KR101143312B1 - 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법 - Google Patents

내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101143312B1
KR101143312B1 KR1020110113233A KR20110113233A KR101143312B1 KR 101143312 B1 KR101143312 B1 KR 101143312B1 KR 1020110113233 A KR1020110113233 A KR 1020110113233A KR 20110113233 A KR20110113233 A KR 20110113233A KR 101143312 B1 KR101143312 B1 KR 101143312B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
baal
barium
parts
zirconia
Prior art date
Application number
KR1020110113233A
Other languages
English (en)
Inventor
정덕수
Original Assignee
정덕수
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 정덕수 filed Critical 정덕수
Priority to KR1020110113233A priority Critical patent/KR101143312B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101143312B1 publication Critical patent/KR101143312B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/44—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3215—Barium oxides or oxide-forming salts thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

본 발명은, 바륨알루미네이트(BaAl2O4)와 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2)를 포함하며, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 상기 지르코니아(ZrO2) 100중량부에 대하여 4～18중량부 함유되어 있고, 복수 개의 기공들이 균일하게 분포되어 다공성을 나타내는 열차단재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 열차단재에 의하면, 2000℃ 이상의 초고온 영역에서 낮은 열전도도를 나타내고 내열성 및 내화성이 우수하여 열전달을 효과적으로 차단하면서도 고온에서 기계적 특성뿐만 아니라 내구성이 우수하며 화학적인 안정성이 우수하고, 고온 환경에서 열차폐용 소재로 활용할 수 있다.

Description

내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법{Heat shielding materials with excellent heat resistance and manufacturing method of the same}
본 발명은 열차단재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 경도, 내열성 등의 특성을 나타내며 고온에서 열전도도가 낮아 고온 환경에서 열 또는 화염을 차폐하는 열차폐 재료로 사용될 수 있는 열차단재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다양한 산업 분야에서는 내열성 및 내화성(heat and flame resistant properties)을 나타내는 물질을 필요로 한다.
이러한 열차폐재(thermal barrier materials)는 1000℃ 이상의 고온에 노출되는 제품 등을 열로부터 보호하는 역할을 한다.
열차폐재로 사용되는 물질은 녹는점과 상 안정성이 높고 열전도율이 낮으며, 화학적인 안정성이 높아야 한다.
본 발명에서는 내열성 및 내화성이 우수하여 열전달을 효과적으로 차단하면서도 고온에서 기계적 특성뿐만 아니라 내구성이 우수하며 화학적인 안정성이 우수한 재료를 제시한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 2000℃ 이상의 초고온 영역에서 낮은 열전도도를 나타내고 내열성 및 내화성이 우수하여 열전달을 효과적으로 차단하면서도 고온에서 기계적 특성뿐만 아니라 내구성이 우수하며 화학적인 안정성이 우수하며, 고온 환경에서 열차폐용 소재로 활용할 수 있는 열차단재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 바륨알루미네이트(BaAl2O4)와 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2)를 포함하며, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 상기 지르코니아(ZrO2) 100중량부에 대하여 4～18중량부 함유되어 있고, 복수 개의 기공들이 균일하게 분포되어 다공성을 나타내는 열차단재를 제공한다.
상기 열차단재는 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 포함할 수 있으며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열차단재는 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 포함할 수 있며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, (a) 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 준비하는 단계와, (b) 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말 및 바인더를 혼합하는 단계와, (c) 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 상기 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말 및 상기 바인더의 혼합물을 원하는 형태로 성형하는 단계 및 (d) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 지르코니아(ZrO2) 분말 100중량부에 대하여 4～18중량부를 혼합하는 열차단재의 제조방법을 제공한다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 준비하는 단계는, 바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)가 1:1의 몰비를 이루도록 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 혼합하는 단계와, 혼합된 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)의 융점보다 낮은 800~1400℃ 온도에서 하소하여 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 지르코니아 분말과 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 전체 100중량부에 대하여 2～25중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 소성은 열차단재의 미세구조 및 입자 크기를 고려하여 산화분위기에서 1100～1800℃의 온도에서 10분～12시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 평균 입경이 0.1㎛～1㎜인 분말을 사용하고, 상기 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말은 평균 입경이 0.1㎛～30㎜인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 혼합할 수 있으며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 혼합할 수 있으며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하여 제조된 열차단재는 2000℃ 이상의 초고온 영역에서 낮은 열전도도를 나타내고 내열성 및 내화성이 우수하여 열전달을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 고온에서 기계적 특성뿐만 아니라 내구성이 우수하며 화학적인 안정성이 우수하다.
