KR102079215B1 - Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof - Google Patents

Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102079215B1
KR102079215B1 KR1020180027318A KR20180027318A KR102079215B1 KR 102079215 B1 KR102079215 B1 KR 102079215B1 KR 1020180027318 A KR1020180027318 A KR 1020180027318A KR 20180027318 A KR20180027318 A KR 20180027318A KR 102079215 B1 KR102079215 B1 KR 102079215B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
aluminum
metal
ceramic
heterocomposite
powder
Prior art date
Application number
KR1020180027318A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190106191A (en
Inventor
권한상
Original Assignee
부경대학교 산학협력단
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 부경대학교 산학협력단 filed Critical 부경대학교 산학협력단
Priority to KR1020180027318A priority Critical patent/KR102079215B1/en
Publication of KR20190106191A publication Critical patent/KR20190106191A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102079215B1 publication Critical patent/KR102079215B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/105Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material containing inorganic lubricating or binding agents, e.g. metal salts
    • B22F1/007
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/105Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B22F2009/043Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2202/00Treatment under specific physical conditions
    • B22F2202/13Use of plasma

Abstract

본 발명은 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있으며, 또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다. The present invention relates to a metal-ceramic heterocomposite for gaskets comprising (i) 50 to 99.9 volume percent aluminum or aluminum alloy, and (ii) 0.1 to 50 volume percent single-wall carbon nanotubes (SWCNTs). The metal-ceramic heterocomposite material for gasket according to the present invention has high strength, high toughness and high corrosion resistance as well as excellent radiation shielding performance through the combination of aluminum (or aluminum alloy) and carbon nanotubes. It can be customized for extreme environment gaskets and sealing parts that require high performance and is very useful as a material for parts that require very high safety, such as parts for machinery, automobiles, trains, ships, aerospace, especially nuclear power plants. In addition, the manufacturing method of the metal-ceramic heterocomposite for the gasket according to the present invention is used a lot in the conventional metal material manufacturing method Has the advantage of being environmentally friendly process is melting method instead have been manufactured according to solid-phase powder metallurgy process of the low-energy process which does not require that the burden on the environment such as the chromate treatment.

Description

개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료 및 그 제조방법{METAL-CERAMIC COMPOSITES FOR GASKET COMPOSED OF DISSIMILAR MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}Metal-ceramic heterocomposites for gaskets and methods for manufacturing the same {METAL-CERAMIC COMPOSITES FOR GASKET COMPOSED OF DISSIMILAR MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 개스킷용 소재로 사용되는 신규한 이종(異種) 복합재료 및 그 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a novel heterogeneous composite material used as a gasket material and a manufacturing method thereof.

일반적으로, 원자력발전소, 석유화학 플랜트, 화력발전소 등에서의 각종 배관의 접합부에는 내부를 유통하는 유체의 누설에 의해 야기될 수 있는 사고 등을 방지하기 위해 개스킷이 장착되어 있다.In general, gaskets are installed at joints of various pipes in nuclear power plants, petrochemical plants, thermal power plants, and the like to prevent accidents that may be caused by leakage of fluid flowing through the interior.

특히, 원자력 발전소의 경우 정상적인 운전조건뿐만 아니라 원자로 수명 말기의 LOCA(loss coolant accident), MSLB(main steam line break), HELB(high energy line brake) 등이 발생할 경우, 인체가 방사선에 노출될 수도 있으며 방사선에 노출된 인체는 방사선의 이온화 작용에 의해서 생체내의 세포조직이 파괴되고 어느 정도 이상으로 선량을 받을 때에는 급성 또는 만성적인 방사선 장애가 생기기도 하며 유전적인 변이가 유발되기도 하기 때문에, 원자력 발전소의 주요 부분에 사용되는 개스킷은 방사선에 대한 안정성이 필수적으로 요구된다.In particular, in the case of nuclear power plants, human body may be exposed to radiation when normal operating conditions as well as loss of coolant accident (LOCA), main steam line break (MSLB), high energy line brake (HELB), etc. occur at the end of the reactor life. The human body exposed to radiation is a major part of nuclear power plants because the ionization of radiation destroys tissues in the living body and when a dose is received to a certain degree, acute or chronic radiation disturbances and genetic mutations are caused. The gaskets used in the system are required for stability against radiation.

일반적으로, 디엔(diene)을 함유하는 EPDM(diene-containing terpolymer)은 내습성, 내코로나성, 우수한 온도 특성과 기계적 유연성 등과 같이 씰링용 소재로서의 우수한 특성으로 인하여 방사선 환경 내에서 사용되는 원자력 발전소의 안전계통, 인공위성 및 우주선의 개스킷 등의 씰링용 소재로서 폭넓게 사용되고 있다.In general, diene-containing terpolymers (EPDMs) containing dienes are used in radiation environments due to their excellent properties as sealing materials, such as moisture resistance, corona resistance, excellent temperature characteristics and mechanical flexibility. It is widely used as a sealing material for safety systems, satellites and spacecraft gaskets.

그러나, 원자력 시설이나 우주선과 같은 방사선 환경에서 사용되는 개스킷 등의 씰링용 소재로 상기와 같은 고무계 소재를 사용할 경우 자동산화(auto-oxydation)과정이 선행되는 방사선 열화에 직면하게 된다.However, when the rubber-based material is used as a sealing material such as a gasket used in a radiation environment such as a nuclear power plant or a spacecraft, an auto-oxydation process is faced with radiation deterioration.

