KR101144866B1 - Hot pressed ZrB2-SiC using zirconium silicides as precursor and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법 및 그 방법으로부터 제조되는 복합재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지르코늄실리사이드군, 붕소류 및 탄소류를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 소결하는 단계;가 포함하여 구성되되, 가압 소결법을 통하여 미세한 입자크기와 균일한 이차상 분포를 가지며 치밀하게 소결된 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 얻도록 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법 및 그 방법으로부터 제조되는 복합재료를 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 출발물질로서 Zr과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 균일하고 미세한 미세구조를 갖는 ZrB2-SiC 조성물을 제조할 수 있는 작용효과와, 상압소결로는 치밀화되지 않는 ZrB2-SiC 소결체를 가압소결을 사용함으로써 치밀화할 수 있는 작용효과가 기대된다.
The present invention relates to a method for producing a ZrB 2 -SiC pressurized sintered composite material using the zirconium silicide group as a precursor, and to a composite material prepared from the method. More specifically, a mixture of a zirconium silicide group, boron, and carbon is mixed and mixed. Preparing a; Sintering the mixture; comprising a zirconium silicide group having a fine particle size and a uniform secondary phase distribution to obtain a densely sintered ZrB 2 -SiC composite material through a pressure sintering method as a precursor. It provides a method for producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material and a composite material prepared from the method.
According to the present invention, by using a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) in which Zr and Si are uniformly mixed at the molecular unit level as a starting material to prevent local concentration of the chemical composition uniform and fine microstructure The effect of producing a ZrB 2 -SiC composition having a sintered ZrB 2 -SiC sintered compact that is not densified by atmospheric sintering is expected to be compacted by using pressure sintering.

Description

지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료및 그 제조방법{Hot pressed ZrB2-SiC using zirconium silicides as precursor and manufacturing method of the same}Hot pressed ZrB2-SiC using zirconium silicides as precursor and manufacturing method of the same}

본 발명은 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법 및 그 방법으로부터 제조되는 복합재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지르코늄실리사이드군, 붕소류 및 탄소류를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 소결하는 단계;가 포함하여 구성되되, 가압 소결법을 통하여 미세한 입자크기와 균일한 이차상 분포를 가지며 치밀하게 소결된 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 얻도록 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법 및 그 방법으로부터 제조되는 복합재료를 제공한다.The present invention relates to a method for producing a ZrB 2 -SiC pressurized sintered composite material using the zirconium silicide group as a precursor, and to a composite material prepared from the method. More specifically, a mixture of a zirconium silicide group, boron, and carbon is mixed and mixed. Preparing a; Sintering the mixture; comprising a zirconium silicide group having a fine particle size and a uniform secondary phase distribution to obtain a densely sintered ZrB 2 -SiC composite material through a pressure sintering method as a precursor. It provides a method for producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material and a composite material prepared from the method.

이와 같은 본 발명에 따르면, 출발물질로서 Zr과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 균일하고 미세한 미세구조를 갖는 ZrB2-SiC 조성물을 제조할 수 있는 작용효과와, 상압소결로는 치밀화되지 않는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용하여 제조된 ZrB2-SiC 소결체를 가압소결을 사용함으로써 치밀화할 수 있는 작용효과가 기대된다. According to the present invention, by using a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) in which Zr and Si are uniformly mixed at the molecular unit level as a starting material to prevent local concentration of the chemical composition uniform and fine microstructure ZrB 2 -SiC composition having a functional effect and ZrB 2 -SiC sintered body prepared using a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) that is not densified by atmospheric sintering using pressure sintering By doing so, the effect that can be densified is expected.

ZrB2는 약 3350℃의 매우 높은 녹는점을 가지며, 우수한 강도 및 경도 특성 등 탁월한 기계적 물성을 보유하고 있기 때문에 산업상 그 응용분야가 광범위하고, 특히 군사용 및 우주 항공용으로 적용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 녹는점이 높은 재료의 특성인 난소결성과 1200 ~ 1500℃ 작업온도 구간에서의 낮은 내산화성 때문에 산업별 응용과정에서 많은 제약이 있다.ZrB 2 has a very high melting point of about 3350 ℃, and has excellent mechanical properties such as excellent strength and hardness properties, so that its application is extensive in industrial fields, and many studies have been made for the application for military and aerospace applications. It's going on. However, there are many limitations in the application process by industry because of the high melting point material's sinterability and low oxidation resistance in the working temperature range of 1200 ~ 1500 ℃.

이와 같은 난소결성을 극복하기 위하여 ZrB2에 첨가제를 적용하는 방법이 적용된 바 있는데, 특히 SiC를 첨가제로 하여 ZrB2-SiC 전체중량대비 20 ~ 30 중량% 첨가할 경우 ZrB2의 소결이 보다 용이해지며, 1200 ~ 1500℃에서의 내산화성을 크게 개선시킬 뿐 아니라 강도 등 기계적 물성도 향상된다고 알려져 있다. 그러나 SiC가 상기 강도 증진 및 산화 억제 효과를 내기 위해서는 ZrB2 기지내에 균일하게 분포하도록 하여야 한다.In order to overcome such sinterability, a method of applying an additive to ZrB 2 has been applied. In particular, when 20 to 30% by weight of ZrB 2 -SiC is added with SiC as an additive, sintering of ZrB 2 is easier. It is known that not only greatly improve the oxidation resistance at 1200 ~ 1500 ℃ but also mechanical properties such as strength. However, SiC must be uniformly distributed in the ZrB 2 matrix in order to exhibit the strength enhancing and antioxidant effects.

따라서, 현재까지는 이러한 ZrB2 분말의 소결성 개선 및 SiC와의 균일한 혼합을 위하여 attrition mill 및 planetary mill 등 고도의 분쇄장치 및 액상의 분산매를 사용하는 습식 분쇄법을 이용하여 상용의 ZrB2 분말을 SiC와 혼합하여 사용하였다. 그러나 ZrB2는 높은 탄성계수, 경도 및 파괴인성을 갖기 때문에 그 분쇄는 용이하지 않으며, 특히 planetary mill의 경우 200rpm 의 회전속도로 ZrB2를 72시간 연속으로 분쇄한 경우에도 평균입도를 1㎛ 이하가 되도록 제조하는 것이 용이하지 않다. 또한 분쇄시 분쇄용 볼 및 분쇄용기로부터 오염물질이 대량 유입되는 것을 방지하기 어려운 문제점이 있다. 또한 습식 혼합법으로 ZrB2와 SiC를 혼합한 후 이를 건조하는 과정에서 SiC 들이 재응집되는 경향이 있으며 이로 인해 SiC가 균일하게 분포된 ZrB2-SiC 복합재료의 제조가 어렵다는 문제점이 있다.Therefore, in order to improve the sinterability of these ZrB 2 powders and uniform mixing with SiC, commercially available ZrB 2 powders have been converted into SiC and SiC using wet grinding methods using a high grinding device such as attrition mill and planetary mill and a liquid dispersion medium. Used by mixing. However, ZrB 2 has a high modulus of elasticity, hardness and fracture toughness, so it is not easy to grind. Especially in the case of planetary mill, even if ZrB 2 is continuously crushed for 72 hours at 200 rpm, the average particle size is less than 1㎛. It is not as easy to manufacture as possible. In addition, there is a problem that it is difficult to prevent a large amount of contaminants introduced from the grinding ball and the grinding container during the grinding. In addition, SiCs tend to re-aggregate in the process of mixing ZrB 2 and SiC by a wet mixing method and drying them, which makes it difficult to manufacture a ZrB 2 -SiC composite material in which SiC is uniformly distributed.

