KR101157044B1

KR101157044B1 - 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법

Info

Publication number: KR101157044B1
Application number: KR1020040111841A
Authority: KR
Inventors: 정두화; 이석근
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2012-06-21
Also published as: KR20060073020A

Abstract

본 발명은 탄화규소 허니컴 필터의 소재로 사용할 수 있는 다공성 탄화규소 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 이는 알파형 탄화규소(α-SiC)분말 또는 베타형 탄화규소(β-SiC)분말 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 된 혼합분말 100중량%에 대해 소결제로 알루미늄 보라이드(AlB₂)를 외삽으로 0.3~0.5중량%, 성형조제로 포리비닐부티랄(PVB) 2～3중량%를 첨가한 후 알콜 매체 내에서 충분히 혼합한 후 건조하여 성형분말을 얻은 뒤, 상기 성형분말을 알곤 분위기로 2000-2200℃에서 소결하는 것으로 이루어진다

탄화규소 세라믹스, 허니컴 필터, 다공성

Description

다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법{Fabrication Method dof Porous Silicon Carbide Ceramics}

도1은 다공성을 나타낸는 소결체의 조직사진

도2는 과도하게 입자 성장된 소결체의 조직사진

본 발명은 탄화규소 허니컴 필터의 소재로 이용할 수 있는 다공성 탄화규소 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차에서 배출되는 배가스를 정화하기 위해 사용되는 디젤 입자상 분진 제거용 필터에 사용되는 탄화규소 필터의 소재를 제조하고자 하는 것이다.

DPF(Diesel Particulate Filter)용 재질로서는 가솔린차의 배기가스 정화 담체용으로서 주로 코디어라이트가 사용되었는데, 이는 코디어라이트가 갖는 저열팽창특성으로 인해 내열충격성이 우수하다는 장점 때문이다. 그러나 디젤엔진용 DPF는 포집한 분진(PM)을 연소시켜 제거해야 하기 때문에 우수한 내열성과 내열충격성이 요구된다.

이러한 DPF시스템의 사용환경에 대응하기 위해 최신 새로운 재료 즉, SiC(Silicon Carbide)나 Si₃N₄(silicon Nitide)등이 개발되고 있다. SiC는 내열성 및 내 화학성이 우수하여 DPF 재료로서 적합하나, 난 소결성 물질로서 소결하는데 높은 온도가 요구되며, 이 때문에 제조비용이 높다는 단점이 있다. 그러므로 탄화규소 다공체를 DPF 재료로서 적용하기 위해서는 탄화규소 다공체의 제조비용을 낮추는 것이 무엇보다 중요하다.

본 발명은 디젤엔진에서 발생된 흑연 입자상 물질을 제거하는데 사용되는 탄화규소 허니컴 필터의 소재로 사용할 수 있는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 알파형 탄화규소(α-SiC)분말 또는 베타형 탄화규소(β-SiC)분말 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 된 혼합분말 100중량%에 대해 소결제로 알루미늄 보라이드(AlB₂)를 외삽으로 0.3~0.5중량%, 성형조제로 포리비닐부티랄(PVB) 2～3중량%를 첨가한 후 알콜 매체 내에서 충분히 혼합한 후 건조하여 성형분말을 얻은 뒤, 상기 성형분말을 알곤 분위기로 2000-2200℃에서 소결하는 것으로 이루어진다.

그리고, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 베타형 탄화규소(β-SiC)분말의 첨가량은 1-20중량%이고, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 베타형 탄화규소(β-SiC)분말의 첨가량은 80-99중량%이며, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 알파형 탄화규소(α-SiC)분말의 첨가량은 1-20중량%이고, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 알파형 탄화규소(α-SiC)분말의 첨가량은 80-99중량%이다.

또, 상기 알파형 탄화규소와 베타형 탄화규소분말의 순도는 98% 이상인 것을 사용하고, 상기 알파형 탄화규소와 베타형 탄화규소분말의 입자크기는 각각 평균입경 0.5~0.7 마이크론의 크기와 0.28 마이크론의 것을 사용한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용하는 알파형 탄화규소분말과 베타형 탄화규소분말의 순도는 98%급 이상이고, 입자크기는 알파형 탄화규소분말은 0.7마이크론, 베타형 탄화규소분말은 0.28 마이크론의 것이 바람직하다. 탄화규소의 순도가 98% 이하로 떨어지면 함유되어 있는 탄소나 실리카에 의해 입자성장을 과도하게 촉진시킬 뿐 아니라 소결이 과도하게 진행되어 다공체 제조에 어려움이 따른다.

다공체 제조에 사용되는 탄화규소분말을 알파형 탄화규소(α-SiC)분말에 대한 베타형 탄화규소(β-SiC)분말의 첨가가 1-20중량% 범위와 80-99중량%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서 베타형 탄화규소의 첨가량이 범위를 벗어나면, 즉 베타형 탄화규소 첨가범위가 21-79중량%인 것은 과도한 입자 성장에 의해 다공체의 제조가 어렵다.

소결제로 알루미늄 보라이드의 첨가는 탄화규소분말의 소결을 촉진시키는 것으로서, 그 첨가량은 탄화규소 분말 100중량%에 대해 외삽으로 0.3~0.5중량%를 첨가함이 바람직하다. 여기서 소결제로 알루미늄 보라이드의 첨가량이 0.3중량% 미만 이면 소결이 미약하여 다공체로서의 강도가 나타나지 않으며, 0.5중량%를 초과하면 과도한 입성장과 과도한 소결을 이루어저 다공체의 제조가 어렵다.

포리비닐부티랄(PVB)의 첨가는 실리콘 카바이드의 성형성을 좋게 하기 위한 것으로서 탄화규소 분말과 소결제로 100중량%에 대해 외삽으로 2~3중량%가 바람직하다. 포리비닐부티랄의 첨가량이 2중량% 미만이면 성형성 부족으로 성형체의 제조가 어렵고, 3중량%를 초과하면 성형체 분말 제조시 과량의 포리비닐부티랄로 인해 분말이 딱딱해져 처리하는데 어려움이 있다. 가장 바람직하게는 2중량%가 바람직하다.

탄화규소의 소결은 알곤분위기에서 행함이 바람직하며, 소결온도는 2000～2200℃ 범위내에서 30분간 행하는 것이 바람직하다. 2000℃ 미만에서는 소결이 이루어지지 않아 강도가 약하며, 2200℃를 초과면 과도한 입자성장과 과도한 소결로 다공체를 얻기 어렵다.

이하 본 발명을 실시예를 하기 표1을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

[표1]

[실시예]

상기 표1과 같이 구성되는 원료성분들과 적당량의 알콜 및 탄화규소 볼을 탄화규소질 포트밀에 넣고 24시간 볼밀링 한 후 포트 밀에서 꺼낸 슬러리를 건조기에서 건조한 후 과립화하여 성형용 시료로 하였다. 성형체 제조는 4x4x42mm 크기로 성형하였으며 성형압은 100kg/cm²로 하였다. 이와 같이 하여 제조된 성형체는 진공로를 이용 알곤분위기로 각 온도(2000-2250℃)에서 30분간 소성하였다.

소성된 소결체는 소성수축율과 기공율을 측정하였으며, 전자현미경을 이용 미세구조관찰을 통해 소결체의 입자크기 및 입자형상을 조사하여 다공체의 제조 가능성을 평가하였다.

상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 범위를 만족하는 실시예(1-4) 는 다공체의 제조가 가능하고 비교예(1-7)는 다공체의 제조가 불가능하였다.

비교예1과 비교예2는 소결온도가 본 발명이 요구하는 적정범위를 초과한 것으로서, 비교예1은 소결온도가 낮은 것으로 소결체의 강도가 약함을 알 수 있다. 비교예2는 소결온도가 과도한 것으로 입자성장은 물론 기공율이 낮아 다공체로서의 효용이 저하되었다.

비교예3과 비교예4는 소결조제의 첨가량이 본 발명이 요구하는 적정범위를 초과한 것으로서, 비교예3은 소결조제가 첨가되지 않은 것으로 소결체의 강도가 약하며, 비교예4는 소결조제의 첨가량이 과도하게 첨가된 것으로 소결체의 결정이 너무 커짐에 따라 기공경도 커짐을 추측할 수 있다.

비교예5와 비교예6 및 비교예7은 알파형 탄화규소에 대한 베타형 탄화규소의 첨가범위가 본 발명이 요구하는 적정범위를 벗어난 것으로서 과도한 입자성장(20마이크론 이상)에 의해 균질한 다공체를 얻을 수 없음을 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 알파형 탄화규소(α-SiC)분말 또는 베타형 탄화규소(β-SiC)분말 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 된 혼합분말에 소결제로 알루미늄 보라이드를 첨가하여 적정온도범위에서 소결함으로써 흑연입자상 제거수단으로 사용되는 탄화규소 허니컴의 소재로 사용할 수 있는 탄화규소 다공체의 제조가 가능하였다.

Claims

알파형 탄화규소(α-SiC)분말 또는 베타형 탄화규소(β-SiC)분말 중 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 된 혼합분말 100중량%에 대해 소결제로 알루미늄 보라이드(AlB₂)를 외삽으로 0.3~0.5중량%, 성형조제로 포리비닐부티랄(PVB) 2～3중량%를 첨가한 후 알콜 매체 내에서 충분히 혼합한 후 건조하여 성형분말을 얻은 뒤, 상기 성형분말을 알곤 분위기로 2000-2200℃에서 소결하여 된 것을 특징으로 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 베타형 탄화규소(β-SiC)분말의 첨가량은 1-20중량%인을 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 베타형 탄화규소(β-SiC)분말의 첨가량은 80-99중량%인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 알파형 탄화규소(α-SiC)분말의 첨가량은 1-20중량%인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합분말 100중량% 중에서 알파형 탄화규소(α-SiC)분말의 첨가량은 80-99중량%인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알파형 탄화규소와 베타형 탄화규소분말의 순도는 98% 이상인 것임을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알파형 탄화규소와 베타형 탄화규소분말의 입자크기는 각각 평균입경 0.5~0.7 마이크론의 크기와 0.28 마이크론 임을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법.