KR101834858B1 - 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법 - Google Patents

실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Tetraethylorthosilicate(TEOS)를 전구체로, Ethanol(EtOH)를 용매로, Hydrogenchloride(HCl)를 촉매로 사용하고, 증류수(H2O)는 가수분해를 위해 첨가해 주어 제조되는 실리카 졸(Silica sol)의 점도를 제어하여 내열용 복합재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계; 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계; 증류수(H2O)를 적하시키는 단계; 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계: 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계; 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계; 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
따라서 초기 점도가 비교적 높은 RTM 공정의 적용에 적합한 점도의 졸 용액을 얻을 수 있으며, 매트릭스가 되는 실리카 겔의 수득률이 매우 높은 복합재를 얻을 수 있다.

Description

실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법{Manufacturing Method of Heat-Resisting Composite by Viscosity Control of Silica Sol}
본 발명은 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서서히 겔화되어 함침성이 좋은 점도의 실리카 졸(Silica sol)을 이용하여 내열용 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
내열용 복합재를 제조함에 있어서, 실리카(Silica)는 널리 알려진 재료이며, 졸겔(Sol-Gel)법은 실리카 제조에 주로 사용하는 방법이다. 상기 졸겔법을 이용한 무기계 매트릭스 제조는 비교적 낮은 온도에서 공정이 진행되기 때문에 복합재 제조 공정 시 성형온도에 의한 보강섬유의 손상을 최소화 할 수 있다.
일반적으로 기존의 졸겔법을 이용한 무기계 매트릭스 제조방법은 매트릭스가 되는 실리카 겔의 수득률이 현저히 낮으며, 초기 졸의 낮은 점도 및 졸의 급격한 점도 증가로 인한 겔화 등에 의해 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 통한 복합재료 제조공정에 적용되기 어렵다는 한계가 있다.
당해 기술분야에서는 기존의 졸겔법의 한계를 극복하기 위하여 다양한 방법으로 연구하고 있는바, 본 출원인은 졸-겔법을 이용한 유리섬유 방사용액 제조에 착안하여 실리카 졸의 점도를 제어함으로써, 초기 점도가 높고, 상온에서 RTM 공정에 적합한 점도로 비교적 장시간 유지되어 복합재료 제조를 위한 RTM 공정에 적용될 수 있으며, 소결 후 실리카 겔의 수득률이 높은 실리카 졸을 이용한 내열용 복합재 제조방법을 연구하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1424082호(2014.07.28.) 대한민국 등록특허공보 제10-0349632호(2002.08.24.)
본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계; 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계; 증류수(H2O)를 적하시키는 단계; 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계: 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계; 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계; 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계는, 상기 TEOS는 0.5 ~ 50 중량부, EtOH는 0.55 ~ 70 중량부, HCl은 0.0001 ~ 20 중량부, H2O는 0.4 ~ 90 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계는, 상기 항온수조의 내부 온도를 80℃로 유지하며, 6 ~ 7시간 200 ~ 300rpm으로 교반하도록 구성되는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 증류수(H2O)를 적하시키는 단계는, 상기 단계와 동시에 적하깔때기를 이용하여 소정 량의 증류수(H2O)를 1 ~ 2시간 동안 적하시키도록 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계는, 진공펌프를 이용하여 잔류용매(EtOH)를 용매회수트랩으로 제거하도록 구성하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 서서히 증진시키는 단계는, 상기 단계에서 제조되는 고농축 졸을 80℃ 오븐에서 축합중합 반응을 반복하여, 점도가 450cP 정도 유지되도록 구성하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계는, 상기 졸(sol)의 내부에 기포를 제거하는 탈포 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계는, 상기 단계에서 제조된 복합재를 질소분위기 하에서 온도범위 25 ~ 1,000℃에서 단계별로 승온 하면서 소결하도록 구성하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재를 제조하기 위한 단계별 공정은, 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계; 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계; 증류수(H2O)를 적하시키는 단계; 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계: 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계; 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계; 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 다른 특징은, 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계는, 상기 TEOS는 0.5 ~ 50 중량부, EtOH는 0.55 ~ 70 중량부, HCl은 0.0001 ~ 20 중량부, H2O는 0.4 ~ 90 중량부를 포함한다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계는, 상기 항온수조의 내부 온도를 80℃로 유지하며, 6 ~ 7시간 200 ~ 300rpm으로 교반하도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 증류수(H2O)를 적하시키는 단계는, 상기 단계와 동시에 적하깔때기를 이용하여 소정 량의 증류수(H2O)를 1 ~ 2시간 동안 적하시킨다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계는, 진공펌프를 이용하여 잔류용매(EtOH)를 용매회수트랩으로 제거하도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계는, 상기 단계에서 제조되는 고농축 졸을 80℃ 오븐에서 축합중합 반응을 반복하여, 점도가 450cP 정도 유지되도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계는, 상기 졸(sol)의 내부에 기포를 제거하는 탈포 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 또 다른 특징은, 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계는, 상기 단계에서 제조된 복합재를 질소분위기 하에서 온도범위 25 ~ 1,000℃에서 단계별로 승온 하면서 소결하도록 구성된다.
이상과 같은 본 발명은, 기존의 졸-겔법을 이용한 초기 졸의 낮은 점도 및 급격한 점도 증가의 문제점을 해소하기 위하여 실리카 졸의 점도를 제어하여 초기 점도가 높고, 상온에서 RTM 공정에 적합한 점도로 장시간 유지할 수 있어 복합재료 성형공정인 RTM 공정에 적용할 수 있다.
또한, 기존의 졸-겔법을 이용한 매트릭스 제조방법은 매트릭스가 되는 실리카 겔의 수득률이 현저하게 낮은 반면에 본 발명의 실리카 졸은 실리카 겔의 수득률이 월등히 높은 장점을 가지고 있다.
또한, 본 발명은 졸 생성 초기 약 350cP에서 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 과정에서 점도를 450cP까지 증가시켜 RTM 공정이 용이하도록 하는 장점을 가지고 있다.
또한, 기존의 졸겔법을 이용하여 제조한 졸을 복합재료의 매트릭스로 적용할 시에 졸의 낮은 점도로 매트릭스의 함침이 제대로 이루어지지 않는 문제점을 해소하기 위하여 실리카 졸의 점도를 증진시켜 매트릭스의 함침률을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 개략적인 단계별 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 졸-겔 화학반응을 나타내는 시성식이다.
도 3은 본 발명에 따른 RTM 공정에 적합한 점도를 갖는 실리카 졸의 제조방법을 나타내는 개략적인 단계별 공정도이다.
도 4는 종래의 겔 타임(a)과 본 발명에 따른 겔 타임(b)을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 실리카 겔의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 실리카/탄소섬유 복합재료의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 소결 전 실리카 겔(a)과, 소결 후 실리카 겔(b)의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 소결 전(a) 및 소결 후(b)의 모습이다.
도 9는 종래의 내열용 복합재(a)와, 본 발명에 따른 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재(b)의 SEM image이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료 사진(a)과, X-ray CT 촬영사진(b)이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료의 결함분석결과 사진들이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료의 결함(기공/기포 수 및 크기) 분석 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정 하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 사용된 용어나 단어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정 하려는 의도가 아니다. 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의 할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 개략적인 단계별 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 졸-겔 화학반응을 나타내는 시성식이고, 도 3은 본 발명에 따른 RTM 공정에 적합한 점도를 갖는 실리카 졸의 제조방법을 나타내는 개략적인 단계별 공정도이고, 도 4는 종래의 겔 타임(a)과 본 발명에 따른 겔 타임(b)을 비교한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 실리카 겔의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 실리카/탄소섬유 복합재료의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 소결 전 실리카 겔(a)과, 소결 후 실리카 겔(b)의 FT-IR 분석 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 소결 전(a) 및 소결 후(b)의 모습이고, 도 9는 종래의 내열용 복합재(a)와, 본 발명에 따른 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재(b)의 SEM image이고, 도 10은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료 사진(a)과, X-ray CT 촬영사진(b)이고, 도 11은 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료의 결함분석결과 사진들이고, 도 12는 본 발명에 따라 제조된 내열용 복합재의 시험시료의 결함(기공/기포 수 및 크기) 분석 그래프이다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법은, Tetraethylorthosilicate(TEOS)를 전구체로, Ethanol(EtOH)를 용매로, Hydrogenchloride(HCl)를 촉매로 사용하고, 증류수(H2O)는 가수분해를 위해 첨가해 주어 제조된다.
1. Tetraethylorthosilicate
고점도 실리카 졸을 제조하기 위하여 사용되는 출발물질 중 하나로서 SiO2를 제조하는 전구체이다. 이는 TEOS로 약칭되며, 본 발명에서는 SIGMA-ALDRICH사의 순도 99% 제품을 사용하였다.
