KR100842058B1 - 다공질 세라믹스 제조방법 - Google Patents

다공질 세라믹스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 분말 내에 고분자 중공형 미세구가 균일하게 혼합되도록 함으로써 고기공율 및 고강도의 다공질 세라믹스가 제조되도록 하는 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법은, 세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계(S50)와; 점도가 2,000-50,000 cps 범위를 가지도록 수분을 투입하는 수분첨가단계(S60)와; 상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을 교반기(30)로 혼합하는 교반단계(S70)와; 상기 교반기(30)에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계(S80)와; 상기 혼합분말을 가열하는 소성단계(S90) 등으로 이루어지며; 상기 교반단계(S70)에서는, 교반기(30)를 200rpm 이하에서 1-5시간 동안 저속으로 회전시켜 혼합분말을 반죽하여 세라믹 분말 내에 고분자 중공형 기공 형성제가 균일하게 혼합되도록 하는 것이다.
이와 같은, 본 발명에 의하면, 고기공율을 가지며 고강도인 다공질 세라믹스 제조가 가능해지는 이점이 있다.
세라믹스, 다공질, 고기공율, 교반기, 기공

Description

다공질 세라믹스 제조방법 {The Producing Method for Porous Ceramics}
도 1은 지르코니아 분말과 중공형 미세구를 건식상태에서 24시간 볼밀링(ball milling) 한 후의 조직 상태를 보인 사진.
도 2는 본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법에 사용되는 교반기의 바람직한 실시예를 보인 사시도.
도 3은 본 발명을 구성하는 단계에 따라 혼합된 지르코니아 분말과 중공형 미세구의 배열 상태를 보인 사진.
도 4는 도 3에 도시된 바와 같은 상태를 가지는 혼합 분말을 사용하여 1600℃에서 소성된 다공성 지르코니아 세라믹의 미세조직을 보인 사진.
도 5는 본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법의 바람직한 실시예의 각 단계를 보인 블럭구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10. 지르코니아 분말 20. 중공형 미세구
30. 교반기 S50. 원료투입단계
S60. 수분첨가단계 S70. 교반단계
S80. 수분조절단계 S90. 소성단계
본 발명은 다공질 세라믹스 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 분말 내에 고분자 중공형 미세구가 균일하게 혼합되도록 함으로써 고기공율 및 고강도의 다공질 세라믹스가 제조되도록 하는 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다공질 세라믹스는 각종 고온용 구조재료나 각종 필터, 고온용 내화물, 고온로용 치구, 충격흡수재, 흡음재, 경량구조재, 단열재, 함침에 의해 제조되는 복합재료용 프리폼(preform) 등 광범위하게 사용되고 있는 소재이다.
그런데, 이러한 다공질 세라믹스 소재를 제조하기 위하여 종래에는, 기공 형성제로 고분자 스폰지를 이용하는 방법이 사용되었다. 이는 원하는 세라믹 조성의 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.
이때, 고분자 스폰지는 소결 공정 동안에 열분해 되어 기체로 날아가며, 기공과 기공 사이의 지주(strut) 내부에 기공(스폰지의 지주가 위치했던 곳)을 남기게 된다. 상기 공정에 의해 제조된 다공질 세라믹스는 기공의 크기가 100μm - 3mm 정도로 매우 크고, 또한 기공과 기공 사이의 지주 내부에 기공을 포함하므로, 다공질 세라믹스의 강도가 낮다는 문제점을 갖고 있다.
또한, 최근에 많이 사용하고 있는 기공 형성제로는, 구형의 고분자 피엠엠 에이(PMMA) 입자가 사용되기도 한다. 이때에는 일반적으로 밀도가 1g/cm3 정도가 되므로 원료분말로서 원활하게 사용될 수 있으나, 소성 공정에서 구형의 피엠엠에이(PMMA) 입자를 모두 열분해 하여 날려 보내기 위해서는 많은 에너지가 소모되며, 또한 이때 열 분해된 기체성분이 제거되는 공정에서 다공질 재료에서 결함을 유도하며, 많은 유해한 기체 성분으로 인하여 환경오염 문제 등을 야기하게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비중이 매우 높은 세라믹 분말과 비중이 매우 낮은 기공형성제 (중공형(中空形) 고분자 미세구)를 일정한 수분이 포함된 상태로 혼합하여 많은 기공을 함유한 고강도의 다공질 세라믹스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법은,
세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계와; 점도가 2,000-50,000 cps 범위를 가지도록 수분을 투입하는 수분첨가단계와; 상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을 교반기로 혼합하는 교반단계와; 상기 교반기에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계와; 상기 혼합분말을 가열하는 소성단계를 포함하며; 상기 교반단계에서는, 교반기를 200rpm 이하에서 1-5시간 동안 저속으로 회전시켜 혼합분말을 반죽하여 세라믹 분말 내에 고분자 중공형 기공 형성제가 균일하게 혼합되도록 하는 것임을 특징으로 한다.