한편, 자동차 등의 차량 엔진용 개스킷의 대부분은 스테인리스강 박판을 복수매 겹친 구조로 이루어지는데, 상기 스테인리스강은 일반적으로 강도 조정을 목적으로 냉간 압연(조질 압연)을 행한 후에 사용되고, 가공 경화에 의해 고강도가 얻어진 상태를 가진다.On the other hand, most gaskets for vehicle engines such as automobiles have a structure in which a plurality of stainless steel sheets are laminated, and the stainless steel is generally used after cold rolling (temper rolling) for the purpose of strength adjustment. High strength is obtained.

그런데, 최근 환경보호가 중대한 이슈로 부각됨에 따라 차량용 엔진의 연비 개선 및 출력 향상의 요구가 거세지고 있으며, 이에 대응해 차량용 개스킷용 소재에는 한층 더한 고강도와 복잡한 형상으로의 뛰어난 가공성이 동시에 요구되지만, 전술한 스테인리스강은 고강도화에 수반하는 가공성의 열화는 피할 수 없고 고강도화와 가공성의 양립을 충분히 만족할 수 없는 것이 현실이다.However, as environmental protection has emerged as an important issue in recent years, there is an increasing demand for improving fuel efficiency and power output of vehicle engines.In response, automotive gasket materials require more high strength and excellent processability in complex shapes. In the stainless steel described above, the deterioration of workability accompanying high strength is inevitable and the reality of both high strength and workability cannot be sufficiently satisfied.

또한, 자동차 등 차량의 엔진에 장착되는 헤드 개스킷 등의 소재로서 사용되는 고무 코팅 스테인리스 강판은 고무층을 보다 강고하게 유지하기 위해서, 스테인리스 강판의 한쪽 면 또는 양면에 크롬 화합물, 인산, 실리카로 이루어지는 크로메이트 피막을 형성하고, 크로메이트 피막 위에 고무층을 적층한 개스킷재도 널리 사용되고 있으나, 크로메이트 처리를 한 개스킷재는, 6가 크롬이 크로메이트 처리액에 포함되는 등 환경 면에서 큰 문제를 안고 있다.In addition, a rubber coated stainless steel sheet used as a material such as a head gasket mounted on an engine of a vehicle such as an automobile is a chromate coating made of chromium compound, phosphoric acid and silica on one or both surfaces of the stainless steel sheet in order to maintain the rubber layer more firmly. Gasket material in which a rubber layer is laminated on a chromate film is widely used, but the gasket material subjected to the chromate treatment has a big problem in terms of environment such as hexavalent chromium is contained in the chromate treatment liquid.

한국공개특허 제10-2017-0135884호 (공개일: 2017.12.08.)Korea Patent Publication No. 10-2017-0135884 (Published: 2017.12.08.) 한국공개특허 제10-2011-0048533호 (공개일: 2011.05.11.)Korean Patent Publication No. 10-2011-0048533 (Published: 2011.05.11.) 한국공개특허 제10-2010-0134642호 (공개일: 2010.12.23.)Korea Patent Publication No. 10-2010-0134642 (Published: 2010.12.23.)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 기존 개스킷용 소재가 가지는 문제점에 착안해 우수한 기계적 특성, 내식성 및 경량성을 동시에 가지는 개스킷용 이종복합소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a heterogeneous composite material for gaskets having excellent mechanical properties, corrosion resistance and light weight at the same time, paying attention to the problems of the existing gasket material and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a metal for gasket comprising (i) 50 to 99.9% by volume of aluminum or aluminum alloy, and (ii) 0.1 to 50% by volume of single wall carbon nanotubes (SWCNT)- We propose ceramic heterocomposites.

또한, 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다:In addition, we propose a metal-ceramic heterocomposite for gaskets, which is prepared by a method comprising the following steps:

(a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계.(a) mixing (i) aluminum or aluminum alloy powder and (ii) single-walled carbon nanotube powder; And (b) spark plasma sintering (SPS) the mixed powder obtained in step (a) to produce a composite material.

또한, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 평균 입자의 크기는 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.In addition, the average particle size of the aluminum or aluminum alloy powder proposes a metal-ceramic heterocomposite for gasket, characterized in that 1 to 5 ㎛.

또한, 상기 단계 (a)에서는, 볼(ball)에 대한 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비를 10 : 1 내지 1 : 1으로 설정하여 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.In addition, in the step (a), the weight ratio of the aluminum or aluminum alloy powder and the single-wall carbon nanotube powder to the ball (10) is set to 10: 1 to 1: 1 planetary ball milling process (planatary ball milling process) We propose a metal-ceramic heterocomposite for gasket characterized in that).

또한, 상기 유성 볼밀링 공정은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.In addition, the planetary ball milling process proposes a metal-ceramic heterogeneous composite material for a gasket, characterized in that performed for 1 to 20 hours at 100 to 500 rpm.

또한, 상기 단계 (b)에서 500 내지 700 ℃의 온도 및 750 내지 850 MPa의 압력하에서 5 내지 20 분 동안 스파크 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.In addition, in the step (b) proposes a metal-ceramic heterocomposite for the gasket characterized in that the spark plasma sintering for 5 to 20 minutes at a temperature of 500 to 700 ℃ and a pressure of 750 to 850 MPa.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷을 제안한다.In addition, the present invention proposes a gasket composed of the metal-ceramic heterocomposite material in another aspect of the invention.

본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있다.The metal-ceramic heterocomposite material for gasket according to the present invention has high strength, high toughness and high corrosion resistance as well as excellent radiation shielding performance through the combination of aluminum (or aluminum alloy) and carbon nanotubes. It can be customized for extreme environment gaskets and sealing parts that require high performance and is very useful as a material for parts that require very high safety, such as parts for machinery, automobiles, trains, ships, aerospace, especially nuclear power plants. Can be utilized.