또한, 본 발명에 의하면 소결조제를 첨가하지 않고 소결이 이루어지며, 열차단재 내에는 2차상(secondary phase)이 형성되지 않는다.
또한, 본 발명에 의하면, 공정이 간단하여 대량 생산에 유리하고, 본 발명에 의해 제조된 열차단재는 다공성 구조를 갖고 있으면서 고강도를 나타내며 고온 환경에서 사용되는 열차폐재로 사용될 수 있다. 2000℃ 이상의 초고온 영역에서 낮은 열전도도를 나타내어 고온 환경에서 열차폐용 소재로 활용할 수 있다.
도 1은 열차단로의 단면 모습을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열차단재의 모습을 보여주는 사시도이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조한 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조한 열차단재를 2100℃에서 열처리한 후의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 사진이다.
도 8은 도 7의 계면을 관찰한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 내열성이 우수한 열차단재를 제시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열차단재는, 바륨알루미네이트(BaAl2O4)와 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2)를 포함하며, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 상기 지르코니아(ZrO2) 100중량부에 대하여 4～18중량부 함유되어 있다. 상기 열차단재 내에는 복수 개(다수)의 기공들이 균일하게 분포하여 상기 열차단재는 다공성을 나타낸다. 상기 기공들은 열전도도를 낮추고 열변형 적응성(thermal strain compliance)을 높이는 역할을 한다. 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 시멘트 재료로서 지르코니아(ZrO2)를 결합시키는 결합재 역할을 한다.
상기 열차단재는 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 포함할 수 있으며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 바륨알루미네이트(BaAl2O4)의 대체재로 사용될 수 있다.
또한, 상기 열차단재는 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 포함할 수 있며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열차단재는 2000℃ 이상의 초고온 영역에서 낮은 열전도도를 나타내고 내열성 및 내화성이 우수하여 열전달을 효과적으로 차단하면서도 고온에서 기계적 특성뿐만 아니라 내구성이 우수하며 화학적인 안정성이 우수하며, 고온 환경에서 열차폐용 소재로 활용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열차단재는 초고온 환경인 2300℃ 이상의 고온에서도 견딜 수 있어 사파이어 단결정 성장로의 열차단재로도 사용될 수 있다.
일 예에 따른 열차단로는 원통형 구조로서 6단으로 이루어질 수 있으며, 각 단은 도 1에서 보이는 것 같이 4개의 열차단재가 결합되어 이루어지고, 각 단들이 6단으로 결합되어 원통형 구조를 이룰 수 있다. 도 1은 원통형 구조를 갖는 열차단로의 단면을 보여주며, 도 2는 열차단재의 모습을 보여주는 사시도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열차단재를 제조하는 방법을 설명한다.
본 발명의 열차단재를 제조하기 위하여 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말과 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말을 준비한다. 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 시멘트 재료로서 지르코니아(ZrO2)를 결합시키는 결합재 역할을 한다.
먼저, 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 제조하는 방법을 설명한다. 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)의 고상반응으로 만들어질 수 있다.
바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 제조하기 위하여 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 준비한다. 바륨카보네이트(BaCO3) 분말의 입경은 열차단재의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 바륨카보네이트(BaCO3) 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 열차단재가 열차폐재 등에 사용되는 것을 고려하여 입자의 지름이 500㎛ 이하인 구형의 바륨카보네이트(BaCO3) 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 알루미나(Al2O3) 분말의 입경은 열차단재의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 알루미나(Al2O3) 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 열차단재가 열차폐재 등에 사용되는 것을 고려하여 입자의 지름이 50㎛ 이하인 구형의 알루미나(Al2O3) 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 제조하기 위하여 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 몰비에 따라 계산하고 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 칭량한다. 이때 바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)가 1:1의 몰비로 혼합되게 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 칭량한다.
칭량된 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 혼합한다. 상기 혼합은 볼 밀링 공정과 같은 다양한 혼합 방법을 이용할 수 있다. 상기 볼 밀링 공정은 건식 또는 습식 볼 밀링 공정을 이용할 수 있다.