상기 세라믹 분말은, 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코미어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질 또는 황토질 소재 중 적어도 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 기공 형성제의 부피는, 상기 세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제로 구성되는 출발원료의 30%-90% 범위 이내임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법은,
세라믹 분말과 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계와; 점도가 2,000-50,000 cps 범위를 가지도록 수분을 투입하는 수분첨가단계와; 상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을, 200rpm 이하에서 1-5시간 동안 저속으로 교반기로 회전시켜 혼합분말을 반죽하는 교반단계와; 상기 교반기에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계와; 상기 혼합분말을 가열하는 소성단계를 포함하며; 상기 세라믹 분말은 비중이 2.5g/cm3 이상이며, 상기 고분자 중공형 기공 형성제는 비중이 0.1 g/cm3 이하임을 특징으로 하기도 한다.
이와 같은, 본 발명에 의하면, 고기공율을 가지며 고강도인 다공질 세라믹스 제조가 가능해지는 이점이 있다.
본 발명에 의해 제조되는 세라믹스의 구성은, 세라믹 분말과 기공 형성제 등으로 이루어진다.
이하 이러한 본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법에 대하여 보다 구체 적으로 설명한다.
본 발명에서 사용되는 세라믹 분말은, 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코미어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질 또는 황토질 등의 소재가 사용된다. 즉, 세라믹 분말로는, 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코미어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질 또는 황토질 중 어느 하나가 사용되거나, 이러한 다수의 소재 중 2 이상이 사용될 수 있다. 그리고, 기공 형성제로는 중공형 미세구가 사용된다.
보다 구체적으로 살펴보면, 기공 형성제로는 열처리로 쉽게 태워 보내는 것이 가능하여 에너지 소모 및 환경오염을 줄일 수 있는 중공형 기공 형성제를 사용한다. 즉, 내부가 비워져 있는 밀도 0.1g/cm3 이하의 중공형 미세구를 사용한다. 이러한 중공형 미세구는, 폴리메틸메스아크릴레이트 (Polymethylmethacrylate)로 구성되며, 피막(Shell)과 피막 내부가 비어 있는 직경 10~150㎛의 구형 소재이다.
상기와 같은 중공형 미세구는, 대기압에서 가열하면 분해되어 기체상태로 날라가게 되며, 이러한 고분자(중공형) 미세구가 있던 자리에는 기공이 형성된다.
상기 중공형 미세구는, 건식 또는 습식 상태에서 세라믹 분말과 혼합되어 세라믹스를 형성하게 된다.
도 1에는, 지르코니아 분말과 중공형 미세구를 건식상태에서 24시간 볼밀링(ball milling) 한 후의 전자 현미경 사진이 도시되어 있다.
이때의 구체적인 실험조건은, 일반적으로 사용되는 45㎛ 이하의 분말로 이루 어진 지르코니아 분말(10)과, 75 ㎛ 크기의 중공형 미세구(20)를 겉보기 부피 율 1:1로 하여, 건식으로 3/8 inch 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 볼밀링(ball milling) 한 것이다.
도시된 것과 같이, 이때의 구형의 중공형 미세구(20)는 모두 손상되어 구형의 입자임을 관찰할 수 없는 상태이다. 이는 지르코니아 분말(10)의 밀도가 6g/cm3로 매우 무거운 소재이며, 일반적으로 저가의 분말들은 조립의 입자를 분쇄하여 사용하게 되므로, 거친 표면 상태를 유지하고 있다. 따라서, 건식에서 혼합하는 경우에, 중공형 미세구(20)를 마모 파쇄시키는 역할을 하는 것을 관찰에 의해 알 수 있었다.
