KR101456374B1 - Method of joining ceramic by liquid-phase sintering - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법에 관한 것으로서, 상기 접합방법을 통해 단순형상의 세라믹스를 접합하여 복잡한 다형의 세라믹스 구조물을 제조할 수 있으며, 치밀질 세라믹스의 기계가공 양을 최소화하기 위하여 복잡한 다형의 세라믹스를 단순 형상의 부품으로 제조하고, 이를 접합하여 복잡한 세라믹스 부품을 특별한 장비의 사용 없이 효율적인 가격으로 생산 가능하다. 또한 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법을 이용하여 알루미나 세라믹을 접합하는 경우 접합부위는 용해된 알루미나가 확산되는 통로가 되어 보다 강력한 접합 구조를 형성하며, 접합과정에 중에 외부에서 공급되는 추가적인 압력이 필요하지 않다.The present invention relates to a method of joining alumina ceramics using liquid phase sintering, and it is possible to manufacture a complex polymorphic ceramic structure by joining ceramics of simple shape through the above-mentioned joining method. In order to minimize the machining amount of the dense ceramics Complex polymorphic ceramics can be manufactured as simple-shaped parts and bonded together to produce complex ceramics parts at an efficient price without using special equipment. In addition, when the alumina ceramics are bonded by using the liquid-phase sintering method, the bonding site forms a stronger bonding structure by the diffusion of the dissolved alumina, and the additional pressure supplied from the outside during the bonding process It is not necessary.

Description

액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법{Method of joining ceramic by liquid-phase sintering}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of joining alumina ceramics using liquid phase sintering,

본 발명은 세라믹을 접합하는데 사용되는 중간층재를 제조하고, 중간층재를 가지고 단순형상의 세라믹을 접합하여 다형의 세라믹 구조물을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열처리시 액상소결이 일어나는 성분을 함유한 중간층재를 제조하고 이를 접합하고자 하는 세라믹 사이에 삽입한 상태에서 열처리함으로써 액상소결에 의해 세라믹이 접합되게 하는 세라믹의 접합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an intermediate layer material used for bonding ceramics and bonding a simple shape ceramic with an intermediate layer material to produce a polymorphic ceramic structure. More particularly, The present invention also relates to a method of joining ceramics by means of heat sintering in a state of being interposed between ceramics to be bonded to each other by liquid phase sintering.

일반적으로, 치밀질 세라믹스 소결체는 매우 높은 경도를 지니고 있어 특정한 형상의 부품으로 가공하는데 다이아몬드 재질의 공구를 사용해야 하며, 또한 가공에 소요되는 시간이 매우 길어 제품생산 원가에 있어 가공비용이 크게 영향을 주고 있다. 따라서 세라믹스 부품의 생산에 있어 가공비용을 줄일 수 있는 방법으로 접합을 들 수 있는데 마치 금속의 용접과 같이 세라믹스를 먼저 간단한 모양으로 만든 다음 이들을 접합해서 복잡한 다형의 부품을 제조할 수 있다. 그러나 세라믹스 재료의 높은 용융온도와 취성으로 인하여 금속과 같은 용융접합(용접)이 불가능하여, 금속의 접합과는 다른 방식의 세라믹스 접합방법이 개발되고 있다. 세라믹스 접합기술의 핵심은 복잡한 구조의 세라믹스 부품을 경제적으로 제조하기 위한 방법을 개발하는 것으로 접착제(adhesive)접합, 시멘트(cement)접합, 글라스 용융(glass frit)접합, 활성금속 브레이징(metallic beazing), 확산접합(diffusion bonding), 그리고 동시소결(green body) 접합 등이 있다. Generally, compact ceramics sintered bodies have very high hardness, so diamond tools must be used to process them into specific shapes, and the time required for machining is very long, which greatly affects the cost of production in production costs have. Therefore, joining is a way to reduce processing costs in the production of ceramics parts. Ceramics can be made into a simple shape, such as metal welding, and then joined together to produce complex polymorphic parts. However, due to the high melting temperature and brittleness of ceramics materials, it is impossible to melt-bond (weld) like metal, and a ceramics joining method in a manner different from the joining of metals is being developed. The core of ceramics joining technology is to develop a method for economically manufacturing ceramic parts of complex structure. It is used for adhesive bonding, cement bonding, glass frit bonding, active metal brazing, Diffusion bonding, and simultaneous sintering (green body bonding).

대한민국 공개특허공보 제1997-0033380호는 이중 다수 사용되는 브레이징법에 관한 것이며, 세라믹-금속간의 성공적인 접합에 반드시 필요한 낮은 항복강도, 높은 연성과 높은 인장강도를 보이고, 다른 접합 요소와 조화된 결합 성능(bonding performance)을 가지고 있어 세라믹-금속 간 접합에 유용한 Au-Ni-Cr-Fe계의 접합 합금을 개시하고 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 1997-0033380 relates to a brazing method which is used in a plurality of ways, and shows low yield strength, high ductility and high tensile strength, which are indispensable for successful bonding between ceramic and metal, Ni-Cr-Fe based bonding alloys useful for bonding between ceramics and metals due to their high bonding performance.

그런데, 종래의 활성금속 브레이징법에 의한 접합은 접합되는 모재간의 응력의 발생으로 균열이 발생하기 쉬우며, 브레이징 이후 접합계면에 내열성과 내산화성 등에 있어 불리한 이질적인 금속성분의 조직이 남아있게 된다.However, conventional joining by the active metal brazing method tends to cause cracks due to generation of stress between the base materials to be bonded, and there remains a heterogeneous structure of metal components which are disadvantageous in heat resistance and oxidation resistance, etc., at the bonding interface after brazing.

따라서 접합부(joint)의 내열성, 내식성, 그리고 내산화성 등이 모재와 유사하게 할 수 있는 성분의 접합제(joining agent)로 이루어진 중간층재를 삽입하여 열처리함으로써 이들이 모재와 유사한 성분으로 균일화됨으로써 접합에 의한 변형이 존재하지 않아 정밀하고 복잡한 다형의 구조를 제작할 수 있는 보다 간편한 접합공정기술이 필요하다.Therefore, by interposing an intermediate layer made of a joining agent of a material such as heat resistance, corrosion resistance, and oxidation resistance of the joint, which is similar to the base material, they are homogenized by similar components as the base material, There is a need for a simpler bonding process technique that can produce a precise and complex polymorphic structure because there is no deformation.

