KR101722652B1

KR101722652B1 - 대기분위기하 초고온 안정 세라믹 복합 소재 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101722652B1
Application number: KR1020160104463A
Authority: KR
Inventors: 안희석; 전명표
Original assignee: 안희석
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2017-04-03

Abstract

본 발명은 대기분위기하에서 1800℃ 이상의 초고온 발열을 유지하고, 충분한 강도 및 경도를 갖으며, 비교적 저렴한 단가에 제조가 용이한 세라믹 복합 소재를 제조하는 세라믹 복합 소재 및 그 세라믹 복합 소재의 제조 방법에 관한 것으로서, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파우더와, 바인더, 분산제 및, ZAS(지르코니움 아세테이트 솔루션) 첨가제를 혼합한 후, 혼합물 파우더를 제조하는 파우더 제조 단계와; 상기 혼합물 파우더와 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파이버를 혼합하여 파이버 혼합물을 제조하는 파이버 혼합 단계와; 상기 파이버 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 성형 단계 및; 상기 성형물을 소결하는 소결 단계를 포함하는 제조방법과 이와 같은 제조방법으로 제조된 대기분위기하에서 초고온 안정성이 우수한 세라믹 복합 소재를 제공한다.

Description

대기분위기하 초고온 안정 세라믹 복합 소재 및 이의 제조 방법{A composite ceramic material having ultra high temperature stability in atmosphere and manufacturing method of the composite ceramic material}

본 발명은 대기분위기하에서 초고온 안정 세라믹 복합 소재 및 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 대기분위기하에서 1800℃ 이상의 초고온 발열을 유지하고, 충분한 강도 및 경도를 갖으며, 비교적 저렴한 단가에 제조가 용이한 세라믹 복합 소재를 제조하는 세라믹 복합 소재 및 그 세라믹 복합 소재의 제조 방법에 관한 것이다.

종래에 발열체로는 다양한 소재가 사용된다.

예를 들어, 1750℃ 이상의 초고온 발열체로는 텅스텐이나 몰리브덴이 사용된다. 그러나 텅스텐이나 몰리브덴은 산화나 침화가 쉽게 되어 진공이나 가스분위기에서만 사용해야 하는 문제점이 있다.

또한, Graphite(흑연) 히터는 가공이 용이하고 열 내구성이 좋아 2000℃ 이상의 초고온에서 사용하기 적합하나, Graphite(흑연) 히터 또한 산화가 쉽게 되어 진공로에서만 사용해야 하는 문제점이 있다.

또한, SiC(탄화규소) 히터는 가격이 저렴하여 중,고온용으로 널리 사용된다. 이러한 SiC(탄화규소) 히터는 내마모성이 좋아 열접촉식 면취기의 소자로 쓰이고 있으나, 사용할수록 저항이 증가하는 단점이 있고, 고온에서 카본이 휘발하여 1600~1650℃ 이상에서 사용할 수 없는 문제점이 있다.

또한, MoSi2(규화몰리브덴) 발열체는 현재 1700~1900℃의 초고온에서 내산화성 및 시간에 따른 저항이 일정하여 가장 안정적으로 인정받으나, MoSi2(규화몰리브덴) 발열체는 고온에서 재결정화 현상이 나타나고 취성이 매우 약해 열 접촉 가공에는 한계가 있다.

또한, 란탄크로마이트나, ZrB2(지르코늄 디보라이드) 등의 UHTC(Ultra high temperature composite) 물질은 합성, 성형, 소결이 매우 까다로워 제조 비용이 많이 들고, 특히 란탄크로마이트의 경우 승온시간이 매우 늦고 초고온에서 Cr이 휘발하는 등 발알물질 발생가능성으로 쓰이고 있지 않다.

이와 같이 종래에는 대기분위기하에서 초고온을 유지하고, 충분한 강도와 경도를 가지며, 비교적 저렴한 단가에 제조가 용이한 복합 소재가 없었다.

대한민국 등록특허 10-0937621호

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 대기분위기하에서 1800℃ 이상의 초고온 발열을 유지하고, 충분한 강도 및 경도를 갖으며, 비교적 저렴한 단가에 제조가 용이한 세라믹 복합 소재 및 이와 같은 세라믹 복합 소재의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 세라믹 복합 소재 제조 방법은,

지르코니아, 안정화지르코니아 및 하프늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 세라믹 분말 입자와 섬유상의 미세 구조를 가지는 보강재를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 세라믹 복합 소재 제조 방법은,

YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파우더와, 바인더, 분산제 및, ZAS(지르코니움 아세테이트 솔루션) 첨가제를 혼합한 후, 혼합물 파우더를 제조하는 파우더 제조 단계와;

상기 파우더 제조 단계에서 제조된 혼합물 파우더와 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파이버를 혼합하여 파이버 혼합물을 제조하는 파이버 혼합 단계와;

상기 파이버 혼합 단계에서 제조된 파이버 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 성형 단계 및;

상기 성형 단계에서 제조된 성형물을 소결하는 소결 단계

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 세라믹 복합 소재 제조 방법에 있어서,

상기 바인더ㆍ분산제ㆍZAS 첨가제ㆍYSZ 파우더ㆍYSZ 파이버는,

바인더 2~5중량%와, 분산제 1~3중량%와, ZAS 첨가제 3~7중량% 및, 나머지 중량%의 YSZ 파우더와 YSZ 파이버인 것을 특징으로 한다.

상기 YSZ 파우더 및 YSZ 파이버의 함량 비율이 YSZ 파우더 95~80중량%, YSZ 파이버 5~20중량%이며, 더욱 바람직하게는 상기 YSZ 파우더 95~85중량%, YSZ 파이버 5~15중량%의 비율인 것을 특징으로 한다.

상기 YSZ 파우더의 입도는 0.05~10㎛이며, 상기 YSZ 파이버는 직경이 0.1~10㎛, 길이는 1~500㎛이며, 더욱 바람직하게는 상기 YSZ 파우더의 입도는 0.1~1㎛이고, 200~500 nano size가 75중량%이며, 상기 YSZ 파이버는 직경이 0.5~5㎛, 길이는 약 45~150㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 파우더 제조 단계는, 혼합액을 1차 교반한 후 혼합액에서 발생한 기포를 제거하고, 기포를 제거한 혼합액을 다시 2차 교반하며, 교반한 혼합액을 통해 혼합물 파우더를 제조하고,

상기 성형 단계는, 파이버 혼합 단계에서의 파이버 혼합물을 CIP(냉간등방압력)또는 세라믹 성형이 가능한 기타 성형 방법으로 성형하여 성형물을 제조하고,

상기 소결 단계에서, 상기 성형물을 1차로 소결한 후 2차로 GPS 소결(가압소결)하는 것을 특징으로 하며,

더더욱 상기 파우더 제조 단계는, 혼합액을 1차 교반할 시 증류수 및, 직경이 다른 다수의 지르코니아 볼을 혼합액에 넣어 교반하며, 상기 GPS 소결은 1600~1800℃의 소결 온도 및 40~80bar의 소결 압력하에서 소결이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또 다른 과제로서 본 발명은 전술한 제조방법을 이용하여 제조한 대기분위기하에서 초고온 안정성이 우수한 세라믹 복합 소재를 제공한다.

본 발명은, ZrB2와 같이 합성자체가 어려운 UHTC(Ultra high temperature composite)나 희귀금속을 사용하지 않고, 일반적으로 구할 수 있는 YSZ 파우더와 YSZ 파이버의 혼합물을 이용하며, HP(hot press), SPS(spark plasma sintering) 또는 HIP(hot isotatic pressing)에 비해 비교적 저렴한 방법인 CIP(냉간등방압력성형)과 GPS(가스가압소결) 방식을 사용하여, 대기분위기하 1800℃ 이상의 초고온에서 안정한 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있으며, 상기 세라믹 복합 소재를 다양한 분야에 적용하여 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 복합소재 제조 방법의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명을 설명하기 위한 SEM 사진이다.

이하, 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 세라믹 복합 소재 제조 방법은, 파우더 제조 단계와, 파이버 혼합 단계와, 성형 단계 및, 소결 단계를 통해 이루어지며, 이러한 세라믹 복합 소재 제조 방법을 통해 초고온 안정 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있다.

파우더 제조 단계

YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파우더(powder)와, 바인더와, 분산제 및, YSZ 파이버(fiber)와의 결합력을 향상시키는 ZAS(지르코니움 아세테이트 솔루션) 첨가제를 혼합하여 혼합액을 제조한다.

이때, 상기 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파우더의 입도는 0.05~10㎛이며, 더욱 바람직하게는 0.1~1㎛(200~500 nano size가 75중량%)가 적당하며, 바인더로는 PVA(폴리비닐알콜)계의 수계 바인더이고, 분산제로는 PVA(폴리비닐알콜)계의 분산제를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에 널리 알려진 것이라면 특별한 제한 없이 사용이 가능하다.

이후, 상기 혼합액을 1차 교반한 후 기포를 제거하고, 기포를 제거한 혼합액을 다시 2차 교반한다.

계속해서, 상기 교반한 혼합액을 이용하여, 평균 입도 30~50㎛인 구형의 혼합물 파우더를 제조한다.

파이버 혼합 단계

상기 파우더 제조 단계에서 제조한 상기 혼합물 파우더와 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파이버를 혼합하여 파이버 혼합물을 제조한다

이때 상기 파이버 혼합물은 혼합물 파우더와 YSZ 파이버가 골고루 분산되게 혼합된다.

한편, 상기 파우더 제조 단계 및 파이버 혼합 단계에서의 바인더ㆍ분산제ㆍZAS 첨가제ㆍYSZ 파우더ㆍYSZ 파이버는, 바인더 2~5중량%와, 분산제 1~3중량%와, ZAS 첨가제 3~7중량% 및, 나머지 중량%의 YSZ 파우더와 YSZ 파이버로 비를 이룬다.

또한 상기 YSZ 파우더 및 YSZ 파이버의 함량 비율이 YSZ 파우더 95~80중량%, YSZ 파이버 5~20중량%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 YSZ 파우더 95~85중량%, YSZ 파이버 5~15중량%의 비율을 가지는 것이다

성형 단계

상기 파이버 혼합단계에서 제조한 파이버 혼합물을 성형하여 성형물을 제조한다.

이때, 상기 파이버 혼합물은 CIP(냉강등방압력) 공정을 통해 필요에 따른 형상의 성형물로 제조 되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에 널리 알려진 것이라면 특별한 제한 없이 사용이 가능하다.

소결 단계

상기 성형물을 1200℃ 이상의 산화로에서 1차 소결한다.

이후, 외형이 완성된 성형물의 정확한 높이, 직경, 각도 등의 치수를 위해 외형 가공을 실시한다.

계속해서, 1차 소결 및 외형 치수 가공이 된 성형물을 2차 GPS 소결(가압소결)을 실시하여 미세조직을 제어함으로써, 밀도가 높고 내열충격성이 강한 세라믹 복합 소재를 제조한다.

상술한 바와 같은 내용에 따른 본 발명에 따른 세라믹 복합소재 제조 방법의 개략적인 공정 흐름도를 도 1로 나타냈다.

이어서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 실시예의 구체적인 예시는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 이에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

실시예 1: 본 발명의 제조 방법에 따라 제조한 세라믹 복합 소재

YSZ 파우더와, PVA(폴리비닐알콜)계의 수계 바인더와, PVA(폴리비닐알콜)계의 수계 분산제 및, ZAS 첨가제를 혼합한다. 이때, YSZ 파우더의 입도는 0.05~10㎛이며, 더욱 바람직하게는 0.1~1㎛(200~500 nano size가 75중량%)로 하였다.

이후, 상기 혼합액을 볼밀 공정을 통해 충분히 균일하게 혼합되도록 하는데, 이때 증류수 500g과, 직경이 다른 다수의 지르코니아 볼(예를 들어 볼의 직경이 2mm, 5mm, 12mm)를 섞은 후, 혼합액을 48시간 동안 200rpm으로 충분히 혼합하였으며, 이때 볼밀 공정에서 증류수와 지그코니아 볼을 이용함으로써, 혼합액에 지르코니아 성분 이외에 불순물이 들어가지 않도록 하면서 혼합액을 고르게 혼합할 수 있었다.

그리고, 상기 볼을 건져내고 볼을 건져낸 혼합액을 1시간 이상 충분히 탈포시켜 기포를 제거하며, 기포를 제거한 혼합액을 교반기(stirrer)를 통해 50rpm으로 회전시키면서 교반하였다.

계속해서, 상기 교반한 혼합액이 스프레이드라잉(Spraydrying) 공정을 통하여 YSZ 파이버와 균일하게 혼합하기에 적합한 평균 입도 30~50㎛인 구형의 혼합물 파우더를 제조하였다. 즉 12 pin disk를 7000~8000rpm으로 회전시키면서 상기 교반한 혼합액을 분무하여 파우더를 제조하는 것이다. 이때 혼합액의 공급속도는 21~24rpm이고, 주입구(inlet) 온도는 170℃이며, 배출구(outlet) 온도는 108℃가 되도록 하였다.

이후, 상기 혼합물 파우더와 YSZ 파이버를 혼합하여 파이버 혼합물을 제조하는데, 이때 바인더ㆍ분산제ㆍZAS 첨가제ㆍYSZ 파우더ㆍYSZ 파이버는, 바인더 3.5중량%와, 분산제 1중량%와, ZAS 첨가제 5중량% 및, 나머지 중량%의 YSZ 파우더와 YSZ 파이버로 비를 이루도록 하였으며, 상기 YSZ 파우더 및 YSZ 파이버는 YSZ 파우더 95~80중량%, YSZ 파이버 0~20중량%에서 하기 표 1에서와 같이 다양한 비율로 조절을 하였다.

여기서, YSZ 파이버는 직경이 0.1~10㎛, 길이는 1~500㎛가 적당하나, 더욱 바람직하게는 직경이 약 0.5~5㎛, 길이는 약 45~150㎛인 것을 사용하였는데, 이는 YSZ 파이버의 길이가 너무 길면 상기 혼합물 파우더와의 균일한 혼합이 어렵고, YSZ 파이버의 길이가 너무 짧으면 파이버 강화조직을 얻을 수 없기 때문이다.여기서, 상기 혼합물 파우더와 YSZ 파이버의 혼합은 한 방향으로만 회전하는 볼밀이 아닌, 3차원으로 회전하면서 운동에너지를 골고루 전달하여 상기 혼합물 파우더와 YSZ 파이버가 골고루 분산되게 하는 turbular mixer를 이용하여 건식으로 혼합하였으며, 상기 혼합물 파우더와 YSZ 파이버는 120rpm의 속도로 6시간 이상 혼합하는 것이 바람직하며, 효율상 12시간 혼합하는 것이 제일 바람직하다.

이와 같이 상기 혼합물 파우더에 YSZ 파이버가 혼합되면, 세라믹 복합 소재가 제조될 시 초고온에서 열충격으로 인한 크랙(crack)을 방지하여 고온 강도 및 고온 안전성이 향상된다.

그리고, 상기 파이버 혼합물은 CIP(냉강등방압력) 공정을 통해 필요에 따른 형상의 성형물로 제조하였다.

이때, 상기 파이버 혼합물은 우레탄 튜브와 SUS core로 만들어진 몰드(mold)에 빈 공간이 생기지 않도록 일정 높이가 장입되었을 때 적절히 흔들어 주면서 골고루 장입한다. 이후 여러 개의 몰드를 CIP 내에 위치하고, 수압으로 가압을 하는 데 가압 및 감압시 형성체가 깨지지 않도록 승압 3분, 유지 3~30분, 감압 30분~1시간의 프로그램으로 진행하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 성형물을 1200℃ 이상의 산화로에서 1차 소결하였다.

이때, 승온은 바인더 승화온도구간, 상변화 온도 구간 등을 고려하여 평균 분 당 1℃가 적당하며, 승온된 상태에서 30분~2시간 유지한 후 노냉시킨다.

그리고, 몰드에 의해서 외형이 완성된 성형물의 정확한 높이, 직경, 각도 등의 치수를 위해 외형 가공을 실시한다.

계속해서, 1차 소결 및 외형 치수 가공이 된 성형물을 2차 GPS 소결(가압소결)을 실시하여 미세조직을 제어함으로써, 밀도가 높고 내열충격성이 강한 세라믹 복합 소재를 제조하여 초고온에서 안전성이 우수한 세라믹 복합 소재를 얻을 수 있었다.

이때, 2차 소결시 승온은 구간별로 분당 2~5℃로 나누어 승온한 후, 12시간 이상 유지 후 노냉한다. 승압은 초기 진공으로 퍼징(purging)을 한 후, 서서히 승압하여 소결 온도 1700℃에서 각각의 소결 압력 20bar, 40bar, 80bar로 12시간 이상 압력을 유지하며, 노냉시 서서히 압력을 낮춘다.

실험예 1: 세라믹 복합 소재의 YSZ 파이버 함량에 따른 물성 실험

표 1은 최적의 YSZ 파이버 첨가량을 알아보기 위하여, 혼합물 파우더의 조건과 성형, 소결 조건을 일정하게 하여 세라믹 복합 소재를 제조할 때, YSZ 파이버 첨가량에 따른 밀도, 경도, 파괴인성 및, 내열온도 데이터를 나타낸다.

시편	YSZ 파우더(wt%)	YSZ 파이버(wt%)	밀도(g/cm3)	경도(Hv)	파괴인성 (MPa·m^1/2)	* 내열온도(℃)
시편 1 (YSZ1)	100	0	5.9	1284	6.10	1305
시편 2 (YSZ2)	95	5	5.56	1252	7.02	1502
시편 3 (YSZ3)	90	10	5.26	1236	7.26	1531
시편 4 (YSZ4)	85	15	5.12	1221	7.14	1527
시편 5 (YSZ5)	80	20	4.91	1021	6.65	1421

(CIP 성형, 일반 산화로 1600℃ 소결)

* 내열 온도 : 상기 조건으로 제조한 세라믹 복합 소재를 가지고 core-shell 구조의 유도가열 발열 소자를 만든 후, 대기분위기하에서 유도가열에 의한 2시간 승온, 유지, 1시간 냉각 후에 파괴되지 않고 견디는 최대 온도를 의미함

표 1을 살펴보면, 밀도 및 경도는 YSZ 파이버를 첨가함에 따라 낮아지는 경향이 있으며, 특히 20중량% YSZ 파이버를 첨가하였을 때는 급격히 떨어지는 모습을 보였다. 이는 도 2의 SEM 조직사진에서 보듯이 기본적으로 YSZ 파이버를 첨가하면 YSZ 파이버 자체의 다공성 조직이 존재할 뿐만 아니라, YSZ 파이버와 YSZ 파우더 그레인(grain)들이 치밀하게 밀착하지 않으면 많은 기공들이 생기기 때문이다.

그러나 파괴인성과 내열 온도를 보면 YSZ 파이버 첨가량이 5중량%~15중량%사이에서는 매우 증가하여 10중량%에서 최대치를 보이다가 YSZ 파이버 20중량%에서는 다시 급격히 떨어지는 경향을 보인다. 이는 직경대비 긴 길이를 가진 YSZ 파이버가 들어감으로써 파괴인성과 고온 열충격에 의한 크랙 전파를 방지하는 효과가 나타났기 때문이지만, 너무 많이 들어가면 조직의 치밀성이 너무 떨어지고 기공도 증가하므로 파이버가 크랙 전파 방지 역할을 제대로 못하는 것에 기인한다.

이를 통해, 실시예 1에 따른 세라믹 복합 소재를 제조할 시, YSZ 파우더 및 YSZ 파이버가 YSZ 파우더 : YSZ 파이버 = 95~85중량% : 5~15중량%의 비를 이룰 때, 충분한 밀도, 경도, 파괴인성을 이루면서 매우 우수한 내열충격성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 특히 본 발명에 따른 세라믹 복합 소재를 제조할 시 YSZ 파우더 및 YSZ 파이버가 YSZ 파우더 : YSZ 파이버 = 90중량% : 10중량%가 될 시 가장 우수한 내열충격성을 나타내는 것을 알 수 있다.

한편, YSZ 파이버를 첨가함으로써 소재의 파괴인성과 내열온도가 올라갔지만 1700~1800℃ 이상의 초고온을 견디지 못하는 것은, 아직 YSZ 파우더 그레인(grain)과 YSZ 파이버의 결합조직이 치밀하지 못함에 기인하므로, 결합 조직을 더욱 치밀하게 하여 YSZ 파이버의 역할을 최대로 끌어올리기 위해 실시예 1과 같은 소결 공정이 필요하다.

실험예 2: 세라믹 복합 소재의 소결조건에 따른 물성 실험

표 2는 표 1에서 YSZ 파이버 함유량 실험시 가장 좋은 내열 특성을 나타낸 YSZ 파이버 10중량%가 함유된 파이버 혼합물을 가지고, 성형조건을 일정(CIP 2ton)하게 한 후, 기존 산화로 1600도 소결품 대비, YSZ 파이버와 YSZ 파우더의 결합 조직을 더욱 치밀하게 하기 위하여 GPS로 소결 온도를 올리면서 아르곤 가스(Ar gas) 압력을 20bar, 40bar, 80bar로 변동하였을 때의 밀도, 경도, 파괴인성 및, 내열 온도를 측정한 결과이다.

시편	소결온도(℃	소결압력(Ar, bar)	밀도(g/cm3)	경도(Hv)	파괴인성 (MPa·m^1/2)	* 내열온도(℃)
시편 1(YSZ31)	1600	0	5.26	1236	7.26	1531
시편 2(YSZ32)	1700	20	5.61	1284	7.75	1695
시편 3(YSZ33)	1700	40	5.76	1301	8.05	1782
시편 4(YSZ34)	1700	80	5.80	1309	8.24	1812<

* 내열온도 : 상기 조건으로 제조한 세라믹 복합 소재를 가지고 core-shell 구조의 유도가열 발열 소자를 만든 후, 대기분위기하에서 유도가열에 의한 2시간 승온, 유지, 1시간 냉각 후에 파괴되지 않고 견디는 최대 온도를 의미함

표 2를 살펴보면, 1600℃ 일반 산화로 소결 대비, GPS로 온도를 올리면서 압력을 증가시킬수록 도 3의 SEM 조직 사진에서 보듯이 YSZ 파우더와 YSZ 파이버의 결합 조직이 점점더 치밀해 지고 기공이 줄어드는 모습을 볼 수 있고, 파괴인성이 증가하며, 밀도 및 경도 값도 다시 증가하는 경향을 보였다.

또한, 미세조직이 치밀해지고 파괴인성이 증가할수록 내열온도가 급격히 증가하여 아르곤 가스(Ar gas) 압력을 40bar로 증가시켰을 때 이미 1700℃ 이상의 초고온을 견디었으며, 80bar로 증가시켰을 때는 1800℃ 이상에서 안정적인 내열 온도를 보였다. 마지막 80bar 압력으로 소결시킨 세라믹 복합 소재로 만든 소자의 유도가열 실험은 열접촉식 면취기에 적용하기 위하여 7시간 유지하는 실험을 하였으며, 그 이상의 온도가 필요하지 않았으므로, 더 이상 올리지는 아니하였다.

이를 통해, 기존 산화로에서 소결한 시편 1보다 GPS 소결까지 한 시편 2~4가 우수한 내열충격성을 나타내고, 소결 압력이 높을수록 우수한 내열충격성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 특히 소결 압력이 80bar일 경우 1800℃가 넘는 초고온에서 7시간 유지되더라도 우수한 내열충격성을 보인다. 따라서 소결 공정에서 2차 GPS 소결 시 소결 온도를 1700℃로 하고 소결 압력을 40~80bar로 할 시 내열충격성이 좋은 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 특히 소결 압력을 80bar로 할 때보다 우수한 내열충격성을 갖는 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편 표 2를 살펴 보면 소결 압력을 높을수록 내열온도가 높아지는 것으로 보아 소결 압력을 80bar 이상으로 하면 내열충격성이 더 좋은 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있을 것으로 유추되지만, 이러한 경우 세라믹 복합 소재의 밀도, 경도, 파괴인성이 적합한 수준을 벗어날 수도 있고, 이와 같이 소결 압력을 높여 세라믹 복합 소재를 제조하면 불필요하게 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, ZrB2와 같이 합성자체가 어려운 UHTC(Ultra high temperature composite)나 희귀금속(예를 들어 이리듐)을 사용하지 않고, 일반적으로 구할 수 있는 YSZ 파우더와 YSZ 파이버의 혼합물을 이용하며, HP(hot press), SPS(spark plasma sintering) 또는 HIP(hot isotatic pressing)에 비해 비교적 저렴한 방법인 CIP(냉간등방압력성형)과 GPS(가스가압소결) 방식을 사용하여, 대기분위기하 1800℃ 이상의 초고온에서 안정한 세라믹 복합 소재를 제조할 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 제조한 본 발명의 세라믹 복합 소재는, 1800℃ 이상의 초고온 산화로에 적용가능한 발열소자로 이용하여, 기존의 가스분위기나 진공분위기에서만 작업이 가능했던 작업들의 한계를 극복하여 많은 비용절감 및 응용 확대를 가져올 수 있으며, LCD, OLED의 핵심 부품이 강화글라스의 면취기에 적용되는 발열 가공 소자에 적용하여 기존의 다이아몬드 툴을 이용한 면취기 대비 획기적인 원가 절감이 되는 열접촉식 면취기의 안정적인 사용에 기여할 수 있는 장점이 있다.

Claims

YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파우더와, 바인더, 분산제 및, ZAS(지르코니움 아세테이트 솔루션) 첨가제를 혼합한 후, 혼합물 파우더를 제조하는 파우더 제조 단계와;
상기 파우더 제조 단계에서 제조된 혼합물 파우더와 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 파이버를 혼합하여 파이버 혼합물을 제조하는 파이버 혼합 단계와;
상기 파이버 혼합 단계에서 제조된 파이버 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 성형 단계 및;
상기 성형 단계에서 제조된 성형물을 소결하는 소결 단계
를 포함하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 바인더ㆍ분산제ㆍZAS 첨가제ㆍYSZ 파우더ㆍYSZ 파이버는,
바인더 2~5중량%와, 분산제 1~3중량%와, ZAS 첨가제 3~7중량% 및, 나머지 중량%의 YSZ 파우더와 YSZ 파이버인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 YSZ 파우더 및 YSZ 파이버의 함량 비율이 YSZ 파우더 95~80중량%, YSZ 파이버 5~20중량%인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 YSZ 파우더 95~85중량%, YSZ 파이버 5~15중량%의 비율인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 YSZ 파우더의 입도는 0.05~10㎛이며,
상기 YSZ 파이버는 직경이 0.1~10㎛, 길이는 1~500㎛인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 YSZ 파우더의 입도는 0.1~1㎛이고, 200~500 nano size가 75중량%이며,
상기 YSZ 파이버는 직경이 0.5~5㎛, 길이는 45~150㎛인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파우더 제조 단계는, 혼합액을 1차 교반한 후 혼합액에서 발생한 기포를 제거하고, 기포를 제거한 혼합액을 다시 2차 교반하며, 교반한 혼합액을 통해 혼합물 파우더를 제조하고,
상기 성형 단계는, 파이버 혼합 단계에서의 파이버 혼합물을 CIP(냉간등방압력)또는 세라믹 성형이 가능한 기타 성형 방법으로 성형하여 성형물을 제조하고,
상기 소결 단계에서, 상기 성형물을 1차로 소결한 후 2차로 GPS 소결(가압소결)하는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 파우더 제조 단계는, 혼합액을 1차 교반할 시 증류수 및, 직경이 다른 다수의 지르코니아 볼을 혼합액에 넣어 교반하는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 GPS 소결은,
1600~1800℃의 소결 온도 및 40~80bar의 소결 압력하에서 소결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 소재 제조 방법.
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