그러나, 건식으로 볼밀링(ball milling) 공정을 진행할 경우에도, 혼합시간을 1시간 이하로 단축시키면, 혼합시에 발생되는 중공형 미세구의 파쇄 및 손상을 어느 정도 억제할 수는 있으나, 1시간 이하의 건식 혼합은 현저한 밀도 차이로 인하여 균일한 혼합을 달성하기 어렵다. 즉, 건식 공정을 통하여 비중이 높은 세라믹 분말과 혼합할 경우, 기공 형성제의 표피 취약성으로 인하여 찢어지는 등 기공 형성제로의 역할을 다하지 못한다.
이는 일반적으로 세라믹 재료의 혼합에 사용되는 건식의 볼밀링(Ball milling) 공정이 본 중공형 미세구에 적용하기에는 투입되는 에너지의 양이 너무 높아 적합하지 않기 때문이다.
한편으로, 이러한 건식 방식에 의한 문제를 해결하기 위하여 습식으로 볼밀 링(all milling)하는 방식이 사용된다.
이와 같이, 습식으로 혼합할 경우, 용매로 사용되는 수분은 세라믹 분말과 중공형 미세구 사이에 윤활작용을 할 뿐만 아니라, 용매 사이에서 볼과 볼 사이의 충돌에너지가 완화되어 중공형 미세구가 마모 파쇄되는 현상을 억제할 수 있다.
그러나, 용매 내에서 혼합 후에 세라믹 분말과 중공형 미세구와의 현저한 밀도 차이에 의하여 다시 혼합된 세라믹과 중공형 미세구가 분리되는 현상이 나타남으로서 효과적인 혼합 공정을 달성할 수 없게 된다.
따라서, 용매 내에서 세라믹 분말과 중공형 미세구의 밀도차 분리 현상을 억제하기 위하여 용매의 양을 감소시킴으로서 어느 정도 조절할 수 있으나, 용매의 양이 감소 된 상태에서 볼밀링(ball milling) 공정이 수행되는 경우에는 슬러리의 점도가 급격히 증가하며, 이에 따라서 혼합분말과 볼(ball) 사이가 엉켜 적절한 혼합 공정을 제어할 수 없게 된다. 이와 같이, 기공 형성제를 수분이 많은 습식 형태에서 혼합할 경우에도 비중 차이에 의하여 서로 분리됨으로서, 효율적인 혼합이 제대로 이루어지기 어렵다.
따라서, 본 발명에서는 고점도 혼합방법에 의해 세라믹 분말과 중공형 미세구(기공 형성제)를 혼합한다. 즉, 교반기를 이용하여 반죽을 형성하는 방법에 의해 세라믹 분말과 중공형 미세구(기공 형성제)를 효율적으로 혼합한다.
구체적으로 살펴보면, 고점도 혼합방법은, 세라믹 분말과 중공형 미세구(기공 형성제)를 혼합시 수분량을 적절히 조절함으로서, 건식 혼합 공정에서 유발되는 중공형 미세구의 마모 파쇄 현상을 억제하고, 습식 공정시 혼합 슬러리에서의 분리 현상을 억제 하는 것이다.
특히, 이때에는 고점도 슬러리의 볼밀링(ball milling)시 엉겨 붙는 현상을 제어하기 위하여 교반기가 사용되며, 도 2에는 교반기의 일례가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 교반기(30)는, 상기 세라믹분말과 중공형 미세구가 담겨지는 혼합통(32)과, 상기 혼합통(32)의 중앙부에 상하로 길게 형성되는 회전축(34)과, 상기 회전축(34)에 일면이 고정되는 회전판(36)과, 상기 회전축(34)의 하단에 연결 설치되는 회전모터(도시되지 않음) 등으로 이루어진다.
상기 혼합통(32)은 상방이 개구된 원통 형상으로 이루어지며, 상기 회전축(34)은 원기둥 형상으로 이루어져 상기 혼합통(32)의 중앙부에 상하로 길게 형성된다. 그리고, 상기 회전판(36)은 소정의 두께를 가지는 평판으로 이루어지며 상기 회전축(34)에 일단이 고정된다.
