KR102216429B1 - 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물 - Google Patents

세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR102216429B1
KR102216429B1 KR1020180164823A KR20180164823A KR102216429B1 KR 102216429 B1 KR102216429 B1 KR 102216429B1 KR 1020180164823 A KR1020180164823 A KR 1020180164823A KR 20180164823 A KR20180164823 A KR 20180164823A KR 102216429 B1 KR102216429 B1 KR 102216429B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cordierite
composition
ceramic composition
thermal shock
zirconia
Prior art date
Application number
KR1020180164823A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200076774A (ko
Inventor
여동훈
신효순
임진현
김시연
권혁천
김범섭
Original Assignee
한국세라믹기술원
주식회사 원익큐엔씨
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 한국세라믹기술원, 주식회사 원익큐엔씨 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020180164823A priority Critical patent/KR102216429B1/ko
Publication of KR20200076774A publication Critical patent/KR20200076774A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102216429B1 publication Critical patent/KR102216429B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/16—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay
    • C04B35/18—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
    • C04B35/195—Alkaline earth aluminosilicates, e.g. cordierite or anorthite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3463—Alumino-silicates other than clay, e.g. mullite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

본 발명에 의한 세라믹 히터용 세라믹 조성물은 상기 세라믹 조성물의 총 중량에 대비하여, 상기 코디어라이트는 64~78 wt%, 상기 뮬라이트는 16~19.5 wt%, 상기 지르코니아는 2.5~20 wt% 각각 함유될 수 있다. 이러한 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 대략 200~250MPa 범위, 바람직하게는 238MPa 정도의 곡강도로서 우수한 기계적 강도를 갖는다. 또한, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 325~525℃의 고온에서 급냉하는 열 충격을 가해도 ΔT≤400℃에서는 곡강도가 거의 변하지 않는 값을 유지할 정도로 매우 우수한 열충격 저항성을 갖고, 또한 대략 1.5~3×10-6ㆍK-1, 바람직하게는 3×10-6ㆍK-1 정도로 낮은 우수한 열팽창계수 특성을 갖는다. 아울러, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 열충격후 기계적 강도의 저하가 거의 없는 우수한 열충격 피로 특성 또한 갖는다.

Description

세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물 {CORDIERITE BASED CERAMIC COMPOSITION FOR USE OF CERAMIC HEATER}
본 발명은 코디어라이트계 세라믹 조성물에 관한 것으로, 특히 낮은 열팽창계수와 우수한 기계적 강도를 가지면서도 열충격 저항성과 열충격 피로특성이 우수한 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물에 관한 것이다.
세라믹 히터는 우수한 내열성과 열충격 특성을 가져 고온으로 빠르게 승온이 가능하며, 반영구적으로 사용가능하므로 매우 유리하다. 또한, 세라믹 적층기술을 적용하여 평판형으로 제작할 경우, 박판형의 대면적 히터로 제작될 수 있으므로, 기타 IR 히터, 할로겐 램프 히터보다 부피와 교체주기를 크게 줄일 수 있으며, 경량화가 가능하고 친환경적이다.
특히, 세라믹 히터는 일반적으로 사용시 급격한 고온으로의 승온과 저온으로의 냉각을 반복하여 사용되기 때문에, 극한의 열충격 상황에 처해지는 일이 빈번하다. 따라서, 세라믹 히터로 적용가능한 소재 특성은 열충격 저항성이 높으면서도, 열팽창계수가 낮고 치밀한 미세구조와 높은 기계적 강도 및 안정적인 소결성을 갖는 것이 요구된다.
상기 세라믹 히터로서 적용가능한 소재 중의 하나로서, 알루미나-실리카-마그네시아계 화합물(2MgO-2Al2O3-5SiO2)인 코디어라이트(cordierite)가 있으며, 이는 대략 2.0×10-6ㆍK-1 정도의 매우 낮은 열팽창계수로 인하여 우수한 열충격 저항성을 가져 내열 충격성 재료로 널리 적용되어 왔다. 이는 낮은 유전율과 높은 전기절연 특성을 가져 유리하다. 일반적으로, 이러한 코디어라이트 조성물은 MgO, Al2O3, SiO2 분말을 함유하고 이에 소결조제로서 희토류 산화물, SiO2, CaO, MgO 등을 첨가하여 소정 형상으로 성형한 후 대략 1000~1400℃ 범위의 온도에서 소결된다(일본 특개평02-229760호, 일본 특허공개공보 2001-15249호).