이하에서 습식 볼 밀링 공정을 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
칭량된 산화물 분말들(바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말)을 균일하게 혼합하고 분쇄하기 위하여 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하여 물, 알코올과 같은 용매와 함께 습식 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 산화물 분말들을 기계적으로 분쇄하면서 균일하게 혼합한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜～10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50～500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1～48 시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 산화물 분말들은 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 되며, 균일하게 혼합되게 된다. 습식 볼 밀링 공정을 이용하여 혼합한 경우, 혼합이 완료된 산화물 분말 슬러리를 건조한다. 상기 건조는 60～120℃의 온도에서 30분～12시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
건조된 산화물 분말을 알루미나, 지르코니아와 같은 내열성 물질로 이루어진 도가니에 넣고, 산화물 분말이 담긴 도가니를 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입한다.
퍼니스의 온도를 하소 온도(예컨대, 800~1400℃)로 올려준다. 퍼니스의 온도는 2～50℃/min의 승온 속도로 온도를 올려주는 것이 바람직하다. 상기 하소 온도에서 소정 시간(예컨대, 1～12시간) 유지하여 고상 반응에 의해 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말이 합성되게 한다. 하소를 위한 퍼니스의 온도는 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말의 융점보다 낮은 온도인 800~1400℃ 정도인 것이 바람직한데, 800℃ 미만일 경우에는 온도가 낮아 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말이 형성되지 않을 수 있고, 1400℃를 초과하는 경우에는 에너지 소모가 많을 뿐만 아니라 생산 시간도 오래 걸려 비경제적이므로 바람직하지 않다.
큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말을 준비한다. 지르코니아(ZrO2)는 분자량이 123.22 정도이고, 녹는점이 약 2,700℃이며, 녹는점이 높아서 내식성이 크며, 급격한 온도 변화에 견디는 특성이 우수한 물질이다. 지르코니아(ZrO2) 분말의 입경은 열차단재의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 지르코니아(ZrO2) 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 열차단재가 열차폐재 등에 사용되는 것을 고려하여 입자의 지름이 0.1㎛～30㎜인 분말, 바람직하게는 0.5㎛～1㎜인 구형의 지르코니아(ZrO2) 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말 및 바인더를 혼합한다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 평균 입경이 0.1㎛～1㎜인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 상기 지르코니아(ZrO2) 분말 100중량부에 대하여 4～18중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 지르코니아 분말과 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 전체 100중량부에 대하여 2～25중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 바인더로는 설탕 전분과 같은 탄수화물, 아세틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시 에틸셀룰로오스와 같은 탄수화물 유도체, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA) 수지, 페놀 수지, 폴리아미드 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지와 같은 열경화성 또는 열가소성 수지 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 후술하는 소성 공정에서 일정 온도(예컨대, 300℃ 내지 600℃) 이상에서 태워져 없어지게 되고 태워져 없어진 자리(site)에는 기공들이 형성되게 된다.
이때, 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 혼합할 수 있으며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 지르코니아 분말들을 결합시켜주는 결합재로 사용될 수 있으며, 고온에서 지르코니아(ZrO2)와의 반응성이 낮고 고온에서 내화성이 우수한 특성을 갖는다.
또한, 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 혼합할 수 있으며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
혼합된 결과물을 원하는 형태로 성형한다. 상기 성형은 프레스(press) 등의 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
성형 방법을 예를 들어 보면, 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말 및 바인더를 몰드에 넣고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형한다. 상기 몰드는 실린더, 각기둥 등의 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 몰드 내에 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말 및 바인더를 장입한 후 몰드 상부와 하부에서 상하 양방향 압축 또는 일방향 압축을 실시하여 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 이때 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말과 지르코니아(ZrO2) 분말에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 10～200MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말과 지르코니아(ZrO2) 분말 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 밀도의 열차단재를 얻기 어렵고, 가압 압력이 너무 큰 경우에는 그 이상의 효과는 기대할 수 없다. 상기 몰드는 내열강 재질 등으로 이루어질 수 있으나, 지르코니아(ZrO2) 분말 성분과 동일한 재질인 지르코니아(ZrO2) 재질로 이루어지는 것을 사용하는 것이 불순물 억제 측면에서 바람직하다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말과 지르코니아(ZrO2) 분말이 혼합되어 성형된 성형체에 대하여 1100～1800℃ 정도의 온도로 소성한다. 상기 소성은 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 성형체를 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고, 목표하는 소성 온도로 상승시킨다. 이때 퍼니스의 승온 온도는 2～50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 성형체에 열적 스트레스(thermal stress)가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 이때 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 승온 과정에서 유기물로 이루어진 바인더는 300℃～600℃ 정도의 온도가 되면 태워져서 제거되게 되며, 바인더가 위치한 자리에는 기공들이 형성되게 된다.