이러한 균일성의 문제, 오랜 분쇄 및 혼합과정을 통한 불순물의 혼입문제들을 개선하기 위하여 출발원료로서 복합재료의 구성요소들인 Zr, Si, B4C 및 C를 사용하여 ZrB2-SiC 복합재료를 제조한 예들이 보고된 바 있다. 그러나 이들 연구에서는 화학조성의 국부적인 집중으로 인하여, 형성된 ZrB2 및 SiC가 출발원료인 Zr 및 Si의 크기와 유사할 정도로 성장하며, 따라서 이들 방법으로 제조된 복합재료들은 grain들의 크기가 비교적 조대하다는 문제점이 있었다.In order to improve the problem of uniformity and the mixing of impurities through the long grinding and mixing process, ZrB 2 -SiC composites were prepared using Zr, Si, B 4 C and C as the starting materials. Examples have been reported. However, in these studies, due to the local concentration of chemical composition, the formed ZrB 2 and SiC grow to a size similar to that of the starting materials Zr and Si, so that the composites produced by these methods are relatively coarse in grain size. There was a problem.

또한 출발원료인 Zr 분말은 공기와의 반응성이 커서 분말상태로 공기중에 노출될 경우 폭발이 일어날 위험이 있으며, 모든 실험은 고가의 비활성 분위기에서 수행 되어야 하기 때문에 산업화가 어렵다는 문제점이 있었다.In addition, Zr powder, which is a starting material, has a high reactivity with air, which may cause an explosion when exposed to air in a powder state, and all experiments have a problem in that industrialization is difficult because it must be performed in an expensive inert atmosphere.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 ZrB2-SiC 복합재료를 제조함에 있어 출발물질로서 Zr과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 기존보다 미세한 grain 크기를 가지며 SiC가 균일하게 분포된 ZrB2-SiC 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the problems described above, the present invention is a zirconium silicide group (Zr x x Zr and Si is uniformly mixed at the molecular unit level as a starting material in the production of ZrB 2 -SiC composite material The purpose of the present invention is to provide a ZrB 2 -SiC composite material having a finer grain size and uniformly distributed SiC by preventing local concentration of chemical composition by using Si y and Zirconium silicides).

또한, 본 발명은 Zr, Si 소스로서 지르코늄실리사이드군을 붕소의 공급원(탄화붕소(B4C), 산화붕소(B2O3) 또는 붕산(H3BO3)) 및 탄소의 공급원(그라파이트, 카본블랙, 활성탄, 페놀수지, 피치)과 혼합함으로써 저온에서 열처리함에도 불구하고, 미세한 grain 크기를 갖으며 균일한 미세구조를 갖는 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 얻을 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention is a source of boron (boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ) or boric acid (H 3 BO 3 )) and a source of carbon (graphite, It is another object to obtain a high-purity ZrB 2 -SiC composite material having a fine grain size and a uniform microstructure in spite of heat treatment at low temperature by mixing with carbon black, activated carbon, phenol resin, and pitch). .

또한, 본 발명은 상압소결 대신 가압소결 방법을 사용함으로써 고온에서 발생하는 입자의 조대화 현상을 방지하고, 지르코늄실리사이드군의 저온 변형을 이용한 소결과정이 충실히 수행될 수 있도록 하며, 이로 인하여 ZrB2-SiC 복합재료의 형성과정이 기존의 결과에 비하여 극히 저온에서 완료되도록 하므로 입성장의 최소화와 치밀화의 극대화를 이룩하는 ZrB2-SiC 복합재료를 제조하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention by using the pressure sintering method instead of atmospheric sintering to prevent the coarsening of the particles generated at high temperatures, and to ensure that the sintering process using the low temperature deformation of the zirconium silicide group can be faithfully performed, thereby ZrB 2- It is another object of the present invention to manufacture a ZrB 2 -SiC composite material that minimizes grain growth and maximizes densification, since the formation process of the SiC composite material is completed at an extremely low temperature compared with the existing results.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지르코늄실리사이드군, 붕소류 및 탄소류를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 소결하는 단계; 가 포함하여 구성되되, 가압 소결법을 통하여 미세한 입자크기와 균일한 이차상 분포를 가지며 치밀하게 소결된 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 얻도록 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a mixture by mixing a zirconium silicide group, boron and carbon; Sintering the mixture; ZrB 2 -SiC pressurized sintering with zirconium silicide group as a precursor to obtain a finely sintered high purity ZrB 2 -SiC composite material with fine particle size and uniform secondary phase distribution through pressure sintering It provides a method for producing a composite material.

상기 가압 소결의 가압력은 30 ~ 120MPa의 범위에서 수행되도록 하는 것이 바람직하다.The pressing force of the pressure sintering is preferably to be carried out in the range of 30 ~ 120MPa.

상기 소결은 30 ~ 120MPa 가압범위와 1300 ~ 1800℃의 소결온도 범위에서 수행되도록 하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably to be carried out in 30 ~ 120MPa pressure range and 1300 ~ 1800 ℃ sintering temperature range.

상기 혼합물에 ZrB2 또는 SiC 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 첨가하는 것이 바람직하다.Preference is given to adding at least one of ZrB 2 or SiC to the mixture.

상기 조성물의 출발물질로서 붕소류는 탄화붕소, 산화붕소 및 붕산 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.As a starting material of the composition, boron is preferably at least one selected from boron carbide, boron oxide and boric acid.

상기 조성물의 출발물질로서 탄소류는 그라파이트, 카본블랙, 활성탄, 페놀수지, 피치 중에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.As a starting material of the composition, carbons are preferably at least one selected from graphite, carbon black, activated carbon, phenol resin, and pitch.

또한 본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상압소결에 의한 경우에 비하여 동일한 grain 크기에서 상대적으로 높은 치밀화도를 나타내는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 나노크기를 갖는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료를 제공한다.In addition, the present invention, in order to achieve the object as described above, ZrB 2 -SiC pressure sintering composite having a nano-size as a precursor to the zirconium silicide group showing a relatively high degree of densification at the same grain size compared to the case of atmospheric pressure sintering Provide the material.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 미세한 grain들을 갖고 균일한 미세구조를 갖는 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 제조함에 있어 출발물질로서 Zr과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 균일하고 미세한 미세구조를 갖는 ZrB2-SiC 복합재료를 제조할 수 있는 작용효과가 기대된다.As described above, the present invention is a zirconium silicide group in which Zr and Si are uniformly mixed at the molecular unit level as a starting material in preparing a high purity ZrB 2 -SiC composite material having fine grains and a uniform microstructure ( By using Zr x Si y and Zirconium silicides), it is expected to produce a ZrB 2 -SiC composite material having a uniform and fine microstructure by preventing local concentration of chemical composition.