그러나, 이러한 코디어라이트는 5℃ 이하의 매우 좁은 소결온도 범위 특성을 가지므로, 고온에서 용융 및 분해되는 문제로 인하여 소결체 내부에 다수의 기공이 형성되어 낮은 기계적 강도를 가지는 단점이 있다. 또한, 상기 코디어라이트는 a축 및 b축은 2.5×10-6ㆍK-1, c축은 0.9×10-6ㆍK-1의 열팽창계수를 각각 갖는 이방성을 나타내므로, 승온과 냉각 과정에서 열팽창계수의 차이로 인한 미세균열이 형성되어 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 세라믹 히터로의 적용에 있어서 이러한 코디어라이트 조성물의 문제점들을 해결하는 것이 요청된다.
이에, 본 발명은 낮은 열팽창계수와 우수한 기계적 강도를 가지면서도 열충격 저항성과 열충격 피로특성이 우수한 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물을 제공하기 위한 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물은 하기 성분 및 함량의 조성을 포함한다:
코디어라이트 64~78 wt%;
뮬라이트 16~19.5 wt%; 및
지르코니아 2.5~20 wt%.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물은 기지로서의 코디어라이트와 첨가물로서의 뮬라이트 및 지르코니아를 포함하는 코디어라이트계 세라믹 조성물로서, 상기 뮬라이트의 첨가량은 상기 코디어라이트 및 상기 뮬라이트의 합량 대비 10~50 wt% 범위이고, 상기 지르코니아의 첨가량은 상기 코디어라이트와 상기 뮬라이트 및 상기 지르코니아의 합량 대비 2.5~20 wt% 범위이다.
이때, 상기 세라믹 조성물의 소결온도는 1350~1435℃ 범위로 될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 조성물은 200~250MPa 범위의 곡강도와 1.5~3×10-6ㆍK-1 범위의 열팽창계수를 가질 수 있다.
또한, 상기 세라믹 조성물은 325~525℃ 범위의 온도에서 급냉시 ΔT≤400℃에서 상기 곡강도가 3% 미만의 범위로 변화하는 열충격 저항성을 가질 수 있다.
또한, 상기 코디어라이트계 세라믹 조성물은 225~825℃ 범위의 온도에서 실온으로 급냉하는 공정을 100회 반복시 ΔT≤800℃에서 상기 곡강도가 3% 미만의 범위로 변화하는 열충격 피로 특성을 가질 수 있다.
본 발명은 낮은 열팽창계수를 갖는 반면에 소성이 까다롭고 기계적 물성이 열악한 코디어라이트를 기지상으로 하고 이에 우수한 열적 안정성과 내열성 및 기계적 강도를 갖는 뮬라이트를 첨가함으로써 코디어라이트의 낮은 열팽창 특성을 유지하면서도 코디어라이트의 좁은 소결온도 범위를 완화함과 동시에 기계적 강도를 개선하고, 계속하여 이에 지르코니아를 더 첨가함으로써 소결성을 향상시켜 기계적 강도와 열충격 저항성을 더 상승시키면서도 낮은 열팽창계수를 갖고 열충격후 기계적 강도의 저하가 거의 없는 우수한 열충격 피로 특성을 갖는 코디어라이트계 세라믹 조성물을 제공하며, 이는 세라믹 히터로의 적용에 매우 유망하다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 6~12 조성물을 각각 1350~1435℃ 범위 내의 여러 소결온도에서 2시간 소결한 결과의 소결밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에서 최적의 소결온도로 관찰된 1400℃에서 소결된 본 발명 실시예 6, 7, 9, 10의 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)에서 지르코니아의 첨가량에 따른 상변화를 관찰하기 위하여 소결된 조성물의 결정상을 X선 회절 분석한 결과이다.