퍼니스의 온도가 목표하는 소성 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 10분～12시간)을 유지한다. 상기 소성은 산소(O2), 공기(air)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 산소 또는 공기를 공급하는 경우에는 퍼니스의 가스 분위기가 충분히 산화 분위기를 띠게 공급하는데, 예컨대 100～2000sccm 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 퍼니스 온도를 상기 소성 온도에서 일정 시간 유지시키게 되면 열차단재가 얻어지게 된다.
상기 소성 온도는 바륨알루미네이트(BaAl2O4)와 지르코니아(ZrO2) 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking), 결정화 등을 고려하여 1100～1800℃ 정도인 것이 바람직한데, 소성 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자의 성장으로 인해 열차단재의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소성 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소성으로 인해 결정화가 일어나지 않거나 열차단재의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소성 온도에서 소성이 이루어지는 것이 바람직하다. 소성 온도에 따라 열차단재의 미세구조, 입경 등에 차이가 있는데, 소성 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소성 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소성 시간은 일반적인 퍼니스(전기로)를 사용하는 경우에는 10분～12시간 정도인 것이 바람직한데, 소성 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소성 효과를 기대하기 어렵고 열차단재 입자의 크기가 커지게 되며, 소성 시간이 작은 경우에는 불완전한 소성으로 인해 열차단재의 특성이 좋지 않을 수 있다. 이때, 퍼니스의 압력은 상압을 그대로 유지하는 것이 바람직하다.
소성 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 소성체인 열차단재를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 열차단재의 실시예를 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
10㎛의 평균 입경을 갖는 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 1㎛의 평균 입경을 갖는 알루미나(Al2O3) 분말을 몰비에 따라 계산하고 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 칭량하였다. 먼저 칭량된 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하여 에탄올과 함께 습식 혼합하였다. 볼 밀링기를 이용하여 200rpm의 속도로 회전시켜 산화물 분말들을 기계적으로 분쇄하고 균일하게 혼합하였다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아로 이루어진 5㎜ 크기의 볼을 사용하였고, 볼 밀링은 12 시간 동안 실시하였다. 볼 밀링 후, 80℃의 항온 건조기에서 2 시간 동안 건조하였다.
알루미나 도가니에 혼합 분쇄된 산화물 분말을 넣고, 상기 알루미나 도가니를 퍼니스에 장입한 후 퍼니스(furnace)의 온도를 1200℃ 까지 5℃/min의 승온 속도로 높여주었다. 퍼니스의 온도를 1200℃에서 5시간 동안 유지하여 하소하였다. 퍼니스를 자연 냉각하고, 하소된 분말이 담긴 알루미나 도가니를 퍼니스에서 꺼내어 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 얻었다.
이렇게 얻어진 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말에 3㎛의 평균 입경을 갖는 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말을 혼합하고 바인더인 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA) 수지를 첨가하고 프레스에서 성형하였다. 지르코니아(ZrO2) 분말 100중량부에 대하여 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말 7.53중량부를 혼합하였고, 상기 바인더는 지르코니아 분말과 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 전체 100중량부에 대하여 4.17중량부 첨가하였다.
상기 성형은 직경이 16 ㎜인 몰드에 장입하고 먼저 50 MPa 정도의 압력으로 1분간 일축 성형하고, 다시 150 MPa 정도의 압력으로 1분간 등방가압성형(Cold Isostatic Pressing)하여 실시하였다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말과 지르코니아(ZrO2) 분말이 혼합되어 성형된 성형체에 대하여 1600℃의 온도에서 소성하였다. 상기 소성은 다음과 같이 수행하였다.
