기 및 분포도 비교적 균일한 것을 알 수 있다.As can be seen above, the porous ceramic materials of mullite, cordierite, silicon carbide, and silicon nitride prepared by the method of the present invention all have a high porosity of 60% or more and a compressive strength of at least 12 MPa or more. Porosity It can be seen that the material of high strength. In addition, the pore density also has a high value of 10 9 / cm 3 or more, and as shown in FIG. 2, it can be seen that the size and distribution of the pores are also relatively uniform.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다공질세라믹스 소재의 제조방법에 의하면, 종래에는 달성하기 힘들었던 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질 및 질화규소질의 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재를 용이하게 제조할 수 있으며, 소결공정이 필요없고 비교적 저온저압에서 모든 반응이 완결되므로 제조비용 면에서 매우 경제적이다.As described above, according to the method of manufacturing the porous ceramic material of the present invention, it is possible to easily produce a high porosity high strength porous ceramic material of mullite, cordierite, silicon carbide and silicon nitride, which was difficult to achieve in the past. It is very economical in terms of manufacturing cost since no sintering process is required and all reactions are completed at relatively low temperature and low pressure.

또한, 본 발명에 따른 다공질세라믹스 소재는 고기공율과 고강도를 동시에 구현할 수 있고, 기공이 구형이며 크기 분포도 균일하므로, 각종 고온용 구조재료에 적합하게 쓰일 수 있다.In addition, the porous ceramic material according to the present invention can realize a high porosity and high strength at the same time, because the pores are spherical and uniform size distribution, it can be used suitably for various high-temperature structural materials.

Claims (9)

중량%로, 폴리실록센분말 9~50%, 반응성필러분말 3~51%, PMMA(폴리메틸메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylate))) 또는 폴리메틸메스아크릴레이트코에틸렌글리콜디메스아크릴레이트(poly(methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate)) 중 하나로 이루어지며 직경 8~100㎛의 미세한 구형 입자 30~75%, 강도증진재 0.5~8%로 이루어진 출발원료를 균일하게 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계;By weight, polysiloxane powder 9 to 50%, reactive filler powder 3 to 51%, PMMA (poly (methylmethacrylate)) or polymethylmethacrylatecoethylene glycoldimethacrylate (poly ( methylmethacrylte-co-ethylene glycol dimethacrylate)) and a starting material consisting of 30 to 75% of fine spherical particles having a diameter of 8 to 100 µm and a strength enhancer of 0.5 to 8%, uniformly mixing and molding to prepare a molded article ; 상기 성형체를 경화시키는 단계;Curing the molded body; 상기 경화된 성형체를 가열하여 상기 성형체의 구성성분들을 열분해 및 화학반응시키는 단계;를 포함하여 구성되는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법.Heating the cured molded body to thermally decompose and chemically react constituents of the molded body; a method of manufacturing a high porosity high-strength porous ceramic material comprising a. 중량%로, 폴리실록센분말 9~50%, 반응성필러분말 3~51%, PMMA피막을 구비하고 그 피막 내부의 공간에 이소부탄 또는 이소펜탄기체가 채워진 6~12㎛의 미세한 구형 입자 30~70%, 강도증진재 0.5~8%로 이루어진 출발원료를 균일하게 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계;6 to 12 micron fine spherical particles 30 to 70 in weight%, having 9 to 50% of polysiloxane powder, 3 to 51% of reactive filler powder, and a PMMA coating and filled with isobutane or isopentane gas in the space inside the coating. %, The starting material consisting of 0.5 ~ 8% strength enhancer uniformly mixed and molded to produce a molded body; 상기 성형체를 가열 팽창시키는 단계;Thermally expanding the molded body; 상기 팽창된 성형체를 경화시키는 단계;Curing the expanded molded body; 상기 경화된 성형체를 가열하여 상기 성형체의 구성성분들을 열분해 및 화학 반응시키는 단계;를 포함하여 구성되는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법.Heating the cured molded body to thermally decompose and chemically react constituents of the molded body. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 경화는, 성형체를 대기압하에서 130~190℃로 가열하여 열경화하는 단계인 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법. The hardening is a method for producing a high porosity high strength porous ceramic material, characterized in that the step of heating the molded body at 130 ~ 190 ℃ under atmospheric pressure to heat curing. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 열분해 및 화학반응단계는, 소정의 반응분위기 하에서 1300~1700℃로 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법. The pyrolysis and chemical reaction step, the method for producing a high porosity high-strength porous ceramic material, characterized in that the heating is carried out at 1300 ~ 1700 ℃ under a predetermined reaction atmosphere. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 성형체는, 폴리실록센의 연화온도와 용융온도 사이 범위의 온도로 가열되어 팽창되는 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법.The molded body is heated to a temperature in the range between the softening temperature and the melting temperature of the polysiloxane is expanded, the method of producing a high porosity high-strength porous ceramic material. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 반응성필러는, Al2O3, MgO, 흑연(graphite), 카본블랙, 페놀수지 (phenol resin) 중에서 선택되는 하나 이상 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법.The reactive filler is Al 2 O 3 , MgO, graphite (graphite), carbon black, a phenol resin (phenol resin) at least one selected from or a mixture thereof, characterized in that the high porosity high-strength porous ceramic material. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 강도증진재는, Al2O3, Y2O3, Y3Al5O 12 중에서 선택되는 하나 이상 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재의 제조방법.The strength enhancer is at least one selected from Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 or a mixture thereof. 제1항 또는 제2항의 방법에 의하여 제조되는 다공질세라믹스 소재로서,A porous ceramic material produced by the method of claim 1 or 2, 기공율 60~93%, 압축강도 12Mpa 이상, 기공밀도 109~1010개/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재.High porosity high strength porous ceramic material, characterized in that the porosity 60 ~ 93%, compressive strength 12Mpa or more, pore density 10 9 ~ 10 10 / cm 3 or more. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 소재는, 뮬라이트, 코디어라이트, 탄화규소, 질화규소 중 하나인 것을 특징으로 하는 고기공율 고강도 다공질세라믹스 소재.The material is a high porosity high strength porous ceramic material, characterized in that the mullite, cordierite, silicon carbide, silicon nitride.
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