도 3a~3e은 도 2에서 관찰된 1400℃에서 소결된 본 발명 실시예 2, 6, 7, 9, 10 조성물(각각 차례로 ZrO2 0wt%, 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)의 각 파단면의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰한 사진으로서,
도 3a는 지르코니아 무첨가 조성(0wt% ZrO2: 실시예 2);
도 3b는 2.5wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 6);
도 3c는 5wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 7);
도 3d는 10wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 9); 그리고
도 3e는 20wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 10)의 각 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 관찰된 1400℃에서 소결된 본 발명 실시예 7 조성물(ZrO2 5wt% 첨가)의 미세구조에서 관찰된 이차상의 성분을 확인하기 위하여 EDS 분석한 결과이다.
도 5는 1400℃에서 소결한 본 발명 실시예 2(지르코니아 무첨가) 및 실시예 6~10 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 7.5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)에서 ZrO2 함량에 따른 그의 3점 곡강도(flexural strength) 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6는 순수 코디어라이트 조성물과 본 발명 실시예 7 및 9 조성물(각각 차례로 ZrO2 5wt%, 10wt% 첨가)에 각각 열충격을 가한 후 ΔT에 따른 3점 곡강도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6에서 열충격 저항성이 가장 우수한 것으로 나타난 본 발명 실시예 7 조성물(ZrO2 5wt% 첨가)에 열충격 피로를 가한 후 ΔT에 따른 3점 곡강도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명 실시예 2 조성물(지르코니아 무첨가 조성)과 실시예 6, 7, 9, 10 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)을 200~1000℃ 범위 온도에서 열팽창계수(αL)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
전술했듯이, 코디어라이트(2MgO-2Al2O3-5SiO2) 세라믹스는 그의 제조에 있어서 소성이 까다롭고 다공성 및 이방성으로 인해 기계적 물성이 낮아진다는 문제를 갖는다. 이는 일반적으로 극한의 열충격 상황에 처해지는 일이 매우 빈번한 세라믹 히터용 조성으로서는 부적합하다.
한편으로, 뮬라이트(mullite)는 알루미나-실리카계 화합물(3Al2O3-2SiO2)로서 고온에서도 안정적인 중간상으로 존재하며, 열적 및 화학적 안정성과 내열성이 우수하고, 대략 180MPa 정도의 기계적 강도를 갖는다고 알려져있다. 따라서, 본 발명은 이러한 뮬라이트를 상기 코디어라이트 조성에 첨가하면, 코디어라이트 고유의 좁은 소결온도 범위를 완화함과 동시에 기계적 강도를 개선할 수 있음을 고려하여 설계된다. 다만, 순수 뮬라이트는 대략 1600~1700℃ 범위의 높은 소결온도를 요하며, 특히 열충격 저항성이 떨어진다는 문제가 있다.
이러한 문제는 본 발명에서 상기 코디어라이트에 뮬라이트를 첨가한 조성에 지르코니아(ZrO2)를 더 첨가함으로써 해결될 수 있다. 즉, 본 발명에서 상기 조성에 지르코니아를 더 첨가하면, 소결성이 개선되어 소결온도가 저하되고 미세구조가 치밀화됨으로써 기계적 강도와 열충격 저항성을 보강할 수 있다. 이리하여, 본 발명의 최종 조성물은 당초 뮬라이트가 가진 낮은 열팽창계수와 유사한 수준의 우수한 열팽창 특성을 유지하면서도 소결성이 개선됨과 동시에 기계적 강도와 열충격 저항성이 개선될 수 있다. 이는 추후 기술되는 관찰 결과로부터도 입증된다.