따라서, 상기 회전모터에서 발생되는 회전력이 상기 회전축(34)으로 전달되어 회전축(34)이 회전하게 되면, 상기 회전축(34)과 일체로 형성된 회전판(36)이 회전하면서, 상기 혼합통(32) 내부에 함께 수용되어 있는 세라믹분말과 중공형 미세구를 골고루 혼합하게 되는 것이다.
상기 회전판(36)은 2개 또는 그 이상이 설치되는 것도 가능하다. 즉, 도 2에서는 상기 회전판(36)이 1개인 경우를 예로 들어 도시하고 있으나, 이러한 회전판(36)이 상기 회전축(34)의 반대편에 서로 대칭되게 하나 더 설치되는 것도 가능하며, 3개 이사이 서로 일정각도로 이격되도록 설치되는 것도 가능할 것이다. 그리고, 이러한 회전판(36)의 형상은 다양하게 변형 가능할 것이다.
한편, 상기 교반기(30)의 회전축(34)은 200rpm 이하의 저속에서 회전시키는 것이 바람직하며, 이러한 저속 회전에 의해 마모 파쇄 현상을 줄일 수 있게 된다.
이때 수분의 양은 세라믹 분말의 입도에 따라 변한다. 즉, 세라믹 분말의 입도가 작을 경우에는 수분 함량이 증대되어야 하며, 세라믹 분말의 입도가 큰 경우에는 수분의 함량이 상대적으로 감소되어야 한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 세라믹 분말의 입도가 45㎛(-325 mesh)이하인 경우에는 혼합 분말 양 대비 15-20wt% 범위에서 적정한 혼합이 이루어지나, 분말의 입도가 감소하여 서버마이크론(submicron)의 경우에는 혼합 분말양 대비 80-100 wt%가 범위에서 혼합이 이루어지도록 한다. 그리고, 적정한 슬러리(slurry)의 점도는 재료의 종류에 따라서 차이가 있을 수 있으나, 2000-50000 cps 범위에 있어야 한다.
도 3은 본 발명에 따라 혼합된 지르코니아 분말(10)과 중공형 미세구(20)를 혼합한 상태에서의 전자현미경 사진을 도시한 것이다.
이때의 세부 조건은, 지르코니아 분말의 평균입도가 25㎛ 이며, 중공형 미세구의 함량은 겉보기 부피로 지르코니아 분말의 60vol% 첨가하였으며, 혼합 분말 대비 용매로서 수분의 함량은 20 vol%를 첨가하여 1시간 30분 동안 혼합한 후에 건조한 것이다.
도시된 바와 같이, 이때에는 지르코니아 분말(10) 내에 중공형 미세구(20)가 손상되지 않고 고르게 혼합된 상태로 존재하는 것을 관찰할 수 있다.
이와 같은 과정에 의해 제조된 슬러리(slurry)는, 필터프레싱(filter pressing) 공정이나 슬립캐스팅(slip casting) 공정을 통하여 잔류 수분 양을 조절한 후, 세라믹 재료의 특성에 맞게 적정한 소성 온도를 통하여 다공질 세라믹스가 된다. 상기 필터프레싱(filter pressing) 공정이나 슬립캐스팅(slip casting) 공정은 일반적으로 알려진 공정이므로, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 도 3에 도시된 바와 같은 상태를 가지는 혼합 분말을 사용하여 1600℃에서 소성된 다공성 지르코니아 세라믹의 미세조직을 나타낸 그림이다.
이에 도시된 바와 같이, 여기에서는 중공형 미세구의 자리가 셀룰라 형태의 기공으로 잘 발달 되었음을 관찰할 수 있다.
이하에서는 보다 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명의 작용을 구체적으로 설명한다.
먼저 본 발명에 의한 다공질 세라믹스 제조방법의 각 단계를 개략적으로 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같다. 즉, 본 발명은, 세라믹 분말과 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계(S50)와, 점도가 2,000-50,000 cps 범위를 가지도록 소정의 수분을 투입하는 수분첨가단계(S60)와, 상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을 교반기(30)로 회전시켜 혼합분말을 반죽하는 교반단계(S70)와, 상기 교반기(30)에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계(S80)와, 상기 혼합분말을 가열하는 소성단계(S90) 등으로 이루어진다.