또한, 본 발명은 상압소결 대신 가압소결 방법을 사용함으로써 고온에서 발생하는 입자의 조대화 현상을 방지하고, 지르코늄실리사이드군의 저온 변형을 이용한 소결과정이 충실히 수행될 수 있도록 하며, 이로 인하여 ZrB2-SiC 복합재료의 형성과정이 기존의 결과에 비하여 극히 저온에서 완료되도록 하므로 입자성장을 최소화하고 치밀화가 극대화되도록 한 ZrB2-SiC 복합재료를 제조할 수 있는 작용효과가 기대된다.In addition, the present invention by using the pressure sintering method instead of atmospheric sintering to prevent the coarsening of the particles generated at high temperatures, and to ensure that the sintering process using the low temperature deformation of the zirconium silicide group can be faithfully performed, thereby ZrB 2- Since the formation process of the SiC composite material is completed at an extremely low temperature compared with the existing results, the effect of producing the ZrB 2 -SiC composite material which minimizes grain growth and maximizes densification is expected.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 ZrB2-SiC 조성물을 제조하기 위하여 진공 분위기 하에서 ZrSi2, B4C, C의 혼합분말의 열처리 온도 변화에 따른 XRD 회절패턴. (a) 스펙스밀 혼합, 900℃, 10분 (b) 초음파 혼합, 1270℃, 10분, (c) 초음파 혼합, 1300℃ 10분. ●: ZrSi2, ■: ZrB2, ▼: SiC, □: ZrO2, ↓: unidentified
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합재료 조성물 전체 중량대비 70 중량%의 ZrB2 분말과 30 중량%의 화학양론적 조성인 ZrSi2 + B4C + C가 혼합된 분말의 120MPa 가압력하에서 온도 변화에 따른 소결 수축 거동. (a) 1400℃, 60분, (b) 1450℃, 60분, (c) 1500℃, 30분, (d) 1650℃, 5분.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합재료 조성물 전체 중량대비 60 중량% ZrB2 분말과 40 중량%의 화학양론적 조성인 ZrSi2 + B4C + C가 혼합된 분말의 120MPa 가압력하에서 온도 변화에 따른 소결 수축 거동. (a) 1400℃, 60분, (b) 1450℃, 60분, (c) 1500℃, 30분, (d) 1550℃, 30분, (e) 1650℃, 5분.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합재료 조성물 전체 중량대비 50 중량% ZrB2 분말과 50 중량%의 화학양론적 조성인 ZrSi2 + B4C + C가 혼합된 분말의 120MPa 가압하에서 온도 변화에 따른 소결 수축 거동. (a) 1550℃, 30분, (b) 1650℃, 5분.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합재료 조성물 전체 중량대비 50 중량%의 ZrB2 분말과 30 ~ 50 중량% 화학양론적 조성인 ZrSi2 + B4C + C가 혼합된 분말의 120MPa 가압하에서 1650℃, 5분 소결 시 수축 거동. (a) 30, (b) 40, (c) 50 중량%.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 ZrB2-SiC 조성물을 제조하기 위하여 진공 분위기, 120MPa의 가압력하에서 소결한 후 얻어진 미세구조. (a) 스펙스밀 이용 nano-SiC 혼합, (b) 스펙스밀 이용 ZrSi2-B4C-C 혼합.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 ZrB2-SiC 조성물을 제조하기 위하여 진공 분위기 하에서 ZrB2에 (a) 40 및 (b) 50 중량%의 ZrSi2 + B4C + C를 혼합한 분말을 120MPa의 가압력 및 1650℃의 소결온도에서 5분간 소결한 후 미세구조를 각각 나타낸 것이다.
1 is an XRD diffraction pattern according to a change in heat treatment temperature of a mixed powder of ZrSi 2 , B 4 C, C in a vacuum atmosphere to prepare a ZrB 2 -SiC composition according to an embodiment of the present invention. (a) Specs mill mixing, 900 ° C., 10 minutes (b) Ultrasonic mixing, 1270 ° C., 10 minutes, (c) Ultrasonic mixing, 1300 ° C. 10 minutes. ●: ZrSi 2 , ■: ZrB 2 , ▼: SiC, □: ZrO 2 , ↓: unidentified
2 is a 120 MPa pressing force of a powder in which 70 wt% ZrB 2 powder and 30 wt% stoichiometric composition ZrSi 2 + B 4 C + C are mixed with respect to the total weight of the composite composition according to an embodiment of the present invention. Sintering shrinkage behavior with temperature change. (a) 1400 degreeC, 60 minutes, (b) 1450 degreeC, 60 minutes, (c) 1500 degreeC, 30 minutes, (d) 1650 degreeC, 5 minutes.
3 is a temperature under 120MPa pressing force of a powder in which 60% by weight ZrB 2 powder and 40% by weight of the stoichiometric composition ZrSi 2 + B 4 C + C are mixed with respect to the total weight of the composite composition according to an embodiment of the present invention. Sintered shrinkage behavior with change. (a) 1400 degreeC, 60 minutes, (b) 1450 degreeC, 60 minutes, (c) 1500 degreeC, 30 minutes, (d) 1550 degreeC, 30 minutes, (e) 1650 degreeC, 5 minutes.
4 is a temperature under 120MPa pressure of a powder in which 50% by weight ZrB 2 powder and 50% by weight of the stoichiometric composition ZrSi 2 + B 4 C + C are mixed with respect to the total weight of the composite composition according to one embodiment of the present invention. Sintered shrinkage behavior with change. (a) 1550 degreeC, 30 minutes, (b) 1650 degreeC, 5 minutes.
5 is a pressure of 120 MPa of a mixture of 50 wt% ZrB 2 powder and 30 to 50 wt% stoichiometric composition ZrSi 2 + B 4 C + C mixed with respect to the total weight of the composite composition according to one embodiment of the present invention Shrinkage behavior when sintered at 1650 ° C. for 5 minutes. (a) 30, (b) 40, (c) 50% by weight.
Figure 6 is a microstructure obtained after sintering under a vacuum atmosphere, a pressing pressure of 120MPa to prepare a ZrB 2 -SiC composition according to an embodiment of the present invention. (a) nano-SiC blend with spec mill, (b) ZrSi 2 -B 4 CC blend with spec mill.
7 is a ZrB 2 under a vacuum atmosphere to produce the ZrB 2 -SiC composition according to one embodiment of the present invention (a) and 40 (b) 50% by weight of ZrSi 2 + B 4 C + C a powder mixture of After sintering for 5 minutes at a pressing pressure of 120MPa and a sintering temperature of 1650 ℃, the microstructures are shown respectively.