또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다.In addition, the manufacturing method of the metal-ceramic heterocomposite material for the gasket according to the present invention is manufactured by a low-energy solid-state powder metallurgical process instead of the melting method commonly used in the conventional metal material manufacturing method and burdens the environment such as chromate treatment It has the advantage of being an environmentally friendly process that does not require a process.

도 1은 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료 제조 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본원 실시예에 따라 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료를 제조하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본원 실시예에 따라 서로 다른 직경의 디스크 형태로 제조된 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료 시편의 사진이다.
1 is a process flowchart of a method for manufacturing a metal-ceramic heterocomposite for a gasket according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a method of manufacturing an aluminum-SWCNT composite material for the gasket according to the embodiment of the present application.
FIG. 3 is a photograph of an aluminum-SWCNT composite specimen for a gasket manufactured in the form of discs of different diameters according to an embodiment of the present disclosure.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments according to the concepts of the present invention may be variously modified and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 금속과 세라믹의 이종(異種) 소재를 스파크 플라즈마 소결법 등을 이용하여 복합화 하여 얻어지는, 금속의 인성과 세라믹의 내부식성 및 고강도성을 동시에 만족시키는 개스킷 및 씰링용 이종복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a gasket and a sealing heterogeneous composite material which satisfies both the toughness of the metal, the corrosion resistance and the high strength of the ceramic, which are obtained by complexing a dissimilar material of a metal and a ceramic using a spark plasma sintering method and a manufacturing method thereof. It is about.

본 발명에서와 같이 알루미늄 및 탄소나노튜브 소재의 복합화를 통해 각 소재의 장점을 살릴 경우, 우수한 기계적 특성, 내식성 및 경량성을 동시에 가져 원자력발전소, 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 사용가능한 패킹용 복합재료의 제조가 가능하며 각 물질의 구성 비율에 따라 다양한 물성 제어와 함께 원가 절감이 가능하다.When utilizing the advantages of each material through the complexation of aluminum and carbon nanotube materials as in the present invention, having excellent mechanical properties, corrosion resistance and light weight at the same time used in nuclear power plants, machinery, automobiles, trains, ships, aerospace It is possible to manufacture possible packing composite materials, and it is possible to reduce costs with various property control according to the composition ratio of each material.

구체적으로, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)가 복합화되어 이루어진 것을 특징으로 한다.Specifically, the metal-ceramic heterocomposite for gasket according to the present invention comprises (i) 50 to 99.9 volume% of aluminum or aluminum alloy, and (ii) 0.1 to 50 volume% of single wall carbon nanotube (SWCNT). Characterized in that made.

참고로, 알루미늄은 금속재료 중 상대적으로 가공이 용이하고 가벼운 특성으로 인해서 다양한 분야의 산업용 부품으로 사용되고 있지만 내부식성과 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 반면, 탄소나노튜브는 밀도가 낮고 우수한 기계적 특성과 세라믹 특유의 내부식성을 지니고 있어 다양한 산업 소재에 적용하기 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.For reference, aluminum is used as an industrial part in various fields due to its relatively easy processing and light characteristics among metal materials, but has a disadvantage of low corrosion resistance and low mechanical strength. On the other hand, carbon nanotubes are low in density, have excellent mechanical properties and corrosion resistance peculiar to ceramics, and many studies have been conducted to apply them to various industrial materials.

특히, 본 발명에서와 같이 알루미늄과-탄소나노튜브의 특성이 효율적으로 제어된 벌크를 제조하면 초경량/고강도/고인성의 이종복합재료를 제조할 수 있고 다양한 산업재료 특히, 유체에 침해되지 않음과 동시에 압력 및 온도에 대하여 탄성, 유연성을 가져야 하며, 강도를 잃지 않는 기밀성을 요구하는 개스킷 등 씰링(sealing)용 부재의 소재로서의 활용성이 대단히 높다.Particularly, when the bulk with controlled properties of aluminum and carbon nanotubes is efficiently controlled as in the present invention, it is possible to produce heterogeneous composite materials of ultra-light weight, high strength and high toughness, and at the same time, it does not interfere with various industrial materials, in particular, fluid It should be highly elastic and flexible with respect to pressure and temperature, and have a very high utility as a material for sealing members such as gaskets that require airtightness without losing strength.

본 발명에 따른 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷은 구성 물질의 조성의 조절에 따라 온도와 분위기(액상, 기상) 상관없이 사용이 가능하다. 더욱이, 탄소나노튜브는 방사능 차폐능을 지니고 있어 원자력 발전소용 개스킷 및 패킹 소재로 적용이 가능하다.The gasket made of the metal-ceramic heterocomposite material according to the present invention can be used regardless of temperature and atmosphere (liquid and gaseous phase) according to the control of the composition of the material. Moreover, carbon nanotubes have radiation shielding ability, which makes them applicable to gaskets and packing materials for nuclear power plants.

또한, 기존의 탄소 개스킷은 인성이 낮지만 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 알루미늄 고유의 연성(ductility)으로 인해서 더욱 더 밀폐성을 높일 수 있는 장점을 가진다. 나아가, CNT의 높은 전도성으로 인해서 종래의 도전성 개스킷처럼 무선 주파수의 전파 누설을 감소시킬 수 있다.In addition, although the conventional carbon gasket has low toughness, the metal-ceramic heterocomposite material for gasket according to the present invention has an advantage of increasing sealing performance even further due to the inherent ductility of aluminum. Furthermore, the high conductivity of the CNTs can reduce radio wave leakage at radio frequencies like conventional conductive gaskets.

상기 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 필요에 따라 경사기능성 재료(functionally graded material: FGM)로 이루어질 수 있다.The gasket metal-ceramic heterocomposite material according to the present invention may be made of a functionally graded material (FGM) as necessary.

즉, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 그 두께 방향, 폭 방향, 길이 방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 SWCNT 조성 및 물성이 연속적 또는 단속적으로 변하는 구조를 가질 수 있다.That is, the metal-ceramic heterocomposite material for gasket according to the present invention has a structure in which aluminum (or aluminum alloy) and SWCNT composition and physical properties are continuously or intermittently changed in at least one of thickness, width, and length directions thereof. Can be.

일례로, 우수한 경도와 부식성이 요구되는 재료의 일측 표면부는 재료 내부에 비해 고함량의 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 일측 표면부로부터 타측 표면부로 가까워질수록 탄소나노튜브의 함량이 감소되는 경사층을 포함하여 극단적 특성 차이에 의한 박리와 응력 집중 등의 문제점을 해결할 수 있고, 재료의 타측 표면부는 고인성 기능 부여를 위해 알루미늄만으로 이루어질 수 있다.For example, one side surface portion of the material that requires excellent hardness and corrosiveness includes a higher content of carbon nanotubes than the inside of the material, and the closer to the other surface portion from the one side surface portion of the inclined layer is reduced carbon content It can solve problems such as peeling and stress concentration due to the extreme characteristic difference, and the other surface portion of the material may be made of only aluminum to give a high toughness function.

물론, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료가 경사 기능성 재료일 경우 그 구성은 상기 일례에 한정되는 것은 아니며, 재료의 사용 환경이나 형상 등에 따라 자유롭게 변화를 줘 사용할 수 있다.Of course, when the gasket metal-ceramic heterocomposite material according to the present invention is an inclined functional material, the configuration is not limited to the above example, and may be freely changed depending on the use environment or shape of the material.

한편, 상기 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)에 의한 분말야금공정을 통해 제조하는 것이 바람직하다.On the other hand, the metal-ceramic heterocomposite material for the gasket according to the present invention is preferably manufactured through a powder metallurgy process by spark plasma sintering (SPS).

일례로, 도 1에 도시한 바와 같이, (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 제조방법에 따라 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제조할 수 있다.For example, as shown in Figure 1, (a) mixing (i) aluminum or aluminum alloy powder and (ii) single-walled carbon nanotube powder; And (b) producing a composite material by spark plasma sintering (SPS) the mixed powder obtained in step (a), according to the manufacturing method of the metal-ceramic heterogeneous composite material for a gasket according to the present invention. Can be prepared.

이때, 상기 단계 (a)에서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합분말을 제조할 수 있다.At this time, in the step (a), it is possible to produce a composite powder having a uniform dispersion by ball milling the aluminum or aluminum alloy powder and single-wall carbon nanotube powder.

상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자의 크기가 0.1 내지 5 ㎛인 것을 사용할 수 있으며, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자크기가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 단일벽 카본 나노튜브 분말이 소결 공정 중에 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말과 함께 응집되어 균질한 복합재료를 수득하기 어렵고, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 평균입경이 5 ㎛를 초과하는 경우에는, 상기 카본 나노튜브의 균일한 분산이 어려워 불균일한 복합재료가 형성될 수 있어, 상기의 범위로 평균입경을 가지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자의 크기가 0.1 내지 2 ㎛인 것을 사용할 수 있다.The aluminum or aluminum alloy powder may have an average particle size of 0.1 to 5 μm, and the aluminum or aluminum alloy powder may have an average particle size of less than 0.1 μm, wherein the single-walled carbon nanotube powder is in the sintering process. It is difficult to obtain a homogeneous composite material which is aggregated together with aluminum or aluminum alloy powder, and when the average particle diameter of the aluminum or aluminum alloy powder exceeds 5 μm, uniform dispersion of the carbon nanotubes is difficult, resulting in a nonuniform composite material. May be formed, it is preferable to use an aluminum or aluminum alloy powder having an average particle diameter in the above range, more preferably the aluminum or aluminum alloy powder may be used having an average particle size of 0.1 to 2 ㎛ have.

또한, 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말은 기계적, 전기적, 열적 특성 등이 우수하고, 직경이 작아 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말이 갖는 특성을 더욱 향상시킬 수 있어, 후술할 단계에서 제조되는 복합재료의 물성 향상효과를 기대할 수 있다.In addition, the single-walled carbon nanotube powder is excellent in mechanical, electrical, thermal properties, etc., and the diameter is small to further improve the properties of the aluminum or aluminum alloy powder, the physical properties of the composite material produced in the steps to be described later An improvement effect can be expected.

상기 혼합분말은 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브 분말을 포함할 수 있으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말이 0.1 부피% 미만인 경우, 기계적 특성이 떨어지며, 50 부피%를 초과하는 경우에는 추가적인 물성 향상을 기대하기 어렵다. 바람직하게는 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말을 0.1 내지 1 부피%로 포함하도록 구성할 수 있다.The mixed powder may include 50 to 99.9% by volume of aluminum or aluminum alloy powder and 0.1 to 50% by volume of single wall carbon nanotube powder, and when the single wall carbon nanotube powder is less than 0.1% by volume, mechanical properties If it falls, if it exceeds 50% by volume it is difficult to expect further improvement in physical properties. Preferably it may be configured to include 0.1 to 1% by volume of the single-walled carbon nanotube powder.

또한, 본 단계에서는, 전동 볼밀링, 교반 볼밀링, 유성 볼밀링 등의 다양한 형태의 볼밀링 공정을 통해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하여 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다. 바람직하게는, 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 혼합분말을 제조할 수 있으며, 볼(ball)에 대한 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비(BPR)를 10 : 1 내지 1 :1으로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행할 수 있으며, 바람직하게는, BPR을 6 : 1로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행함으로써, 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다. 특히, 상기 유성 볼밀링 공정에 사용되는 볼은 자기윤활성, 인성 및 기계적 강도와 같은 특성이 우수한 지르코니아 볼을 사용할 수 있다.In addition, in this step, a homogeneous mixed powder may be prepared by mixing the aluminum or aluminum alloy powder and single-walled carbon nanotube powder through various types of ball milling processes such as electric ball milling, stirring ball milling, and planetary ball milling. Can be. Preferably, a mixed powder may be prepared by performing a planetary ball milling process, and a weight ratio (BPR) of the aluminum or aluminum alloy powder and single-wall carbon nanotube powder to a ball is determined. It is possible to perform the planetary ball milling process by setting to 10: 1 to 1: 1, preferably, by performing the planetary ball milling process by setting the BPR to 6: 1, it is possible to produce a homogeneous mixed powder. In particular, the ball used in the planetary ball milling process may use a zirconia ball having excellent properties such as self-lubrication, toughness and mechanical strength.

또한, 상기 유성 볼밀링 공정을 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행할 수 있으며, 상기 유성 볼밀링 공정을 수행하는 시간이 1시간 미만인 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말이 조대한 입자를 형성하여 후술할 단계에서 스파크 플라즈마 소결을 통해 제조되는 복합재료의 물성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으며, 보다 바람직하게는, 상기 유성 볼밀링 공정을 250 rpm으로 5 내지 10시간 동안 수행하도록 구성하여 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다.In addition, the planetary ball milling process may be performed for 100 to 500 rpm for 1 to 20 hours, when the time to perform the planetary ball milling process is less than 1 hour, aluminum or aluminum alloy powder and single-wall carbon nanotube powder There may be a problem that the physical properties of the composite material produced through the spark plasma sintering in the step to be described later by forming the coarse particles, more preferably, the planetary ball milling process performed at 250 rpm for 5 to 10 hours It can be configured to produce a homogeneous mixed powder.

아울러, 본 단계에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 볼밀링하기 위해서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 혼합 분말에 이형제를 추가로 공급하여 볼밀링 공정 중에 발생할 수 있는 스티킹(sticking) 현상 등을 방지하도록 구성할 수 있으며, 상기 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하여 제조한 벌크형 복합재료의 물성을 해치지 않는 범위로 첨가할 수 있다.In addition, in this step, in order to ball mill the aluminum or aluminum alloy powder and the single-wall carbon nanotube powder, a release agent is additionally supplied to the mixed powder of the aluminum or aluminum alloy powder and the single-wall carbon nanotube powder to provide a ball milling process. It may be configured to prevent sticking phenomenon that may occur, and the mixed powder may be added in a range that does not harm the physical properties of the bulk composite material prepared by spark plasma sintering.

다음으로, 상기 단계 (b)에서는, 이전 단계에서 제조한 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 금속-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 단계이다.Next, in the step (b), a plasma plasma sintering (SPS) of the mixed powder prepared in the previous step is to prepare a metal-carbon nanotube composite material.

상기 스파크 플라즈마 소결은, 압력이 가해지는 조건에서 상기 혼합분말에 직류 전류를 가해 혼합분말의 입자 사이로 흐르는 펄스상의 직류 전류에 의해 불꽃방전 현상이 발생되고, 이에 의해 순간적으로 발생하는 스파크 플라즈마의 높은 에너지에 의한 열확산 및 전계 확산과 몰드의 전기저항에 의한 발열 및 가해지는 압력과 전기에너지에 의해 혼합분말이 소결되어 단시간에 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브를 복합화하여 치밀한 구조의 복합재료를 제조할 수 있으며, 이러한 소결능을 통해 복합재료 결정립의 성장을 효과적으로 제어할 수 있고, 균일한 미세구조를 갖는 금속-세라믹 이종복합재료를 제조할 수 있다.In the spark plasma sintering, a spark discharge phenomenon is generated by a pulsed DC current flowing between particles of the mixed powder by applying a direct current to the mixed powder under a pressure applied condition, whereby a high energy of the spark plasma is generated instantly. The composite powder is sintered by the thermal diffusion and electric field diffusion by heat, the heat generated by the electrical resistance of the mold, and the pressure and electrical energy applied to it, so that the aluminum (or aluminum alloy) and single-wall carbon nanotubes are mixed in a short time. Through the sintering ability, it is possible to effectively control the growth of the composite material grains, and to prepare a metal-ceramic heterocomposite having a uniform microstructure.

본 발명에서는 상기 스파크 플라즈마 소결 공정을 위해, 예를 들어, 상부전극 및 하부전극이 구비되어 전류를 공급해 스파크 플라즈마를 발생시켜 혼합분말을 소결할 수 있는 몰드를 수용하는 공간을 형성하는 챔버, 냉각수를 유통시켜 상기 챔버를 냉각할 수 있는 냉각부, 상기 상부전극 및 하부전극에 전류를 공급하는 전류공급부, 상기 챔버에 온도를 검출할 수 있는 온도감지부, 상기 챔버 내부에 내기를 외부로 배출할 수 있는 펌프, 상기 챔버 내부에 압력을 공급할 수 있는 압력공급부, 상기 온도감지부가 감지하는 온도에 따라 스파크 플라즈마 소결 공정의 온도를 제어하는 제어부 및 상기 제어부를 조절할 수 있는 조작부를 구비한 스파크 플라즈마 소결장치를 이용하여 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.In the present invention, for the spark plasma sintering process, for example, the upper electrode and the lower electrode is provided with a chamber to supply a current to generate a spark plasma to form a space for accommodating the mold for sintering the mixed powder, the cooling water A cooling unit capable of circulating and cooling the chamber, a current supply unit supplying current to the upper electrode and the lower electrode, a temperature sensing unit capable of detecting a temperature in the chamber, and a bet inside the chamber may be discharged to the outside. A spark plasma sintering apparatus having a pump, a pressure supply unit capable of supplying pressure to the chamber, a control unit controlling a temperature of the spark plasma sintering process according to a temperature sensed by the temperature sensing unit, and an operation unit controlling the control unit. The spark plasma sintering process can be performed.

본 단계에서는 상기 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결하기 위해서, 상기 스파크 플라즈마 장치에 구비된 펌프를 이용하여 챔버의 내부가 진공 상태가 될 때까지, 배기하여 감압시킴으로써, 챔버 내에 존재하는 가스 상의 불순물을 제거하고, 산화를 방지하도록 구성하여 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.In this step, in order to spark sinter the mixed powder, by using a pump provided in the spark plasma apparatus, the inside of the chamber is evacuated and depressurized until the inside of the chamber is in a vacuum state, thereby removing impurities in the gas phase present in the chamber. In order to prevent oxidation, the spark plasma sintering process may be performed.

또한, 상기 혼합분말을 100 ℃/분의 승온 속도로 소결 온도까지 가열하여 상기 혼합분말을 선예열한 후, 스파크 플라즈마 소결을 수행할 수 있고, 상기와 같은 승온속도로 혼합분말을 선예열하여, 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 혼합분말의 내부 및 외부에 균일한 온도가 공급됨으로 인해 균일한 구조의 이종복합재료를 형성시킬 수 있다.Further, the mixed powder is heated to a sintering temperature at a heating rate of 100 ° C./minute to preheat the mixed powder, and then spark plasma sintering may be performed, and the mixed powder may be preheated at the temperature rising rate as described above. Since the uniform temperature is supplied to the inside and the outside of the mixed powder through the plasma sintering process, it is possible to form a heterogeneous composite material having a uniform structure.

또한, 상기 스파크 플라즈마 소결 공정은 승온 속도를 조절하여 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료 입자의 성장을 억제할 수 있어 제조되는 복합재료의 크기를 제어할 수 있다.In addition, the spark plasma sintering process can suppress the growth of the composite particles of aluminum (or aluminum alloy) and single-walled carbon nanotubes by controlling the temperature increase rate to control the size of the composite material produced.

상기한 스파크 플라즈마 소결 공정은 바람직하게는, 500 내지 700 ℃의 온도에서 5 내지 20 분 동안 수행하도록 구성하여 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 제조할 수 있다. 이때, 스파크 플라즈마 소결온도가 500 ℃ 미만일 경우, 저밀도를 가지는 소결체가 제조되며, 스파크 플라즈마 소결 온도가 700 ℃를 초과하는 경우 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 결정립이 급성장하여 기계적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 5 분 미만으로 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 경우, 불완전한 소결로 인해 충분한 소결 효과를 기대하기 어렵고, 소결 시간이 20 분을 초과하는 경우, 에너지의 소모가 증가해 비경제적일 뿐만 아니라, 소결에 의한 치밀화 효과를 더 이상 기대하기 어렵다.The spark plasma sintering process is preferably configured to be performed for 5 to 20 minutes at a temperature of 500 to 700 ℃ to produce a composite material of metal and single-walled carbon nanotubes. At this time, when the spark plasma sintering temperature is less than 500 ℃, a sintered body having a low density is produced, when the spark plasma sintering temperature exceeds 700 ℃, the grains of the metal and single-walled carbon nanotube composite material rapidly grows and mechanical properties are deteriorated Can be. In addition, when the spark plasma sintering process is performed in less than 5 minutes, it is difficult to expect a sufficient sintering effect due to incomplete sintering, and when the sintering time exceeds 20 minutes, the energy consumption increases, which is not only economical, but also sintering It is difficult to expect the densification effect by.

아울러, 상기 스파크 플라즈마 소결 공정은 750 내지 850 MPa의 압력하에서 수행하도록 구성하여 혼합분말을 가압하여 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 제조할 수 있으며, 750 MPa 미만의 압력하에서는 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 밀도가 저하되는 단점이 있고, 850 MPa를 초과하는 경우에서는 압력이 높아 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료에 균열이 발생할 수 있어 상기한 조건으로 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.In addition, the spark plasma sintering process is configured to be carried out under a pressure of 750 to 850 MPa to pressurize the mixed powder to produce a composite material of aluminum (or aluminum alloy) and single-walled carbon nanotubes, pressure less than 750 MPa Under the disadvantages, the density of the composite material of the metal and single-walled carbon nanotubes is lowered, and when the pressure is higher than 850 MPa, cracks may occur in the composite material of the metal and the single-walled carbon nanotubes. A spark plasma sintering process can be performed.

또한, 본 단계에서는 상기와 같은 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 소결한 후, 상기 복합재료를 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 기계적 특성이 우수한 금속-탄소나노튜브 복합재료를 수득할 수 있다.In addition, in this step, after sintering the composite material of the metal and single-walled carbon nanotubes as described above, it may further include the step of cooling the composite material, through which the metal-carbon nanotube composite with excellent mechanical properties The material can be obtained.

본 단계에서는 100 내지 300 MPa의 압력을 유지하는 조건에서 상기 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 냉각하도록 구성하여 상기 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 표면 및 내부에 형성되는 보이드 등의 형성을 억제할 수 있다.In this step, the composite of the aluminum (or aluminum alloy) and the single-walled carbon nanotubes is cooled to maintain the pressure of 100 to 300 MPa so that the composite of the aluminum (or the aluminum alloy) and the single-walled carbon nanotubes Formation of voids and the like formed on the surface and inside of the material can be suppressed.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있다.The metal-ceramic heterocomposite material for gasket according to the present invention described above has high strength, high toughness and high corrosion resistance as well as excellent radioactivity shielding performance through the combination of aluminum (or aluminum alloy) and carbon nanotubes. It can be customized for extreme environment gaskets and sealing parts that require corrosion resistance and light weight, and material of parts that require very high safety such as parts for machinery, automobiles, trains, ships, aerospace, especially nuclear power plants It can be very useful as

또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다.In addition, the manufacturing method of the metal-ceramic heterocomposite material for the gasket according to the present invention is manufactured by a low-energy solid-state powder metallurgical process instead of the melting method commonly used in the conventional metal material manufacturing method and burdens the environment such as chromate treatment It has the advantage of being an environmentally friendly process that does not require a process.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Embodiments according to the present disclosure may be modified in many different forms, and the scope of the present disclosure is not to be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예 및 비교예><Examples and Comparative Examples>

1. 개스킷용 알루미늄-단일벽 탄소나노튜브 이종복합재료(Al - 50vol% SWCNT)의 제조(실시예)1. Preparation of Aluminum-Single Wall Carbon Nanotube Heterogeneous Composite Material (Al-50vol% SWCNT) for Gasket (Example)

도 2에 도시한 바와 같이, 알루미늄 복합재료를 제조하기 위해 먼저, 알루미늄 분말(평균 입자 크기: 75 ㎛) 50 부피%와, 단일벽 탄소나노튜브(평균 길이: 약 10 um, 평균 직경: 약 5 nm) 분말 50 부피%를 유성 볼밀링 장치에 공급하고, 20 mL의 헵탄(heptane)을 투입하였다. 볼 대 혼합분말의 중량비를 8 : 1로 설정하여 볼을 투입하고, 250 rpm으로 6시간 동안 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 혼합분말을 제조하였다.As shown in FIG. 2, in order to prepare an aluminum composite, first, 50% by volume of aluminum powder (average particle size: 75 μm) and single-walled carbon nanotubes (average length: about 10 um, average diameter: about 5 nm) 50% by volume of powder was fed to the planetary ball milling apparatus and 20 mL of heptane was added. The ball was added by setting the weight ratio of the ball to the mixed powder to 8: 1, and a mixed powder was prepared by performing a planetary ball milling process at 250 rpm for 6 hours.

제조한 혼합분말을 탄소 몰드(~φ30mm)에 장입하고, 몰드를 스파크 플라즈마 소결 장치의 챔버에 장착하였다. 챔버에 압력을 진공상태가 되도록 조절하고, 상부 전극 및 하부 전극에 전류를 인가하여 650 ℃의 온도 및 800 MPa의 압력 조건하에서 10 분 동안 스파크 플라즈마 소결 공정을 실시해 알루미늄-단일벽 탄소나노튜브 이종복합재료 시편을 얻었다(도 3).The prepared mixed powder was charged into a carbon mold (˜φ30 mm), and the mold was mounted in a chamber of a spark plasma sintering apparatus. The pressure in the chamber was adjusted to a vacuum state, and a spark plasma sintering process was performed for 10 minutes at a temperature of 650 ° C. and a pressure of 800 MPa by applying an electric current to the upper electrode and the lower electrode, thereby dispersing the aluminum-single-wall carbon nanotube Material specimens were obtained (FIG. 3).

2. 알루미늄 소결체의 제조 (비교예 1)2. Preparation of Aluminum Sintered Body (Comparative Example 1)

알루미늄 분말만을 이용해 소결하는 것을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 알루미늄 소결체를 제조하였다.An aluminum sintered body was manufactured in the same manner as in the above example except that sintering using only aluminum powder was used.

3. 단일벽 탄소나노튜브 소결체의 제조 (비교예 2)3. Preparation of single-walled carbon nanotube sintered body (Comparative Example 2)

단일벽 탄소나노튜브 분말만을 이용해 소결하는 것을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 단일벽 탄소나노튜브 소결체를 제조하였다.A single-walled carbon nanotube sintered body was manufactured in the same manner as in the above example, except that sintering using only single-walled carbon nanotube powder was used.

<실험예>Experimental Example

실시예, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 시편에 대한 밀도 및 기계적 물성을 측정해 그 결과를 아래 표 1에 기재하였다.The density and mechanical properties of the specimens prepared in Examples, Comparative Examples 1 and 2 were measured, and the results are shown in Table 1 below.

아래 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 알루미늄에 탄소나노튜브를 복합화해 얻어진 본 발명에 따른 시편은, 용융법 등 종래 복합소재 제조법에 비해 간단하고 환경 친화적인 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 높은 탄소나노튜브 함량을 가짐에도 높은 상대밀도를 가지며, 또한, 알루미늄에 비해 향상된 경량성 및 탄성을 가지며, 특히, 무려 알루미늄의 무려 4배에 달하는 높은 경도를 가져 개스킷 등 씰링용 부품의 소재로서 최적화되었음을 확인할 수 있다.Referring to Table 1 below, the specimen according to the present invention obtained by complexing carbon nanotubes with aluminum in the above embodiment is a high carbon nanometer through a simple and environmentally friendly spark plasma sintering process as compared to a conventional composite material manufacturing method such as a melting method. Although it has a tube content, it has a high relative density, and also has an improved light weight and elasticity compared with aluminum, and in particular, it has a high hardness as much as four times that of aluminum, and thus it is confirmed that it is optimized as a material for sealing parts such as gaskets. have.

[표 1]TABLE 1

Figure 112018023362403-pat00001
Figure 112018023362403-pat00001

Claims (7)

(i) 50 부피%의 알루미늄; 및
(ii) 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하며,
하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료:
(a) 볼(ball)과, 알루미늄 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비를 8 : 1으로 설정하여 250 rpm으로 6시간 동안 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 알루미늄 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 650 ℃의 온도 및 800 MPa의 압력하에서 10분 동안 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계.
(i) 50% by volume of aluminum; And
(ii) 50 vol% single-walled carbon nanotubes (SWCNTs);
A metal-ceramic heterocomposite for a gasket, which is prepared by a method comprising the following steps:
(a) Performing a planetary ball milling process for 6 hours at 250 rpm with the weight ratio of the ball, aluminum powder and single-walled carbon nanotube powder to 8: 1, aluminum powder and single Mixing the wall carbon nanotube powder; And
(b) preparing a composite material by spark plasma sintering (SPS) the mixed powder obtained in step (a) at a temperature of 650 ° C. and a pressure of 800 MPa for 10 minutes.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 기재된 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷.A gasket composed of the metal-ceramic heterocomposite material according to claim 1.
KR1020180027318A 2018-03-08 2018-03-08 Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof KR102079215B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180027318A KR102079215B1 (en) 2018-03-08 2018-03-08 Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180027318A KR102079215B1 (en) 2018-03-08 2018-03-08 Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190106191A KR20190106191A (en) 2019-09-18
KR102079215B1 true KR102079215B1 (en) 2020-02-19

Family

ID=68070403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180027318A KR102079215B1 (en) 2018-03-08 2018-03-08 Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102079215B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112872360B (en) * 2021-01-13 2024-01-02 山西盛世永恒工程咨询有限公司 Mixed forming method of iron-based wear-resistant material
CN113427009B (en) * 2021-06-24 2022-08-30 西北工业大学 Composite material powder with reinforcement distributed in crystal and preparation and forming methods thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006315893A (en) * 2005-05-11 2006-11-24 Sumitomo Precision Prod Co Ltd Method for producing carbon nanotube-dispersed composite material

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009122618A1 (en) 2008-04-04 2009-10-08 Nok株式会社 Fluororubber/metal layered gasket material
KR101339461B1 (en) 2008-09-18 2013-12-06 도요타 지도샤 (주) Cylinder head gasket
KR101509028B1 (en) * 2013-03-14 2015-04-07 주식회사 대유신소재 Methods of manufacturing aluminium-carbon nanotube and aluminium-carbon nanotube composites manufactured by the methods
JP6629066B2 (en) 2015-04-09 2020-01-15 Nok株式会社 Gasket and manufacturing method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006315893A (en) * 2005-05-11 2006-11-24 Sumitomo Precision Prod Co Ltd Method for producing carbon nanotube-dispersed composite material

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190106191A (en) 2019-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102079215B1 (en) Metal-ceramic composites for gasket composed of dissimilar material and preparation method thereof
US8815167B2 (en) Electrode, electrically heating type catalyst device using same, and manufacturing method of electrically heating type catalyst device
Yin et al. Cold-sprayed metal coatings with nanostructure
Kaewsai et al. Thermal sprayed stainless steel/carbon nanotube composite coatings
WO2020117102A1 (en) Method for producing copper-based nano-composite material reinforced with carbon nanofibres
EP3904555A9 (en) Ultralimit alloy and preparation method therefor
KR20130125985A (en) Plasma spray surface coating on zirconium alloy for increasing the corrosion resistance at very high temperature
CN112030039A (en) Composite cladding and use thereof
Boulesteix et al. Steam oxidation resistance of slurry aluminum and aluminum/silicon coatings on steel for ultrasupercritical steam turbines
Askarnia et al. Fabrication of high strength aluminum-graphene oxide (GO) composites using microwave sintering
Lu et al. Thermal shock resistance and thermal conductivity of diamond-Cu composite coatings on Cu substrate via mechanical milling method
CN107663620B (en) Composite material for preparing metal-based heat-insulating coating
Hu et al. Bulk titanium–graphene nanocomposites fabricated by selective laser melting
Yang et al. Electrical conductivities and mechanical properties of Ti3SiC2 reinforced Cu-based composites prepared by cold spray
Nie et al. Friction and wear properties of copper matrix composites reinforced by tungsten-coated carbon nanotubes
CN100415504C (en) Anticorrosive magnesium-aluminium composite material and its preparing method
Tyagi et al. Residual, Corrosion & Tribological Behavior of HVOF Sprayed Sustainable Temperature-Dependent Carbon-Based Hybrid Composite Coating.
Kumar et al. Corrosion and wear properties on synthesized silicon carbon nanotubes
Du et al. Effect of Al content on chemical corrosion resistance of Al/SiC composites
Karimoto et al. Simultaneous boronizing and carburizing of titanium via spark plasma sintering
CN109306422A (en) A kind of preparation method of molybdenum carbide-molybdenum composite material
WO2009099239A1 (en) Electric discharge coating method and green compact electrode used therefor
Student et al. High-temperature corrosion of electric-arc coatings sprayed from powder core wires based on the Fe–Cr–B–Al system
Zhang et al. Ablation resistance of Ti2AlC ceramics at 1600° C in nitrogen plasma flame
CN102644046A (en) Anti-corrosion carbide 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