2. Ethanol(EtOH)
고점도 실리카 졸을 제조하기 위한 용매제로 사용되며, 본 발명에서는 삼전화학(주)의 순도 99.5% 제품이 사용된다.
3. Hydrogenchloride(HCl)
고점도 실리카 졸을 제조하기 위한 촉매제로 사용되며, 본 발명에서는 삼전화학(주)의 순도 35.0 ~ 37.0% 제품이 사용된다.
4. H2O
본 발명에서는 가수분해를 위해 첨가해 주는 역할을 하며, 증류수가 사용된다.
이하 실시 예를 통하여 본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법을 구체적인 설명한다.
실시 예 1. 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재를 제조하기 위한 단계별 공정은, (a) 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계(S100); (b) 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계(S200); (c) 증류수(H2O)를 적하시키는 단계(S300); (d) 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계(S400): (e) 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계(S500); (f) 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계(S600); (g) 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계(S700);를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (a) 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계(S100)는, 상기 TEOS는 0.5 ~ 50 중량부, EtOH는 0.55 ~ 70 중량부, HCl은 0.0001 ~ 20 중량부, H2O는 0.4 ~ 90 중량부를 포함하도록 구성된다.
이러한 본 발명의 상기 (a) 단계는, TEOS, EtOH 및 HCl를 상기 중량부로 혼합하여 15분간 교반하여 균질용액이 되도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (b) 상기 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계(S200)는, 상기 항온수조의 내부 온도를 80℃로 유지하며, 6 ~ 7시간 200 ~ 300rpm으로 교반하도록 구성된다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (c) 증류수(H2O)를 적하시키는 단계(S300)는, 상기 (b) 단계와 동시에 적하깔때기를 이용하여 소정 량의 증류수(H2O)를 1 ~ 2시간 동안 적하시키도록 구성된다(도 3 참조).
이 때, 상기 소정 량의 증류수(H2O)를 적하할 때, 적하속도가 빨라서 1시간 미만이면 가수분해가 급격히 일어나서 침전물이 발생하고, 적하속도가 느려서 2시간을 초과하면 가수분해가 완만히 진행되어 진행에 차질을 초래한다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (d) 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 고농축하는 단계(S400)는, 진공펌프를 이용하여 잔류용매(EtOH)를 용매회수트랩으로 제거하도록 구성된다(도 3 참조).
본 발명의 고점도 실리카 졸을 이용한 내열용 복합재 제조방법의 (e) 상기 고농축 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계(S500)는, 상기 (d) 단계에서 제조되는 고농축 졸을 80℃ 오븐에서 축합중합 반응을 반복하여, 점도가 450cP 정도 유지되도록 구성된다.
이러한 본 발명의 축합 중합 반응을 반복하여 제조되는 고점도 실리카 졸은 도 4와 같은 겔 타임을 가진다. 도 4(a)는 촉매제로 사용되는 염소(HCl)의 량에 따라 시간이 짧은 모습을 나타내며, 본 발명에 다른 도 4(b)는 충분한 시간동안 점도의 변화가 적은 상태를 유지한다.
본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (f) 상기 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계(S600)는, 상기 졸(sol)의 내부에 기포를 제거하는 탈포 단계(S610)를 더 포함하도록 구성된다.
이러한 본 발명의 상기 RTM 공정은, 일반적인 VaRTM 공정으로, 금형 - 수지트랩 - 진공펌프로 이루어진 간단한 복합재 성형장비로 구성되며, 이 때, 상기 탈포 단계는, 졸 내의 기포를 제거하기위해 1시간 정도 상온에서 탈포시키고, 실리카 졸이 주입 완료된 금형은 70℃ 오븐에서 약 1주일간 겔화시키도록 구성된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법의 (g) 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계(S700)는, (f) 단계에서 제조된 복합재를 질소분위기 하에서 온도범위 25 ~ 1,000℃ 질소분위기 하에서 구간별로 승온하면서 소결하도록 구성된다. 이때, 상기 승온 구간은 25 ~ 200℃에서는 승온속도 10℃/min로, 600 ~ 1,000℃에서는 승온속도 10℃/min로 소결하며, 각 구간의 승온 온도에서 60분간 유지하도록 구성된다.
이러한 본 발명의 상기 (g) 소결 단계(S700)는, 겔화와 건조를 마친 실리카 겔은, 25 ~ 200℃에서 1% 내외, 200 ~ 500℃에서 9% 내외, 500 ~ 600℃에서 27%, 600 ~ 1,000℃에서 1% 내외의 중량감소를 보여, 63% 내외의 실리카가 잔존하도록 구성된다.
이러한 본 발명의 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재에 대한 다양한 실험과 분석결과는 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 상기와 같이 소결 단계(S700)를 거쳐서 수득된 실리카 겔과 소결전의 실리카 겔의 표면반사 적외선분광분석(FT-IR)을 한 결과, 실리카 겔에는 여러 가지 화학구조가 관찰되며, 다양한 분자식의 피크가 관찰되는 반면에(도 6(a)), 소결된 실리카 겔은 Si-O결합을 나타내는 피크만 관찰되었다.
도 9는 SEM image 을 참조하면, 종래의 복합재(a) 보다 본 발명에 따른 복합재(b)의 실리카 입자(백색으로 보이는 입자)의 비율이 월등히 높은 것으로 관찰된다.
도 10 ~ 도 12는, 본 발명에 따른 내열성 복합재를 X-ray CT 촬영하여 기공/기포 수와 크기를 분석한 것으로서, 본 실험의 시편에서는 2,411개의 기공이 검출되고, 총부피는 490.94㎣로 2.33%로 확인되었다.

Claims (7)

  1. Tetraethylorthosilicate(TEOS)를 전구체로, Ethanol(EtOH)를 용매로, Hydrogenchloride(HCl)를 촉매로 사용하고, 증류수(H2O)는 가수분해를 위해 첨가해 주어 제조되는 실리카 졸(Silica sol)의 점도를 제어하여 내열용 복합재를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 소정 량의 TEOS, EtOH 및 HCl을 혼합하여 균질의 혼합용액을 만드는 단계(S100);
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 혼합용액을 항온수조 내에서 교반하는 단계(S200);
    (c) 증류수(H2O)를 적하시키는 단계(S300);
    (d) 잔류용매를 제거하여 졸(sol)을 농축하는 단계(S400):
    (e) 상기 농축된 졸을 중합하여 점도를 증진시키는 단계(S500);
    (f) 상기 (e) 단계의 졸(sol)을 RTM 공정으로 복합재를 제조하는 단계(S600);
    (g) 상기 단계에서 제조된 복합재를 소결하는 단계(S700);를 포함하며,
    상기 TEOS는 0.5 ~ 50 중량부, EtOH는 0.55 ~ 70 중량부, HCl은 0.0001 ~ 20 중량부, H2O는 0.4 ~ 90 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 항온수조의 내부 온도를 80℃로 유지하며, 6 ~ 7시간 200 ~ 300rpm으로 교반하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 (b) 단계와 동시에 이루어지며, 소정 량의 증류수(H2O)를 1 ~ 2시간 동안 적하시키는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 (d) 단계에서 제조되는 농축된 졸을 80℃ 오븐에서 축합중합 반응을 반복하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (f) 단계에는, 상기 졸(sol)의 내부에 기포를 제거하는 탈포 단계(S610)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (g) 단계는, 상기 (f) 단계에서 제조된 복합재를 온도범위 25 ~ 1,000℃ 질소분위기 하에서 소결하며, 25 ~ 200℃에서는 승온속도 10℃/min로, 200 ~ 500℃에서는 승온속도 3℃/min로, 500 ~ 600℃에서는 승온속도 2℃/min로, 600 ~ 1,000℃에서는 승온속도 10℃/min로 소결하는 것을 특징으로 하는 실리카 졸의 점도제어를 통한 내열용 복합재 제조방법.






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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115925435A (zh) * 2022-11-28 2023-04-07 湖北三江航天江北机械工程有限公司 2.5d石英复合陶瓷天线罩快速复合成型方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5391213A (en) 1991-12-03 1995-02-21 Deutsche Forschungsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. Method for manufacturing fibre-reinforced structures with a glass matrix
WO2008015943A1 (en) 2006-07-31 2008-02-07 Fuso Chemical Co.Ltd. Silica sol and process for production thereof
CN104446580A (zh) * 2014-12-16 2015-03-25 中国人民解放军国防科学技术大学 一种连续纤维布增强二氧化硅陶瓷基复合材料的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5391213A (en) 1991-12-03 1995-02-21 Deutsche Forschungsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. Method for manufacturing fibre-reinforced structures with a glass matrix
WO2008015943A1 (en) 2006-07-31 2008-02-07 Fuso Chemical Co.Ltd. Silica sol and process for production thereof
CN104446580A (zh) * 2014-12-16 2015-03-25 中国人民解放军国防科学技术大学 一种连续纤维布增强二氧化硅陶瓷基复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COMPOSITES PART B: ENGINEERING, VOLUME 77

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115925435A (zh) * 2022-11-28 2023-04-07 湖北三江航天江北机械工程有限公司 2.5d石英复合陶瓷天线罩快速复合成型方法
CN115925435B (zh) * 2022-11-28 2023-09-12 湖北三江航天江北机械工程有限公司 2.5d石英复合陶瓷天线罩快速复合成型方法

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