이하 본 발명을 첨부되는 도면을 기초로 하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)에는 Zr과 Si의 비율에 따라 ZrSi2, ZrSi, Zr5Si4, Zr5Si3, Zr3Si2, Zr2Si 및 Zr3Si 등이 있으며 그들의 녹는점은 1620 ~ 2500℃로 넓은 범위에 걸쳐 존재한다. 이들 실리사이드들은 Zr과 Si가 분자수준에서 균일하게 섞여 있기 때문에 붕소원 및 탄소원과 반응시에 나노크기의 ZrB2와 SiC가 동시에 형성된다. ZrB2와 SiC의 혼합비율은 원하는 조성의 실리사이드들을 선택하여 사용하거나 이들을 적당범위에서 혼합하여 사용함으로써 조절할 수 있다. 이와 달리 Zr과 Si 원료분말을 사용하는 경우, 국부적인 Si 및 Zr 조성의 집중에 의하여 형성된 ZrB2와 SiC는 원료분말인 Zr 및 Si와 유사하게 성장하며, 그 결과 입자의 조대화 경향이 있는 문제점이 있음은 전술한 바와 같다.Zirconium silicide groups (Zr x Si y , Zirconium silicide) include ZrSi 2 , ZrSi, Zr 5 Si 4 , Zr 5 Si 3 , Zr 3 Si 2 , Zr 2 Si and Zr 3 Si depending on the ratio of Zr and Si. Their melting point exists over a wide range, from 1620 to 2500 ° C. Since these silicides are uniformly mixed at the molecular level, Zr and Si simultaneously form nanoscale ZrB 2 and SiC when reacted with a boron source and a carbon source. The mixing ratio of ZrB 2 and SiC can be controlled by selecting and using silicides of a desired composition or by mixing them in an appropriate range. In contrast, when Zr and Si raw powders are used, ZrB 2 and SiC formed by the concentration of local Si and Zr composition grow similarly to the raw powders Zr and Si, and as a result, there is a problem of coarse particles. This is as described above.

또한 ZrSi2는 공기중에서 비교적 안정하여 쉽게 다룰 수 있는 반면 Zr 분말은 공기중에서 폭발성을 띄기 때문에 Zr 분말을 원재료로 사용하는 공정은 산업화에 문제점이 있다.In addition, ZrSi 2 is relatively stable in air and can be easily handled, whereas Zr powder is explosive in air, so the process using Zr powder as a raw material has problems in industrialization.

이들 지르코늄실리사이드군 중 ZrSi2는 녹는점이 1620℃로 낮기 때문에 ZrSi2를 복합재료 조성물 전체 중량대비 40 중량% 첨가할 경우 ZrB2를 1650℃에서 상압소결로 치밀화 시킬 수 있음이 보고되고 있다. 그러나 ZrSi2 만을 소결조제로 사용할 경우 고온에서 ZrSi2의 용융에 의하여 제조된 ZrB2 소결체의 고온물성이 크게 감소할 것으로 예상되며 실제로 1400℃에서 강도값이 크게 감소하였다고 보고되고 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 화학양론적인 B4C와 C를 첨가해 줄 경우 ZrSi2는 반응에 의하여 모두 ZrB2로 및 SiC로 변하기 때문에 고온 물성의 감소는 억제할 수 있으나, 이 반응이 ZrSi2의 액상형성 온도인 1620℃ 이전에 완결되기 때문에 상압소결법으로 ZrB2를 완전하게 치밀화 시킬 수 없다. ZrSi 2 zirconium silicide of these group has been reported to be possible to densify the ZrB 2 eseo 1650 ℃ by pressureless sintering the addition of 40% by weight of the total composition, based on the weight of the composite material the ZrSi 2, because a melting point of as low as 1620 ℃. However, only the ZrSi 2 is expected to be a high-temperature physical properties of the ZrB 2 sintered body made by the melting of the ZrSi 2 at a high temperature greatly reduced when it is used as a sintering aid has been indeed reported that the intensity values greatly reduced from 1400 ℃. If line by adding a stoichiometric B 4 C and C in order to solve this problem, ZrSi 2, by reacting both the reduction in the high temperature properties due to changes in, and SiC as ZrB 2, but can be suppressed, a reaction of ZrSi 2 Since it is completed before the liquidus formation temperature of 1620 ℃, ZrB 2 cannot be completely densified by atmospheric sintering.

따라서 보다 바람직하게는 가압소결법을 적용할 수 있는데, 일반적으로 용융온도의 2/3 정도의 온도영역에서 재료는 가압에 의한 변형이 발생하기 시작하는 것으로 알려져 있다. ZrSi2의 경우 이 온도 영역은 1100℃ 부근이다. 또한 1400℃에서는 ZrSi2의 압력에 의한 변형이 크게 일어나는 것으로 보고되고 있다. 따라서 ZrSi2의 반응이 완결되지 않는 비교적 저온의 영역이라도 가압에 의한 ZrSi2의 변형이 유발될 수 있으므로 이를 통하여 ZrB2의 치밀화가 더 촉진될 수 있으며, 이후 더 고온에서는 열처리 과정에서 잔류 ZrSi2가 소멸되므로 제조된 ZrB2의 고온물성 감소를 억제할 수 있다.Therefore, the pressure sintering method may be more preferably applied. In general, in the temperature range of about 2/3 of the melting temperature, the material is known to start to deform due to pressure. In the case of ZrSi 2 , this temperature range is around 1100 ° C. In addition, at 1400 ° C., deformation due to the pressure of ZrSi 2 occurs greatly. Therefore, ZrSi, so the deformation of the ZrSi 2, the reaction was even a region of relatively low temperature that does not complete due to the pressure of the two may be caused, and the densification of the ZrB 2 can further be promoted through which, in the subsequent higher temperature, residual ZrSi 2 in the heat treatment process, Since it disappears, it is possible to suppress the decrease in high temperature properties of the produced ZrB 2 .

본 발명의 ZrB2-SiC 조성물을 제조하기 위한 바람직한 실시예로서의 출발물질은, Zr, Si의 전구체로서 지르코늄실리사이드군(Zirconium silicides)과, 탄화붕소, 산화붕소 및 붕산 중에서 선택되는 적어도 하나인 붕소류와, 그라파이트, 카본블랙, 활성탄, 페놀수지, 피치 및 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile,PAN) 중에서 선택되는 적어도 하나인 탄소류를 사용하였으며, 이를 혼합하여 열처리하는 과정에서 도출되는 화학반응식은 탄화붕소(B4C), 산화붕소(B2O3), 붕산(H3BO3)에 따라 표현하면 각각 다음과 같다.Preferred examples of the starting material for preparing the ZrB 2 -SiC composition of the present invention include zirconium silicides as precursors of Zr and Si, boron which is at least one selected from boron carbide, boron oxide and boric acid; At least one carbon selected from graphite, carbon black, activated carbon, phenol resin, pitch, and poly acrylonitrile (PAN) was used. When expressed according to B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), boric acid (H 3 BO 3 ) are as follows.

Zirconium silicides + B4C + C → ZrB2 + SiC (식1)Zirconium silicides + B 4 C + C → ZrB 2 + SiC (Equation 1)

Zirconium silicides + B2O3 + C → ZrB2 + SiC + CO (식2)Zirconium silicides + B 2 O 3 + C → ZrB 2 + SiC + CO (Equation 2)

Zirconium silicides + H3BO3 + C → ZrB2 + SiC + CO + H2O (식3)Zirconium silicides + H 3 BO 3 + C → ZrB 2 + SiC + CO + H 2 O (Equation 3)

이들 혼합물에 필요할 경우 ZrB2 혹은 SiC를 첨가할 수 있는데 이에 의하여 원가 절감 및 소결 촉진 등의 특성 개선을 기대할 수 있다. If necessary, ZrB 2 or SiC may be added to these mixtures, thereby improving properties such as cost reduction and sintering.