본 발명은, 단순형상의 세라믹스를 접합하여 복잡한 다형의 세라믹스 구조물을 만드는데 목적이 있으며, 특히 접합면에 삽입되는 중간층재를 제조하여 간단한 공정으로 균열이 발생되지 않는 세라믹 모재를 접합하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a ceramic structure having a complex shape by joining ceramics having a simple shape, and more particularly, to a method of manufacturing an intermediate layer to be inserted into a joint surface and bonding a ceramic base material, There is a purpose.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 알루미나의 액상소결을 가능케 하는 아노사이트 분말을 제조하는 단계(제1단계); 상기 아노사이트 분말, 알루미나 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계(제2단계); 상기 슬러리를 접합하고자 하는 알루미나 세라믹 양면에 바르고 이들을 맞대어 포갠 상태에서 건조하거나 또는 상기 슬러리를 테이프캐스팅 방법으로 주조한 테이프 형태의 중간층재를 삽입하여 결합하는 단계(제3단계); 및 상기 결합된 결합체(assembly)를 액상소결을 통해 접합하는 단계(제4단계)를 포함하는 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing an anodic oxide powder, comprising the steps of: (a) preparing an anorthite powder which enables liquid phase sintering of alumina; Mixing the anorthite powder, alumina and a solvent to prepare a slurry (second step); Applying the slurry to both surfaces of alumina ceramics to be bonded, drying the slurry in an overlapping manner, or inserting and bonding a tape-shaped intermediate layer casting the slurry by a tape casting method (third step); And bonding the bonded assembly through liquid phase sintering (fourth step). The present invention also provides a method of joining alumina ceramics using liquid phase sintering.

여기서, 상기 아노사이트 분말은 산화칼슘, 알루미나 및 산화규소 분말에 분산제를 포함한 알콜을 투입하고 볼밀링하는 단계, 상기 볼밀링한 분말을 건조하여 분쇄하고 과립화하는 단계, 및 상기 과립 분말을 도가니에서 하소(calcination)하는 단계를 통해 제조될 수 있다.The anorthite powder may be prepared by adding an alcohol including a dispersant to calcium oxide, alumina, and silicon oxide powder and ball milling the powder, drying and pulverizing and granulating the ball milled powder, and granulating the granular powder in a crucible Followed by calcination.

또한 알루미나의 액상소결을 위해 가장 많이 사용되어온 액상형성 분말로는 CaO-Al2O3-SiO2 삼성분계의 아노사이트(anorthite: CaAl2Si2O8 [CAS2])가 있다. 상기 아노사이트(CAS2)는 산화칼슘 15 내지 25 중량%, 알루미나 35 내지 45 중량% 및 산화규소 35 내지 45 중량%를 혼합하여 얻어진 분말일 수 있다. In addition, CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 ternary anorthite (CaAl 2 Si 2 O 8 [CAS 2 ]) is the most commonly used liquid forming powder for the sintering of alumina. The anosite (CAS 2 ) may be a powder obtained by mixing 15 to 25% by weight of calcium oxide, 35 to 45% by weight of alumina and 35 to 45% by weight of silicon oxide.

여기서 상기 슬러리는 아노사이트 분말 30 내지 70 중량% 및 알루미나 30 내지 70 중량%로 이루어지며, 상기 아노사이트 분말 13.5 내지 29.1 중량%, 알루미나 12.5 내지 31.5 중량% 및 잔량의 용매를 혼합하여 슬러리를 제조할 수 있다.The slurry is composed of 30 to 70% by weight of anorthite powder and 30 to 70% by weight of alumina, and 13 to 29.1% by weight of the anorthite powder, 12.5 to 31.5% by weight of alumina and a residual solvent are mixed to prepare a slurry .

또한 상기 중간층재의 두께는 20 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 할 수 있다. The thickness of the intermediate layer may be 20 to 100 탆.

본 발명에 따른 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법에 따르면, 단순형상의 세라믹스를 접합하여 복잡한 다형의 세라믹스 구조물을 제조할 수 있다. 치밀질 세라믹스의 기계가공 양을 최소화하기 위하여 복잡한 다형의 세라믹스를 단순 형상의 부품으로 제조하고, 이를 접합하여 복잡한 세라믹스 부품을 특별한 장비의 사용 없이 효율적인 가격으로 생산 가능하다. According to the method of joining alumina ceramics using liquid phase sintering according to the present invention, a complicated polymorphic ceramics structure can be manufactured by bonding ceramics having a simple shape. In order to minimize the amount of machining of compacted ceramics, complicated polymorphic ceramics can be manufactured as simple parts and bonded together to produce complex ceramics parts at an efficient price without using special equipment.

도 1은 원료 혼합분말을 세가지 다른 온도로 하소하여 얻어진 아노사이트(CAS2) 분말에 대해 측정한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 2는 CAS2 중간층재를 이용하여 접합된 알루미나 세라믹 접합부의 미세구조를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3은 100㎛의 중간층재를 각기 다른 온도로 소결하여 접합강도를 측정한 그래프이다.
도 4는 Al2O3-CAS2 복합조성 중간층재를 1650℃에서 1시간 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 Al2O3-CAS2 복합조성 중간층재를 1650℃에서 1시간 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합부의 SEM 이미지이다.
도 6은 알루미나 : CAS2의 중량비가 5 : 5인 중간층재를 사용하여 1650℃에서 1시간 동안 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합강도를 측정한 그래프이다.
도 7은 알루미나 : CAS2의 중량비가 5 : 5인 중간층재의 두께를 달리하여 1650℃에서 1시간 동안 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 SEM 이미지이다.
1 is a graph showing an XRD pattern measured on an anosite (CAS 2 ) powder obtained by calcining a raw material mixed powder at three different temperatures.
Figure 2 is a CAS 2 This is an SEM image showing the microstructure of an alumina ceramic joint bonded using an intermediate layer material.
FIG. 3 is a graph of bonding strength measured by sintering 100 μm-thick intermediate layers at different temperatures.
4 is a graph showing the bonding strength of the alumina ceramic bonded by sintering the Al 2 O 3 -CAS 2 composite intermediate layer material at 1650 ° C for 1 hour.
FIG. 5 is an SEM image of a bonded portion of the alumina ceramic bonded by sintering the Al 2 O 3 -CAS 2 composite intermediate layer material at 1650 ° C. for 1 hour.
6 is a graph showing the bonding strength of alumina ceramics bonded by sintering at 1650 ° C for 1 hour using an intermediate layer material having a weight ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5.
7 is an SEM image of an alumina ceramic bonded by sintering at 1650 ° C for 1 hour at different thicknesses of an intermediate layer material having a weight ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법에 관해서 상세히 알아본다. 다만, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 한정되는 것이 아님은 자명하다.Hereinafter, a method of joining alumina ceramics using liquid-phase sintering according to an embodiment of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited by the following examples.

먼저 아노사이트(anorthite ;이하 'CAS2') 분말을 제조하기 위하여 산화칼슘(CaO), 알루미나(Al2O3) 및 산화규소(SiO2)를 혼합한다.First, calcium oxide (CaO), alumina (Al 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO 2 ) are mixed to produce anorthite (CAS 2 ') powder.

일실시예로서, 산화칼슘 20.15 중량%, 알루미나 36.65 중량% 및 산화규소 43.2 중량%를 혼합하여 상기 혼합물을 에틸알콜에 30 부피%의 고상률로 포함시키고, 이때 상기 에틸알콜은 인산 에스터 염 공중합체 분산제를 포함한다. 상기 분말혼합 슬러리를 볼밀링하고, 건조하여 분쇄하고 과립화한다. 그리고 상기 과립 분말을 도가니에서 하소하여 액상형성용 분말을 제조한다.In one embodiment, 20.15 wt.% Calcium oxide, 36.65 wt.% Alumina and 43.2 wt.% Silicon oxide are mixed and the mixture is incorporated into ethyl alcohol at a percent by volume of 30 vol.%, Wherein the ethyl alcohol is a phosphate ester salt copolymer Dispersant. The powder mixed slurry is ball-milled, dried, ground and granulated. Then, the granular powder is calcined in a crucible to prepare a powder for a liquid phase type.

상기 CAS2 분말, 알루미나 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하기 위하여 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral) 결합제를 투입하고 일정시간 볼밀링하여 상기 혼합물을 슬러리(slurry)로 형성한다. 보다 상세하게는, 상기 CAS2 분말은 13.5 내지 29.1 중량%이고, 산화알루미늄은 31.5 내지 12.5 중량%이며, 그리고 잔량의 용매로 혼합하여 슬러리를 제조할 수 있다.To prepare a slurry by mixing the CAS 2 powder, alumina and a solvent, a polyvinyl butyral binder is added and ball milled for a predetermined time to form a slurry. More specifically, the CAS 2 powder is 13.5 to 29.1 wt%, the aluminum oxide is 31.5 to 12.5 wt%, and the slurry can be prepared by mixing with the remaining solvent.

이때, 상기 슬러리는 CAS2 분말 30 내지 70 중량% 및 알루미나 30 내지 70 중량%로 이루어질 수 있다.At this time, the slurry may be composed of 30 to 70 wt% of CAS 2 powder and 30 to 70 wt% of alumina.

상기 슬러리를 감압하여 가스를 제거하고, 상기 슬러리를 접합하고자 하는 알루미나 세라믹 양면에 바르고 이들을 맞대어 포갠 상태에서 건조하거나 또는 상기 슬러리를 테이프캐스팅 방법으로 주조한 테이프 형태의 중간층재를 삽입하여 결합한 후 상기 결합된 결합체(assembly)를 액상소결을 통해 접합한다.The slurry is reduced in pressure to remove gas, the slurry is applied to both surfaces of the alumina ceramic to be bonded, and the slurry is dried in a state in which the slurry is in contact with each other or a tape-shaped intermediate layer material cast by the tape casting method is inserted, Bonded by means of liquid phase sintering.

본 발명에 따르면, 중간층재에 함유되어 있는 CAS2 분말이 접합공정 열처리 단계 초기에 용융되어 액상을 형성하면서 중간층재 내에 함께 존재하는 고상(알루미나) 입자들과 고상-액상 혼합물(partly molten mixture)을 형성하게 된다. 이때 이들 고상-액상 혼합물은 점성유동을 일으켜 모재의 양 접합면을 적셔주면서, 모재의 접합면 양면을 직접 접촉하게 됨으로써 용해-재석출 (solution- reprecipitation)에 의한 접합면 간의 물질이동을 가능하게 한다. According to the present invention, the CAS 2 powder contained in the intermediate layer material is melted at the beginning of the heat treatment step of the bonding process to form a liquid phase, and solid phase (alumina) particles present in the intermediate layer together with a partly molten mixture Respectively. At this time, these solid-liquid mixture causes viscous flow to wet both joint surfaces of the base material, and makes direct contact with both sides of the joint surface of the base material, thereby enabling material transfer between the joint surfaces by solution-reprecipitation .

또한, 액상에 의한 중간층재의 점성유동은 중간층재의 치밀화에 의해 나타나게 되는 모재와의 소성수축율 차이에 기인하는 응력의 발생, 그리고 이로 인한 균열의 발생을 방지하는 효과를 아울러 제공한다. Further, the viscous flow of the intermediate layer due to the liquid phase also provides the effect of preventing the generation of stress due to the difference in plastic contraction ratio with the base material, which is caused by the densification of the intermediate layer, and the prevention of the occurrence of cracks.

이러한 액상의 장점에 착안하여 과거의 많은 연구들에서는 액상을 형성하는 조성물로만 중간층재를 만들어 예를 들면, glass-frit joining 세라믹 재료의 접합을 시도하였다. 그러나 액상만으로 중간층재를 만들면 도 2와 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 중간층재 액상 조성물과 모재간의 열팽창계수의 차이로 인한 균열의 발생, 그리고 중간층재 액상 조성물 자체의 낮은 강도로 인해 높은 접합강도의 접합체를 만들 수 없다.In view of the advantages of such a liquid phase, many past studies have attempted to form an intermediate layer only of a composition forming a liquid phase, for example, bonding a glass-frit joining ceramic material. However, as shown in FIGS. 2 and 3, cracks due to the difference in thermal expansion coefficient between the liquid composition and the base material of the intermediate layer and the low strength of the intermediate layer liquid composition itself cause a high bonding strength No junctions can be made.

따라서 본 발명에서는 중간층재 제조시 액상형성 조성물 뿐만 아니라 모재의 구성성분 입자를 동시에 첨가함으로써 고상-액상 복합조성의 중간층재를 제조하고, 이러한 중간층재를 사용 세라믹의 접합을 시도하였다. 이렇게 액상-고상 복합조성의 중간층재를 사용하게 되면 접합공정 열처리 초기에는 앞서 언급한 바와 같이 액상-고상 혼합물의 점성유동에 의해 모재 접합면의 적심, 용해-재석출에 의한 접합면간의 물질이동, 그리고 액상-고상 혼합물의 소성수축에 의한 모재와 중간층재간의 응력 발생을 점성유동에 의해 해소할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 복합조성 중간층재를 사용하게 되면, 접합부위의 화학조성이 접합공정 열처리가 진행에 따라 접합열처리 초기단계에서는 중간층재에 존재하는 아노사이트에 기인하는 액상과 알루미나 입자의 혼합조성을 띄다가 열처리가 경과하면서 액상이 모재내로 스며들게 함으로써 접합열처리 종말단계에서는 접합층 부위의 화학조성이 소량의 액상과 대다수의 알루미나 입자로 구성되게 함으로써 액상소결 알루미나 단일체와 유사한 화학조성과 접합강도를 지닐 수 있게 유도하였다. 이것이 본 발명의 핵심요소이다. Therefore, in the present invention, an intermediate layer material of a solid-liquid composite composition is prepared by adding not only the liquid forming composition but also the constituent component particles of the base material at the time of manufacturing the intermediate layer material, and attempting to bond the ceramic using such an intermediate layer material. When the intermediate layer material of the liquid-solid mixture composition is used, the material flow between the bonding surfaces due to the wetting of the base material bonding, dissolution-re-precipitation by the viscous flow of the liquid-solid mixture at the initial stage of the heat treatment, And the generation of stress between the base material and the intermediate layer due to plastic shrinkage of the liquid-solid mixture can be eliminated by the viscous flow. In addition, when the composite composition intermediate layer material is used, the chemical composition of the bonding region becomes a mixed composition of the liquid phase and the alumina particles due to the anosite present in the intermediate layer material at the early stage of the bonding heat treatment as the bonding process heat treatment proceeds, In the end of the bonding heat treatment process, the chemical composition of the bonding layer is made up of a small amount of liquid phase and a large number of alumina particles, thereby inducing a chemical composition and bonding strength similar to those of the liquid phase sintered alumina monolith by allowing the liquid phase to permeate into the base material. This is a key element of the present invention.

특히, 접합열처리 과정에서 발생하는 모재와 중간층재 간의 소성수축율 차이에 따른 균열의 발생을 막기 위해 통상의 접합공정에서처럼 압력을 인가할 필요가 없이 접합열처리 초기 중간층재 내에 형성되는 액상에 의한 점성유동(viscous flow)에 의해 접합부 균열의 발생을 막을 수 있는 장점이 있어 접합과정에 중에 외부에서 공급되는 추가적인 압력이 필요하지 않다. 아울러 접합부위에 존재하는 액상을 통해 액상내로 용해된 알루미나가 물질이동을 위해 확산되는 통로가 되어 보다 강력한 접합 구조의 형성이 가능하다. 따라서 압력을 인가하기 위한 특별한 고가의 장비 또는 공정의 필요가 없어 경제적으로 쉽게 고강도의 세라믹 접합체를 얻을 수 있는 장점을 지니고 있다.
Particularly, in order to prevent the occurrence of cracks due to the difference in plastic contraction ratio between the base material and the intermediate layer occurring in the bonding heat treatment process, there is no need to apply pressure as in the normal bonding process, and the viscous flow viscous flow), it is not necessary to supply additional external pressure during the bonding process. In addition, the alumina dissolved in the liquid phase through the liquid phase existing on the joint becomes a channel for diffusion for mass transfer, and a stronger bonding structure can be formed. Therefore, there is no need for a special expensive equipment or process for applying pressure, and it is advantageous in that a ceramic joint body of high strength can be easily obtained economically.

이하에서는 상술한 방법에 관한 구체적인 실시예로서, 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method for bonding alumina ceramics using liquid-phase sintering will be described in detail as a concrete example of the above-described method.

<실시예 1> 아노사이트 분말 제조 &Lt; Example 1 > Preparation of anorthite powder

아노사이트(CAS2) 분말을 중간층재(oxide interlayer)에서 액상형성용 분말로 사용하였다. 즉, CAS2 분말은 산화칼슘(Extra pure, Daejung Chemicals & Metals Co.,Ltd.) 20.15 중량%, 알루미나(AES-11, Sumitomo Chemical Co.,Ltd.) 36.65 중량% 및 산화규소 (Extra pure, Daejung Chemicals & Metals Co.,Ltd.) 43.2 중량%을 각각 칭량하고, 에틸알콜에 0.3 고상률(solid volume fraction)로 혼합하였다. 이때, 상기 에틸알콜은 인산 에스터 염 공중합체 분산제를 함유하였다. The anosite (CAS 2 ) powder was used as a liquid phase powder in an oxide interlayer. That is, the CAS 2 powder contains 20.15 wt% of calcium oxide (Extra pure, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd.), 36.65 wt% of alumina (AES-11, Sumitomo Chemical Co., Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd.) were each weighed and mixed in ethyl alcohol at a solid volume fraction of 0.3. At this time, the ethyl alcohol contained a phosphate ester salt copolymer dispersant.

혼합된 분말 혼합물을 알루미나 볼을 이용하여 24시간동안 볼밀링하고, 60℃에서 하룻밤 동안 건조한 이후, 분쇄하여 100 메쉬의 체(sieve)로 걸러서 과립을 얻었다. 상기 과립 분말을 1450℃의 온도로 알루미나 도가니에서 1시간 동안 소결하여 고체상 반응을 통하여 CAS2 분말을 제조하였다. 고체상 반응의 최적 조건을 찾기 위하여 1350℃, 1400℃, 1450℃의 다른 온도로 소결하였다 (도 1 참조).
The mixed powder mixture was ball milled using alumina balls for 24 hours, dried at 60 DEG C overnight, pulverized and sieved with a 100 mesh sieve to obtain granules. The granular powder was sintered in an alumina crucible at a temperature of 1450 ° C for 1 hour to prepare a CAS 2 powder through a solid phase reaction. Sintered at different temperatures of 1350 ° C, 1400 ° C and 1450 ° C to find the optimum conditions for the solid phase reaction (see FIG. 1).

<< 실시예Example 2 > 테이프형  2> Tape type 중간층재Intermediate layer material 제조 Produce

볼밀링을 위한 액체 매질 및 태이프 주조 공정의 용매로 사용되는 공비혼합물(azeotropic mixture)을 제조하기 위하여 톨루엔 60 중량%, 에탄올 40 중량%를 혼합하였다. 60% by weight of toluene and 40% by weight of ethanol were mixed in order to prepare an azeotropic mixture used as a solvent for the liquid medium for ball milling and the tapping process.

알루미나 및 CAS2 분말을 44 부피%로 용매인 공비혼합물에서 투입하여 혼합하였고, 상기 공비혼합물은 분말대비 2 중량%의 공중합체 분산제(DISPERBYK-103, BYK Chemie GmbH)를 함유하였다. 혼합과정 중에 CAS2의 투입량을 중량비로 1.0, 0.7, 0.5 및 0.3로 하여 각각 다른 조성을 가지는 Al2O3-CAS2 복합조성 중간층재를 제조할 분말을 준비하였다. Alumina and CAS 2 powder were mixed in an azeotrope mixture of 44 vol.% As a solvent and the azeotropic mixture contained 2 wt.% Of a copolymer dispersant (DISPERBYK-103, BYK Chemie GmbH) relative to the powder. During the mixing process, the amounts of CAS 2 were adjusted to 1.0, 0.7, 0.5 and 0.3 by weight, respectively, to prepare powders for producing the Al 2 O 3 -CAS 2 composite intermediate layer having different compositions.

상기 분말을 지르코니아 볼로 볼밀하였으며, 상기 분말 100 중량부에 대하여 각각 6.25 중량부 및 12.5 중량부의 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral) 결합제 B-76 (분자량 90,000 내지 120,000; Kuraray Co.,Ltd.)과 B-98 (분자량 40,000 내지 70,000; Kuraray Co. Ltd.)를 투입하여 슬러리 형태로 제조하였다.The powder was ball milled with zirconia balls, and 6.25 parts by weight and 12.5 parts by weight of a polyvinyl butyral binder B-76 (molecular weight 90,000 to 120,000; Kuraray Co., Ltd.) and B -98 (molecular weight: 40,000 to 70,000; Kuraray Co. Ltd.) was added thereto to prepare a slurry.

상기 혼합분말의 슬러리 100 중량부에 대하여 16.25 중량부의 가소제인 디옥틸 프탈레이트(Samchun Pure Chemical Co.Ltd.)를 첨가하였다, 16.25 parts by weight of dioctyl phthalate (Samchun Pure Chemical Co., Ltd.), which is a plasticizer, was added to 100 parts by weight of the slurry of the mixed powder,

상기 슬러리를 24시간 동안 볼밀을 다시 수행하고 15분간 160 torr의 압력으로 가스를 제거하고, 테이프형 중간층재를 제조하기 위하여 테이프 주조 공정에 도입하여 44 cm/min의 속도로 이동하며 캐리어 필름(100㎛, RS21G, SKC Co.,Ltd.) 위에 성형하였다. 주조과정에서 중간층재의 두께는 테이프 주조 장치의 칼날의 높이에 의해 조절되었다. 중간층재의 두께에 따른 접합강도를 측정하기 위하여 중간층재의 두께를 20㎛, 50㎛, 100㎛로 시료를 제조하였다.The slurry was ball-milled again for 24 hours, degassed for 15 minutes at a pressure of 160 torr, introduced into a tape casting process to produce a tape-type intermediate layer and moved at a rate of 44 cm / min, 탆, RS21G, SKC Co., Ltd.). During the casting process, the thickness of the intermediate layer was controlled by the height of the blade of the tape casting machine. In order to measure the bond strength according to the thickness of the intermediate layer, samples were prepared with thicknesses of 20, 50 and 100 μm.

상기 테이프 주조 공정 후에 상온에서 공기에 노출시켜 12시간동안 건조시켜 테이프형 중간층재를 완성하였다.
After the tape casting step, it was exposed to air at room temperature and dried for 12 hours to complete a tape-type intermediate layer material.

<< 실시예Example 3 > 알루미나 세라믹  3> Alumina Ceramic 모재의Of base metal 접합 join

중간층재를 접합되는 두 개의 치밀질 알루미나 세라믹 모재사이에 삽입하였다. 중간층재는 CAS2의 투입량에 따라 다른 조성을 가지며 모재의 크기에 맞추어 절단하였다. An interlayer was inserted between the two dense alumina ceramic base materials to be bonded. The intermediate layer has a different composition depending on the amount of CAS 2 and is cut according to the size of the base material.

조합된 알루미나 세라믹 모재는 공기 중에서 1650 ℃ 로 1시간 동안 열처리 하였다. 소결온도에 따른 결과를 비교를 위하여 각기 다른 온도인 1550 ℃, 1600 ℃ 및 1650 ℃ 열처리하여 준비하였다. 여기서 25 ℃에서 600 ℃의 온도 범위에서는 2 ℃/min 의 낮은 온도증가율로 수행하고, 160 ℃, 350 ℃, 600 ℃에서 각각 1시간동안 정온으로 유지하였으며, 이 방법으로 중간층재에 포함된 유기접착제를 태워 없앴다. The combined alumina ceramic matrix was heat treated in air at 1650 ° C for 1 hour. The results of sintering temperature were prepared by heat treatment at different temperatures of 1550 ℃, 1600 ℃ and 1650 ℃. Here, the temperature was increased at a low rate of 2 ° C / min at a temperature range of 25 ° C to 600 ° C and maintained at a constant temperature of 160 ° C, 350 ° C and 600 ° C for 1 hour, Burned.

접합부의 강도를 측정하기 위하여 접합된 세라믹 모재 샘플은 4×3×40 mm3 의 막대로 하였다. 각 막대의 중심부를 접합부로 하였고, 6㎛ 크기의 다이아몬드 페이스트를 이용 측정시편의 외부 표면을 연마하였다. In order to measure the strength of the joint, the bonded ceramic base sample was made of 4 × 3 × 40 mm 3 rod. The center of each rod was used as a joint, and the outer surface of the measurement specimen was polished using a diamond paste having a size of 6 μm.

6개의 시험용 세라믹 모재를 대상으로 통상 사용되는 강도측정기(Autograph 500, Shimadzu Co., Ltd.)를 가지고 내부의 10 mm 및 외부 20 mm 의 지간거리(span)를 가지고 4점 곡강도(4-point flexual strength)를 측정하였다. The test specimens were tested with 6 specimens (Autograph 500, Shimadzu Co., Ltd.) with a span of 10 mm inside and 20 mm external to the 4-point flexual strength was measured.

중간층재의 두께에 따른 접합강도 변화 그리고 미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 중간층재의 두께를 20㎛, 50㎛, 100㎛로 변화시키며 SEM 이미지를 촬영하였다.
In order to observe the change of bonding strength and microstructure according to the thickness of the intermediate layer, the thickness of the intermediate layer was changed to 20 ㎛, 50 ㎛ and 100 ㎛ and SEM images were taken.

<실험예1> 아노사이트 분말 및 중간층재의 분석Experimental Example 1 Analysis of Anorthite Powder and Intermediate Layer

CAS2 상(anothite phase), 잔여물 및 미반응물 상의 형성과정을 X-선 회절 분석기(이하 XRD, D/Max-2200)를 이용하여 분석하였다. CAS 2 The formation process of the anothite phase, the residue and the unreacted phase was analyzed using an X-ray diffractometer (XRD, D / Max-2200).

또한 중간층재를 사용한 접합부는 1450 ℃에서 1.5 시간 동안 연마된 표면을 열부식(thermal etching)하여 전자주사현미경(SEM, S-4800, Hitachi High- technologies Co.Ltd.)을 사용하여 미세구조를 관찰하였다.
In addition, the bonded part using the intermediate layer was subjected to thermal etching at 1450 ° C. for 1.5 hours to observe the microstructure using a scanning electron microscope (SEM, S-4800, Hitachi High-technologies Co., Ltd.) Respectively.

1. 경계층에서의 접합 1. Bonding at the boundary layer 생성거동Generation behavior 확인  Confirm

도 1은 CAS2 분말을 세가지 다른 온도로 하소하여 측정한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다. 1350℃, 1400℃, 1450℃의 다른 온도로 소결하여 XRD 패턴을 확인한 결과 소량의 잔유물과 미반응 상의 분말이 관찰되었다. 그러나 원료분말 간의 고상 반응을 통해서 CAS2 상이 성공적으로 생성되었음을 확인하였다.1 is a CAS 2 And XRD patterns obtained by calcining the powder at three different temperatures. Sintered at different temperatures of 1350 ℃, 1400 ℃ and 1450 ℃ to confirm the XRD patterns. As a result, a small amount of residues and unreacted powder were observed. However, through the solid phase reaction between the raw powders, CAS 2 Phase was successfully generated.

도 2는 CAS2 만을 사용하여 제조한 중간층재를 이용하여 접합된 알루미나 세라믹 접합부의 미세구조를 나타낸 SEM 이미지이다. 중간층재의 두께는 100㎛이고 (a) 와 (b)는 1550 ℃, (c) 와 (d)는 1600 ℃, (e) 와 (f)는 1650 ℃ 각각 1시간 동안 소결하였다. 예상한 바와 같이 중간층재의 CAS2 상에서 유래된 액상(liquid phase)이 두 개의 알루미나 세라믹 모재 접합면을 완전하게 적시고 있으며 동시에 알루미나 입자(wetted alumina grains) 사이에 침투해 들어가 있는 모습을 보였다. 더욱이 액체가 알루미나 입자 사이의 입자의 경계면을 투과하여 알루미나 세라믹 모재 내부까지 침투해 있는 것을 확인하였다. 이것은 도 2의 (e) 와 (f)에서 확인되는 바와 같이 접합부에서 액상층의 두께가 감소하는 것으로부터 명확히 확인할 수 있다. FIG. 2 is an SEM image showing the microstructure of the bonded alumina ceramic joint using the intermediate layer produced using only CAS 2. FIG. (A) and (b) were sintered at 1,550 ° C, (c) and (d) at 1600 ° C, and (e) and (f) were sintered at 1,650 ° C for 1 hour, respectively. As expected, the CAS 2 The liquid phase derived from the alumina ceramic completely wet the two alumina ceramic base joints and penetrated between the wetted alumina grains. Furthermore, it was confirmed that the liquid permeates the interface of the particles between the alumina particles and permeates into the alumina ceramic matrix. This can be clearly seen from the decrease in the thickness of the liquid phase layer at the junction, as can be seen in Figures 2 (e) and 2 (f).

도 3은 100㎛의 중간층재를 각기 다른 온도로 소결하여 접합강도를 측정한 그래프이다. 이때, 접합강도는 최대 47.1±8.4 MPa 이였다. 이처럼 낮은 접합강도는 일차적으로 CAS2 및 알루미나 사이의 공융반응(eutectic reaction)에 의해 형성된 Ca-Al-Si-O 유리 자체의 낮은 기계적 강도에 기인한다. 뿐만 아니라 알루미나와 액상간의 열팽창계수의 차이는 도 3의 화살표에 나타나는 균열 및 잔류응력(residual stress)을 야기하므로 낮은 접합강도를 보이는 것으로 믿어진다. FIG. 3 is a graph of bonding strength measured by sintering 100 μm-thick intermediate layers at different temperatures. At this time, the maximum bond strength was 47.1 ± 8.4 MPa. This low bond strength is primarily due to CAS 2 And the low mechanical strength of the Ca-Al-Si-O glass itself formed by eutectic reaction between alumina. In addition, it is believed that the difference in thermal expansion coefficient between alumina and liquid phase causes cracking and residual stress as shown by the arrow in FIG. 3, and thus shows a low bonding strength.

2. 알루미나 조성에 따른 중간층재의 접합강도 분석2. Analysis of bond strength of interlayers according to alumina composition

접합강도를 증가시키기 위해 중간층재에 고상성분을 이룰 수 있는 모재성분인 알루미나를 첨가하여 액상-고상 복합조성의 중간층재를 제조하였다. 접합부의 열적팽창계수(coefficient of thermal expansion;CTE)는 중간층재에 함유된 알루미나의 함량이 증가할수록 모재의 열팽창계수에 근접할 것으로 예상되었다. 또한 알루미나를 추가하는 것은 열처리과정에서 액상이 모재내로 대부분 침투해 들어가고 최종적으로는 소량의 액상과 대다수의 고상 입자로 구성된 접합부를 형성시키는 것이다. 이렇게 함으로써 보고된 액상소결 알루미나의 단일체의 강도보다 높은 접합강도(232 MPa)를 달성할 수 있었다. 산화칼슘과 이산화규소를 소결하여 접합하는 전형적인 액상소결 알루미나 세라믹 단일체의 강도는 180 Mpa 정도이다. In order to increase the bonding strength, alumina, which is a base material component capable of forming a solid phase component, was added to the intermediate layer material to prepare an intermediate layer material having a liquid - solid phase composition. The coefficient of thermal expansion (CTE) of the joint was expected to be close to the thermal expansion coefficient of the base material as the content of alumina contained in the intermediate layer increased. The addition of alumina also means that most of the liquid phase penetrates into the base material during the heat treatment process and finally forms a joint composed of a small amount of liquid phase and a majority of solid phase particles. By doing so, the bond strength (232 MPa) higher than that of the monolith of the reported liquid sintered alumina could be achieved. The strength of a typical liquid-phase sintered alumina ceramic monolith with sintering of calcium oxide and silicon dioxide is about 180 MPa.

도 4는 중간층재를 1650℃에서 1시간 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합 강도를 나타낸 그래프이다. 여기서 중간층재에 투입되는 알루미나의 양을 달리함에 따른 접합강도의 변화를 측정하였다.4 is a graph showing the bonding strength of the alumina ceramic bonded by sintering the intermediate layer material at 1650 ° C for 1 hour. The change in bond strength was measured by varying the amount of alumina introduced into the intermediate layer.

도 5는 중간층재를 1650℃에서 1시간 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합부의 SEM 이미지이다. 여기서 부피비로 (a) 와 (b)는 중량비로 3 : 7 이고, (c) 와 (d)는 중량비로 5 : 5 이며, (e) 와 (f)는 중량비로 7 : 3 이다. Fig. 5 is an SEM image of a junction of an alumina ceramic bonded by sintering the intermediate layer material at 1650 ° C for 1 hour. Here, (a) and (b) have a weight ratio of 3: 7, the weight ratio of (c) and (d) is 5: 5, and the weight ratio of (e) and (f) is 7: 3.

알루미나의 조성을 50 중량%까지 증가시키는 경우에 동시에 증가되는 접합강도는 액상소결된 접합부에 존재하는 알루미나 고상입자들이 하중을 견디는 메인 프레임 역할을 수행하는 데 기인한다. 이것은 도 5의 접합부의 미세구조 이미지에서 점선과 화살표로 표시되는 것으로 확인할 수 있다. 고상 알루미나 입자들은 대부분 입자간의 직접 접촉으로 결합되며, 다만 일부에서는 입자들간의 접촉점에 존재하는 액상방울과 입자들 사이에 존재하는 액상 필름을 통하여 결합되기도 하였다. 이것은 일반적인 알루미나 세라믹의 액상소결의 미세구조와 정확하게 일치하였다. The increase in the bond strength at the same time when the composition of alumina is increased to 50 wt% is attributed to the fact that the alumina solid particles present in the liquid sintered joint serve as a main frame to withstand the load. This can be confirmed by the dotted line and the arrow in the microstructure image of the junction of FIG. Most of the solid alumina particles are bonded by direct contact between the particles, but in some cases they are bonded through the liquid film between the liquid droplets existing at the contact points of the particles and the particles. This is precisely consistent with the microstructure of liquid phase sintering of general alumina ceramics.

액상형성첨가제는 상업적 알루미나 세라믹 접합의 생산에 사용되며, 여기서 알루미나-산화칼슘-산화규소 3성분계 시스템을 바탕으로 하는 첨가제는 1400℃ 이하에서 액상을 형성하는 많은 공융반응(eutectic reaction) 조성을 포함하고 있기 때문에 지속적인 관심을 받아왔다. 소량의 칼슘과 산화규소의 혼합물을 알루미나에 첨가하는 것은 1200℃에서 소량의 액상 형성을 유도한다. 이것은 알루미나 입자를 적시고, 소결과정에서 용액을 형성하고 재석출을 촉진한다. 반면에 알루미나 입자 사이의 액체 필름에서 규소와 칼슘의 존재는 열처리과정 중에서 물질의 전달을 증진한다. Liquid phase additive additives are used in the production of commercial alumina ceramic joints where the additive based on the alumina-calcium oxide-silicon oxide three-component system contains a number of eutectic reactions forming liquid phases below 1400 ° C It has received constant attention. Adding a small amount of a mixture of calcium and silicon oxide to alumina leads to a small amount of liquid phase formation at 1200 占 폚. This wetts the alumina particles, forms a solution during the sintering process and promotes re-precipitation. On the other hand, the presence of silicon and calcium in the liquid film between alumina particles promotes the transfer of material during the heat treatment process.

한편 접합되는 두 개의 알루미나 세라믹 모재 사이에 삽입되는 중간층재에서 공융액체(eutectic liquid)가 생성되는 것을 확인하였다. 이 경우 용해-재석출 메카니즘을 통하여 알루미나 모재와 중간층재 사이에서 물질전달이 증진되었다. 또한 접합을 위한 열처리과정에서 중간층재의 CAS2 상으로부터 기인한 액상은 중간층재내에 첨가된 알루미나 고상입자와 함께 고상-액상 혼합물을 만들어 점성유동(viscous flow)에 의해 모재 접합면을 젖게 만들었다. 점성유동과 빠른 물질 전달로 인하여 접합되는 알루미나 모재 사이 접합면은 첨가된 알루미나, 재석출 알루미나 그리고 모재에서 성장한 알루미나 입자와 소량의 액체로 채워졌으며, 모재 사이에서 강력한 결합을 생성하였다.On the other hand, it was confirmed that an eutectic liquid was formed in the interlayer inserted between the two alumina ceramic base materials to be bonded. In this case, the mass transfer between the alumina base material and the intermediate layer was enhanced through the dissolution-re-precipitation mechanism. In addition, in the heat treatment process for bonding, the CAS 2 The liquid phase resulting from the phase was made into a solid-liquid mixture with alumina solid particles added in the interlayer material to make the base material interface wet by viscous flow. Due to the viscous flow and fast mass transfer, the interface between the bonded alumina base materials was filled with alumina, re-precipitated alumina, alumina particles grown in the base material, and a small amount of liquid, creating a strong bond between the base materials.

한편 중간층재에서 알루미나의 중량비가 50%를 넘어서는 경우에 접합강도의 감소는 접합의 열처리 과정에서 중간층재의 접합부에서의 제한적인 점도에 기인한다. 알루미나 : CAS2의 중량비가 7 : 3 인 경우에 고체 입자의 양은 전체에서 부피에서 62 vol% 를 차지할 것으로 예상하였다. 이 경우에는 중간층재에서 부분적으로 용해된 고체 입자 및 액체 혼합물의 점성은 도 5의 (e) 와 (f)에 확인되는 바와 같이 공극 사이로 투입되어 간격을 메우기에는 부족하였다. On the other hand, when the weight ratio of alumina in the intermediate layer exceeds 50%, the reduction in the bonding strength is due to the limited viscosity at the interface of the intermediate layer in the heat treatment of the bonding. When the weight ratio of alumina: CAS 2 was 7: 3, the amount of solid particles was expected to occupy 62 vol% in volume as a whole. In this case, the viscosity of the solid particles and the liquid mixture partially dissolved in the intermediate layer was injected between the voids as shown in Figs. 5 (e) and 5 (f), and was insufficient to fill the gap.

여기서 중간층재 조성물의 조건으로는 중간층재는 화학적으로 뿐만 아니라 열-기계적(thermo-mechanically)으로 접합되는 세라믹 모재와 양립될 수 있어야 하며, 세라믹 모재의 소결 또는 용융온도보다 낮은 온도에서 용융되어야 하고, 녹은 중간층재는 세라믹의 부분을 적시며 접합되는 세라믹 면을 통하여 물질 전달을 촉진해야 한다.
As a condition of the intermediate layer composition, the interlayer material should be compatible with not only chemically but also thermo-mechanically bonded ceramic base materials and should be melted at a temperature lower than the sintering or melting temperature of the ceramic base material, The intermediate layer should wet the ceramic part and promote mass transfer through the ceramic surface to be bonded.

3. 3. 중간층재에In the intermediate layer 따른 세라믹  Ceramic 모재의Of base metal 접합강도 분석 Bond strength analysis

중간층재의 두께에 다른 접합강도를 측정하였다. 도 6은 알루미나 : CAS2의 중량비가 5 : 5인 중간층재를 사용하여 1650℃에서 1시간 동안 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 접합강도를 측정한 그래프이다. 도 7은 알루미나 : CAS2의 중량비가 5 : 5인 중간층재의 두께를 달리하여 1650℃에서 1시간 동안 소결하여 접합한 알루미나 세라믹의 SEM 이미지이다.The bonding strength was measured according to the thickness of the intermediate layer. 6 is a graph showing the bonding strength of alumina ceramics bonded by sintering at 1650 ° C for 1 hour using an intermediate layer material having a weight ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5. 7 is an SEM image of an alumina ceramic bonded by sintering at 1650 ° C for 1 hour at different thicknesses of an intermediate layer material having a weight ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5.

도 6과 도 7을 참조하면, 중간층재의 두께에 따른 접합강도의 영향은 1650℃에서 1시간 동안 소결하여 접합하였을 때, 두께의 증가에 따라 접합강도가 증가되었다. 알루미나 : CAS2의 중량비 5 : 5인 중간층재의 두께를 50㎛로 했을 때 232 MPa의 가장 높은 접합강도를 얻을 수 있었다. 중간층재의 두께에 따른 접합강도의 차이는 알루미나 세라믹의 접합부의 모든 공극을 채우기 위하여 임계량 이상의 용해된 중간층재 필요량에 기인한다. Referring to FIGS. 6 and 7, the bonding strength according to the thickness of the intermediate layer was increased when the bonding was performed by sintering at 1650 ° C for 1 hour. The highest bonding strength of 232 MPa was obtained when the thickness of the intermediate layer material having a weight ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5 was 50 탆. The difference in bond strength according to the thickness of the intermediate layer is due to the required amount of dissolved interlayer material above the critical amount in order to fill all voids of the alumina ceramic joint.

한편 접합면의 거칠기(roughness)와 불균질(unevenness)은 모재의 사이의 밀접한 접촉을 방해하였다. 그리고 용해된 중간층재의 부피는 모재의 공극보다 커야한다. 도 7을 참조하면, 중간층재에서 접합체(binder)와 가소제(plasticizer)의 부피가 50 vol% 이므로, 20 ㎛ 두께의 중간층재는 10 ㎛ 이하로 용융되어 줄어든다. 도 7의 (a) 및 (b)를 확인하면, 이것은 알루미나 모재 사이의 간격을 채우기에는 충분하지 않았다. On the other hand, the roughness and unevenness of the joints hinder close contact between the base materials. And the volume of the melted intermediate layer should be larger than the porosity of the base metal. Referring to FIG. 7, since the volume of the binder and plasticizer in the intermediate layer material is 50 vol%, the intermediate layer material having a thickness of 20 μm is melted and reduced to 10 μm or less. 7 (a) and 7 (b), this was not enough to fill the gap between the alumina base materials.

도 7에서 접합된 알루미나 세라믹의 단면을 확인하면, 접합부에 공극이 확인되기는 하지만, 50 ㎛ 이상의 두께의 중간층재에서 알루미나 모재에는 거의 균질상의 균열이 없는 중간층재가 확인되었다. 접합공정 말기의 중간층재 최종 미세조직은 기본적으로 알루미나 입자로 이루어지고 적은 양의 유리상으로 구성된다. 접합공정 초기단계에 중간층재 내부에서 형성되는 액상 접합공정의 진행에 따라 모재내의 알루미나 입계사이로 침투해 들어가면서 최종적으로는 접합부에는 소량의 액상만 남기고 대부분의 조직은 알루미나 고상입자만으로 구성되도록 유도된다. 상기 분해와 침투과정의 결과로 중간층재의 조성은 상태도(phase diagram) 상에서 알루미나 방향으로 이동하게 되며 결과적으로 중간층재의 열팽창계수가 모재의 값으로 근접하게 유도할 수 있게 된다.
The cross section of the bonded alumina ceramic in FIG. 7 confirms the voids in the joint, but in the intermediate layer having a thickness of 50 μm or more, an intermediate layer material having almost no homogeneous cracks was found in the alumina base material. The final microstructure at the end of the bonding process consists essentially of alumina particles and a small amount of glass. In the initial stage of the bonding process, as the liquid bonding process formed inside the interlayer material progresses, it penetrates between the alumina grain boundaries in the base material, and ultimately, only a small amount of liquid phase remains in the joint portion, and most of the structure is induced to consist of only alumina solid particles. As a result of the decomposition and infiltration process, the composition of the intermediate layer moves in the alumina direction on the phase diagram, and as a result, the coefficient of thermal expansion of the intermediate layer can be brought close to the value of the base material.

이상과 같은 본 발명을 요약하면 다음과 같다.The present invention is summarized as follows.

본 발명은 세라믹을 접합하는데 중간층재를 액상소결하여 알루미나 세라믹을 접합하는 방법에 관한 것으로서, 금속 브레이징법을 대체할 수 있는 것이다. 제조된 중간층재는 강력한 세라믹 접합에 필수적인 뛰어난 젖음성을 보여주었으며, 물질전달 과정에서 중요한 역할을 수행하였다. 용해되는 CAS2는 알루미나 모재에서 용해와 재석출과 같은 화학반응을 일으키며, 풍부하게 용해된 CAS2액체는 접합부를 통하여 용해된 산화알루미늄이 확산되는 통로가 되었다. The present invention relates to a method of joining alumina ceramics by liquid-phase sintering of an intermediate layer material for joining ceramics, and can replace the metal brazing method. The prepared intermediate layer exhibited excellent wettability essential for strong ceramic bonding and played an important role in the mass transfer process. The dissolved CAS 2 causes a chemical reaction such as dissolution and re-precipitation in the alumina base material, and the abundantly dissolved CAS 2 liquid becomes the passage through which the dissolved aluminum oxide is diffused through the joint.

또한 본 발명은 종래의 금속 블레이징법과 비교하여 생산비용과 진공전기로와 같은 특수장비가 필요없다는 점에서 더욱 발전된 기술이며, 최초로 CAS2를 액상소결하여 알루미나 세라믹을 접합한 것이다. In addition, the present invention is a further developed technology in that it does not require production cost and special equipment such as vacuum electric furnace as compared with the conventional metal blazing method, and it is the first bonding of alumina ceramics by liquid sintering of CAS 2 .

최적의 중간층재는 조성이 알루미나 : CAS2의 중량비율이 5 : 5이며, 1650℃로 소결하였을 때 232±55 MPa의 접합강도를 보였다.The optimum intermediate layer material had a composition ratio of alumina: CAS 2 of 5: 5, and a sintering temperature of 1650 ° C showed a bonding strength of 232 ± 55 MPa.

이상으로 본 발명은 특정한 부분을 상세히 기술 하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (7)

알루미나의 액상소결을 가능케 하는 아노사이트 분말을 제조하는 단계(제1단계);
상기 아노사이트 분말, 알루미나 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계(제2단계);
상기 슬러리를 접합하고자 하는 알루미나 세라믹 양면에 바르고 이들을 맞대어 포갠 상태에서 건조하거나 또는 상기 슬러리를 테이프캐스팅 방법으로 주조한 테이프 형태의 중간층재를 삽입하여 결합하는 단계(제3단계); 및
상기 결합된 결합체(assembly)를 액상소결을 통해 접합하는 단계(제4단계)를 포함하는 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법.
(Step 1) of producing an anorthite powder which enables liquid phase sintering of alumina;
Mixing the anorthite powder, alumina and a solvent to prepare a slurry (second step);
Applying the slurry to both surfaces of alumina ceramics to be bonded, drying the slurry in an overlapping manner, or inserting and bonding a tape-shaped intermediate layer casting the slurry by a tape casting method (third step); And
And joining the bonded assemblies through liquid phase sintering (fourth step). The method of bonding alumina ceramics using liquid-phase sintering according to claim 1,
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 아노사이트는 산화칼슘 15 내지 25 중량%, 알루미나 35 내지 40 중량% 및 산화규소 35 내지 45 중량%인 분말을 혼합한 것을 특징으로 하는 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anolyte is a mixture of 15 to 25% by weight of calcium oxide, 35 to 40% by weight of alumina and 35 to 45% by weight of silicon oxide.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 중간층재는 아노사이트 분말 30 내지 70 중량%와 알루미나 30 내지 70 중량%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법.
The method according to claim 1,
Wherein the intermediate layer material comprises 30 to 70% by weight of anorthite powder and 30 to 70% by weight of alumina.
청구항 1에 있어서,
상기 중간층재의 두께는 20 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 액상소결을 이용한 알루미나 세라믹의 접합방법.

The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the intermediate layer is 20 to 100 占 퐉.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110034747A (en) * 2009-09-29 2011-04-06 (주)에스에이치이씨 Manufacturing method of ceramic for high strength and low temperature sintering

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070076531A (en) * 2006-01-17 2007-07-24 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 Method of forming a ceramic to ceramic joint
KR20110034747A (en) * 2009-09-29 2011-04-06 (주)에스에이치이씨 Manufacturing method of ceramic for high strength and low temperature sintering

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