KR101311731B1 - Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity - Google Patents

Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity Download PDF

Info

Publication number
KR101311731B1
KR101311731B1 KR1020110138312A KR20110138312A KR101311731B1 KR 101311731 B1 KR101311731 B1 KR 101311731B1 KR 1020110138312 A KR1020110138312 A KR 1020110138312A KR 20110138312 A KR20110138312 A KR 20110138312A KR 101311731 B1 KR101311731 B1 KR 101311731B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
zirconium diboride
temperature
sintering
polycarbosilane
Prior art date
Application number
KR1020110138312A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130071020A (en
Inventor
김성원
이성민
김형태
김경자
Original Assignee
한국세라믹기술원
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 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020110138312A priority Critical patent/KR101311731B1/en
Publication of KR20130071020A publication Critical patent/KR20130071020A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101311731B1 publication Critical patent/KR101311731B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54Particle size related information
    • C04B2235/5418Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5454Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof nanometer sized, i.e. below 100 nm
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Abstract

본 발명은, 지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄하는 단계와, 습식 분쇄된 결과물을 건조하는 단계와, 건조된 결과물을 고온가압소결로에 장입하고 1800~2200℃의 소결 온도로 승온하는 단계 및 상기 소결 온도에서 가압하면서 소결하는 단계를 포함하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 열보호시스템으로 사용될 수 있고, 공정이 간단하여 대량 생산에 유리하며, 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제되면서 실리콘카바이드 간의 접촉도(contiguity)와 열전도도가 향상된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제조할 수 있다.The present invention is a mixture of zirconium diboride, nano silicon carbide having an average particle diameter of 1/10 or less of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200nm, a dispersant for inhibiting aggregation of the zirconium diboride and the nano silicon carbide And wet pulverizing, drying the wet pulverized product, charging the dried product to a high-temperature pressurizing furnace, heating the sintering temperature of 1800 to 2200 ° C., and sintering under pressure at the sintering temperature. It relates to a method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material comprising. According to the present invention, the zirconium diboride-silicon carbide can be used as a thermal protection system, and the process is simple, which is advantageous for mass production, and the grain growth of zirconium diboride is suppressed and the contactivity (contiguity) and thermal conductivity between silicon carbides are improved. Composite materials can be prepared.

Description

열전도도가 우수한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법 {Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity}Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite material with excellent thermal conductivity {Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity}

본 발명은 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제되면서 실리콘카바이드 간의 접촉도(contiguity)가 증가하고 열전도도가 향상된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material, and more particularly, the zirconium diboride-silicon is improved in the contact (contiguity) and improved thermal conductivity of silicon carbide while suppressing the grain growth of zirconium diboride It relates to a method of manufacturing a carbide composite material.

3000℃ 이상의 녹는점, 화학적 안정성, 대기권 재돌입과 같은 극한환경에서 높은 내산화성 등의 특징을 지니는 붕화물, 탄화물, 질화물 등의 비산화물 세라믹스는 초고온 세라믹스(ultra-high temperature ceramics)로 분류된다.Non-oxide ceramics, such as borides, carbides and nitrides, which have characteristics such as high oxidation resistance in extreme environments such as melting point above 3000 ° C, chemical stability, and reentry into the atmosphere, are classified as ultra-high temperature ceramics.

이러한 초고온 세라믹스의 부각되는 응용분야로 극초음속기, 우주왕복선 등의 항공우주비행체의 선단부(leading edge)를 보호하기 위한 열보호시스템(thermal protection system)이 있다. A prominent application of these ultra-high temperature ceramics is a thermal protection system for protecting the leading edge of aerospace aircraft such as supersonic and space shuttles.

도 1a 및 도 1b는 항공우주비행체 선단부의 두 가지 예를 보여주는 모식도이다.Figures 1A and 1B are schematic diagrams showing two examples of aerospace tip.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래에 사용되던 항공우주비행체는 대체로 무딘 선단부(도 1a 참조)를 지니고 있는데, 이는 재료적 한계를 극복하기 위해 고속비행에 의한 열집중을 분산하는 구조이나 비행체의 기동(maneuver)이나 안정성에 제한을 받는다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에 개발되는 항공우주비행체는 예리한 선단부(도 1b 참조)를 지니고 있어 비행체의 기동이나 안전성을 향상시킴에 따라 열보호시스템이 더욱 중요해지게 되었다.1A and 1B, conventionally used aerospace vehicles have a blunt distal end (see FIG. 1A), which is a structure or structure that disperses heat concentration by high-speed flight to overcome material limitations. Limited to maneuver or stability. In order to overcome these shortcomings, the recently developed aerospace vehicle has a sharp tip (see FIG. 1b), and thus, the thermal protection system becomes more important as it improves the maneuvering or safety of the aircraft.

예리한 선단부에는 초고속 비행시 발생하는 열이 좁은 영역에 집중되므로 선단부에 적용되는 열보호시스템의 소재가 초고온 세라믹스와 같이 높은 녹는점을 지녀야 하고, 열전도도가 높은 소재일수록 집중된 열을 분산시킬 수 있어 부분용융이나 열응력에 의한 파괴를 감소시킬 수 있다.In the sharp tip, the heat generated during the high-speed flight is concentrated in a narrow area, so the material of the thermal protection system applied to the tip should have a high melting point like ultra-high temperature ceramics, and the higher the thermal conductivity, the more concentrated the heat can be dissipated. It can reduce the fracture by melting or thermal stress.

이러한 관점에서 초고온 세라믹스의 열전도도 향상은 매우 중요한 인자이다. 지르코늄디보라이드의 열전도도는 ~ 60 W/m·K 정도이고, 실리콘카바이드의 열전도도는 100~300 W/m·K 정도이다. 복합소재의 열전도도는 혼합률(rule of mixture)보다는 퍼콜레이션(percolation)으로 결정된다.From this point of view, improvement of thermal conductivity of ultrahigh temperature ceramics is a very important factor. The thermal conductivity of zirconium diboride is about 60 W / m * K, and the thermal conductivity of silicon carbide is about 100-300 W / m * K. The thermal conductivity of composite materials is determined by percolation rather than the rule of mixture.

도 2는 복합소재의 전도특성을 나타내는 퍼콜레이션 현상의 전형적인 모식도이다.2 is a typical schematic diagram of a percolation phenomenon showing the conduction characteristic of a composite material.

도 2를 참조하면, 퍼콜레이션은 다공성 소재를 통한 유체의 흐름을 일컫는 용어로 전도특성이 다른 두 소재로 이루어진 복합소재의 전도특성을 설명하는데 사용된다. 이러한 퍼콜레이션의 전형적인 예는 절연특성을 갖는 기지상에 전도특성을 갖는 분산상이 분산된 경우로 분산상의 부피분율의 임계값 이상에서만 전도특성을 갖는 복합소재를 얻게 된다. 이러한 임계값의 부피분율은 기지상/분산상 간의 형상, 크기 비율 등에 따라 변화한다.
Referring to Figure 2, percolation is a term used to describe the flow of fluid through a porous material is used to describe the conductive properties of a composite material composed of two materials having different conductive properties. A typical example of such percolation is a case in which a dispersed phase having conductive properties is dispersed on a matrix having insulating properties, thereby obtaining a composite material having conductive properties only above a threshold of the volume fraction of the dispersed phase. The volume fraction of this threshold varies with shape, size ratio, etc. between the known phase / dispersed phase.

본 발명이 해결하려는 과제는 열보호시스템으로 사용될 수 있고, 공정이 간단하여 대량 생산에 유리하며, 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제되면서 실리콘카바이드 간의 접촉도(contiguity)가 증가하고 열전도도가 향상된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
The problem to be solved by the present invention can be used as a thermal protection system, the process is simple and advantageous to mass production, while the growth of zirconium diboride suppressed grain growth of the silicon carbide increases (contiguity) and improved thermal conductivity zirconium dibo It is to provide a method of manufacturing a ride-silicon carbide composite material.

본 발명은, (a) 지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 보다 작거나 같고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄하는 단계와, (b) 습식 분쇄된 결과물을 건조하는 단계와, (c) 건조된 결과물을 고온가압소결로에 장입하고 1800~2200℃의 소결 온도로 승온하는 단계 및 (d) 상기 소결 온도에서 가압하면서 소결하는 단계를 포함하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법을 제공한다.The present invention, (a) zirconium diboride, nano silicon carbide less than or equal to 1/10 of the average particle diameter of the zirconium diboride, the average particle diameter of 10 to 200nm, suppresses the aggregation of the zirconium diboride and the nano silicon carbide Mixing and wet milling the dispersant for drying, (b) drying the wet milled product, and (c) charging the dried product to a high-temperature pressurizing furnace and raising the temperature to a sintering temperature of 1800 to 2200 ° C. And (d) provides a method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material comprising the step of sintering while pressing at the sintering temperature.

상기 (a) 단계에서, 지르코늄디보라이드 50~95부피%와 나노 실리콘카바이드 5~50부피%가 혼합되게 상기 지르코늄디보라이드과 상기 나노 실리콘카바이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다. In the step (a), the zirconium diboride and the nano silicon carbide is mixed so that 50 to 95% by volume of zirconium diboride and 5 to 50% by volume of the nano silicon carbide, and the dispersing agent of the zirconium diboride and nano silicon carbide It is preferable to mix 0.1-10 weight part with respect to 100 weight part of total contents.

상기 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법은, 상기 (a) 단계에서 폴리카보실란이 용해된 용매를 더 혼합할 수 있고, 상기 소결 온도로 승온하기 전에, 상기 폴리카보실란이 열분해되어 실리콘카바이드로 변환되게 하기 위하여 상기 소결 온도 보다 낮은 1100~1500℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the method for preparing the zirconium diboride-silicon carbide composite material, the solvent in which polycarbosilane is dissolved may be further mixed in step (a), and the polycarbosilane is thermally decomposed before the temperature is raised to the sintering temperature. In order to be converted to carbide may further comprise the step of heat treatment at a temperature of 1100 ~ 1500 ℃ lower than the sintering temperature.

상기 (a) 단계에서, 폴리카보실란과 나노 실리콘카바이드를 합한 함량 5~50부피%와 지르코늄디보라이드 50~95부피%가 혼합되게 상기 폴리카보실란, 상기 나노 실리콘카바이드 및 상기 지르코늄디보라이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.In the step (a), the polycarbosilane, the nano silicon carbide and the zirconium diboride are mixed so that 5 to 50% by volume of polycarbosilane and nano silicon carbide and 50 to 95% by volume of zirconium diboride are mixed. In addition, the dispersant is preferably mixed 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of zirconium diboride and nano silicon carbide.

상기 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법은, 상기 열처리하는 단계 후 상기 소결 온도로 승온하는 단계 전에, 상기 폴리카보실란이 열분해되는 과정에서 발생된 가스가 빠져나가게 하기 위하여 상기 열처리 온도 보다 낮은 온도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the zirconium diboride-silicon carbide composite material is lower than the heat treatment temperature in order to allow the gas generated in the process of pyrolyzing the polycarbosilane to escape from the heat treatment step before the step of raising the temperature to the sintering temperature. The method may further include cooling to a temperature.

상기 용매는 헥산 또는 톨루엔일 수 있다.The solvent may be hexane or toluene.

상기 열처리는 진공 또는 아르곤 가스의 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. The heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere of vacuum or argon gas.

상기 소결은, 1~60MPa의 압력으로 가압하면서 1800~2200℃의 온도에서 30분∼48시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The sintering is preferably carried out for 30 minutes to 48 hours at a temperature of 1800 ~ 2200 ℃ while pressing at a pressure of 1 ~ 60MPa.

상기 소결은 비산화 분위기에서 수행되고, 상기 비산화 분위기는 진공 또는 아르곤 가스 분위기인 것이 바람직하다.The sintering is performed in a non-oxidizing atmosphere, and the non-oxidizing atmosphere is preferably a vacuum or argon gas atmosphere.

상기 건조는 용매의 증발에 따른 편석을 방지하기 위해 5∼200rpm의 속도로 교반하면서 1~100시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. The drying is preferably performed for 1 to 100 hours while stirring at a rate of 5 ~ 200rpm to prevent segregation due to evaporation of the solvent.

또한, 본 발명은, 상기 방법으로 제조되고, 지르코늄디보라이드의 평균 입경이 1∼3㎛ 이며, 상기 지르코늄 디보라이드는 기지(matrix) 상을 이루고 상기 기지 상 내에 실리콘카바이드가 분포하는 구조를 이루는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제공한다.
In addition, the present invention, the zirconium is produced by the above method, the zirconium diboride has an average particle diameter of 1 ~ 3㎛, the zirconium diboride forms a matrix phase and a structure in which silicon carbide is distributed in the matrix phase It provides a diboride-silicon carbide composite.

본 발명에 의하면, 나노 실리콘카바이드를 단독으로 이용하거나 나노 실리콘카바이드와 함께 실리콘카바이드 전구체인 폴리카보실란을 이용함으로써 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에서 실리콘카바이드가 균일하게 분포되고 지르코늄디보라이드 입자의 입성장이 억제되어 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가하고 열전도도가 향상될 수 있어 열보호시스템의 적용 온도를 높일 수 있다. According to the present invention, the silicon carbide is uniformly distributed in the zirconium diboride-silicon carbide composite material and the grain size of the zirconium diboride particles by using the nano silicon carbide alone or by using the silicon carbide precursor polycarbosilane together with the nano silicon carbide. The field can be suppressed to increase the contact between silicon carbide and improve the thermal conductivity, thereby increasing the application temperature of the thermal protection system.

또한, 본 발명에 의하면, 공정이 간단하여 대량 생산에 유리하고, 본 발명에 의해 제조된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드(ZrB2-SiC) 복합소재는 향상된 열전도도를 제공하므로 고온 환경에서 사용되는 열차폐재로 사용될 수 있다.
Further, according to the present invention, the zirconium diboride-silicon carbide (ZrB 2 -SiC) composite material produced by the present invention is advantageous for mass production because of its simple process and provides improved thermal conductivity. Therefore, It can be used as waste material.

도 1a 및 도 1b는 항공우주비행체 선단부의 두 가지 예를 보여주는 모식도이다.
도 2는 복합소재의 전도특성을 나타내는 퍼콜레이션 현상의 전형적인 모식도이다.
도 3은 실험예 1에 따른 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 얻기 위한 열처리 과정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4a는 실험예 2와 비교실험예에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴이다.
도 4b는 실험예 1에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 X-선회절(XRD) 패턴이다.
도 4c는 실험예 1에 따라 지르코늄보라이드와 폴리카보실란의 출발원료를 볼밀링한 후 열처리를 실시하기 전의 출발원료에 대한 X-선 회절(XRD) 패턴이다.
도 5a와 도 5b는 실험예 1에 따라 지르코늄디보라이드와 폴리카보실란을 열처리하고 고온가압소결로에서 소결하여 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진들이다.
도 6a 및 도 6b는 실험예 1에 따라 지르코늄디보라이드와 폴리카보실란을 고온가압소결로에서 열처리와 소결을 연속적으로 실시하여 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 투과전자현미경(transmission electron microscope)의 명시야상(bright field image)과 암시야상(dark field image)이다.
도 7은 실험예 2에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 비교실험예에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9a는 실험예 1, 실험예 2 및 비교실험예에 따라 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대하여 비열을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9b는 실험예 1, 실험예 2 및 비교실험예에 따라 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대하여 열확산도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9c는 실험예 1, 실험예 2 및 비교실험예에 따라 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대하여 열전도도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
Figures 1A and 1B are schematic diagrams showing two examples of aerospace tip.
2 is a typical schematic diagram of a percolation phenomenon showing the conduction characteristic of a composite material.
3 is a view illustrating a heat treatment process for obtaining a zirconium diboride-silicon carbide composite material according to Experimental Example 1.
4a is an X-ray diffraction (XRD) pattern of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 2 and Comparative Experimental Example.
4B is an X-ray diffraction (XRD) pattern of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 1. FIG.
Figure 4c is an X-ray diffraction (XRD) pattern for the starting material before the heat treatment after ball milling the starting material of zirconium boride and polycarbosilane according to Experimental Example 1.
5A and 5B are scanning electron microscope (SEM) photographs of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized by heat-treating zirconium diboride and polycarbosilane and sintering in a high-temperature pressurization sintering furnace according to Experimental Example 1 admit.
6A and 6B are transmission electron microscopes of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized by sequentially performing heat treatment and sintering of zirconium diboride and polycarbosilane in a high-temperature pressurization sintering furnace according to Experimental Example 1 ) Is a bright field image and a dark field image.
7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a zirconium dichloride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 2. FIG.
8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to a comparative example.
Figure 9a is a graph showing the specific heat measured for the zirconium diboride-silicon carbide composite materials synthesized according to Experimental Example 1, Experimental Example 2 and Comparative Experimental Example.
Figure 9b is a graph showing the thermal diffusivity measured for the zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 1, Experimental Example 2 and Comparative Experimental Example.
Figure 9c is a graph showing the thermal conductivity measured for the zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 1, Experimental Example 2 and Comparative Experimental Example.

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. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.

이하에서, 나노라 함은 나노미터 단위의 크기로서 1∼1000㎚ 크기를 의미하는 것으로 사용하고, 나노 실리콘카바이드라 함은 평균 입자의 크기가 나노인 실리콘카바이드를 의미하는 것으로 사용한다. In the following description, nano is used to mean 1 to 1000 nm in size, and nano silicon carbide is used to mean silicon carbide in which the average particle size is nano.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법은, (a) 지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄하는 단계와, (b) 습식 분쇄된 결과물을 건조하는 단계와, (c) 건조된 결과물을 고온가압소결로에 장입하고 1800~2200℃의 소결 온도로 승온하는 단계 및 (d) 상기 소결 온도에서 가압하면서 소결하는 단계를 포함한다.Method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material according to a preferred embodiment of the present invention, (a) zirconium diboride, the average diameter of the zirconium diboride 1/10 or less and the average particle diameter of 10 to 200nm Mixing and wet grinding a carbide, the zirconium diboride and a dispersant for inhibiting agglomeration of the nano silicon carbide, (b) drying the wet milled product, and (c) hot sintering the dried product. Charging to a furnace and heating to a sintering temperature of 1800-2200 ° C. and (d) sintering under pressure at the sintering temperature.

상기 (a) 단계에서, 지르코늄디보라이드 50~95부피%와 나노 실리콘카바이드 5~50부피%가 혼합되게 상기 지르코늄디보라이드과 상기 나노 실리콘카바이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다. In the step (a), the zirconium diboride and the nano silicon carbide is mixed so that 50 to 95% by volume of zirconium diboride and 5 to 50% by volume of the nano silicon carbide, and the dispersing agent of the zirconium diboride and nano silicon carbide It is preferable to mix 0.1-10 weight part with respect to 100 weight part of total contents.

상기 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법은, 상기 (a) 단계에서 폴리카보실란이 용해된 용매를 더 혼합할 수 있고, 상기 소결 온도로 승온하기 전에, 상기 폴리카보실란이 열분해되어 실리콘카바이드로 변환되게 하기 위하여 상기 소결 온도 보다 낮은 1100~1500℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the method for preparing the zirconium diboride-silicon carbide composite material, the solvent in which polycarbosilane is dissolved may be further mixed in step (a), and the polycarbosilane is thermally decomposed before the temperature is raised to the sintering temperature. In order to be converted to carbide may further comprise the step of heat treatment at a temperature of 1100 ~ 1500 ℃ lower than the sintering temperature.

상기 (a) 단계에서, 폴리카보실란과 나노 실리콘카바이드를 합한 함량 5~50부피%와 지르코늄디보라이드 50~95부피%가 혼합되게 상기 폴리카보실란, 상기 나노 실리콘카바이드 및 상기 지르코늄디보라이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.In the step (a), the polycarbosilane, the nano silicon carbide and the zirconium diboride are mixed so that 5 to 50% by volume of polycarbosilane and nano silicon carbide and 50 to 95% by volume of zirconium diboride are mixed. In addition, the dispersant is preferably mixed 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of zirconium diboride and nano silicon carbide.

상기 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법은, 상기 열처리하는 단계 후 상기 소결 온도로 승온하는 단계 전에, 상기 폴리카보실란이 열분해되는 과정에서 발생된 가스가 빠져나가게 하기 위하여 상기 열처리 온도 보다 낮은 온도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the zirconium diboride-silicon carbide composite material is lower than the heat treatment temperature in order to allow the gas generated in the process of pyrolyzing the polycarbosilane to escape from the heat treatment step before the step of raising the temperature to the sintering temperature. The method may further include cooling to a temperature.

상기 용매는 헥산 또는 톨루엔일 수 있다.The solvent may be hexane or toluene.

상기 열처리는 진공 또는 아르곤 가스의 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. The heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere of vacuum or argon gas.

상기 소결은, 1~60MPa의 압력으로 가압하면서 1800~2200℃의 온도에서 30분∼48시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.The sintering is preferably carried out for 30 minutes to 48 hours at a temperature of 1800 ~ 2200 ℃ while pressing at a pressure of 1 ~ 60MPa.

상기 소결은 비산화 분위기에서 수행되고, 상기 비산화 분위기는 진공 또는 아르곤 가스 분위기인 것이 바람직하다.The sintering is performed in a non-oxidizing atmosphere, and the non-oxidizing atmosphere is preferably a vacuum or argon gas atmosphere.

상기 건조는 용매의 증발에 따른 편석을 방지하기 위해 5∼200rpm의 속도로 교반하면서 1~100시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. The drying is preferably performed for 1 to 100 hours while stirring at a rate of 5 ~ 200rpm to prevent segregation due to evaporation of the solvent.

상기 방법으로 제조된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재는, 지르코늄디보라이드의 평균 입경이 1∼3㎛(출발원료인 지르코늄디보라이드 분말의 평균 입경의 1.5배 이하) 이며, 상기 지르코늄 디보라이드는 기지(matrix) 상을 이루고 상기 기지 상 내에 실리콘카바이드가 분포하는 구조를 이룬다.
The zirconium diboride-silicon carbide composite material prepared by the above method has an average particle diameter of 1 to 3 µm (1.5 times or less of the average particle diameter of the zirconium diboride powder of starting material), and the zirconium diboride is known forming a matrix phase and forming a structure in which silicon carbide is distributed in the matrix phase.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in more detail, and the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄한다. Zirconium diboride, nano silicon carbide having an average particle diameter of 1/10 or less of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200 nm, a dispersant for inhibiting the aggregation of the zirconium diboride and the nano silicon carbide and wet grinding .

본 실시예에서는 지르코늄디보라이드와, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드 및 분산제를 출발원료로 사용한다. In this embodiment, zirconium diboride and nano silicon carbide and dispersant having an average particle diameter of 1/10 or less of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200 nm are used as starting materials.

지르코늄디보라이드 50~95부피%와 나노 실리콘카바이드 5~50부피%가 혼합되게 상기 지르코늄디보라이드과 상기 나노 실리콘카바이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다. The zirconium diboride and the nano silicon carbide are mixed so that 50 to 95% by volume of zirconium diboride and 5 to 50% by volume of nano silicon carbide are mixed, and the dispersant is 100 parts by weight of the total content of zirconium diboride and nano silicon carbide. It is preferable to mix 0.1-10 weight part.

상기 분산제는 지르코늄디보라이드과 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하고 분산성을 향상시키는 역할을 하며, 상기 분산제로는 상업적으로 판매되고 있는 상품명 RE610 등을 사용할 수 있다. The dispersant serves to suppress aggregation of zirconium diboride and nano silicon carbide and to improve dispersibility. As the dispersant, a commercially available brand name RE610 may be used.

상기 습식 분쇄는 습식 볼밀링(ball milling) 공정 등을 이용할 수 있다. 이하에서 습식 볼밀링 공정에 대하여 설명한다. 출발원료를 볼밀링기에 장입하고 볼밀링하여 혼합 및 분쇄하는데, 상기 볼밀링(ball milling)에 사용되는 볼은 WC-Co, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1~30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50~500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1~50시간 동안 실시할 수 있다. 상기 볼밀링에 의해 출발원료는 균일하게 혼합되고 분쇄되게 된다. The wet milling may be performed by a wet ball milling process or the like. The wet ball milling process will be described below. The starting material is charged into a ball mill, mixed by milling by ball milling, and the ball used for ball milling is made of ceramic materials such as WC-Co, alumina (Al 2 O 3 ), and zirconia (ZrO 2 ). Balls may be used, and the balls may be all the same size, or two or more balls may be used together. Adjust the size of the ball, milling time, rotation speed per minute of the ball milling machine, for example, the size of the ball is set in the range of about 1 ~ 30㎜, the rotation speed of the ball milling machine in the range of 50 ~ 500rpm The ball milling can be performed for 1 to 50 hours. By the ball milling, the starting materials are homogeneously mixed and pulverized.

습식 분쇄된 출발원료를 60~200℃의 온도에서 건조한다. 상기 건조는 용매의 증발에 따른 출발원료의 편석을 방지하기 위해 1~100시간 동안 교반을 하면서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 교반은 5~200rpm 정도의 속도로 이루어지는 것이 바람직하다. The wet milled starting material is dried at a temperature of 60-200 ° C. The drying is preferably carried out while stirring for 1 to 100 hours to prevent segregation of starting materials due to evaporation of the solvent. The stirring is preferably made at a speed of about 5 ~ 200rpm.

건조된 출발원료를 고온가압소결로의 몰드에 장입한다. 소결은 고온가압(hot pressing) 소결을 이용하며, 소결조제를 첨가함이 없이 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제조할 수 있는 장점이 있다. 고온가압(hot pressing) 소결은 높은 압력을 가하면서 소결하는 방법으로써 상압 소결보다는 낮은 온도에서도 소결이 가능하며, 소결 시간도 짧아지는 장점이 있다. 상압 소결에 의해 소결된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재는 상대 밀도가 낮고, 고온가압 소결에 의한 경우에 비하여 기계적 특성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 상압 소결을 이용할 경우 출발원료의 융점 근처까지 온도를 올려 소결하여야 하므로 에너지 소모가 많고 열적 스트레스(thermal stress)를 너무 많이 가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 고온가압 소결을 이용함으로써, 입자 사이의 간격이 매우 조밀해져서 기공이 거의 형성되지 않는 고밀도의 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재가 제조될 수 있다. The dried starting material is charged into a mold of a high-temperature sintering furnace. The sintering is performed by hot pressing sintering, and there is an advantage that a zirconium diboride-silicon carbide composite material can be produced without adding a sintering aid. Hot pressing sintering is a sintering method with high pressure applied. It can be sintered at a lower temperature than pressureless sintering, and sintering time is also shortened. The zirconium diboride-silicon carbide composite material sintered by atmospheric pressure sintering has a low relative density and has a problem in that its mechanical properties are lower than those obtained by high temperature sintering. In addition, when using atmospheric pressure sintering, since the temperature must be raised to near the melting point of the starting material, sintering must be performed, resulting in high energy consumption and excessive thermal stress. Therefore, in the present invention, by using the high-temperature sintering method, a high density zirconium dichloride-silicon carbide composite material in which the intervals between the particles become very dense and pores are hardly formed can be produced.

상기 몰드는 실린더 또는 각기둥 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 몰드 내에 출발원료를 장입한 후 몰드 상부와 하부에서 상하 양방향 압축 또는 일방향 압축을 실시하여 원하는 형상으로 성형할 수 있다. The mold may be provided in the form of a cylinder or a prism. After the starting material is charged into the mold, the mold may be vertically bi-directionally compressed or unidirectionally compressed in the upper and lower portions of the mold to form a desired shape.

상기 소결은 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 비산화 분위기는 진공 또는 아르곤(Ar) 가스 분위기인 것이 바람직하다. 상기 소결을 진공 분위기에서 수행하는 경우에, 고온가압소결로 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프(미도시)를 작동시켜 진공 상태(예컨대, 1×10-1∼1×10-3 Torr 정도)로 될 때까지 배기한다. 이때, 고온가압소결로의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단(미도시)에 전원을 공급하여 고온가압소결로를 가열하면 고온가압소결로 내에 잔존하는 불순물 가스가 효율적으로 배기될 수 있다. 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 경우에는 고온가압소결로의 가스 분위기가 충분히 아르곤(Ar) 가스 분위기를 띠게 공급하는데, 예컨대 200∼2000sccm 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. The sintering is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere, and the non-oxidizing atmosphere is preferably a vacuum or argon (Ar) gas atmosphere. In the case of performing the sintering in a vacuum atmosphere, to remove the impurities present in the gas to the hot-pressing, and by operating a rotary pump (not shown) to create a vacuum, a vacuum state (for example, 1 × 10 -1 ~1 × 10 -3 Torr). At this time, when power is supplied to the heating means (not shown) surrounding the periphery of the high-temperature sintering furnace and the high-temperature sintering furnace is heated, the impurity gas remaining in the high-temperature sintering furnace can be efficiently exhausted. In the case of supplying argon (Ar) gas, the gas atmosphere of the high-temperature sintering furnace is sufficiently supplied in an argon (Ar) gas atmosphere. For example, it is preferable to supply the gas atmosphere at a flow rate of about 200 to 2000 sccm.

상기 고온가압소결로의 온도를 1800~2200℃의 소결 온도로 승온시킨다. 소결 온도는 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking) 등을 고려하여 1800∼2100℃ 정도인 것이 바람직한데, 소결 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자의 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소결 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결시키는 것이 바람직하다. 이때, 고온가압소결로의 승온 온도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 고온가압소결로의 온도를 올리는 것이 바람직하다. The temperature of the high-temperature pressurizing furnace is raised to a sintering temperature of 1800 ~ 2200 ℃. The sintering temperature is preferably about 1800 ~ 2100 ℃ in consideration of the diffusion of particles, the necking (necking) between the particles, etc. If the sintering temperature is too high, mechanical properties may decrease due to excessive growth of particles, If the sintering temperature is too low, it is preferable to sinter at the sintering temperature in the above range because the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering. At this time, it is preferable that the temperature rising temperature of the high temperature sintering furnace is about 1 to 50 ° C./min. If the temperature rising rate of the high temperature sintering furnace is too slow, it takes a long time and the productivity decreases. In a rapid case, it is preferable to raise the temperature of the high-temperature pressurization furnace at a temperature rising rate in the above range because it may adversely affect the properties of the zirconium diboride-silicon carbide composite material by the rapid temperature rise.

고온가압소결로의 온도가 목표하는 소결 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 30분∼48시간)을 유지하고 가압하면서 소결한다. 소결 온도에 따라 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 미세구조, 입경 등에 차이가 있는데, 소결 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소결 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소결 온도가 1800℃ 미만일 경우에는 소결이 제대로 이루어지지 않아서 치밀화가 되지 않을 수 있고, 2200℃를 초과하는 경우는 입자의 크기가 커져서 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 특성이 좋지 않을 수 있고 에너지의 소모가 많아 경제적이지 못하다. 소결 시간은 30분∼48시간 정도인 것이 바람직한데, 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어렵고 입자의 크기가 커지게 되며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있다. When the temperature of the high-temperature pressurizing furnace rises to the target sintering temperature, it is sintered while maintaining a predetermined time (for example, 30 minutes to 48 hours) and pressurizing. Depending on the sintering temperature, the zirconium diboride-silicon carbide composite material has a fine structure and a particle size. The surface diffusion is dominant at the low sintering temperature, but the lattice diffusion and grain boundary diffusion are proceeded at the high sintering temperature. If the sintering temperature is less than 1800 ℃ may not be densified due to poor sintering, if the temperature exceeds 2200 ℃ the size of the particles may be large due to the characteristics of the zirconium diboride-silicon carbide composite material and energy High consumption, not economical. It is preferable that the sintering time is about 30 minutes to 48 hours. If the sintering time is too long, energy consumption is high, so it is not economical, and it is difficult to expect any further sintering effect, and the size of the particles is increased. In this small case, the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering.

소결되는 동안에 출발원료에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 1∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 출발원료 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 고밀도의 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 응력에 의한 스트레스가 미세구조상에서 나타날 수 있어 소결체의 특성이 오히려 좋지 않을 수 있다. The pressure applied to the starting material during the sintering (the pressure to be compressed by the mold) is preferably about 1 to 60 MPa. If the pressure is too low, a large amount of voids are formed between the starting materials. Therefore, the desired high density zirconium diboride- If the silicon carbide composite material is difficult to obtain and the pressing pressure is too high, the stress due to the stress may appear on the microstructure, so that the characteristics of the sintered body may be rather poor.

지르코늄디보라이드는 나노 실리콘카바이드가 둘러싸여 있어서 상기 소결 동안에 입성장이 억제되어 조대성장(coarsening)이 일어나지 않게 된다. 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제됨에 따라 실리콘카바이드 간의 접촉도는 증가하고 열전도도가 향상될 수 있게 된다. 나노 실리콘카바이드는 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 10∼200㎚ 정도의 입자 크기를 가지고 있으며, 입자 크기가 큰 실리콘카바이드를 사용하는 경우의 부피분율과 같은 부피분율을 사용할 때 나노 실리콘카바이드를 사용한 경우가 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가해 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대한 열전도도를 향상시킬 수 있다.Zirconium diboride is surrounded by nano silicon carbide so that grain growth is suppressed during the sintering so that coarsening does not occur. As the grain boundary of zirconium diboride is suppressed, the contact between silicon carbide increases and the thermal conductivity can be improved. Nano silicon carbide is 1/10 or less of the average particle diameter of zirconium diboride, has a particle size of about 10 to 200 nm, and nano silicon carbide is used when using the same volume fraction as that of silicon carbide having a large particle size. In this case, the contact between silicon carbide increases, thereby improving thermal conductivity of the zirconium diboride-silicon carbide composite material.

소결 공정을 수행한 후, 상기 고온가압소결로의 온도를 하강시켜 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 언로딩한다. 상기 고온가압소결로 냉각은 고온가압소결로 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 고온가압소결로 온도를 하강시키는 동안에도 고온가압소결로 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. After performing the sintering process, the temperature of the high-temperature sintering furnace is lowered to unload the zirconium diboride-silicon carbide composite material. The high-temperature sintering furnace may be cooled by shutting off the power supply to the high-temperature sintering furnace to cool the sintering furnace in a natural state or by setting a temperature lowering rate (for example, 10 ° C / min). It is preferable to keep the pressure inside the high-temperature sintering furnace constant even while the temperature of the high-temperature sintering furnace is lowered.

상기 소결 공정을 거쳐 최종적으로 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재가 얻어진다. 이렇게 얻어진 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재는 실리콘카바이드가 균일하게 분포되고 지르코늄디보라이드 입자의 입성장이 억제되어 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가하고 열전도도가 향상될 수 있어 열보호시스템의 적용 온도를 높일 수 있는 장점이 있다.
After the sintering process, a zirconium diboride-silicon carbide composite material is finally obtained. The zirconium diboride-silicon carbide composite material thus obtained has a uniform distribution of silicon carbide and suppresses grain growth of zirconium diboride particles, thereby increasing the contact between silicon carbide and improving the thermal conductivity, thereby increasing the application temperature of the thermal protection system. There are advantages to it.

<실시예 2><Example 2>

지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 폴리카보실란이 용해된 용매, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄한다. Zirconium diboride, nano silicon carbide having an average particle diameter of 1/10 or less of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200 nm, a solvent in which polycarbosilane is dissolved, and inhibiting aggregation of the zirconium diboride and the nano silicon carbide Dispersant for mixing and wet grinding.

본 실시예에서는 지르코늄디보라이드와, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 폴리카보실란 및 분산제를 출발원료로 사용한다. 실리콘카바이드 전구체인 폴리카보실란(polycabosilane; PCS)을 용매에 용해하여 출발원료로 함께 사용한다. In this embodiment, zirconium diboride and nano silicon carbide, polycarbosilane, and dispersant having an average particle diameter of 1/10 or less of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200 nm are used as starting materials. Polycabosilane (PCS), a silicon carbide precursor, is dissolved in a solvent and used as a starting material.

폴리카보실란과 나노 실리콘카바이드를 합한 함량 5~50부피%와 지르코늄디보라이드 50~95부피%가 혼합되게 상기 폴리카보실란, 상기 나노 실리콘카바이드 및 상기 지르코늄디보라이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The polycarbosilane, the nano silicon carbide and the zirconium diboride are mixed to mix 5 to 50% by volume of polycarbosilane and nano silicon carbide and 50 to 95% by volume of zirconium diboride, and the dispersing agent is zirconium diboride. It is preferable to mix 0.1-10 weight part with respect to 100 weight part of total contents of a ride and a nano silicon carbide.

폴리카보실란(SiH(CH3)-CH2-)n은 실리콘카바이드의 전구체이다. 폴리카보실란은 고분자의 물질로 이루어져 있는 것이 일반적이다. Si과 Si의 사이를 탄화수소기(CH)가 가교하는 것이 폴리카보실란의 일반적 구조이다. 이러한 폴리카보실란은 헥산(hexane), 톨루엔(toluene)과 같은 용매에 용해하여 사용한다. Polycarbonate Silane (SiH (CH 3) -CH 2 -) n is a precursor of silicon carbide. Polycarbosilanes are generally made of polymeric materials. The cross-linking of the hydrocarbon group (CH) between Si and Si is a general structure of polycarbosilane. These polycarbosilanes are used by dissolving them in solvents such as hexane and toluene.

상기 분산제는 지르코늄디보라이드과 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하고 분산성을 향상시키는 역할을 하며, 상기 분산제로는 상업적으로 판매되고 있는 상품명 RE610 등을 사용할 수 있다. The dispersant serves to suppress aggregation of zirconium diboride and nano silicon carbide and to improve dispersibility. As the dispersant, a commercially available brand name RE610 may be used.

상기 습식 분쇄는 습식 볼밀링(ball milling) 공정 등을 이용할 수 있다. 이하에서 습식 볼밀링 공정에 대하여 설명한다. 출발원료를 볼밀링기에 장입하고 볼밀링하여 혼합 및 분쇄하는데, 상기 볼밀링(ball milling)에 사용되는 볼은 WC-Co, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1~30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50~500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1~50시간 동안 실시할 수 있다. 상기 볼밀링에 의해 출발원료는 균일하게 혼합되고 분쇄되게 된다. The wet milling may be performed by a wet ball milling process or the like. The wet ball milling process will be described below. The starting material is charged into a ball mill, mixed by milling by ball milling, and the ball used for ball milling is made of ceramic materials such as WC-Co, alumina (Al 2 O 3 ), and zirconia (ZrO 2 ). Balls may be used, and the balls may be all the same size, or two or more balls may be used together. Adjust the size of the ball, milling time, rotation speed per minute of the ball milling machine, for example, the size of the ball is set in the range of about 1 ~ 30㎜, the rotation speed of the ball milling machine in the range of 50 ~ 500rpm The ball milling can be performed for 1 to 50 hours. By the ball milling, the starting materials are homogeneously mixed and pulverized.

습식 분쇄된 출발원료를 60~200℃의 온도에서 건조한다. 상기 건조는 용매의 증발에 따른 출발원료의 편석을 방지하기 위해 1~100시간 동안 교반을 하면서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 교반은 5~200rpm 정도의 속도로 이루어지는 것이 바람직하다. 건조가 이루어지면 지르코늄디보라이드는 폴리카보실란으로 코팅되어 있는 구조를 가진다.The wet milled starting material is dried at a temperature of 60-200 ° C. The drying is preferably carried out while stirring for 1 to 100 hours to prevent segregation of starting materials due to evaporation of the solvent. The stirring is preferably made at a speed of about 5 ~ 200rpm. When dried, zirconium diboride has a structure coated with polycarbosilane.

건조된 출발원료를 고온가압소결로의 몰드에 장입한다. 상기 몰드는 실린더 또는 각기둥 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 몰드 내에 출발원료를 장입한 후 몰드 상부와 하부에서 상하 양방향 압축 또는 일방향 압축을 실시하여 원하는 형상으로 성형할 수 있다. The dried starting material is charged into a mold of a high-temperature sintering furnace. The mold may be provided in the form of a cylinder or a prism. After the starting material is charged into the mold, the mold may be vertically bi-directionally compressed or unidirectionally compressed in the upper and lower portions of the mold to form a desired shape.

폴리카보실란이 열분해되어 실리콘카바이드로 변환되게 하기 위하여 소결 온도 보다 낮은 1100~1500℃의 온도에서 열처리한다. In order to thermally decompose the polycarbosilane into silicon carbide, heat treatment is performed at a temperature of 1100 to 1500 ° C. lower than the sintering temperature.

상기 열처리에 의해 폴리카보실란은 열분해 과정을 거쳐 폴리카보실란 중의 O와 H는 모두 사라지고 실리콘카바이드로 변환되게 된다. 열처리 과정에서 휘발성이 있는 수소(H2) 및 메탄(CH4)은 열분해되어 증발한다. After the heat treatment, the polycarbosilane undergoes a thermal decomposition process whereby both O and H in the polycarbosilane disappear and are converted to silicon carbide. Volatile hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) are pyrolyzed and evaporated during the heat treatment process.

상기 열처리에 의해 지르코늄디보라이드를 코팅하고 있는 폴리카보실란은 실리콘카바이드로 변환되게 되며, 폴리카보실란으로부터 변환된 실리콘카바이드는 지르코늄디보라이드의 입자 주위를 둘러싸게 된다. By the heat treatment, the polycarbosilane coating the zirconium diboride is converted to silicon carbide, and the silicon carbide converted from the polycarbosilane surrounds the particles of the zirconium diboride.

이하에서, 상기 열처리 공정에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 고온가압소결로의 온도를 폴리카보실란이 열분해되는 온도(예컨대, 1100∼1500℃)로 상승시킨다. 상기 열처리는 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 비산화 분위기는 진공 또는 아르곤(Ar) 가스 분위기인 것이 바람직하다. 상기 열처리를 진공 분위기에서 수행하는 경우에, 고온가압소결로 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프(미도시)를 작동시켜 진공 상태(예컨대, 1×10-1∼1×10-3 Torr 정도)로 될 때까지 배기한다. 이때, 고온가압소결로의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단(미도시)에 전원을 공급하여 고온가압소결로를 가열하면 고온가압소결로 내에 잔존하는 불순물 가스가 효율적으로 배기될 수 있다. 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 경우에는 고온가압소결로의 가스 분위기가 충분히 아르곤(Ar) 가스 분위기를 띠게 공급하는데, 예컨대 200∼2000sccm 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 고온가압소결로의 상승 온도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 폴리카보실란이 불안정하게 되므로 상기 범위의 승온로 고온가압소결로의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 일반적으로 폴리카보실란은 1100℃ 이상의 온도에서 서서히 실리콘카바이드로 변하기 시작한다. Hereinafter, the heat treatment process will be described in more detail. The temperature of the high-temperature sintering furnace is raised to a temperature at which the polycarbosilane is pyrolyzed (for example, 1100 to 1500 ° C). The heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere, and the non-oxidizing atmosphere is preferably a vacuum or argon (Ar) gas atmosphere. In the case of performing the heat treatment in a vacuum atmosphere, to remove the impurities present in the gas to the hot-pressing, and by operating a rotary pump (not shown) to create a vacuum, a vacuum state (for example, 1 × 10 -1 ~1 × 10 -3 Torr). At this time, when power is supplied to the heating means (not shown) surrounding the periphery of the high-temperature sintering furnace and the high-temperature sintering furnace is heated, the impurity gas remaining in the high-temperature sintering furnace can be efficiently exhausted. In the case of supplying argon (Ar) gas, the gas atmosphere of the high-temperature sintering furnace is sufficiently supplied in an argon (Ar) gas atmosphere. For example, it is preferable to supply the gas atmosphere at a flow rate of about 200 to 2000 sccm. The rising temperature of the high-temperature sintering furnace is preferably about 1 to 50 占 폚 / min. If the heating rate of the sintering furnace is too slow, the productivity tends to be long and the temperature of the sintering furnace is too high The polycarbosilane becomes unstable due to the rapid temperature rise. Therefore, it is preferable to increase the temperature of the high-temperature sintering furnace with the temperature rise in the above range. Generally, the polycarbosilane gradually starts to change to silicon carbide at a temperature of 1100 ° C or higher.

고온가압소결로의 온도가 열처리 온도(예컨대, 1100∼1500℃)로 상승하면, 폴리카보실란이 충분히 실리콘카바이드로 변환될 수 있도록 일정 시간(예컨대, 10분∼100시간)을 유지하여 열처리한다. 폴리카보실란은 일반적으로 1100℃ 이상의 온도에서 열분해되기 시작한다. 따라서, 고온가압소결로 온도를 1100℃ 이상의 온도에서 일정 시간을 유지시키게 되면 폴리카보실란은 완전히 열분해되게 된다. 열분해 온도가 너무 낮으면 잔류상이 생기고, 실리콘카바이드로 전부 바꿀 수 없다. 또한 열분해 온도가 너무 높으면 지르코늄디보라이드의 산화거동이 수반될 수 있어서 1500℃ 이하의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리에 의해 지르코늄디보라이드를 둘러싸고 있는 폴리카보실란은 실리콘카바이드로 변환되게 된다.When the temperature of the high-temperature sintering furnace rises to a heat treatment temperature (for example, 1100 to 1500 占 폚), the polycarbonate is heat-treated for a predetermined time (for example, 10 minutes to 100 hours) so that the polycarbosilane can be sufficiently converted to silicon carbide. Polycarbosilane generally begins to pyrolyze at temperatures above 1100 ° C. Therefore, if the temperature of the high-temperature sintering furnace is maintained at a temperature of 1100 ° C or higher for a certain period of time, the polycarbosilane will be completely pyrolyzed. If the pyrolysis temperature is too low, a residual phase is formed, and silicon carbide can not be completely replaced. Also, if the thermal decomposition temperature is too high, oxidation behavior of zirconium diboride may be accompanied and it is preferably carried out at a temperature of 1500 ° C or lower. The polycarbosilane surrounding the zirconium diboride is converted into silicon carbide by the heat treatment.

고분자인 폴리카보실란은 열적으로 불안정한 상태이기 때문에 상기 열처리에 의해 열적으로 더 안정한 구조인 실리콘카바이드로 변환된다. Since the polymeric polycarbosilane is in a thermally unstable state, it is converted into silicon carbide, which is a thermally more stable structure by the heat treatment.

상기 열처리는 비산화 분위기에서 수행되는 것이 바람직한데, 산화분위기에서 열처리가 이루어지면 열분해되는 동안 만들어진 Si과 Si 간의 가교가 끊어지지 않을 수 있기 때문에 비산화 분위기(예를 들면, 진공이나, Ar 가스 분위기)에서 수행하는 것이 바람직하다. The heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere. If the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, the cross-linking between Si and Si produced during pyrolysis may not be broken. Therefore, ). &Lt; / RTI &gt;

상기 열처리를 실시한 후에는 소결 온도로 승온하기 전에, 폴리카보실란이 열분해되는 과정에서 발생된 가스가 빠져나가게 하기 위하여 상기 열처리 온도 보다 낮은 온도로 냉각하는 과정을 수행할 수도 있다.After the heat treatment is performed, before the temperature is raised to the sintering temperature, a process of cooling to a temperature lower than the heat treatment temperature may be performed so that the gas generated in the process of pyrolyzing the polycarbosilane is released.

열처리 후에 고온가압소결로의 온도를 1800~2200℃의 소결 온도로 승온시킨다. After the heat treatment, the temperature of the high-temperature pressurizing furnace is raised to a sintering temperature of 1800-2200 ° C.

소결은 고온가압(hot pressing) 소결을 이용하며, 소결조제를 첨가함이 없이 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 제조할 수 있는 장점이 있다. 고온가압(hot pressing) 소결은 높은 압력을 가하면서 소결하는 방법으로써 상압 소결보다는 낮은 온도에서도 소결이 가능하며, 소결 시간도 짧아지는 장점이 있다. 상압 소결에 의해 소결된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재는 상대 밀도가 낮고, 고온가압 소결에 의한 경우에 비하여 기계적 특성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 상압 소결을 이용할 경우 출발원료의 융점 근처까지 온도를 올려 소결하여야 하므로 에너지 소모가 많고 열적 스트레스(thermal stress)를 너무 많이 가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 고온가압 소결을 이용함으로써, 입자 사이의 간격이 매우 조밀해져서 기공이 거의 형성되지 않는 고밀도의 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재가 제조될 수 있다. The sintering is performed by hot pressing sintering, and there is an advantage that a zirconium diboride-silicon carbide composite material can be produced without adding a sintering aid. Hot pressing sintering is a sintering method with high pressure applied. It can be sintered at a lower temperature than pressureless sintering, and sintering time is also shortened. The zirconium diboride-silicon carbide composite material sintered by atmospheric pressure sintering has a low relative density and has a problem in that its mechanical properties are lower than those obtained by high temperature sintering. In addition, when using atmospheric pressure sintering, since the temperature must be raised to near the melting point of the starting material, sintering must be performed, resulting in high energy consumption and excessive thermal stress. Therefore, in the present invention, by using the high-temperature sintering method, a high density zirconium dichloride-silicon carbide composite material in which the intervals between the particles become very dense and pores are hardly formed can be produced.

소결 온도는 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking) 등을 고려하여 1800∼2100℃ 정도인 것이 바람직한데, 소결 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자의 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소결 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결시키는 것이 바람직하다. 이때, 고온가압소결로의 승온 온도는 1∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 고온가압소결로의 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 고온가압소결로의 온도를 올리는 것이 바람직하다. The sintering temperature is preferably about 1800 ~ 2100 ℃ in consideration of the diffusion of particles, the necking (necking) between the particles, etc. If the sintering temperature is too high, mechanical properties may decrease due to excessive growth of particles, If the sintering temperature is too low, it is preferable to sinter at the sintering temperature in the above range because the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering. At this time, it is preferable that the temperature rising temperature of the high temperature sintering furnace is about 1 to 50 ° C./min. If the temperature rising rate of the high temperature sintering furnace is too slow, it takes a long time and the productivity decreases. In a rapid case, it is preferable to raise the temperature of the high-temperature pressurization furnace at a temperature rising rate in the above range because it may adversely affect the properties of the zirconium diboride-silicon carbide composite material by the rapid temperature rise.

고온가압소결로의 온도가 목표하는 소결 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 30분∼48시간)을 유지하고 가압하면서 소결한다. 소결 온도에 따라 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 미세구조, 입경 등에 차이가 있는데, 소결 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소결 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소결 온도가 1800℃ 미만일 경우에는 소결이 제대로 이루어지지 않아서 치밀화가 되지 않을 수 있고, 2200℃를 초과하는 경우는 입자의 크기가 커져서 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 특성이 좋지 않을 수 있고 에너지의 소모가 많아 경제적이지 못하다. 소결 시간은 30분∼48시간 정도인 것이 바람직한데, 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어렵고 입자의 크기가 커지게 되며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있다. When the temperature of the high-temperature pressurizing furnace rises to the target sintering temperature, it is sintered while maintaining a predetermined time (for example, 30 minutes to 48 hours) and pressurizing. Depending on the sintering temperature, the zirconium diboride-silicon carbide composite material has a fine structure and a particle size. The surface diffusion is dominant at the low sintering temperature, but the lattice diffusion and grain boundary diffusion are proceeded at the high sintering temperature. If the sintering temperature is less than 1800 ℃ may not be densified due to poor sintering, if the temperature exceeds 2200 ℃ the size of the particles may be large due to the characteristics of the zirconium diboride-silicon carbide composite material and energy High consumption, not economical. It is preferable that the sintering time is about 30 minutes to 48 hours. If the sintering time is too long, energy consumption is high, so it is not economical, and it is difficult to expect any further sintering effect, and the size of the particles is increased. In this small case, the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering.

소결되는 동안에 출발원료에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 1∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 출발원료 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 고밀도의 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 응력에 의한 스트레스가 미세구조상에서 나타날 수 있어 소결체의 특성이 오히려 좋지 않을 수 있다. The pressure applied to the starting material during the sintering (the pressure to be compressed by the mold) is preferably about 1 to 60 MPa. If the pressure is too low, a large amount of voids are formed between the starting materials. Therefore, the desired high density zirconium diboride- If the silicon carbide composite material is difficult to obtain and the pressing pressure is too high, the stress due to the stress may appear on the microstructure, so that the characteristics of the sintered body may be rather poor.

지르코늄디보라이드는 나노 실리콘카바이드가 둘러싸여 있어서 상기 소결 동안에 지르코늄디보라이드의 산화를 막을 수 있고 입성장이 억제되어 조대성장(coarsening)이 일어나지 않게 된다. 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제됨에 따라 실리콘카바이드 간의 접촉도는 증가하고 열전도도가 향상될 수 있게 된다. 나노 실리콘카바이드는 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 이하이고 10∼200㎚ 정도의 입자 크기를 가지고 있으며, 입자 크기가 큰 실리콘카바이드를 사용하는 경우의 부피분율과 같은 부피분율을 사용할 때 나노 실리콘카바이드를 사용한 경우가 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가해 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대한 열전도도를 향상시킬 수 있다.The zirconium diboride is surrounded by nano silicon carbide to prevent oxidation of the zirconium diboride during the sintering and the grain growth is suppressed so that coarsening does not occur. As the grain boundary of zirconium diboride is suppressed, the contact between silicon carbide increases and the thermal conductivity can be improved. Nano silicon carbide is 1/10 or less of the average particle diameter of zirconium diboride, has a particle size of about 10 to 200 nm, and nano silicon carbide is used when using the same volume fraction as that of silicon carbide having a large particle size. In this case, the contact between silicon carbide increases, thereby improving thermal conductivity of the zirconium diboride-silicon carbide composite material.

소결 공정을 수행한 후, 상기 고온가압소결로의 온도를 하강시켜 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 언로딩한다. 상기 고온가압소결로 냉각은 고온가압소결로 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 고온가압소결로 온도를 하강시키는 동안에도 고온가압소결로 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. After performing the sintering process, the temperature of the high-temperature sintering furnace is lowered to unload the zirconium diboride-silicon carbide composite material. The high-temperature sintering furnace may be cooled by shutting off the power supply to the high-temperature sintering furnace to cool the sintering furnace in a natural state or by setting a temperature lowering rate (for example, 10 ° C / min). It is preferable to keep the pressure inside the high-temperature sintering furnace constant even while the temperature of the high-temperature sintering furnace is lowered.

상기 소결 공정을 거쳐 최종적으로 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재가 얻어진다. 이렇게 얻어진 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재는 실리콘카바이드가 균일하게 분포되고 지르코늄디보라이드 입자의 입성장이 억제되어 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가하고 열전도도가 향상될 수 있어 열보호시스템의 적용 온도를 높일 수 있는 장점이 있다.
After the sintering process, a zirconium diboride-silicon carbide composite material is finally obtained. The zirconium diboride-silicon carbide composite material thus obtained has a uniform distribution of silicon carbide and suppresses grain growth of zirconium diboride particles, thereby increasing the contact between silicon carbide and improving the thermal conductivity, thereby increasing the application temperature of the thermal protection system. There are advantages to it.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be presented, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<실험예 1><Experimental Example 1>

지르코늄디보라이드(평균 입경 1.88㎛, Japan New Metals Co. Ltd., Japan)가 80부피%를 이루고, 폴리카보실란(Type A, NIPUSI사, Japan)이 20부피%를 이루도록 칭량하였다. 이렇게 칭량된 출발원료를 볼밀링기에 장입하고, 폴리카보실란을 용해할 수 있는 헥산을 함께 투입하여 폴리카보실란을 완전히 용해시키면서 초경볼(WC-Co)을 사용해서 24시간 동안 볼밀링을 수행하였다. Zirconium diboride (average particle size 1.88 占 퐉, Japan New Metals Co. Ltd., Japan) was 80% by volume, and polycarbosilane (Type A, NIPUSI, Japan) was weighed to achieve 20% by volume. The thus weighed starting materials were charged into a ball mill and hexane capable of dissolving the polycarbosilane was added thereto to perform ball milling for 24 hours using a cemented carbide ball (WC-Co) while completely dissolving the polycarbosilane .

볼밀링 작업을 거치게 되면, 헥산에 녹아 있는 폴리카보실란이 헥산에 녹지 않는 지르코늄디보라이드의 주위를 둘러싸게 된다. 지르코늄디보라이드과 폴리카보실란의 혼합슬러리를 건조시키게 되면 폴리카보실란으로 코팅된 지르코늄디보라이드 분말이 얻어지게 된다. 상기 건조 과정에서 편석을 억제하기 위하여 교반하면서 건조하였다.When ball milling, the polycarbosilane dissolved in hexane surrounds the zirconium diboride which does not dissolve in hexane. When the mixed slurry of zirconium diboride and polycarbosilane is dried, zirconium diboride powder coated with polycarbosilane is obtained. In the drying process, drying was carried out with stirring to suppress segregation.

건조된 출발원료에 대하여 120메쉬의 체(sieve)로 체거름한 후, 고온가압소결로(hot pressing machine)에서 열처리 및 소결을 실시하였다. 도 3은 실험예 1에 따른 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재를 얻기 위한 열처리 과정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. The dried starting materials were sieved through a 120 mesh sieve and then heat treated and sintered in a hot pressing machine. 3 is a view illustrating a heat treatment process for obtaining a zirconium diboride-silicon carbide composite material according to Experimental Example 1.

도 3을 참조하면, 고온가압소결로에 폴리카보실란이 코팅된 지르코늄디보라이드를 장입하고, 1400℃의 온도(T1)까지 분당 10℃의 속도로 승온하였다. 그리고 1400℃의 온도(T1)에서 1시간(t2) 동안 유지하여 열처리를 실시하고, 폴리카보실란이 열분해되어 실리콘카바이드로 변환되게 하였다. 열처리 단계에서는 폴리카보실란이 열분해되기 때문에 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 작업을 진행하여 실리콘카바이드가 산화되는 것을 방지하였다. 이런 과정을 거치게 되면 지르코늄디보라이드의 표면층에 실리콘카바이드층이 형성되어 지르코늄디보라이드의 산화를 막을 수 있고, 지르코늄디보라이드의 입성장을 막을 수 있다. 실리콘카바이드는 고온에서 불안정한 상태이기 때문에 산화 분위기에서는 쉽게 산화되어 산화규소(실리카)가 되므로 비산화 분위기에서 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3, a zirconium diboride coated with polycarbosilane was charged in a high-temperature pressurization sintering furnace, and the temperature was increased at a rate of 10 ° C. per minute up to a temperature (T 1) of 1400 ° C. And maintained at a temperature (T1) of 1400 DEG C for 1 hour (t2) to perform heat treatment so that the polycarbosilane was thermally decomposed and converted to silicon carbide. Since the polycarbosilane is pyrolyzed in the heat treatment step, the silicon carbide is prevented from being oxidized by proceeding in an argon (Ar) gas atmosphere. Through this process, a silicon carbide layer is formed on the surface layer of the zirconium diboride to prevent the oxidation of the zirconium diboride and to prevent the growth of the zirconium diboride. Since silicon carbide is in an unstable state at a high temperature, it is preferably oxidized in an oxidizing atmosphere and becomes silicon oxide (silica), so that it is preferable to carry out heat treatment in a non-oxidizing atmosphere.

고온가압소결로를 1900℃의 온도(T2)로 분당 10℃의 속도로 승온하고, Ar 가스 분위기에서 30MPa의 압력으로 1900℃의 온도에서 2시간(t4) 유지하여 소결하였다.
The high-temperature sintering furnace was heated at a temperature of 1900 占 폚 (T2) at a rate of 10 占 폚 / min and sintered at a pressure of 30 MPa and maintained at 1900 占 폚 for 2 hours (t4).

<실험예 2> <Experimental Example 2>

지르코늄디보라이드(평균 입경 1.88㎛, Japan New Metals Co.Ltd, Japan)가 80부피%를 이루고, 나노 실리콘카바이드(평균 입경이 100㎚ 이하, SIGMA-ALDRICH, Germany)가 20부피%를 이루도록 칭량하였다. 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위하여 분산제(RE610)를 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.5중량부가 되도록 첨가하였다. Zirconium diboride (average particle size 1.88 mu m, Japan New Metals Co. Ltd, Japan) was weighed to make 80% by volume, and nano silicon carbide (average particle size is 100nm or less, SIGMA-ALDRICH, Germany) to 20% by volume. . In order to suppress aggregation of zirconium diboride and nano silicon carbide, a dispersant (RE610) was added to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of zirconium diboride and nano silicon carbide.

칭량된 출발원료를 볼밀링기에 장입하고, 초경볼(WC-Co)과 이소프로필 알코올을 용매로 사용하여 24시간 동안 습식 혼합 및 분쇄하였다. Weighed starting material was charged to a ball mill, wet mixed and ground for 24 hours using carbide balls (WC-Co) and isopropyl alcohol as solvents.

이렇게 혼합 및 분쇄된 출발원료를 슬러리가 침강되지 않도록 교반하면서 건조하여 용매를 증발시켰다. 건조된 출발원료에 대하여 120메쉬의 체(sieve)로 체거름을 하였다. The mixed and pulverized starting materials were dried with stirring to avoid sedimentation of the slurry, and the solvent was evaporated. The dried starting material was sieved through a 120 mesh sieve.

고온가압소결로에 체거름된 지르코늄디보라이드와 실리콘카바이드의 출발원료를 장입하고 1900℃의 온도까지 분당 10℃의 속도로 승온하였다. 그리고, Ar 가스 분위기에서 30MPa의 압력으로 1900℃의 온도에서 2시간 유지하여 소결하였다.
Starting materials of the zirconium diboride and silicon carbide sieved in a high-temperature pressurizing furnace were charged and heated up at a rate of 10 ° C. per minute to a temperature of 1900 ° C. Then, the sintered body was maintained at a temperature of 1900 캜 for 2 hours under a pressure of 30 MPa in an Ar gas atmosphere.

이하에서 실험예 1 및 실험예 2의 특성을 비교 평가하기 위하여 비교실험예를 제시한다. 그러나, 아래에서 제시하는 비교실험예는 앞서 제시한 실험예들과 단순히 비교하기 위하여 제시하는 것일 뿐이며 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다. In the following, comparative experiments are presented to comparatively evaluate the characteristics of Experimental Example 1 and Experimental Example 2. However, the comparative experimental examples presented below are merely presented for comparison with the experimental examples presented above, and it is clear that they are not prior art of the present invention.

<비교실험예>&Lt; Comparative Experimental Example &

지르코늄디보라이드(평균 입경 1.88㎛, Japan New Metals Co.Ltd, Japan)가 80부피%를 이루고, 실리콘카바이드(평균 입경 0.5㎛, SIKA Tech, Germany)가 20부피%를 이루도록 칭량하였다. 칭량된 분말들을 볼밀링기에 장입하고, 초경볼(WC-Co)과 이소프로필 알코올을 용매로 사용하여 24시간 동안 습식 혼합 및 분쇄하였다. Zirconium diboride (average particle size 1.88 mu m, Japan New Metals Co. Ltd., Japan) was 80% by volume, and silicon carbide (average particle diameter 0.5 mu m, SIKA Tech, Germany) was weighed to achieve 20 volume%. Weighed powders were charged to a ball mill, wet mixed and ground for 24 hours using carbide balls (WC-Co) and isopropyl alcohol as solvents.

이렇게 혼합 및 분쇄된 출발원료를 건조하여 용매를 증발시켰다. 건조된 출발원료에 대하여 120메쉬의 체(sieve)로 체거름을 하였다. The mixed and pulverized starting materials were dried to evaporate the solvent. The dried starting material was sieved through a 120 mesh sieve.

고온가압소결로에 체거름된 지르코늄디보라이드와 실리콘카바이드의 출발원료를 장입하고 1900℃의 온도까지 분당 10℃의 속도로 승온하였다. 그리고, Ar 가스 분위기에서 30MPa의 압력으로 1900℃의 온도에서 2시간 유지하여 소결하였다.
Starting materials of the zirconium diboride and silicon carbide sieved in a high-temperature pressurizing furnace were charged and heated up at a rate of 10 ° C. per minute to a temperature of 1900 ° C. Then, the sintered body was maintained at a temperature of 1900 캜 for 2 hours under a pressure of 30 MPa in an Ar gas atmosphere.

도 4a는 실험예 2와 비교실험예에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴이다. 4a is an X-ray diffraction (XRD) pattern of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 2 and Comparative Experimental Example.

도 4a를 참조하면, 출발원료에 포함되어 있던 지르코늄디보라이드와 실리콘카바이드 상에 해당하는 피크가 관찰되었다.Referring to FIG. 4A, peaks corresponding to zirconium diboride and silicon carbide included in starting materials were observed.

도 4b는 실험예 1에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 X-선회절(XRD) 패턴이다. 4B is an X-ray diffraction (XRD) pattern of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 1. FIG.

도 4b를 참조하면, 폴리카보실란은 실리콘카바이드로 변환되어 실리콘카바이드 상이 형성되는 것으로 판단된다.Referring to FIG. 4B, it is determined that the polycarbosilane is converted to silicon carbide to form a silicon carbide phase.

도 4c는 실험예 1에 따라 지르코늄보라이드와 폴리카보실란의 출발원료를 볼밀링한 후 열처리를 실시하기 전의 출발원료에 대한 X-선회절(XRD) 패턴이다. Figure 4c is an X-ray diffraction (XRD) pattern for the starting material before the heat treatment after ball milling the starting material of zirconium boride and polycarbosilane according to Experimental Example 1.

도 4c를 참조하면, 폴리카보실란은 실리콘카바이드로 상변이가 이루어지지 않았으며, 실리콘카바이드에 해당하는 X-선회절 피크가 관찰되지 않았다. 이로부터 폴리카보실란의 실리콘카바이드로의 전이는 열처리 과정에서 발생함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4C, polycarbosilane was not phase-transformed with silicon carbide, and no X-ray diffraction peak corresponding to silicon carbide was observed. From this, it can be seen that the transition of polycarbosilane to silicon carbide occurs during the heat treatment process.

열처리에 의해 폴리카보실란은 열분해 과정을 거쳐 실리콘카바이드로 변환되게 될 것이고, 폴리카보실란은 열처리에 의해 실리콘카바이드로 완전히 변환되어 지르코늄디보라이드를 감싸고 있기 때문에 열처리 1800~2200℃의 온도에서 이루어지는 소결 과정에서 지르코늄디보라이드가 열산화되지 않는다.
By heat treatment, polycarbosilane will be converted to silicon carbide through pyrolysis process, and since polycarbosilane is completely converted into silicon carbide by heat treatment and encapsulates zirconium diboride, the sintering process is performed at a temperature of 1800 ~ 2200 ℃ Does not thermally oxidize zirconium diboride.

도 5a와 도 5b는 실험예 1에 따라 지르코늄디보라이드와 폴리카보실란을 열처리하고 고온가압소결로에서 소결하여 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진들이다. 도 5a는 3000배의 배율로 촬영한 사진이고, 도 5b는 5000배의 배율로 촬영한 사진이다.5A and 5B are scanning electron microscope (SEM) photographs of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized by heat-treating zirconium diboride and polycarbosilane and sintering in a high-temperature pressurization sintering furnace according to Experimental Example 1 admit. 5A is a photograph taken at 3000 times magnification, and FIG. 5B is a photograph taken at 5000 times magnification.

도 5a와 도 5b를 참조하면, 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에서 지르코늄디보라이드의 입자 크기가 약 2㎛ 정도였다. 출발원료로 평균 입도가 1.88㎛이었던 지르코늄디보라이드를 사용하였으나, 소결까지 이루어진 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에서 지르코늄디보라이드의 입자 크기가 2㎛라는 것은 지르코늄디보라이드의 입성장이 열처리와 소결 과정 중에 거의 이루어지지 않았다는 것을 의미한다.
5A and 5B, the particle size of the zirconium diboride in the zirconium diboride-silicon carbide composite was about 2 μm. Although zirconium diboride with an average particle size of 1.88 ㎛ was used as a starting material, the particle size of zirconium diboride in the zirconium diboride-silicon carbide composite material made up to sintering indicates that the particle size of zirconium diboride was increased during heat treatment and sintering. It means that it is rarely done.

도 6a 및 도 6b는 실험예 1에 따라 지르코늄디보라이드와 폴리카보실란을 고온가압소결로에서 열처리와 소결을 연속적으로 실시하여 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 투과전자현미경(transmission electron microscope)의 명시야상(bright field image)과 암시야상(dark field image)이다. 6A and 6B are transmission electron microscopes of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized by sequentially performing heat treatment and sintering of zirconium diboride and polycarbosilane in a high-temperature pressurization sintering furnace according to Experimental Example 1 ) Is a bright field image and a dark field image.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 중심부에는 지르코늄디보라이드가 존재하고, 그 주변으로 실리콘카바이드, 탄소 및 기공이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 탄소 입자는 비정질 상태이다. 실리콘카바이드와 탄소 입자는 폴리카보실란으로부터 유래하였을 것으로 판단된다. 이러한 탄소 입자와 실리콘카바이드는 지르코늄디보라이드를 둘러싸고 있어서 지르코늄디보라이드 간의 접촉을 저해하고, 입성장을 막는 역할을 한다. 6A and 6B, it can be seen that zirconium diboride exists in the center, and silicon carbide, carbon, and pores exist around the center. The carbon particles are in an amorphous state. Silicon carbide and carbon particles are believed to be derived from polycarbosilane. The carbon particles and silicon carbide surround the zirconium diboride, thereby inhibiting contact between the zirconium diboride and preventing grain growth.

초고온 경화재료인 지르코늄디보라이드의 입성장이 억제되면 전체적인 입자들의 크기는 지르코늄디보라이드의 원래 입자 크기에 의존한다. 또한, 지르코늄디보라이드의 주변을 실리콘카바이드 입자가 둘러싸고 있어서 고온가압 소결을 통해서 치밀화에 대한 구동력을 얻게 되므로, 같은 실리콘카바이드 부피분율을 사용할 때 열전도도가 높은 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가해 높은 열전도도를 갖는 복합소재를 얻을 수 있게 된다.
When the grain boundary of the zirconium diboride, the ultrahigh temperature curing material, is suppressed, the overall particle size depends on the original particle size of the zirconium diboride. In addition, since silicon carbide particles surround the zirconium diboride and obtain driving force for densification through high-temperature pressurization sintering, the contact between silicon carbides with high thermal conductivity increases when the same silicon carbide volume fraction is used, resulting in high thermal conductivity. It is possible to obtain a composite material having a.

도 7은 실험예 2에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a zirconium dichloride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 2. FIG.

도 7을 참조하면, 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에서 지르코늄디보라이드의 평균 입도가 약 2㎛ 정도(출발원료인 지르코늄디보라이드 분말의 평균 입경의 1.5배 이하)였다. 출발원료인 지르코늄디보라이드의 평균 입도가 1.88㎛임과 나노 실리콘카바이드의 평균 입경이 100nm 이하임을 고려할 때, 100nm 이하의 크기를 갖는 나노 실리콘카바이드의 사용으로 지르코늄디보라이드의 입성장을 어느 정도 억제시키는 피닝효과(pinning effect)가 나타나며, 열전도도가 높은 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가하는 것으로 판단된다.
Referring to Fig. 7, the average particle size of zirconium diboride in the zirconium diboride-silicon carbide composite material was about 2 탆 (1.5 times or less of the average particle size of the starting zirconium diboride powder). Considering that the average particle size of the starting material zirconium diboride is 1.88 μm and the average particle diameter of the nano silicon carbide is 100 nm or less, the use of nano silicon carbide having a size of 100 nm or less suppresses the grain growth of the zirconium diboride to some extent. The pinning effect appears and the contact between silicon carbides having high thermal conductivity is considered to increase.

도 8은 비교실험예에 따라 합성한 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to a comparative example.

도 8을 참조하면, 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에서 지르코늄디보라이드의 평균 입도가 약 5㎛ 정도(출발원료인 지르코늄디보라이드 분말의 평균 입경의 2배 이상)였다. 출발원료인 지르코늄디보라이드의 평균 입도가 1.88㎛임과 실리콘카바이드의 평균 입경이 0.5㎛임을 고려할 때 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드는 열처리 과정 중에 상당한 입성장이 발생한다는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 8, the average particle size of zirconium diboride in the zirconium diboride-silicon carbide composite material was about 5 μm (more than twice the average particle diameter of the zirconium diboride powder as the starting material). Considering that the average particle size of the starting material of zirconium diboride is 1.88 μm and that the average particle diameter of silicon carbide is 0.5 μm, it can be seen that zirconium diboride-silicon carbide has a significant grain growth during the heat treatment process.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 실험예 1, 실험예 2 및 비교실험예에 따라 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재에 대하여 비열, 열확산도 및 열전도도를 측정하여 나타낸 그래프들이다. 9A, 9B, and 9C are graphs showing specific heat, thermal diffusivity, and thermal conductivity of zirconium diboride-silicon carbide composites synthesized according to Experimental Example 1, Experimental Example 2, and Comparative Experimental Example.

열전도도를 측정하기 위해서는 다음의 수학식 1로부터 계산한다.In order to measure the thermal conductivity, it is calculated from the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

K=ρCpλK = ρC p λ

여기서, ρ는 물질의 겉보기 밀도이고, Cp는 정압비열이고, λ는 열확산계수이다. 물체의 겉보기 밀도는 아르키메데스의 원리를 이용하여 측정하고, 고온 열물성인 열확산계수(λ)를 측정하기 위해 레이저플레시법(laser flash analysis, Netzsch, Germany)을 사용한다. 측정온도는 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정한다.Where p is the bulk density of the material, C p is the specific heat of static pressure, and λ is the thermal diffusion coefficient. The apparent density of an object is measured using Archimedes' principle, and laser flash analysis (Netzsch, Germany) is used to measure the thermal diffusivity (λ) at high temperature. The measurement temperature is measured according to the temperature of the specimen heated to 1000 ° C.

도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 비교실험예에 따라 0.5㎛의 실리콘카바이드를 사용하여 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 경우에는 30~40 W/m·K의 낮은 열전도도 값을 보여주었다. 이것은 지르코늄디보라이드의 열전도도값에 근사하며 입자성장에 따른 결과이다. 9A to 9C, the zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized using 0.5 μm silicon carbide according to the comparative example shows a low thermal conductivity value of 30 to 40 W / m · K. gave. This approximates the thermal conductivity of zirconium diboride and is the result of grain growth.

실험예 1과 실험예 2에 따라 합성된 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 열전도도는 80~110 W/m·K로 상대적으로 높은 열전도도 값을 보여주었다. 이것은 폴리카보실란으로부터 유도된 실리콘카바이드나 나노 실리콘카바이드를 사용한 경우에는 소결되는 동안에 지르코늄디보라이드의 입성장을 억제시키고, 이에 따라 열전도도가 높은 실리콘카바이드 간의 접촉도가 증가되어 유사한 부피분율의 실리콘카바이드로도 퍼콜레이션 임계값이상이 구현된 것으로 사료된다. 이로부터 열보호시스템용 소재로 사용되기 위한 열적 물성은 충족할 수 있을 것으로 판단된다.
The thermal conductivity of the zirconium diboride-silicon carbide composite material synthesized according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2 showed a relatively high thermal conductivity value of 80 ~ 110 W / m · K. This suppresses the grain growth of zirconium diboride during sintering in the case of using silicon carbide or nano silicon carbide derived from polycarbosilane, thereby increasing the contact between silicon carbide with high thermal conductivity, thereby increasing the similar volume fraction of silicon carbide. We believe that the percolation threshold is also implemented. From this, it is considered that the thermal properties to be used as a material for a thermal protection system can be satisfied.

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.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

Claims (11)

(a) 지르코늄디보라이드, 상기 지르코늄디보라이드 평균 입경의 1/10 보다 작거나 같고 평균 입경이 10∼200㎚인 나노 실리콘카바이드, 상기 지르코늄디보라이드와 상기 나노 실리콘카바이드의 응집을 억제하기 위한 분산제를 혼합하고 습식 분쇄하는 단계;
(b) 습식 분쇄된 결과물을 건조하는 단계;
(c) 건조된 결과물을 고온가압소결로에 장입하고 1800~2200℃의 소결 온도로 승온하는 단계; 및
(d) 상기 소결 온도에서 가압하면서 소결하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계에서 폴리카보실란이 용해된 용매를 더 혼합하고,
상기 소결 온도로 승온하기 전에, 상기 폴리카보실란이 열분해되어 실리콘카바이드로 변환되게 하기 위하여 상기 소결 온도 보다 낮은 1100~1500℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하며,
상기 열처리하는 단계 후 상기 소결 온도로 승온하는 단계 전에,
상기 폴리카보실란이 열분해되는 과정에서 발생된 가스가 빠져나가게 하기 위하여 상기 열처리 온도 보다 낮은 온도로 냉각하는 단계를 더 포함하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
(a) zirconium diboride, nano silicon carbide less than or equal to 1/10 of the average particle diameter of the zirconium diboride and an average particle diameter of 10 to 200nm, a dispersant for inhibiting aggregation of the zirconium diboride and the nano silicon carbide Mixing and wet milling;
(b) drying the wet milled product;
(c) charging the dried resultant to a high-temperature sintering furnace and heating to a sintering temperature of 1800 ~ 2200 ℃; And
(d) sintering under pressure at the sintering temperature,
In the step (a) further mixed with a solvent in which polycarbosilane is dissolved,
Before the temperature is raised to the sintering temperature, further comprising the step of heat treatment at a temperature of 1100 ~ 1500 ℃ lower than the sintering temperature in order to thermally decompose the polycarbosilane is converted to silicon carbide,
After the heat treatment step and before the step of raising the temperature to the sintering temperature,
And cooling the polycarbosilane to a temperature lower than the heat treatment temperature so as to allow gas generated during pyrolysis of the polycarbosilane to escape.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
지르코늄디보라이드 50~95부피%와 나노 실리콘카바이드 5~50부피%가 혼합되게 상기 지르코늄디보라이드과 상기 나노 실리콘카바이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein, in the step (a)
The zirconium diboride and the nano silicon carbide are mixed so that 50 to 95% by volume of zirconium diboride and 5 to 50% by volume of nano silicon carbide are mixed, and the dispersant is 100 parts by weight of the total content of zirconium diboride and nano silicon carbide. A method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material, characterized in that mixing 0.1 to 10 parts by weight.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
폴리카보실란과 나노 실리콘카바이드를 합한 함량 5~50부피%와 지르코늄디보라이드 50~95부피%가 혼합되게 상기 폴리카보실란, 상기 나노 실리콘카바이드 및 상기 지르코늄디보라이드를 혼합하고, 상기 분산제는 지르코늄디보라이드와 나노 실리콘카바이드의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein, in the step (a)
The polycarbosilane, the nano silicon carbide and the zirconium diboride are mixed to mix 5 to 50% by volume of polycarbosilane and nano silicon carbide and 50 to 95% by volume of zirconium diboride, and the dispersing agent is zirconium diboride. A method for producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material, characterized in that mixing 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the ride and nano silicon carbide.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 용매는 헥산 또는 톨루엔인 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
According to claim 1, wherein the solvent is a method of producing a zirconium diboride-silicon carbide composite, characterized in that hexane or toluene.
제1항에 있어서, 상기 열처리는 진공 또는 아르곤 가스의 비산화 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere of vacuum or argon gas.
제1항에 있어서, 상기 소결은,
1~60MPa의 압력으로 가압하면서 1800~2200℃의 온도에서 30분∼48시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Method of producing a zirconium diboride-silicon carbide composite material, characterized in that carried out for 30 minutes to 48 hours at a temperature of 1800 ~ 2200 ℃ while pressing at a pressure of 1 ~ 60MPa.
제1항에 있어서, 상기 소결은 비산화 분위기에서 수행되고, 상기 비산화 분위기는 진공 또는 아르곤 가스 분위기인 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sintering is performed in a non-oxidizing atmosphere, and the non-oxidizing atmosphere is a vacuum or argon gas atmosphere.
제1항에 있어서, 상기 건조는 용매의 증발에 따른 편석을 방지하기 위해 5∼200rpm의 속도로 교반하면서 1~100시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 지르코늄디보라이드-실리콘카바이드 복합소재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the drying is performed for 1 to 100 hours while stirring at a rate of 5 to 200 rpm to prevent segregation due to evaporation of the solvent.
삭제delete
KR1020110138312A 2011-12-20 2011-12-20 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity KR101311731B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110138312A KR101311731B1 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110138312A KR101311731B1 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130071020A KR20130071020A (en) 2013-06-28
KR101311731B1 true KR101311731B1 (en) 2013-09-26

Family

ID=48865630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110138312A KR101311731B1 (en) 2011-12-20 2011-12-20 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101311731B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101936865B1 (en) * 2014-05-30 2019-01-11 전자부품연구원 Method for manufacturing nanopowder through grinding silicon carbide by chemical-physical hybrid method and the nanopowder

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110077154A (en) * 2009-12-30 2011-07-07 한국세라믹기술원 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110077154A (en) * 2009-12-30 2011-07-07 한국세라믹기술원 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문1-고려대(2011.08) *
논문1-고려대(2011.08)*
논문2-JOURNAL OF KOREAN POWDER METALLURGY INSTITUTE(2009) *
논문2-JOURNAL OF KOREAN POWDER METALLURGY INSTITUTE(2009)*
논문3-MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS(2008) *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130071020A (en) 2013-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109180189B (en) High-entropy carbide ultra-high temperature ceramic powder and preparation method thereof
US10364194B2 (en) Composite material and method for preparing the same
CN109180188B (en) High-entropy boron-containing carbide ultra-high temperature ceramic powder and preparation method thereof
US11180419B2 (en) Method for preparation of dense HfC(Si)—HfB2 composite ceramic
KR101174627B1 (en) Zirconium diboride-silicon carbide composite and method of manufacturing the same
KR101160140B1 (en) Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite
US7723247B2 (en) Method for pressurelessly sintering zirconium diboride/silicon carbide composite bodies to high densities
Asl et al. A fractographical approach to the sintering process in porous ZrB2–B4C binary composites
Gao et al. Superfast densification of oxide/oxide ceramic composites
Lanfant et al. Effects of carbon and oxygen on the spark plasma sintering additive-free densification and on the mechanical properties of nanostructured SiC ceramics
JP5444384B2 (en) High thermal conductivity aluminum nitride sintered body
US8097548B2 (en) High-density pressurelessly sintered zirconium diboride/silicon carbide composite bodies and a method for producing the same
CN110282976B (en) Preparation method of hafnium carbide-titanium silicon carbon multiphase ceramic with three-dimensional structure
Yang et al. Fabrication of diamond/SiC composites by Si-vapor vacuum reactive infiltration
Sun et al. Reactive spark plasma sintering of binderless WC ceramics at 1500 C
Jafari et al. Effects of HfB2 addition on pressureless sintering behavior and microstructure of ZrB2-SiC composites
Aguirre et al. Zirconium-diboride silicon-carbide composites: A review
Bernardo et al. Polymer-derived SiC ceramics from polycarbosilane/boron mixtures densified by SPS
Zamharir et al. Effect of co-addition of WC and MoSi2 on the microstructure of ZrB2–SiC–Si composites
Mallick et al. Synthesis and consolidation of ZrC based ceramics: a review
KR101466946B1 (en) Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity
KR101311731B1 (en) Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite with high thermal conductivity
Pan et al. Densification, microstructure and mechanical properties of Ta4HfC5-based ceramics obtained from synthesized nanoscale powder
KR101972350B1 (en) A ZrC Composites and A Manufacturing method of the same
CN114853506B (en) Carbon/carbon composite surface (HfZrTi) C 3 Mid-entropy carbide anti-ablation coating and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160902

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170912

Year of fee payment: 5