SiC의 경우 지르코늄실리사이드군 만으로 원하는 SiC 함량을 맞추지 못할 때 보조적으로 첨가해 줄 수 있으며, ZrB2의 경우 위와 동일한 목적과 더불어 ZrB2 분말의 전처리에 의하여 전체적인 소결온도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.In the case of SiC as it has difficulty desired SiC content of only zirconium silicide group and can give an auxiliary added, with the same purpose as above for ZrB 2 can be obtained an effect of reducing the overall sintering temperature by a pre-treatment of ZrB 2 powder.

원료분말인 실리사이드군(silicides), 붕소원(boron source) 및 탄소원(carbon source)을 혼합할 때, 혼합방법으로서 두 가지 방법을 사용하였다. 아래 두가지 방법은 바람직한 실시예가 될 수 있으나, 물론, 혼합방법은 아래의 방법에 한정해석되는 것은 아님은 자명하다. When mixing the raw material powder (silicides), boron source (boron source) and carbon source (carbon source), two methods were used as a mixing method. The following two methods may be preferred embodiments, but of course, it is obvious that the mixing method is not limited to the following methods.

첫번째 방법은 무수벤젠에 혼합된 원료들을 초음파를 사용하여 5분간 분산함으로써 원료분말에 기계적 충격 및 오염을 가하지 않고 혼합하는 방법을 채택하였으며, 두번째 방법에서는 스펙스밀(spex mill)을 사용하여 1시간 건식 혼합함으로써 보다 강한 기계적 혼합을 가하였다. 이와 같은 방법들은 종래에 문제점으로 지적되었던 복합재료의 제조과정에서 야기되는 불순물의 혼입을 예방하기 위하여 채택할 수 있다. ZrB2 분말을 첨가할 경우는 ZrB2 분말의 분쇄, 균일한 혼합 및 소결촉진을 위하여 원료분말들을 스펙스밀(spex mill)을 사용하여 6시간 건식 혼합하였다.The first method adopts a method of dispersing raw materials mixed in anhydrous benzene for 5 minutes using ultrasonic waves without mixing them with mechanical shock and contamination. In the second method, a 1 hour dry process is performed using a spex mill. Stronger mechanical mixing was added by mixing. Such methods can be adopted to prevent the incorporation of impurities caused in the manufacturing process of the composite material which has been pointed out as a problem in the prior art. When ZrB 2 powder was added, the raw powders were dry mixed for 6 hours using a spex mill in order to promote grinding, uniform mixing, and sintering of the ZrB 2 powder.

소결 온도는 바람직하게는 1400 ~ 1650℃의 온도 범위로 하였고, 분위기는 진공 및 아르곤(Ar) 분위기로 하였으며, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 5 ~ 60분간 유지함으로써 반응을 진행하였다. The sintering temperature was preferably in the temperature range of 1400 ~ 1650 ℃, the atmosphere was a vacuum and argon (Ar) atmosphere, the reaction was carried out by maintaining for 5 to 60 minutes using a spark plasma sintering method. .

한편, 이를 가압소결 과정에 의해 진행할 수도 있는데, 소결 중 가압의 범위는 30 ~ 120MPa의 범위에서 수행될 수 있으며, 여기서, 가압력이 30MPa 미만인 경우 저온에서 지르코늄실리사이드들의 가압 변형에 의한 치밀화 효과가 뚜렷히 나타나지 않고, 120Mpa을 초과하게 되면 장비의 한계 때문에 산업적으로 제조가 어려워, 위 가압범위는 상기 상한과 하한에서 그 임계적 의의를 갖는다. 아울러, 위 실시예의 소결온도 보다 좀 더 확장하여 소결온도 범위를 1300 ~ 1800℃까지 확장할 수 있는데, 소결온도 1300℃ 미만인 경우, 지르코늄실리사이드의 가압에 의한 변형이 활발히 일어나지 않아서 치밀화가 억제되고, 1800℃를 초과하게 되면 치밀화는 가능하나 형성된 탄화규소의 입성장이 크게 일어나서 본 발명의 목적인 미세한 grain 크기를 갖는 복합재료를 제조할 수 없으므로 위 온도범위는 그 상한과 하한에서 임계적 의의를 갖는다.On the other hand, this may be carried out by a pressure sintering process, the pressurization range during sintering may be carried out in the range of 30 ~ 120MPa, where the pressurization pressure is less than 30MPa, the densification effect due to the pressure deformation of the zirconium silicides at low temperature is clearly seen If it exceeds 120Mpa, it is difficult to manufacture industrially due to the limitation of the equipment, and the above pressurization range has its critical meaning at the upper and lower limits. In addition, the sintering temperature range can be extended to more than 1300 ~ 1800 ℃ by expanding more than the sintering temperature of the above embodiment, when the sintering temperature is less than 1300 ℃, the deformation due to the pressurization of zirconium silicide does not occur actively, densification is suppressed, 1800 If the temperature is exceeded, densification is possible, but the grain growth of the formed silicon carbide is large, and thus a composite material having a fine grain size, which is the object of the present invention, cannot be manufactured, and thus the temperature range has critical significance at its upper and lower limits.

한편, 지르코늄실리사이드를 출발물질로 사용하였을 때, ZrSi2는 녹는점이 1650℃ 부근이므로 복합재료 전체 중량대비 상기 ZrSi2를 40 중량% 정도 첨가하면 1650℃에서 액상이 형성되며, 따라서 ZrB2의 상압소결이 가능하였다. 그러나, 여기에 B4C와 C를 혼합할 경우 승온 도중 및 상기 ZrSi2가 녹는점에 도달하기 전에 ZrSi2가 이들과 반응하여 ZrB2 + SiC가 되기 때문에 결국 ZrSi2에 의한 액상이 형성되지 않고, 따라서 치밀화가 미진한 문제점이 발생될 수도 있다. 이에 대하여 가압소결을 하게 되면 치밀화를 촉진할 수 있는 장점이 있으므로, 가압소결방법을 채택하는 것이 더 바람직하다. On the other hand, when using a zirconium silicide as a starting material, ZrSi 2 when a melting point of addition of the ZrSi 2 to 40% by weight of the total weight of preparation because it is the composite material near 1650 ℃ the liquid formed in 1650 ℃, therefore normal pressure sintering of the ZrB 2 This was possible. However, when the mixing here B 4 C and C temperature increase during and the ZrSi 2 is not the end of the liquid by the ZrSi 2 formed since the ZrB 2 + SiC to ZrSi 2 reacts with these prior to reaching the melting point Therefore, the problem that the densification is insufficient may arise. On the other hand, the pressure sintering is advantageous because it can promote densification, so it is more preferable to adopt the pressure sintering method.