상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말에 지르코니아(ZrO2) 분말의 성형체를 전기로에 장입하고, 목표하는 소성 온도인 1600℃로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 상승 온도는 10℃/min 정도로 설정하였고, 퍼니스 내의 압력은 상압을 유지하였다. 퍼니스의 온도가 목표하는 소성 온도로 상승하면, 4시간 동안 유지하여 소성 하였다. 퍼니스 온도를 소성 온도에서 일정 시간을 유지시키게 되면 열차단재가 얻어지게 된다. 소성 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 자연적으로 로냉시켜 열차단재를 얻었다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조한 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 열차단재는 지르코니아(ZrO2) 상과 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 상으로 구성되어 있다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 상기 열차단재 내에는 지르코니아(ZrO2)의 큰 입자들과 이 입자들 사이에 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 입자들이 보여지고 있다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조한 열차단재를 2100℃에서 열처리한 후의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6을 참조하면, 지르코니아 입자들 사이에 바륨알루미네이트가 큰 결함이 없이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조한 열차단재의 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 사진이다.
도 7을 참조하면, 지르코니아와 바륨알루미네이트가 넥킹(necking)되어 있음을 볼 수 있다.
도 8은 도 7의 계면을 관찰한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8을 참조하면, 입자들의 계면을 관찰한 결과 지르코니아와 바륨알루미네이트 결정상들 내에서 결정면들을 확인할 수 있으며, 계면들이 잘 결합되어 있는 것을 볼 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. 바륨알루미네이트(BaAl2O4)와 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2)를 포함하며, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4)는 상기 지르코니아(ZrO2) 100중량부에 대하여 4～18중량부 함유되어 있고, 복수 개의 기공들이 균일하게 분포되어 다공성을 나타내는 것을 특징으로 하는 열차단재.
  2. 제1항에 있어서, 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 포함하며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 열차단재.
  3. 제1항에 있어서, 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 포함하며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 열차단재에 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 열차단재.
  4. (a) 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 준비하는 단계;
    (b) 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 큐빅 결정상을 갖는 지르코니아(ZrO2) 분말 및 바인더를 혼합하는 단계;
    (c) 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말, 상기 지르코니아(ZrO2) 분말 및 상기 바인더의 혼합물을 원하는 형태로 성형하는 단계; 및
    (d) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 지르코니아(ZrO2) 분말 100중량부에 대하여 4～18중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 준비하는 단계는,
    바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)가 1:1의 몰비를 이루도록 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 혼합하는 단계;
    혼합된 바륨카보네이트(BaCO3) 분말과 알루미나(Al2O3) 분말을 바륨카보네이트(BaCO3)와 알루미나(Al2O3)의 융점보다 낮은 800~1400℃ 온도에서 하소하여 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말을 얻는 단계를 포함하는 열차단재의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 바인더는 지르코니아 분말과 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말의 전체 100중량부에 대하여 2～25중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 소성은 열차단재의 미세구조 및 입자 크기를 고려하여 산화분위기에서 1100～1800℃의 온도에서 10분～12시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 분말은 평균 입경이 0.1㎛～1㎜인 분말을 사용하고, 상기 지르코니아(ZrO2) 분말은 평균 입경이 0.1㎛～30㎜인 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 바륨지르코네이트(BaZrO3)를 더 혼합하며, 상기 바륨지르코네이트(BaZrO3)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 1～100중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 마그네슘옥사이드(MgO)를 더 혼합하며, 상기 마그네슘옥사이드(MgO)는 상기 바륨알루미네이트(BaAl2O4) 100중량부에 대하여 0.1～30중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 열차단재의 제조방법.
KR1020110113233A 2011-11-02 2011-11-02 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법 KR101143312B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110113233A KR101143312B1 (ko) 2011-11-02 2011-11-02 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110113233A KR101143312B1 (ko) 2011-11-02 2011-11-02 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101143312B1 true KR101143312B1 (ko) 2012-05-09

Family

ID=46271628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110113233A KR101143312B1 (ko) 2011-11-02 2011-11-02 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101143312B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101358971B1 (ko) 2012-09-06 2014-02-06 (주)티피에스 지르코니아 분말로 형성된 열차폐벽을 포함하는 단결정 성장로
KR20160139144A (ko) 2015-05-27 2016-12-07 계명대학교 산학협력단 강도가 우수하고 경량성인 열차단재 및 그 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09183674A (ja) * 1995-12-28 1997-07-15 Harima Ceramic Co Ltd 流し込み施工用不定形耐火物
JP2002504627A (ja) 1998-02-20 2002-02-12 ガドウ レイナー 断熱材およびその製造方法
KR20050083264A (ko) * 2004-02-23 2005-08-26 네오세미테크 주식회사 저결함 GaAs 단결정성장을 위한 열차단제(heat shield)
KR20070102525A (ko) * 2004-12-30 2007-10-18 마그네슘 일렉트론 리미티드 열 안정성 도프처리 및 도프처리되지 않은 다공성 알루미늄산화물과 나노복합물 ＣｅＯ₂－ＺｒＯ₂및 Ａｌ₂Ｏ₃가함유된 혼합 산화물

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09183674A (ja) * 1995-12-28 1997-07-15 Harima Ceramic Co Ltd 流し込み施工用不定形耐火物
JP2002504627A (ja) 1998-02-20 2002-02-12 ガドウ レイナー 断熱材およびその製造方法
KR20050083264A (ko) * 2004-02-23 2005-08-26 네오세미테크 주식회사 저결함 GaAs 단결정성장을 위한 열차단제(heat shield)
KR20070102525A (ko) * 2004-12-30 2007-10-18 마그네슘 일렉트론 리미티드 열 안정성 도프처리 및 도프처리되지 않은 다공성 알루미늄산화물과 나노복합물 ＣｅＯ₂－ＺｒＯ₂및 Ａｌ₂Ｏ₃가함유된 혼합 산화물

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101358971B1 (ko) 2012-09-06 2014-02-06 (주)티피에스 지르코니아 분말로 형성된 열차폐벽을 포함하는 단결정 성장로
KR20160139144A (ko) 2015-05-27 2016-12-07 계명대학교 산학협력단 강도가 우수하고 경량성인 열차단재 및 그 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110002871B (zh) 一种两相稀土钽酸盐陶瓷及其制备方法
EP1794087A1 (en) A zirconia ceramic
CN101870586A (zh) 非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法
CN109942301A (zh) 一种低成本氮化硅陶瓷的制备方法
CN101928145A (zh) 一种超细、高纯γ-AlON透明陶瓷粉末的制备方法
JP3285620B2 (ja) 透光性イットリウム−アルミニウム−ガーネット焼結体の製造方法
KR101143312B1 (ko) 내열성이 우수한 열차단재 및 그 제조방법
KR101151209B1 (ko) 머시너블 흑색 세라믹 복합체 및 그 제조방법
Thongtha et al. Fabrication and characterization of perovskite SrZrO3 ceramics through a combustion technique
Xie et al. Spark plasma sintering of tungsten bronze Sr2− xCaxNaNb5O15 (x= 0.1) piezoelectric ceramics: I, processing and microstructure
Heraiz et al. Effect of MgO addition and sintering parameters on mullite formation through reaction sintering kaolin and alumina
TW202028154A (zh) 富鋁紅柱石質燒結體及其製造方法
Ilić et al. High pressure densification of nanocrystalline mullite powder
JP2011219351A (ja) ＢａＴｉ２Ｏ５系複合酸化物およびＢａＴｉ２Ｏ５系複合酸化物の製造方法
CN109678504B (zh) 一种二价镁离子掺杂钽酸钇高温陶瓷及其制备方法
Son et al. High-strength pseudobrookite-type MgTi2O5 by spark plasma sintering
EP1838645A2 (en) Improved density and hardness pressureless sintered and post-hiped b4c
KR101379203B1 (ko) 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법
JP6502495B2 (ja) 制御されたサイズ分布を有するセラミック粉末
CN104326748A (zh) 一种用自蔓延高温合成钛硫碳粉体材料的方法
KR102510280B1 (ko) 고순도 및 고밀도 이트륨 알루미늄 가넷 소결체 및 이의 제조방법
CN114477996B (zh) 一种钛酸钡基陶瓷的制备方法
KR101189473B1 (ko) 마이에나이트형 전자화물의 제조방법
KR20120043285A (ko) 머시너블 세라믹 복합체 및 그 제조방법
JP5352218B2 (ja) 複合酸化物の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee