KR101632371B1 - 세라믹 복합 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 본 발명의 실시예들에 따른 세라믹 금속 복합 구조체는 판상 세라믹 입자들이 얼음주형을 통해 일방향으로 적층 배열된 판상층이 하나이상 적층된 세라믹 층 및 상기 판상 세라믹 입자를 둘러싸는 금속층을 포함한다.

Description

세라믹 복합 구조체 및 이의 제조방법{COMPOSITE CERAMIC STRUCTURE, METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 복합 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
세라믹 금속 복합 구조체는 다양한 분야에서 응용 및 사용되는 구조체이다.
이러한 세라믹 복합 구조체를 기존에는 판상 입자 형태의 세라믹과 고분자 재료를 이용하여 제조하였다.
즉, 판상 입자 형태의 세라믹을 단순히 고분자 재료에 혼합하여 주는 형태로 제조하여 이용하였다.
그러나 이와 같은 형태는 고온에서의 응용이 어려운 점이 있다.
즉, 판상 입자 형태의 세라믹을 단순히 혼합하는 경우 세라믹 함량 대비 금속 함량이 높아져 강도 및 고온 안정성에서 손실이 있다.
한국공개특허 제2000-0004078호(2000.01.25. 무기물-고분자 복합체의 제조방법) 한국공개특허 제2014-0108405호(2014.09.11. 열전도성 세라믹-폴리머 복합체 및 그 제조방법)
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명은 판상 입자 형태의 세라믹을 배열된 형태로 치밀화 함으로써 세라믹의 함량을 높이고 금속 함량은 낮춰 강도 및 고온 안정성을 높일 수 있는 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
그리고 본 발명은 판상 입자 형태의 세라믹을 얼음 주형을 이용하여 치밀하게 배열함으로써 판상 입자 형태의 세라믹을 용이하게 배열할 수 있는 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
다음으로 본 발명은 배열된 판상 입자 형태의 세라믹층 사이에 연성의 금속층을 형성하여 줌으로써 금속층이 세라믹층의 윤활 베어링 역할을 하여 줌으로써 인성을 증가시킬 수 있는 세라믹 금속 복합 구조체를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체는 판상 세라믹 입자들이 얼음주형을 통해 일방향으로 적층 배열된 판상층이 하나이상 적층된 세라믹 층 및 상기 판상 세라믹 입자를 둘러싸는 금속층을 포함한다.
여기서 상기 금속층은 판상 세라믹 입자 주위에 형성된 기공에 형성되어 판상 세라믹 입자를 둘러싸는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 판상 세라믹 입자 및 판상층은 지그 재그 형상으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체 제조방법은 판상 세라믹 입자들을 물에 분산시켜 슬러리를 제작하는 슬러리 제작단계(A), 복수의 층으로 구분된 주형에 상기 슬러리를 주입한 다음 주입된 슬러리를 동결 승화시킨 후 주형을 제거하여 판상 세라믹 입자들을 일방향으로 적층 배열하며 판상 세라믹 입자 주변에 기공을 형성하는 세라믹층 생성단계(B), 상기 적층 배열된 판상 세라믹 입자(10)를 복합화하는 복합화 단계(C) 및 상기 복합화된 세라믹층을 열간가압하여 치밀화를 이루는 치밀화단계(D)를 포함한다.
여기서 상기 복합화 단계(C)는 상기 판상 세라믹 입자 주위에 형성된 기공에 금속염을 함침 및 환원하여 기공에 금속층을 형성하는 것을 포함한다.
다음으로 상기 (A) 단계의 판상 세라믹 입자는 도금된 후 슬러리에 주입되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (B) 단계에서의 주형에 주입된 슬러리는 주형 하부부터 상부를 향하여 동결 승화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법은 판상 입자 형태의 세라믹을 배열된 형태로 치밀화 함으로써 세라믹 함량은 높이고 금속 함량은 낮춰 강도 및 고온 안정성을 높일 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법은 판상 입자 형태의 세라믹을 얼음 주형을 이용하여 배열함으로써 판상 입자 형태의 세라믹을 용이하게 치밀한 형태로 배열할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 세라믹 금속 복합 구조체 및 이의 제조방법은 배열된 판상 입자 형태의 세라믹층 사이에 연성의 금속층을 형성하여 줌으로써 금속층이 세라믹층의 베어링층 역할을 하여 줌으로써 금속 복합체 구조물의 인성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체의 구조도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체의 제조방법을 나타낸 참조도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체의 기공구조 및 기공 금속층 생성을 나타낸.
본 발명에 따른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 상세한 설명 또는 첨부 도면에 도시된 구성에 한정되지 않으며 다양한 방식으로 사용되거나 수행될 수 있다.
또한, 본 명세서에 사용되는 표현이나 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 한정을 위한 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에 사용되는, "장착된", "설치된", "접속된", "연결된", "지지된", "결합된" 등의 표현은, 다른 것을 나타내는 것으로 지시하거나 한정하고 있는 않는 한, 직접적인 그리고 간접적인 장착, 설치, 접속, 연결, 지지, 및 결합을 모두 포함하는 광범위한 표현으로 사용되고 있다. "접속된", "연결된", "결합된"이라고 하는 표현은, 물리적인 또는 기계적인 접속, 연결 또는 결합에 한정되지 않는다.
그리고 본 명세서에서, 상부, 하부, 하향, 상향, 후방, 바닥, 전방, 후부 등과 같이 방향을 나타내는 용어는 도면을 설명하기 위해 사용되고 있지만, 이러한 용어는, 편의를 위해 도면에 대해 상대적인 방향(정상적으로 봤을 때)을 나타내는 것이다. 이러한 방향을 나타내는 용어는, 어떠한 형태로든 본 발명을 그 문자대로 한정하거나 제한하는 것으로 받아들여져서는 안 된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2", "제3" 등의 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 상대적인 중요도를 의미하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체(100)의 구조도로서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체(100)는 크게 세라믹 층(30)과 상기 세라믹 층(30) 사이에 형성된 금속층(40)으로 구성된다.
도 1은 개별적으로 형성된 세라믹 층(30)들이 열간 가압을 통하여 가압된 형태를 나타낸 것으로 이들 세라믹 층(30) 층의 개별 형성 및 열간가압 과정에 대해서는 아래에서 도 2를 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
세라믹 층(30)은 판상 세라믹 입자(10)들이 일방향(도 1에 도시된 화살표 방향)을 따라 소정의 간격으로 치밀하게 배열되어 판상층(34)을 형성하고 판상층(34)이 다시 치밀하게 적층된 형태로 이루어진다.
세라믹 층(200)의 판상 세라믹 입자(10)는 1~20μm의 크기를 가지며 두께는 50~500nm 인 것이 바람직하다.
그리고 세라믹 층(200)의 적층된 판상층(34)의 간격은 10~50nm인 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체(100)는 이와 같이 판상 세라믹 입자(10)들이 치밀한 간격을 두고 배열 및 적층된 형태를 이루기 때문에 전체 함량에서 세라믹 입자(10) 함량을 늘릴 수 있으며 금속의 함량은 줄일 수 있다.
따라서 고온에서 잘 견디는 세라믹의 함량이 높기 때문에 세라믹 복합 구조체(100)의 고온 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.
다음으로는 금속층(40)에 대하여 설명하기로 한다. 금속층(40)은 금속이 판상 세라믹 입자(10)들을 둘러싸는 형태로 형성된다.
금속층(40)은 다양한 물질로 형성될 수 있지만 바람직하기로는 연성 형태의 금속으로 금속층(40)을 형성하는 것이 바람직하다.
이는 판상 세라믹 입자(10) 사이에서 금속층(40)이 전단 베어링과 같은 역할을 하여 주기 때문이다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체(100)는 이와 같이 배열된 판상 세라믹 입자(10) 층 사이로 금속 또한 층 형태로 형성되기 때문에 금속층이 전단 베어링과 같은 역할을 하여 전체 세라믹 복합 구조체(100)의 인성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이와 같은 본 발명의 특징 및 효과는 기존의 단순히 판상 세라믹 입자(10)를 고분자 재료에 혼합하여 사용할 때에는 나타낼 수 없는 효과로서 이하에서는 이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체(100)의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체의 제조방법을 나타낸 참조도로서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 복합 구조체 제조방법은 크게 (1) 슬러리 제조단계, (2) 기공을 포함하는 세라믹층 생성단계, (3) 복합화단계 및 (4) 치밀화단계로 이루어진다.
이하에서는 각 단계에 대하여 설명하기로 한다. 먼저 첫 번째 단계인 슬러리 제조단계는 도 2에 도시된 (a) 단계로서 판상 세라믹 입자(10)들을 물(20)에 분산시켜 슬러리를 제작하는 단계를 말한다.
다음으로 두 번째 단계인 기공을 포함하는 세라믹층 생성단계는 본 발명의 특징인 판상 세라믹 입자(10)들을 치밀하게 배열하고 치밀하게 배열된 판상 세라믹 입자(10) 주위에 기공을 형성하는 단계로서 본 발명은 이와 같은 치밀한 배열을 위해 얼음 주형을 이용한다.
상기 얼음 주형을 이용하는 방법은 주형과 주형에 슬러리를 주입한 후 슬러리를 동결 승화 시킨 다음 주형을 제거하여 기공을 포함하는 세라믹층(30)을 얻는 방법을 말한다.
즉, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 상기 슬러리를 주형(300)에 주입한 후 주형의 하부부터 상부로 슬러리를 동결 승화시킨 다음 주형(300)을 제거하여 판상 세라믹 입자(10)들이 배열된 기공을 포함하는 세라믹층(30)을 얻는다.
기공을 포함하는 세라믹층(30)은 도 2의 (C) 및 도 3에 도시한 바와 같이 세라믹 층(30)과 세라믹 층(30) 사이의 큰 기공층(32) 및 판상 세라믹 입자(10) 주변에 형성되는 미세 기공(36)으로 이루어진다.
여기서 상기 세라믹층(30)은 10~20㎛이며 큰 기공층(32)은 각각 20~50㎛인 것이 바람직하다.
이는 기공을 포함하는 세라믹층(30)이 열간가압되는데 세라믹층(30)과 큰 기공층(32)이 이와 같은 두께층을 가질 때 기공층(32)에 주입된 금속이 세라믹층의 미세기공(36)으로 주입되어 지그재그 형상으로 형성될 수 있기 때문이다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
다음으로 (3) 복합화 단계단계로 넘어가지만 사용자의 선택에 따라서는 기공을 포함하는 세라믹층(30)을 소결하여 줄 수 있다.
상기 소결은 1,400~1,600℃에서 1~3시간 동안 소결시켜 주는 것이 바람직하다.
다음으로 (3) 복합화 단계는 세라믹 층(30) 구조에 금속을 복합화하는 과정으로 다양한 방법으로 실시가 가능하다.
첫 번째 방법은 상기 세라믹 층(30) 주위에 형성된 기공에 금속을 채우는 형태로 복합화할 수 있다.
즉 상기 큰기공(32) 및 미세기공(36)에는 진공분위기하에서 세라믹 복합 구조체 전체 100 중량% 대비 5~25 중량% 금속염이 주입되도록 하며, 환원성 분위기에서 열처리를 통해 금속염을 환원한다.
금속이 25 중량%보다 많아질경우 금속의 함량이 너무 높아져 고온 안정성이 낮아지며 금속의 함량이 5% 보다 적어질 경우 인성 효과가 줄어드는 점이 있다.
상기 열처리 온도는 500℃ 내외가 바람직하며 열처리 시간은 5~10시간인 것이 바람직하다.
상기 미세기공(36)에 금속염 주입이 잘 되지 않을 경우 도 3에 도시된 바와 같이 열간가압시 큰기공(32)에 형성된 금속(40)을 미세기공(36)으로 주입하여 준다.
이와 같은 금속층 형성방법 이외에 슬러리에 주입되는 판상 세라믹 입자(10)를 도금하여 준 후 슬러이에 주입하여 금속층을 미리 판상 세라믹 입자(10)에 형성하여 줄 수 있다.
그리고 금속층이 도금된 판상 세라믹 입자(10)를 금속염 함침 및 환원 또는 도금을 통하여 복합화하여 준다.
다음으로 치밀화단계(4)는 복합화된 세라믹층(30)을 열간가압하여 치밀화를 이루는 단계를 말하며 치밀화 단계에서 위에 설명한 바와 같이 상기 큰 기공(32) 및 미세기공(36)에 채워진 금속을 열간 가압을 통하여 판상 세라믹 입자(10) 주변에 생성된 미세 기공(36)에 금속층이 생성되도록 하고 서로 엇갈리게 가압하여 전체적인 세라믹 복합 구조체(100)의 세라믹층 구조는 지그재그 형상을 가지도록 한다.
이와 같이 지그재그 형상을 가짐으로써 강성을 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 금속 복합 구조체 제작방법은 이와 같이 얼음 주형을 이용하기 때문에 손쉽게 고온 적용성 및 인성이 높은 세라믹 금속 복합 구조체를 용이하게 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10: 판상 세라믹 입자 20: 물 30: 세라믹 층
32: 큰 기공층 34: 판상층 36: 미세 기공
100: 세라믹 복합 구조체 300: 주형

Claims (7)

  1. 동일한 형상을 가지는 판상 세라믹 입자들이 얼음주형을 통해 일방향으로 적층 배열된 판상층이 하나이상 적층된 세라믹 층: 및
    상기 판상 세라믹 입자를 둘러싸는 금속층:을 포함하며,
    상기 금속층은 상기 판상 세라믹 입자들이 포함된 슬러리를 얼음주형에 주입한 후 슬러리를 동결승화시키는 과정에서 생성되는 상기 세라믹 층 상기 판상 세라믹 입자들 사이의 미세기공에 금속염을 함침 및 환원하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 판상 세라믹 입자 및 판상층은 지그 재그 형상으로 적층되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 구조체..
  4. 동일한 형상을 가지는 판상 세라믹 입자들을 물에 분산시켜 슬러리를 제작하는 슬러리 제작단계(A);
    복수의 층으로 구분된 주형에 상기 슬러리를 주입한 다음 주입된 슬러리를 동결 승화시킨 후 주형을 제거하여 판상 세라믹 입자들을 일방향으로 적층 배열하며 판상 세라믹 입자 주변에 기공을 형성하는 세라믹층 생성단계(B);
    상기 판상 세라믹 입자 주위에 형성된 기공에 금속염을 함침 및 환원하여 기공에 금속층을 형성함으로써 상기 적층 배열된 판상 세라믹 입자(10)를 복합화하는 복합화 단계(C) ; 및
    상기 복합화된 세라믹층을 열간가압하여 치밀화를 이루는 치밀화단계(D);를 포함하는 세라믹 복합 구조체 제작방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 (A) 단계의 판상 세라믹 입자는 도금된 후 슬러리에 주입되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 구조체 제작방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 (B) 단계에서의 주형에 주입된 슬러리는 주형 하부부터 상부를 향하여 동결 승화되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 구조체 제작방법.
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