도 1에서는 스펙스밀 및 초음파로 혼합된 ZrSi2 + B4C + C 분말의 온도 증가에 따른 상형성 거동을 나타내었다. 도시된 바와 같이, 스펙스밀을 사용하여 혼합된 분말은 900℃의 상형성 온도에서 10분 유지한 후 순수한 ZrB2와 SiC가 형성되었으나 초음파를 이용하여 혼합한 경우 1270℃에서 10분간 유지한 후에도 잔류 ZrSi2가 존재하였으며, 1300℃에서 10분간 유지한 후에야 ZrSi2가 완전히 소모되었다. 이런 결과로부터 스펙스밀로 혼합된 경우, 원료간의 반응성면에서는 더 활성화 되고 있음을 알 수 있었다.Figure 1 shows the phase formation behavior with increasing temperature of the ZrSi 2 + B 4 C + C powder mixed with the spec mill and ultrasonic. As shown, the powder mixed using the spec mill was maintained for 10 minutes at the phase forming temperature of 900 ℃ pure ZrB 2 and SiC was formed, but remained after maintaining for 10 minutes at 1270 ℃ when mixed by ultrasonic ZrSi 2 was present and ZrSi 2 was completely consumed only after holding at 1300 ° C. for 10 minutes. From these results, it can be seen that when mixed with the spec mill, the reactivity between the raw materials is more activated.

표 1에서는 식 1에 의한 ZrB2 + SiC 형성을 위한 ZrSi2 + B4C + C 혼합 분말의 120MPa에서의 가압소결 후 측정한 상대밀도를 나타내었다.Table 1 shows the relative densities measured after pressure sintering at 120 MPa of ZrSi 2 + B 4 C + C mixed powder for ZrB 2 + SiC formation according to Equation 1.

원료분말 혼합 및 소결 조건
(소결온도, 소결시간)
Raw material powder mixing and sintering conditions
(Sintering temperature, sintering time)
상대밀도 (%)Relative Density (%)
초음파 혼합, 1650℃-5minUltrasonic mixing, 1650 ℃ -5min 96.896.8 스펙스 밀 혼합, 1650℃-5minSpecs Mill Mix, 1650 ℃ -5min 102.3102.3

1650℃에서 5분간 소결한 후에는 원료 분말들의 혼합 방법에 관계없이 높은 상대 밀도를 나타내었으며, 이 조건에서 치밀화가 대부분 이루어짐을 알 수 있었다. 특히 스펙스밀(spex mill)을 이용하여 혼합한 분말이 초음파를 이용하여 혼합한 분말에 비하여 5% 정도 상대밀도가 더 높게 나타났으며, 치밀화가 거의 완료되었다. 이는 밀링(milling) 도중 원료분말들의 분쇄에 의하여 더욱 미세한 분말이 형성되었고 강한 기계적 혼합으로 원료 분말들간의 혼합이 더 균일하게 이루어졌기 때문으로 생각된다. 그 결과 XRD 결과와 마찬가지로 스펙스밀(spex mill)로 혼합된 경우 원료분말들 간의 반응성과 소결성이 좋아졌기 때문에 치밀화가 촉진되는 것으로 생각된다.After sintering at 1650 ° C. for 5 minutes, it showed a high relative density regardless of the mixing method of the raw powders, and it was found that the densification was mostly performed under these conditions. In particular, the powder mixed by using a spex mill showed a relative density about 5% higher than the powder mixed by using an ultrasonic wave, and densification was almost completed. This is considered to be because finer powder is formed by grinding the raw powders during milling, and the mixing between the raw powders is more uniform due to the strong mechanical mixing. As a result, it is thought that densification is promoted because the reactivity and sinterability between the raw material powders are improved when mixed in a spec mill like the XRD results.

이와 대조적으로 소결조제를 사용하지 않은 ZrB2-SiC 혼합물은 1850℃ 가압소결이 필요하였으며, Zr분말과 Si, B4C, C를 혼합한 reactive hot pressing의 경우 소결조제를 사용하지 않고 1650℃에서 치밀화가 가능하나 Zr 분말의 위험성과 미세조직 제어가 어렵다는 단점은 전술한 바와 같다.In contrast, the ZrB 2 -SiC mixture without sintering aid required pressurization and sintering at 1850 ° C. In the case of reactive hot pressing in which Zr powder and Si, B 4 C, and C were mixed, at 1650 ° C without using sintering aid Densification is possible, but the risks of Zr powder and the disadvantages of difficult microstructure control are as described above.

도 2 내지 도 4는 ZrB2에 각각 복합재료 조성물 전체 중량대비 30, 40 및 50 중량%의 화학양론적으로 혼합된 ZrSi2 + B4C + C를 첨가한 혼합분말의 소결거동을 나타내었다. 모든 경우 1400℃ 및 1450℃에서도 120MPa의 압력 하에 1시간 소결 유지하는 동안 수축은 나타났으나, 1500℃ 이상에서 보다 뚜렷한 소결수축 거동이 발생함을 알 수 있었으며, 1650℃ 승온 도중 수축이 멈추는 것으로부터 1650℃ 이하에서 치밀화가 완료됨을 알 수 있었다.2 to 4 show the sintering behavior of the mixed powder in which ZrSi 2 + B 4 C + C was added to ZrB 2 , respectively, of 30, 40 and 50 wt% of the total weight of the composite composition. In all cases, shrinkage occurred during 1 hour sintering at 1400 ° C and 1450 ° C under pressure of 120 MPa, but more pronounced sintering shrinkage behavior occurred above 1500 ° C. It was found that densification was completed at 1650 ° C. or lower.

표 2에서는 ZrB2에 각각 복합재료 조성물 전체 중량대비 30, 40 및 50 중량%의 화학양론적으로 혼합된 ZrSi2 + B4C + C를 첨가한 혼합분말을 120MPa의 압력하에 가압소결한 후 상대밀도를 나타내었다.In Table 2, ZrB 2 was mixed with 30, 40, and 50% by weight of stoichiometrically mixed ZrSi 2 + B 4 C + C, respectively. Density is shown.

소결조건
(소결온도-유지시간)
Sintering Condition
(Sintering Temperature-Holding Time)
상대밀도Relative density
30 중량%30 wt% 40 중량%40 wt% 50 중량%50 wt% 1400℃-60min1400 ℃ -60min 91.491.4 88.988.9 -- 1450℃-60min1450 ℃ -60min 92.592.5 99.599.5 -- 1500℃-30min1500 ℃ -30min 98.598.5 102102 96.296.2 1550℃-30min1550 ℃ -30min -- 101.2101.2 -- 1650℃-5min1650 ℃ -5min 98.398.3 100.3100.3 98.598.5

30 중량%가 첨가된 경우 도 2와 마찬가지로 1500℃ 이상의 온도에서 소결된 시편이 치밀하게 소결되었으나, 40 중량%가 첨가된 경우에는 이보다 조금 낮은 1450℃에서 소결한 후에도 비교적 치밀한 시편을 얻을 수 있었다. When 30% by weight was added, the specimen sintered at a temperature of 1500 ° C. or higher was densely sintered as in FIG.