상기 각 단계는 순차적으로 행해지거나, 동시에 수행될 수도 있으며, 또한, 그 순서가 부분적으로 바꾸어 진행될 수도 있다. 그리고, 이하에서는 상기 각 단계의 구체적인 과정 및 형태를 실시 순서에 따라 서술한다.
[실시예1]
본 발명의 '실시예1'에서는, 세라믹 분말로는 입자크기 25㎛와 0.9㎛인 지르코니아 분말을 혼합하여 사용하였으며, 이때 직경 70㎛의 중공형 고분자 미세구를 출발원료로 사용하였다.
원료 혼합물을 '표1'에 보여준 것과 같은 원료 혼합비로 이루어진 원료분말(지르코니아 분말 및 중공형 고분자 미세구)과, 용매로 사용되는 물을 분말 양의 20wt%에 해당하게 상기 교반기(30)에 장입한 후, 1시간 30분간 150rpm으로 혼합하였다.
그리고, 혼합된 분말은 필터프레싱(filter pressing)으로 수분 양을 10wt% 낮추어서 성형한 후, 소성하였다. 소성온도는 1550-1750℃로 하였으며, 2시간 동안 소성하였고, 승온속도는 분당 5℃ 였다. 상기와 같은 과정에 의해 제조된 다공질 지르코니아의 기공특성은 표 1과 같다.
조성 실시예 혼합조성 분말 (wt%) 중공형 미세구 (vol%) 열처리조건 (온도, 시간, 분위기) 특성
기공율 (%) 기공크기 (㎛)
조립 지르코니아 분말 (25㎛) 미립 지르코니아 분말 (0.9㎛)
1 100 0 60 1550℃, 2hr, 공기 75 12-18
2 100 0 60 1650℃, 2hr, 공기 74 12-18
3 100 0 60 1750℃, 2hr, 공기 74 12-18
4 90 10 60 1550℃, 2hr, 공기 72 10-15
5 90 10 60 1650℃, 2hr, 공기 72 10-15
6 90 10 60 1750℃, 2hr, 공기 71 10-15
7 80 20 60 1550℃, 2hr, 공기 70 8-12
8 80 20 60 1650℃, 2hr, 공기 68 8-12
9 80 20 60 1750℃, 2hr, 공기 68 8-12
10 70 30 60 1550℃, 2hr, 공기 67 6-10
11 70 30 60 1650℃, 2hr, 공기 67 6-10
12 70 30 60 1750℃, 2hr, 공기 66 6-10
13 60 40 60 1550℃, 2hr, 공기 64 4-8
14 60 40 60 1650℃, 2hr, 공기 64 4-8
15 60 40 60 1750℃, 2hr, 공기 62 4-8
16 50 50 60 1550℃, 2hr, 공기 61 2-6
17 50 50 60 1650℃, 2hr, 공기 61 2-6
18 50 50 60 1750℃, 2hr, 공기 60 2-6
이처럼, 상기 기공 형성제(중공형 미세구)의 부피는, 상기 세라믹 분말(혼합 지르코니아 분말)과 고분자 중공형 기공 형성제로 구성되는 출발원료의 30%-90% 범위 이내가 되도록 함이 바람직하며, 보다 정확하게는 세라믹분말과 기공 형성제의 부피비는, 상기 표에 도시된 바와 같이 5:3으로 이루어진다.
따라서, 이때에는 '표1'과 같이, 기공율이 60%이상으로 되어 아주 양호한 세라믹스가 제조됨을 알 수 있다.
또한, 상기 '표1'과 같이, 상기 세라믹분말은, 상대적으로 크기가 큰 조립 지르코니아 분말과, 상대적으로 크기가 작은 미립 지르코니아 분말이 사용된다. 즉, 조립 지르코니아 분말의 크기는 25㎛이며, 미립 지르코니아 분말의 크기는 0.9㎛인 것이 사용되었다.
그리고, 이때 상기 미립 지르코니아 분말의 비율은, 상기 세라믹분말 전체(조립 지르코니아 분말과 미립 지르코니아 분말을 합한 것) 중 0~50wt%가 된다. 즉, 표시된 바와 같이, 조립 지르코니아 분말과 미립 지르코니아 분말의 비율(wt%)은 100:0 내지 50:50 이내에서 실험되었으며, 결과는 기공율이 60% 이상으로 나왔다.
[실시예2]
본 발명의 '실시예2'에서는, 출발 원료로 평균 입자크기 25㎛인 지르코니아 분말과 직경 70㎛의 중공형 고분자 미세구를 사용하였다.
이때, 중공형 미세구의 밀도는 0.03g/cm3 이며, 중공형 미세구는 부피 비로 50-80 vol%로 첨가하였다.
상기 원료 혼합물을 원료분말(지르코니아 분말 및 중공형 고분자 미세구)로 하고, 용매로는 물을 사용하였으며, 이때 물은 원료분말 양의 20wt%에 해당하게 상기 교반기(30)에 장입한 후, 1시간 30분간 150rpm으로 혼합하였다.
혼합된 분말은 필터프레싱(filter pressing)으로 수분양을 10wt% 낮추어서 성형한 후, 소성하였다. 소성 온도는 1550-1750℃로 하여, 2시간 동안 소성하였으며, 승온속도는 분당 5℃ 였다. 상기와 같은 과정에 의해 제조된 다공질 지르코니아의 기공특성은 표 2과 같다.
조성 실시예 지르코니아 분말 (25㎛) (vol%) 중공형 미세구 (vol%) 열처리조건 (온도, 시간, 분위기) 특성
기공율 (%) 기공크기 (㎛)
19 50 50 1650℃, 2hr, 공기 71 12-18
20 40 60 1650℃, 2hr, 공기 74 12-18
21 30 70 1650℃, 2hr, 공기 77 12-18
22 20 80 1650℃, 2hr, 공기 79 12-18
상기 표에 도시된 바와 같이, 여기에서는 세라믹분말과 기공 형성제의 부피비는, 1:1 내지 1:4가 되며, 이때의 기공율은 70%이상이 된다.
[실시예3]
본 발명의 '실시예2'에서는, 세라믹 분말로는, 알루미나분말(입자크기: 5㎛), 뮬라이트 분말(입자크기: 5㎛), 코미어라이트 분말(입자크기: 20㎛), 탄화규소 분말 (입자크기: 1.5㎛), 질화규소 분말 (입자크기: 1.4㎛) 또는 황토질 분말 (입자크기: 1.2㎛)이 출발원료로 각각 사용되었으며, 이러한 세라믹 분말의 구성 부피비는 아래의 표3에 도시된 바와 같다.
그리고, 중공형 미세구는 직경 70 ㎛ 크기를 사용하였다. 중공형 미세구의 밀도는 0.03g/cm3 이며, 부피 비는 60 vol%가 되도록 첨가되였다. 상기 원료 혼합물을 점도가 2,000-50,000 cps 범위를 가지도록 수분을 첨가한 후, 상기 교반기(30)에 장입하여 1시간 30분간 150rpm으로 혼합하였다. 혼합된 분말은 필터프레싱(filter pressing)으로 수분양을 낮추어서 성형한 후 소성하였다.
상기와 같은 과정에 의해 제조된 다공질 지르코니아의 기공특성은 표 3과 같다.
조성 실시예 세라믹 분말 종류 및 크기(㎛) 세라믹 분말 (vol%) 중공형 미세구 (vol%) 혼합 분말 대비 수분량 (wt%) 특성
기공율 (%) 기공크기 (㎛)
23 알루미나 (5㎛) 40 60 20-60 65 12-18
24 뮬라이트 (5㎛) 40 60 30-60 75 12-18
25 코미어라이트 (20㎛) 40 60 15-30 71 12-18
26 탄화규소 (1.5㎛) 40 60 60-80 69 12-18
27 질화규소 (1.4㎛) 40 60 50-90 71 12-18
28 황토 (1.2㎛) 40 60 70-100 73 12-18
상기 표에서는, 상기 세라믹 분말로 알루미나질, 뮬라이트질, 코미어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질 그리고 황토질 소재를 각각 사용한 결과가 나타나 있다. 그리고, 여기서는 세라믹분말과 기공 형성제(중공형 미세구)의 부피비는, 2:3(40:60)임을 알 수 있으며, 이 경우 기공율은 모두 60% 이상이 된다.
상기에서와 같이, 실시예1,2,3에서 각각 살펴본 본 발명의 제조방법에 의하면, 기공율이 60% 이상으로 고기공율을 가지며, 기공밀도가 109개/㎤ 이상이 되는 다공성 세라믹스가 제조된다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제조방법에 의하면, 세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계, 수분을 투입하는 수분첨가단계와, 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을 교반기로 혼합하는 교반단계 와, 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계 그리고, 혼합분말을 가열하는 소성단계 등으로 구성된다.
이와 같이 본 발명의 세라믹스 제조방법에서는 수분이 첨가되며, 교반기에 의해 저속으로 혼합분말이 혼합됨에 따라, 기공율이 60% 이상으로 고기공율을 갖고, 기공밀도가 109개/㎤ 이상인 다공성 세라믹스의 제조가 가능해지는 장점이 있다. 즉, 비중이 매우 높은 세라믹 분말과 비중이 매우 낮은 기공 형성제(중공형(中空形) 고분자 미세구)가 골고루 혼합되고, 가열에 의해 중공형 고분자 미세구가 분해 되어 기체상태로 날아가면, 고분자 미세구가 있던 자리가 기공을 형성하게 되어 고기공율을 가지는 다공질 세라믹스가 만들어지는 것이다.
따라서, 본 발명에 의해 만들어지는 다공질 세라믹스는, 기공율이 높고, 압축강도 및 기공 밀도가 높아, 각종 고온용 구조재료나 고온로 용 치구(Kiln Furniture), 또는, 각종 필터, 방탄재료, 충격흡수재, 단열재료, 내화물, 경량구조재, 건축재료, 흡음재, 우주망원경용 경량부재, 복합재료용 프리폼(preform) 등의 분야에 적합하게 응용하여 쓰일 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 세라믹 분말과 기공 형성제를 투입하는 원료투입단계와;
    점도가 10,000-50,000 cps 범위를 가지도록 일정량의 수분을 투입하는 수분첨가단계와;
    상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을, 200rpm 이하에서 1-5시간 동안 저속으로 회전하는 회전판을 가지는 교반기로 회전시켜 혼합분말을 반죽하는 교반단계와;
    상기 교반기에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계와;
    상기 혼합분말을 가열하는 소성단계를 포함하며;
    상기 세라믹 분말은 비중이 2.5g/cm3 이상이며, 상기 고분자 중공형 기공 형성제는 비중이 0.1 g/cm3 이하이고;
    상기 수분조절단계는, 필터프레싱(filter pressing) 공정이나 슬립캐스팅(slip casting) 공정을 통하여 잔류 수분 양을 조절하는 과정임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 세라믹 분말은,
    지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코미어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질 소재 중 적어도 어느 하나임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 수분조절단계는,
    상기 각 세라믹 분말의 크기가 작을수록 수분의 양은 증가시켜 일정한 점도가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기공 형성제의 부피는,
    상기 세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제로 구성되는 출발원료의 30%-90% 범위 이내임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  8. 비중이 6g/cm3 인 지르코니아 세라믹 분말과, 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 중공형 미세구를 기공 형성제를 각각 투입하는 원료투입단계와;
    점도가 10,000-50,000 cps 범위를 가지도록 수분을 투입하는 수분첨가단계와;
    상기 세라믹 분말과 기공 형성제 및 수분이 포함된 혼합분말을, 200rpm 이하에서 1-5시간 동안 저속으로 교반기로 회전시켜 혼합분말을 반죽하는 교반단계와;
    상기 교반기에 의해 혼합된 혼합분말의 수분을 조절하는 수분조절단계와;
    상기 혼합분말을 가열하는 소성단계를 포함하며;
    상기 수분조절단계는, 필터프레싱(filter pressing) 공정이나 슬립캐스팅(slip casting) 공정을 통하여 잔류 수분 양을 조절하는 과정으로 이루어져;
    기공율이 60% 이상인 구형 기공을 가지는 세라믹스를 제조하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기공 형성제의 부피는,
    상기 세라믹 분말과 고분자 중공형 기공 형성제로 구성되는 출발원료의 30%-90% 범위 이내임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 소성단계는,
    소성온도를 1550-1750℃로 하여 2시간 동안 가열하며, 승온속도는 분당 5℃로 하는 과정임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 지르코니아 세라믹 분말은,
    조립 지르코니아 분말과 미립 지르코니아 분말로 이루어지며, 미립 지르코니아 분말의 비율이 50wt% 이하임을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 제조방법.
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