따라서, 세라믹 히터용 조성물로서의 본 발명은 대략 2.0×10-6ㆍK-1 정도의 매우 낮은 열팽창계수를 갖는 코디어라이트를 기지로 하여 낮은 열팽창 특성을 유지하고, 이에 우수한 열적 안정성과 내열성 및 기계적 강도를 갖는 뮬라이트를 첨가함으로써 코디어라이트의 좁은 소결온도 범위를 완화함과 동시에 기계적 강도를 개선한다. 그리고, 계속하여 이에 지르코니아를 더 첨가함으로써 최종의 기계적 강도와 열충격 저항성을 더 상승시키면서도 낮은 열팽창계수를 갖는 코디어라이트계 세라믹 조성물을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 코디어라이트에 뮬라이트와 지르코니아가 첨가된 조성으로서, 상기 뮬라이트는 코디어라이트+뮬라이트 혼합물의 총 중량 대비 약 10~50 wt% 범위로 첨가될 수 있고, 상기 지르코니아는 코디어라이트+뮬라이트+지르코니아 혼합물의 총 중량 대비 약 2.5~20 wt% 범위로 첨가될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 상기 세라믹 조성물의 총 중량에 대비하여, 상기 코디어라이트는 64~78 wt%, 상기 뮬라이트는 16~19.5 wt%, 상기 지르코니아는 2.5~20 wt% 각각 함유될 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 추후 기술된 관찰 결과로부터 알 수 있듯이 대략 200~250MPa 범위, 바람직하게는 238MPa 정도의 곡강도로서 우수한 기계적 강도를 갖는다. 또한, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 325~525℃의 고온에서 급냉하는 열 충격을 가해도 ΔT≤400℃에서는 곡강도가 거의 변하지 않는 값(대략 3% 미만의 변화)을 유지할 정도로 매우 우수한 열충격 저항성을 갖고, 또한 대략 1.5~3×10-6ㆍK-1, 바람직하게는 3×10-6ㆍK-1 정도로 낮은 우수한 열팽창계수 특성을 갖는다. 아울러, 본 발명에 의한 세라믹 조성물은 225~825℃ 범위의 온도에서 실온으로 급냉하는 공정을 100회 반복시 ΔT≤800℃에서 상기 곡강도가 3% 미만의 범위로 변화하여 열충격후 기계적 강도의 저하가 거의 없는 우수한 열충격 피로 특성 또한 갖는다.
이러한 특성을 갖는 본 발명을 아래 실시예들을 통하여 해당 특성을 나타내는 도면들과 함께 아래에서 더 상세히 설명한다.
코디어라이트에 뮬라이트를 첨가한 세라믹 조성물의 제조
먼저, 코디어라이트에 뮬라이트를 첨가한 조성물을 제조하였다.
코디어라이트 분말에 대하여 뮬라이트 분말을 10~50 wt% 범위로 첨가하고, 에탄올을 용매로 하여 지르코니아 볼과 함께 24시간 동안 혼합한 후, 이 혼합물을 100℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 혼합물은 100MPa로 일축가압하여 15Φ 펠릿형으로 성형하였고, 이 성형체를 1340~1400℃ 온도범위에서 산화 분위기로 2시간 소결하였다.
이 소결체는 증류수에서 4시간 끓인 후 건조 무게 및 포수 무게, 현수 무게를 측정하여 아르키메데스(archimedes) 법으로 밀도를 확인하였다. 소결 밀도는 1400℃에서 가장 높았으며, 아래 표 1은 위와 같이 제조된 본 발명 실시예들의 조성과 1400℃에서의 소결 밀도를 나타낸다.
조성 (코디어라이트＋뮬라이트) 소결 밀도(g/cm3)
코디어라이트(wt%) 뮬라이트(wt%)
실시예 1 90 10 2.40
실시예 2 80 20 2.48
실시예 3 70 30 2.45
실시예 4 60 40 2.43
실시예 5 50 50 2.37
표 1에서 알 수 있듯이, 코디어라이트에 대한 뮬라이트의 첨가량이 20wt%일 때가 조성물의 소결 밀도가 최고값을 보였고 가장 우수한 소결성을 가졌다.
코디어라이트에 뮬라이트 및 지르코니아를 첨가한 세라믹 조성물의 제조
가장 우수한 소결성을 보인 위 실시예 2를 기준으로 하여 이에 지르코니아를 2.5~20 wt% 범위내에서 첨가한 조성물을 아래 표 2에 나타낸 조성의 실시예 6~9와 같이 제조하였고, 위 실시예 1~5와 동일한 제조공정으로 제조하되, 다만 소결온도는 1350~1435℃ 범위의 온도에서 산화 분위기로 2시간 소결하였다.
조성 (코디어라이트＋뮬라이트)
코디어라이트(wt%) 뮬라이트(wt%) 지르코니아(wt%)
실시예 6 80 20 2.5
실시예 7 80 20 5
실시예 8 80 20 7.5
실시예 9 80 20 10
실시예 10 80 20 20
실시예 11 80 20 30
실시예 12 80 20 50
먼저, 도 1은 표 2의 실시예 6~12 조성물을 각각 1350~1435℃ 범위 내의 여러 소결온도에서 2시간 소결한 결과의 소결밀도를 나타낸다. 그 결과, 도 1로부터 최적의 소결온도는 1400℃로 확인되었으며, 지르코니아의 첨가량이 증가함에 따라 소결 밀도가 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 2는 위에서 최적의 소결온도로 관찰된 1400℃에서 실시예 6, 7, 9, 10의 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)을 소결한 후, 지르코니아의 첨가량에 따른 상변화를 관찰하기 위하여 소결된 조성물의 결정상을 X선 회절 분석한 결과를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 모든 조성에서 코디어라이트와 뮬라이트 상의 피크가 관찰되었으며, 지르코니아의 첨가량이 증가할수록 지르코니아(ZrO2) 상 및 지르콘(ZrSiO4) 상, 스피넬(MgAl2O4) 상의 피크 강도가 증가함이 확인된다. 즉, 이는 지르코니아의 첨가량이 점차 증가함에 따라 조성물의 소결성이 개선됨을 의미한다.
또한, 도 3a~3e은 도 2에서 관찰된 1400℃에서 소결된 실시예 2, 6, 7, 9, 10 조성물(각각 차례로 ZrO2 무첨가, ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)의 각 파단면의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰한 사진으로서, 도 3a는 지르코니아 무첨가 조성(0wt% ZrO2: 실시예 2), 도 3b는 2.5wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 6), 도 3c는 5wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 7), 도 3d는 10wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 9), 그리고 도 3e는 20wt% ZrO2 첨가 조성(실시예 10)의 각 주사전자현미경 사진이다. 도 3a~3e를 참조하면, 지르코니아가 첨가되지 않은 실시예 2 조성의 경우 4㎛ 이상의 기공이 다수 관찰되는 반면(도 3a), 지르코니아가 2.5wt% 첨가되면서(실시예 6) 이차상이 생성되며 기공이 감소한다(도 3b). 그리고, 나아가 지르코니아가 5wt% 첨가로 첨가량이 늘어나면(실시예 7), 이차상이 더 생성되면서 가장 치밀한 미세구조를 가짐을 보인다(도 3c). 그러나, 지르코니아가 10wt% 이상으로 첨가되면(실시예 9~10), 이차상은 더 증가하지만, 미세기공 또한 함께 증가하여 치밀하지 못한 미세구조를 가지게 된다(도 3d~3e). 따라서, 본 실시예들로부터 지르코니아를 5wt% 첨가하는 것(실시예 7)이 가장 최적화된 조성임을 알 수 있다.
또한, 도 4는 도 2 및 도 3에서 관찰된 1400℃에서 소결된 실시예 7 조성물(ZrO2 5wt% 첨가)의 미세구조에서 관찰된 이차상의 성분을 확인하기 위하여 EDS 분석한 결과를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 주상은 Al-Si-Mg로 주성분을 이루고 있어 코디어라이트 및 뮬라이트 상임을 알 수 있고, 이차상은 Al-Si-Mg-Zr으로 다량의 Zr을 포함하고 있으므로 지르코니아(ZrO2) 및 지르콘(ZrSiO4) 상임을 알 수 있다. 이는 도 2의 XRD 분석결과와 경향성이 일치한다.
또한, 도 5는 1400℃에서 소결한 본 발명 실시예 2 및 실시예 6~10 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 7.5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)의 3점 곡강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 곡강도 측정을 위한 조성물 시편은 KSL1591에 따라 상기 시편이 길이 36㎜, 나비 4㎜, 두께 3㎜가 되도록 제작되었다. 도 5를 참조하면, 지르코니아가 5wt% 첨가된 조성(실시예 7)이 238MPa로 가장 높은 곡강도 값을 가지며, 이는 앞서 도 3c에서 확인된 바와 같이 가장 치밀한 미세구조를 가지는 조성이다. 이는 조성물의 미세구조와 그의 곡강도는 상당한 연관성이 있음을 보여준다.
또한, 도 6는 순수 코디어라이트 조성물과 본 발명 실시예 7 및 9 조성물(각각 차례로 ZrO2 5wt%, 10wt% 첨가)에 각각 열충격을 가한 후 3점 곡강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 사용된 상기 열충격은 325~525℃ 범위로부터 25℃의 물에 퀀칭(quenching)하되, 가혹한 조건의 열충격을 위하여 325~525℃ 범위의 고온에서 10분간 유지한 후, 10초 이내에 퀀칭하여 10분간 유지하였다. 도 6을 참조하면, 순수 코디어라이트 조성의 경우, 열충격을 가하기 전에는 약 106MPa의 곡강도 값을 가졌으나, ΔT 400℃에서는 약 83MPa로 21.7%만큼, ΔT 450℃에서는 약 57MPa로 46.2%만큼 각각의 강도 저하가 나타났다. 반면에, 본 발명 실시예 7 조성물(5wt% ZrO2 첨가 조성)에서는 열충격을 가하기 전에는 약 238MPa의 곡강도 값을 갖는 반면, ΔT 400℃에서는 강도 저하가 발생하지 않았으나, 다만 ΔT 450℃에서는 약 153MPa로 35.7%의 강도 저하가 나타났다. 따라서, 이는 본 발명 조성물은 높은 강도를 가지면서도 열충격 저항성 또한 우수함을 나타낸다.
또한, 도 7은 도 6에서 열충격 저항성이 가장 우수한 것으로 나타난 본 발명 실시예 7 조성물(5wt% ZrO2 첨가 조성)에 열충격 피로를 가한 후 3점 곡강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 사용된 열충격으로서 225~825℃ 범위로부터 25℃의 공기 중으로 냉각시켰으며, 225~825℃ 범위의 고온에서 10분간 유지한 후, 10초 이내에 공기 중으로 이동시켜서 10분간 유지하는 공정을 100사이클 반복하여 열충격 피로를 가하였다. 그 결과, 도 7을 참조하면, 온도 변화에 따른 곡강도값의 변화는 미미하였으며, ΔT 800℃까지 강도 저하가 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서, 이는 본 발명 조성물은 열충격 피로에도 강함을 나타낸다.
또한, 도 8은 본 발명 실시예 2 조성물(지르코니아 무첨가 조성)과 실시예 6, 7, 9, 10 조성물(각각 차례로 ZrO2 2.5wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt% 첨가)을 200~1000℃ 범위에서 열팽창계수를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 본 발명 조성물에서 지르코니아의 첨가량이 증가할수록 그의 열팽창계수가 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 그러나, 지르코니아가 5wt% 첨가된 조성(실시예 7)은 1000℃에서도 대략 3.00×10-6·K-1로 상대적으로 낮은 열팽창계수를 가짐을 알 수 있고, 이는 세라믹 히터로 실제 적용하기에 가장 적합하다.
위와 같이, 본 발명은 낮은 열팽창계수를 갖는 반면에 소성이 까다롭고 기계적 물성이 열악한 코디어라이트를 기지상으로 하고 이에 우수한 열적 안정성과 내열성 및 기계적 강도를 갖는 뮬라이트를 첨가함으로써 코디어라이트의 낮은 열팽창 특성을 유지하면서도 코디어라이트의 좁은 소결온도 범위를 완화함과 동시에 기계적 강도를 개선하고, 계속하여 이에 지르코니아를 더 첨가함으로써 소결성을 향상시켜 기계적 강도와 열충격 저항성을 더 상승시키면서도 낮은 열팽창계수를 갖고 열충격후 기계적 강도의 저하가 거의 없는 우수한 열충격 피로 특성을 갖는 코디어라이트계 세라믹 조성물을 제공하며, 이는 세라믹 히터로의 적용에 매우 유망하다.
이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.
아울러, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (6)

  1. 기지로서의 코디어라이트와 첨가물로서의 뮬라이트 및 지르코니아를 포함하는 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물에 있어서,
    상기 코디어라이트계 세라믹 조성물은 200~250MPa 범위의 곡강도와 1.5~3×10-6ㆍK-1 범위의 열팽창계수를 갖도록 상기 뮬라이트의 첨가량이 상기 코디어라이트 및 상기 뮬라이트의 합량 대비 20wt%이고 상기 지르코니아의 첨가량이 상기 코디어라이트와 상기 뮬라이트 및 상기 지르코니아의 합량 대비 5~20 wt% 범위인 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코디어라이트계 세라믹 조성물의 소결온도는 1350~1435℃ 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코디어라이트계 세라믹 조성물은 325~525℃ 범위의 온도에서 급냉시 ΔT≤400℃에서 상기 곡강도가 3% 미만의 범위로 변화하는 열충격 저항성을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코디어라이트계 세라믹 조성물은 225~825℃ 범위의 온도에서 실온으로 급냉하는 공정을 100회 반복시 ΔT≤800℃에서 상기 곡강도가 3% 미만의 범위로 변화하는 열충격 피로 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물.