도 5 는 ZrB2에 복합재료 조성물 전체 중량대비 30 ~ 50 중량%의 화학양론적으로 혼합된 ZrSi2 + B4C + C를 첨가한 혼합분말을 120MPa의 가압력과 1650℃의 소결온도에서 5분간 가압소결한 후, 분말의 소결거동을 나타낸다. 모든 경우 승온 도중 치밀화가 완료되었다. 5 is a composite material composition total weight compared to 30 to the ZrSi mixed stoichiometrically and 50% by weight of 2 + B 4 C + the mixed powder added to the C 5 minutes at a pressing force and a sintering temperature of 1650 ℃ of 120MPa to ZrB 2 After sintering under pressure, the sintering behavior of the powder is shown. In all cases densification was completed during the temperature rise.

표 3에서는 120MPa의 가압력과 1650℃의 소결온도에서 5분간 가압소결 하였을 때, 각 시편들의 소결 수축 시작온도 및 수축이 끝나는 온도를 표시하였다. 전반적으로 ZrSi2 + B4C + C의 함량이 증가할수록 소결 시작온도 및 소결 완결온도가 낮아졌다.In Table 3, when the pressure was sintered for 5 minutes at a pressing pressure of 120 MPa and a sintering temperature of 1650 ° C., the starting temperature and the ending temperature of the sintering shrinkage of each specimen were displayed. Overall, as the content of ZrSi 2 + B 4 C + C increased, the sintering start temperature and sintering completion temperature were lowered.

표 2의 ZrSi2 + B4C + C 함량 증가에 따른 치밀화 온도 감소와 아래 표 3의 결과들로부터 ZrSi2 + B4C + C 혼합물이 ZrB2의 치밀화에 도움이 됨을 알 수 있었으며, 이는 전술한 바와 같이 ZrSi2의 압력에 의한 변형 때문인 것으로 생각된다.The decrease in densification temperature with increasing ZrSi 2 + B 4 C + C content in Table 2 and the results in Table 3 below showed that ZrSi 2 + B 4 C + C mixtures helped the densification of ZrB 2 . It is considered to be because the deformation due to the pressure of the ZrSi 2 as described.

ZrSi2 + B4C + C 함량 (중량%)ZrSi 2 + B 4 C + C content (% by weight) 3030 4040 5050 수축 시작 온도 (℃)Shrink Start Temperature (℃) 13101310 13151315 12901290 수축 멈춤 온도 (℃)Shrinkage Stop Temperature (℃) 16401640 16101610 15701570

이러한 결과로부터 본 발명에 의한 복합재료를 제조하는데 적합한 소결온도는 1300℃ ~ 1800℃의 온도범위로 결정될 수 있다. 1300℃ 미만인 경우에는 상용화 가능한 정도의 치밀화가 일어나지 않아 소결체의 강도가 너무 약하며, 1800℃를 초과하여 열처리하는 경우, 소결은 이미 완결되었으나, 입자가 조대화되므로 미세한 grain을 갖는 조성물을 구현하려는 본 발명의 취지와 어긋나게 되므로, 위와 같은 열처리온도 범위에서 그 임계적 의의를 갖는다.
From these results, a suitable sintering temperature for producing the composite material according to the present invention can be determined in the temperature range of 1300 ℃ ~ 1800 ℃. When the temperature is less than 1300 ° C., the strength of the sintered compact is too weak due to the densification of a commercially available degree, and when the heat treatment exceeds 1800 ° C., the sintering is already completed, but since the particles are coarsened, the present invention seeks to realize a composition having fine grains. Since it deviates from the meaning of, it has the critical meaning in the above heat processing temperature range.

표 4에 본 발명에서 제안된 방법을 이용하여 다양한 조성 및 소결온도와 120MPa의 가압력하에서 소결하여 얻어진 ZrB2-SiC 복합재료의 4점 굽힘강도값을 나타내었다. Table 4 shows the four-point bending strength values of ZrB 2 -SiC composites obtained by sintering at various compositions, sintering temperatures and pressures of 120 MPa using the method proposed in the present invention.

조건Condition 강도(MPa)Strength (MPa) (ZrSi2+B4C+C) 30중량%, 1500℃, 30분 소결(ZrSi 2 + B 4 C + C) 30% by weight, 1500 ° C, 30 minutes sintered 516516 (ZrSi2+B4C+C) 40중량%, 1500℃, 30분 소결(ZrSi 2 + B 4 C + C) 40 wt%, 1500 ° C., 30 minutes sintered 603603 (ZrSi2+B4C+C) 50중량%, 1650℃, 50분 소결(ZrSi 2 + B 4 C + C) 50% by weight, 1650 ° C, 50 minutes sintered 501501

위 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 소결온도가 기존의 결과에 비하여 크게 낮음에도 불구하고 500 ~ 600MPa의 우수한 4점 굽힘강도 값을 나타냄을 알 수 있었다.As can be seen from the above table, although the sintering temperature is significantly lower than the existing results, it can be seen that the excellent four-point bending strength value of 500 ~ 600MPa.

도 6은 ZrB2에 나노 SiC를 스펙스밀로 건식 혼합한 후 제조한 ZrB2-SiC 복합체와 본 발명에서 제안된 ZrSi2-B4C-C 혼합분말을 스펙스밀로 건식 혼합한 후 제조한 복합체의 미세구조를 각각 보여준다. 기존과 같이 나노 SiC를 혼합한 경우 SiC들 간의 심한 응집에 의하여 소결 후에는 원래의 나노 SiC의 크기인 30nm 보다 월등히 큰 약 1 마이크로미터 내외의 SiC 들이 관찰되었으며, 그 내부에 대부분 4백nm 이상 크기로 성장한 SiC들이 뭉친 형태로 존재하는 것을 알 수 있었다. 이에 비하여 본 발명의 결과 얻어진 미세구조는 그러한 응집이 억제되었으며 100 ~ 300nm의 미세한 SiC 가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.6 is then perspex mill dry mixing the nano SiC in ZrB 2 ZrB 2 -SiC manufactured by a composite with a perspex ZrSi 2 -B 4 CC mixed powder mill proposed in the present invention after dry mixing the microstructure of a composite material prepared Show each one. After sintering, the nano-SiC was mixed by sintering due to the strong aggregation between SiCs, and SiCs of about 1 micrometers were significantly larger than 30 nm, the size of the original nano-SiC. The grown SiCs were found to be in the form of agglomeration. On the other hand, the microstructure obtained as a result of the present invention can be confirmed that such aggregation is suppressed and fine SiC of 100 to 300nm is uniformly distributed.

도 7은 ZrB2에 복합재료 조성물 전체 중량대비 화학양론적으로 혼합된 30 ~ 50 중량%의 ZrSi2 + B4C + C를 첨가한 혼합분말을 120MPa의 가압력으로 가압 소결 후 형성된 ZrB2-SiC 복합재료의 파단면의 미세구조를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 위 파단면은 입계 크기가 1㎛ 이하로 미세한 구조를 형성하고 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 ZrB2에 ZrSi2 + B4C + C 혼합물을 첨가해 함께 소결하는 경우 혼합물들 간의 반응에 의하여 미세한 크기의 ZrB2와 SiC가 형성되며, 이로부터 1㎛ 이하의 미세한 입경을 갖는 ZrB2 + SiC 복합재료를 제조할 수 있음을 알 수 있다.Figure 7 is a 30 to 50% by weight, based on the weight of the entire mixture to the stoichiometric composition of the composite material of the ZrB 2 ZrSi 2 + B 4 C + a mixed powder formed after the addition of C-pressing by the pressing force of 120MPa ZrB 2 -SiC It shows the microstructure of the fracture surface of the composite material. As shown, it can be seen that the above fracture surface forms a fine structure with a grain size of 1 μm or less. From these results the ZrB 2 ZrSi 2 + B 4 C + C mixture, and to the fine size of the ZrB 2 and the SiC formed by a reaction between the mixture if added with sintering, ZrB having a fine particle diameter of less than 1㎛ therefrom + 2 it can be seen that it is possible to manufacture a SiC composite material.

전술한 바와 같이, 종래에도 Zr, Si, B4C 및 C를 혼합하여 ZrB2-SiC 복합재료를 저온에서 소결하여 제조한 예가 있으나, 원료인 Zr 분말의 강한 폭발성에 의하여 상용화에 큰 문제가 존재하였고 화학조성의 균일한 분포상태를 확보하지 못하여 조성이 국부적으로 집중되고, 따라서 grain들의 크기가 미세하면서도 이차상인 SiC가 균일하게 분포된 복합재료를 구현하기 힘들었으며, 비교적 균일한 혼합을 위하여 강한 기계적 힘으로 원료분말들을 분쇄 및 혼합할 경우 혼합매체인 볼(ball) 및 용기(jar)로 부터 불순물이 대량으로 혼입되는 것을 막을 수 없었다.As described above, although ZrB 2 -SiC composite materials are manufactured by mixing Zr, Si, B 4 C, and C at low temperature, there is a big problem in commercialization due to the strong explosiveness of the raw material Zr powder. The composition was concentrated locally because it was unable to secure a uniform distribution of chemical composition. Therefore, it was difficult to realize a composite material in which the grain size was fine and the secondary phase SiC was uniformly distributed. When pulverizing and mixing the raw powders with force, it was not possible to prevent the incorporation of impurities from the balls and jars, which are mixed media, in a large amount.

위와 같은 종래기술은 이미 공지된 기술이므로 이와 관련한 데이터는 생략하기로 한다. 이에 반하여, 본 발명에 의한 상기 ZrB2-SiC 복합재료는 원료분말인 지르코늄실리사이드군(zirconium silicides)은 공기중에서 비교적 안정하여 취급이 간편하고 그 내부에 Zr과 Si가 분자 단위에서 균일하게 혼합되어 있기 때문에 강한 기계적 힘으로 원료분말들을 혼합하는 경우 뿐 아니라 초음파로 혼합하는 경우에도 소결 후 형성된 ZrB2 및 SiC grain들이 1㎛ 이하의 크기범위를 가지며, 이는 미세한 크기를 갖는 이차상을 포함하는 복합재료로서 바람직한 크기범위라고 볼 수 있다.Since the prior art as described above is already known, data related thereto will be omitted. On the contrary, the ZrB 2 -SiC composite material according to the present invention is a zirconium silicide group, which is a raw material powder, is relatively stable in air, so it is easy to handle, and Zr and Si are uniformly mixed in molecular units therein. Therefore, ZrB 2 and SiC grains formed after sintering have a size range of 1 μm or less even when mixing raw powders with strong mechanical force as well as ultrasonic mixing. This is a composite material including a secondary phase having a fine size. It can be seen as a preferred size range.

또한 지르코늄실리사이드군은 비교적 낮은 용융 온도 때문에 1300℃ 이상의 온도에서 가압소결 할 경우 지르코늄실리사이드군의 고온 변형이 치밀화에 기여하며, 이후 함께 첨가된 B4C 및 C와의 반응에 의하여 고온 안정상인 ZrB2와 SiC로 변화하기 때문에 저온에서도 소결이 용이하게 일어날 수 있으며, 우수한 고온물성을 동시에 만족시킬 수 있을 것으로 기대된다.In addition, zirconium silicide group is relatively due to the low melting temperature if the sintering pressed at a temperature of at least 1300 ℃ and the high temperature deformation of the zirconium silicide group contributes to the densification, and the B 4 C and a high temperature stability merchant ZrB 2, by reaction with C was added with subsequent Since it is changed to SiC, sintering can easily occur even at low temperatures, and it is expected that excellent high temperature properties can be satisfied at the same time.

따라서 종래의 합성된 복합재료의 작업의 용이성, 순도, 이차상의 균일한 분포, grain 크기 및 소결온도와 본 발명의 결과를 비교하여 봄으로써 본 발명의 의의를 파악할 수 있음을 유념하여야 한다.Therefore, it should be noted that the significance of the present invention can be grasped by comparing the results of the present invention with the ease of operation, purity, uniform distribution of secondary phases, grain size, and sintering temperature of conventional composite materials.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in more detail with reference to the examples, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (7)

지르코늄실리사이드군, 붕소류 및 탄소류를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 소결하는 단계;
가 포함하여 구성되되,
가압 소결법을 통하여 미세한 입자크기와 균일한 이차상 분포를 가지며 치밀하게 소결된 고순도의 ZrB2-SiC 복합재료를 얻는 것을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
Preparing a mixture by mixing zirconium silicide group, boron and carbon;
Sintering the mixture;
Consists of including
Preparation of ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material using zirconium silicide group as a precursor, characterized by obtaining a high purity ZrB 2 -SiC composite material with fine particle size and uniform secondary phase distribution by pressure sintering method Way.
제 1 항에 있어서,
상기 가압 소결의 가압력은 30 ~ 120MPa의 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The pressurization of the pressure sintering is a method of manufacturing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material using a zirconium silicide group as a precursor, characterized in that performed in the range of 30 ~ 120MPa.
제 1 항에 있어서,
상기 소결 온도는 1300 ~ 1800℃의 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The sintering temperature is a method for producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material as a precursor to the zirconium silicide group, characterized in that performed in the range of 1300 ~ 1800 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 혼합물에 ZrB2 또는 SiC 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 첨가하는 것을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material using as a precursor a zirconium silicide group, characterized in that at least one selected from ZrB 2 or SiC is added to the mixture.
제 1 항에 있어서,
상기 붕소류는 탄화붕소, 산화붕소 및 붕산 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The boron is a method of producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material as a precursor of the zirconium silicide group, characterized in that at least one selected from boron carbide, boron oxide and boric acid.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소류는 그라파이트, 카본블랙, 활성탄, 페놀수지, 피치 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon is a method of producing a ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material as a precursor of a zirconium silicide group, characterized in that at least one selected from graphite, carbon black, activated carbon, phenol resin, pitch.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되며,
상압소결에 의한 경우에 비하여 동일한 grain 크기에서 상대적으로 높은 치밀화도를 나타내는 것을 특징으로 하는 지르코늄실리사이드군을 전구체로 하는 ZrB2-SiC 가압소결 복합재료.
Prepared by the method of any one of claims 1 to 6,
ZrB 2 -SiC pressure sintered composite material using the zirconium silicide group as a precursor, characterized in that it exhibits a relatively high degree of densification at the same grain size as compared with the case of atmospheric pressure sintering.
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