KR1020180164823A 2018-12-19 2018-12-19 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물 KR102216429B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180164823A KR102216429B1 (ko) 2018-12-19 2018-12-19 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180164823A KR102216429B1 (ko) 2018-12-19 2018-12-19 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200076774A KR20200076774A (ko) 2020-06-30
KR102216429B1 true KR102216429B1 (ko) 2021-02-18

Family

ID=71120845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180164823A KR102216429B1 (ko) 2018-12-19 2018-12-19 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102216429B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004137114A (ja) * 2002-10-18 2004-05-13 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 電子部品焼成用治具
WO2012115136A1 (ja) * 2011-02-24 2012-08-30 京セラ株式会社 コージェライト質焼結体およびこのコージェライト質焼結体からなる半導体製造装置用部材

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004137114A (ja) * 2002-10-18 2004-05-13 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 電子部品焼成用治具
WO2012115136A1 (ja) * 2011-02-24 2012-08-30 京セラ株式会社 コージェライト質焼結体およびこのコージェライト質焼結体からなる半導体製造装置用部材

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200076774A (ko) 2020-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101757069B1 (ko) 알루미나 복합체 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법
JP2828986B2 (ja) セラミックス焼結体
KR100756619B1 (ko) 질화알루미늄 소결체, 반도체 제조용 부재 및 질화알루미늄소결체의 제조 방법
JP2007204336A (ja) 鉛フリー圧電セラミックス
CN109336588B (zh) 一种高温稳定高介低损耗高绝缘无铅陶瓷电容器材料及制备
CN110128127B (zh) 一种具有高压电性能及高温稳定性的铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷及其制备方法
Wang et al. Low-Temperature Sintering Li 3 Mg 1.8 Ca 0.2 NbO 6 Microwave Dielectric Ceramics with LMZBS Glass
KR0168302B1 (ko) 질화 알루미늄 소결체 및 그의 제조방법
KR20210119009A (ko) 세라믹 복합체 및 그 제조방법
KR101470322B1 (ko) 고강도 질화알루미늄 소결체 및 이의 저온 소결방법
KR102216429B1 (ko) 세라믹 히터용 코디어라이트계 세라믹 조성물
Suzuki et al. Mechanical properties of alkoxy-derived cordierite ceramics
KR102565344B1 (ko) 질화 알루미늄 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법
KR20240128080A (ko) 저온 무압소결에 의한 고밀도 마그네시아-알루미나 스피넬 세라믹의 제조방법
KR101723270B1 (ko) 세라믹스 소결체의 제조방법
KR20190052797A (ko) 고열전도성 마그네시아 조성물 및 마그네시아 세라믹스
KR100486121B1 (ko) 열팽창이 낮은 알루미늄 티타네이트- 지르코늄 티타네이트 세라믹 제조방법
JP2612545B2 (ja) 耐熱導電性セラミックス
JP3034100B2 (ja) 窒化珪素質焼結体およびその製造方法
KR102626997B1 (ko) 산화스칸듐을 소결조제로 포함하는 질화알루미늄 세라믹스 제조용 조성물, 질화알루미늄 세라믹스 및 그 제조방법
RU2242442C1 (ru) Способ формирования состава твердых растворов для изделий высокочастотной и микроволновой техники (варианты)
JP2543408B2 (ja) セラミックス製断熱部材及びその製造方法
JP2960591B2 (ja) 炭化ケイ素−窒化ケイ素−混合酸化物系焼結体およびその製造方法
KR20200049743A (ko) 고열전도성 마그네시아 조성물 및 마그네시아 세라믹스
JP3034099B2 (ja) 窒化珪素質焼結体およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant