KR102324720B1 - Manufacturing method of Hydrogen functionalized Graphene-Metal composite casting materials - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material. More specifically, the present invention relates to a method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material, which strengthens a bonding force between graphene and metal by functionalizing hydrogen in a mixture of the graphene and the metal, minimizes the cohesion of graphene by improving the dispersion of graphene, and which enables easy mass production of a graphene-metal composite casting material by suppressing separation due to the difference in density between graphene and metal during casting. The method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material according to the present invention comprises: a material preparation step of preparing a graphene powder and a metal powder; a blending step of preparing a mixed powder by mixing the graphene powder with the prepared metal powder; a mixing step of enlarging a contact area between the graphene powder and the metal powder in the mixed powder by putting the mixed powder prepared through the blending step into a mixer in an inert gas atmosphere and then mixing at a predetermined temperature for a predetermined time; and a hydrogen functionalizing step of putting the mixed powder that has gone through the mixing step into a hydrogen-functionalizing device having an internal temperature lower than the melting point of the metal powder, letting a mixed gas, in which an inert gas and a hydrogen gas are mixed at a predetermined volume ratio, flow for a predetermined time into the hydrogen-functionalizing device into which the mixed powder has been put, and rapidly cooling the mixed powder put into the hydrogen-functionalizing device.

Description

수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법{Manufacturing method of Hydrogen functionalized Graphene-Metal composite casting materials}Manufacturing method of Hydrogen functionalized Graphene-Metal composite casting materials

본 발명은 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 그래핀 및 금속의 혼합물에 수소를 기능화시켜 그래핀 및 금속 간의 결합력을 강화시키고, 그래핀의 분산도를 향상시켜 그래핀의 응집현상을 최소화하고, 그래핀 및 금속 혼합물을 이용한 주조시 그래핀과 금속과의 밀도차이로 인한 분리현상을 억제시켜 그래핀-금속 합금을 다량으로 용이하게 주조할 수 있는 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material, and more particularly, to strengthen the bonding force between graphene and metal by functionalizing hydrogen in a mixture of graphene and metal, and dispersion of graphene It is possible to easily cast a large amount of graphene-metal alloy by minimizing the aggregation phenomenon of graphene by improving the degree of graphene and suppressing the separation phenomenon due to the difference in density between graphene and metal during casting using graphene and metal mixture. It relates to a method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material.

일반적으로 항공기, 자동차 등의 소재는 연비 개선, 에너지 사용량 절감 등을 목표로 점차 재료의 경량화 및 고강도화가 요구되고 있으며, 이를 만족할 복합재료에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.In general, materials for aircraft and automobiles are increasingly required to be lightweight and high-strength for the purpose of improving fuel efficiency and reducing energy consumption, and many studies on composite materials to satisfy these requirements are being conducted.

특히, 그래핀-금속 복합재 중 그래핀-알루미늄 복합재는 경량성, 고강도 및, 우수한 성형성 등의 장점으로 항공기 및 자동차 등의 구조 부재로 널리 활용되고 있다.In particular, among graphene-metal composites, graphene-aluminum composites are widely used as structural members of aircraft and automobiles due to their advantages such as light weight, high strength, and excellent formability.

종래 그래핀-금속 복합재는 금속 파우더와 그래핀 파우더를 혼합하고, 이를 밀링(milling)한 후, 소결(sintering)하는 분말야금 공정을 통해 제조되는데, 분말야금 공정의 경우, 그래핀 분말에서 그래핀 사이의 반데르발스 힘에 의해 그래핀 끼리 강하게 응집되는 성질을 가지고 있어 금속 기지 내에서 균일하게 분포하기 어렵고, 그래핀과 금속 기지 사이의 밀도 차이로 인해 그래핀이 금속 기지 내 분산하기 힘들고, 금속 기지 내 균일 분포성을 저하시키게 된다.Conventional graphene-metal composites are manufactured through a powder metallurgy process of mixing metal powder and graphene powder, milling it, and sintering it. In the case of powder metallurgy, graphene from graphene powder Due to the van der Waals force between the graphenes, it is difficult to distribute them uniformly in the metal matrix because the graphene has a property of strongly aggregating between them. The uniform distribution within the matrix is reduced.

또한, 응집된 그래핀은 복합 분말의 소결을 방해하여 밀도를 감소시키고, 복합 소재의 특성을 저하시키며, 그래핀을 알루미늄, 티타늄 등의 금속 분말과 혼합하여 소결하면 탄화 알루미늄, 탄화 티타늄 등의 탄화물을 형성하여 본래 그래핀에 의한 강화 효과를 기대할 수 없는 문제점이 있었다.In addition, the agglomerated graphene interferes with the sintering of the composite powder to reduce the density and reduce the properties of the composite material. There was a problem in that the reinforcement effect by the original graphene could not be expected by forming the graphene.

통상의 주조 공정을 이용하여 그래핀-금속 복합재를 제조하는 경우에는, 그래핀이 400℃ 이상에서 공기와 반응하여 산화되며, 금속과 반응하여 탄화물을 생성하거나, 그래핀과 금속 사이의 밀도차에 의한 분산 문제를 야기하여 주조 공정을 이용하여 그래핀-금속 복합재를 제조하기 힘든 문제점이 있었다.In the case of producing a graphene-metal composite using a conventional casting process, graphene is oxidized by reacting with air at 400° C. or higher, reacting with metal to produce carbide, or due to the density difference between graphene and metal. There was a problem in that it was difficult to manufacture a graphene-metal composite using a casting process due to the dispersion problem caused by the

이에, 등록특허 제10-1453870호(발명의 명칭:'용융 금속을 이용한 금속-탄소 복합체 제조방법') 및 공개특허 제10-2016-0050258호(발명의 명칭:'그래핀 금속 나노 복합 소재 및 그 제조방법')에서는 탄소 또는 그래핀 입자에 금속 및 세라믹 코팅층을 형성하거나, 세라믹 코팅층을 형성하여, 탄소 또는 그래핀과, 금속과의 밀도 차이를 줄일 수 있도록 하고, 금속 및 세라믹 코팅층이나 세라믹 코팅층만이 형성된 탄소 또는 그래핀 입자를 금속과 함께 용탕에 투입하여 탄소 또는 그래핀-금속 복합재를 주조 공정을 통해 제조할 수 있도록 하고 있으나,Accordingly, Registered Patent No. 10-1453870 (Title of the invention: 'Method for manufacturing a metal-carbon composite using molten metal') and Patent Publication No. 10-2016-0050258 (Title of the invention: 'Graphene metal nanocomposite material and In the manufacturing method'), a metal and ceramic coating layer or a ceramic coating layer is formed on carbon or graphene particles to reduce the density difference between carbon or graphene and metal, and a metal and ceramic coating layer or ceramic coating layer Carbon or graphene particles in which the bay is formed are put into the molten metal together with the metal so that carbon or graphene-metal composites can be manufactured through the casting process,

이와 같은 경우, 탄소 또는 그래핀 입자에 금속이나 세라믹 코팅층을 형성하기 위해 그래핀을 용매에 분산시키고, 세라믹 염을 첨가하여 혼합하거나, 무전해 도금 방식으로 코팅하도록 하고 있어 그 과정이 복잡하고 어려운 문제점이 있고, 금속과의 밀도 차이를 줄이기 위해 탄소 또는 그래핀에 금속이나 세라믹 코팅층을 형성하는 경우, 금속과 동일한 밀도값으로 맞추기가 어려운 문제점이 있으며, 주조 과정에서 형성된 코팅층의 두께 변화 등으로 밀도값이 변동되고, 용탕에 장입되는 그래핀의 일부가 기화하면서 외부로 배출되어 금속 기지에 균일하게 믹싱되기 어려운 문제점이 있다.In this case, in order to form a metal or ceramic coating layer on carbon or graphene particles, graphene is dispersed in a solvent, a ceramic salt is added and mixed, or the process is complicated and difficult because it is coated by an electroless plating method. In the case of forming a metal or ceramic coating layer on carbon or graphene to reduce the density difference with the metal, there is a problem in that it is difficult to match the same density value as the metal, and the density value due to the change in the thickness of the coating layer formed during the casting process, etc. This fluctuates, and a part of the graphene charged into the molten metal is discharged to the outside while vaporizing, so there is a problem in that it is difficult to uniformly mix with the metal matrix.

등록특허 제10-1453870호(발명의 명칭:'용융 금속을 이용한 금속-탄소 복합체 제조방법')Registered Patent No. 10-1453870 (Title of the invention: 'Method for manufacturing a metal-carbon composite using molten metal') 공개특허 제10-2016-0050258호(발명의 명칭:'그래핀 금속 나노 복합 소재 및 그 제조방법')Patent Publication No. 10-2016-0050258 (Title of the invention: 'Graphene metal nanocomposite material and manufacturing method thereof')

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그래핀 및 금속의 혼합물에 수소를 기능화시켜 그래핀 및 금속 간의 결합력을 강화시킬 수 있도록 하고, 그래핀의 분산도를 향상시켜 그래핀의 응집현상을 최소화할 수 있도록 하며,The present invention was derived to solve the above problems, and functionalized hydrogen in a mixture of graphene and metal to strengthen the bonding force between graphene and metal, and to improve the dispersibility of graphene to minimize agglomeration,

또한, 그래핀 및 금속 혼합물을 이용한 주조 공정시 그래핀과 금속과의 밀도차이로 인한 분리현상을 억제시켜 그래핀-금속 합금을 주조 공정을 통해 다량으로 용이하게 제조할 수 있도록 한다.In addition, in the casting process using the graphene and metal mixture, the separation phenomenon due to the density difference between the graphene and the metal is suppressed, so that the graphene-metal alloy can be easily manufactured in large quantities through the casting process.

상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 그래핀 분말 및 금속 분말을 준비하는 재료준비단계; 준비된 상기 금속 분말에 상기 그래핀 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계; 상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 불활성 가스 분위기의 믹싱기에 투입한 후, 소정온도로 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 그래핀 분말 및 금속 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계; 및, 상기 믹싱단계를 거친 혼합분말을 내부 온도가 상기 금속 분말의 녹는점 보다 낮은 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 혼합분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 혼합분말을 급냉시키는 수소기능화단계를; 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법을 제공한다.In one aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, a material preparation step of preparing a graphene powder and a metal powder; a mixing step of preparing a mixed powder by mixing the graphene powder with the prepared metal powder; A mixing step of increasing the contact area between the graphene powder and the metal powder in the mixed powder by adding the mixed powder prepared through the mixing step to a mixer in an inert gas atmosphere, mixing at a predetermined temperature for a predetermined time; And, the mixed powder that has undergone the mixing step is put into a hydrogen-functionalized device having an internal temperature lower than the melting point of the metal powder, and an inert gas and hydrogen gas are introduced into the hydrogen-functionalized device into which the mixed powder is introduced. a hydrogen functionalization step of rapidly cooling the mixed powder injected into the hydrogen functionalization device after flowing the mixed gas mixed in a predetermined volume ratio for a predetermined time; It provides a method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material, characterized in that it is formed by including.

본 발명의 일 형태에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법은, 상기 수소기능화단계를 거친 상기 혼합분말을 소정 온도로 가열된 가열용기 내에 투입하여 소정시간 동안 가열하는 고온열처리 단계를; 더 포함하여 형성될 수 있고, The method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to an aspect of the present invention includes a high-temperature heat treatment step of heating the mixed powder that has undergone the hydrogen-functionalized step into a heating vessel heated to a predetermined temperature and heating it for a predetermined time. ; It can be formed to further include,

바람직하게는, 상기 수소기능화단계 후, 상기 고온열처리 단계 전에, 상기 수소기능화단계를 거친 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하고, 상기 고 에너지빔의 조사를 통해 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 동안 가열하여 상기 혼합분말에 기능화되는 수소의 양을 조절하는 수소기능화 제어단계를; 더 포함하여 형성될 수 있다.Preferably, after the hydrogen functionalization step and before the high temperature heat treatment step, a high energy beam is irradiated to the mixed powder that has undergone the hydrogen functionalization step, and the mixed powder is heated to a predetermined temperature through irradiation of the high energy beam for a predetermined time. a hydrogen functionalization control step of controlling the amount of functionalized hydrogen in the mixed powder by heating while; It may be formed to further include.

본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법은, 그래핀 및 금속의 혼합물에 수소를 기능화시켜 그래핀 및 금속 간의 결합력을 강화시키고, 그래핀의 분산도를 향상시켜 그래핀의 응집현상을 최소화할 수 있으며,The method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention enhances the bonding force between graphene and metal by functionalizing hydrogen in a mixture of graphene and metal, and improves the dispersion of graphene by improving the dispersion of graphene. agglomeration can be minimized,

또한, 그래핀 및 금속 혼합물을 이용한 주조 공정시 그래핀과 금속과의 밀도차이로 인한 분리현상을 억제시켜 그래핀-금속 합금을 주조 공정을 통해 다량으로 용이하게 제조할 수 있게 된다.In addition, in the casting process using the graphene and metal mixture, the separation phenomenon due to the density difference between the graphene and the metal is suppressed, so that the graphene-metal alloy can be easily manufactured in large quantities through the casting process.

도 1은 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도;
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계, 수소기능화단계 및, 고온열처리단계 를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지, SEM 확대 이미지 및 EDX 분석 그래프;
도 3은 상기 고온열처리단계까지 거쳐 제조된 수소 함량 1% 미만의 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지;
도 4는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 수소기능화단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편1'), 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편2') 및, 순수 알루미늄 시편(이하 '시편3')의 각각에 대한 인장시험 결과 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 수소기능화 제어단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편4'), 고온열처리단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편5'), 수소기능화 제어단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편6'), 고온열처리단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편(이하 '시편7') 및, 순수 알루미늄 시편('시편3')의 각각에 대한 인장시험 주요 지표; 및,
도 6은 상기 시편2에 대한 인장시험을 실시한 후의 파단면에 대한 SEM 이미지 및 EDX 분석 결과 그래프; 이다
1 is a process block diagram showing a method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention step by step;
2a, 2b and 2c are graphene prepared through a material preparation step, a mixing step, a mixing step, a hydrogen functionalization step, and a high-temperature heat treatment step in the method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention. -SEM images of aluminum composite castings, SEM enlarged images and EDX analysis graphs;
3 is an SEM image of a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1% prepared through the high-temperature heat treatment step;
4 is an aluminum alloy specimen (hereinafter 'Specimen 1') using a graphene-aluminum composite cast material that has been subjected to a hydrogen functionalization step in the manufacturing method of the hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material according to the present invention, high temperature heat treatment step Tensile test result graph for each of an aluminum alloy specimen (hereinafter 'Specimen 2') and a pure aluminum specimen (hereinafter 'Specimen 3') using a graphene-aluminum composite cast material that has been roughed up to;
5 is an aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1% that has been roughed up to the hydrogen functionalization control step in the method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention (hereinafter 'Specimen 4'), an aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1% that has been subjected to a high temperature heat treatment step (hereinafter referred to as 'Specimen 5'), less than 3% hydrogen that has been subjected to a hydrogen functionalization control step An aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having 'Specimen 7') and the main indices of tensile tests for each of the pure aluminum specimens ('Specimen 3'); and,
6 is a graph of the SEM image and EDX analysis result of the fracture surface after performing a tensile test on the specimen 2; am

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.Hereinafter, embodiments of the present invention in which the above object can be specifically realized will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the present embodiments, the same names and reference numerals are used for the same components, and an additional description thereof will be omitted below.

도 1은 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법을 단계적으로 나타내는 공정 블럭도이고, 도 2a, 2b 및 2c는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계, 수소기능화단계 및, 고온열처리단계 를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지, SEM 확대 이미지 및 EDX 분석 그래프이며, 도 3은 상기 고온열처리단계까지 거쳐 제조된 수소 함량 1% 미만의 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지이다.1 is a process block diagram showing step by step a method of manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention, and FIGS. 2a, 2b and 2c are hydrogen-functionalized graphene-metal composite castings according to the present invention. In the method, the SEM image, the SEM enlarged image and the EDX analysis graph of the graphene-aluminum composite cast material manufactured through the material preparation step, the mixing step, the mixing step, the hydrogen functionalization step, and the high temperature heat treatment step, FIG. 3 is the high temperature It is an SEM image of a graphene-aluminum composite cast material with a hydrogen content of less than 1% manufactured through a heat treatment step.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 수소기능화단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편1'), 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편2') 및, 순수 알루미늄 시편('시편3')의 각각에 대한 인장시험 결과 그래프이고,In addition, FIG. 4 shows an aluminum alloy specimen ('Specimen 1') using a graphene-aluminum composite cast material that has been subjected to a hydrogen functionalization step in the manufacturing method of the hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material according to the present invention ('Specimen 1'), high-temperature heat treatment It is a graph of tensile test results for each of an aluminum alloy specimen ('Specimen 2') and a pure aluminum specimen ('Specimen 3') using a graphene-aluminum composite cast material that has been roughed up to the stage,

도 5는 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 수소기능화 제어단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편4'), 고온열처리단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편5'), 수소기능화 제어단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편6'), 고온열처리단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편7') 및, 순수 알루미늄 시편('시편3')의 각각에 대한 인장시험 주요 지표이며, 도 6은 상기 시편2에 대한 인장시험을 실시한 후의 파단면에 대한 SEM 이미지 및 EDX 분석 결과 그래프이다.5 is an aluminum alloy specimen (' Specimen 4'), an aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1%, which has been subjected to a high-temperature heat treatment step ('Specimen 5'), a hydrogen content of less than 3%, which has been subjected to a hydrogen functionalization control step An aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material with eggplant ('Specimen 6'), an aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 3% that has been roughed up to the high-temperature heat treatment step ('Specimen 7') ) and a tensile test for each of the pure aluminum specimens ('Specimen 3'), and FIG. 6 is a graph of the SEM image and EDX analysis result of the fracture surface after performing the tensile test on the specimen 2.

본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게, 재료준비단계와, 준비된 재료를 소정비율로 혼합하는 혼합단계와, 혼합분말을 균일하게 믹싱하는 믹싱단계 및, 믹싱한 혼합분말을 수소기능화 장치에 투입하여 수소를 기능화시키는 수소기능화단계를 포함하여 형성된다.As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention largely includes a material preparation step, a mixing step of mixing the prepared material in a predetermined ratio, and uniformly mixing the mixed powder. It is formed including a mixing step of mixing, and a hydrogen functionalization step of functionalizing hydrogen by putting the mixed powder into a hydrogen functionalization device.

상기 재료준비단계는, 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재를 제조하기 위해 재료로 사용되는 그래핀 분말 및 금속 분말을 준비하는 단계로, 상기 그래핀(graphene) 분말은 단일층 그래핀, 다층 그래핀, 기능화 그래핀 및, 산화 그래핀 등 층상 구조의 통상의 그래핀을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속 분말은 수소기능화(Hydrogen functionalized)가 가능하면서 주조 공정이 용이한 금속 분말을 이용할 수 있으며, 주조가 가능한 단일 원소 금속이나, 합금, 황화물 및, 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 분말로 형성될 수 있고, 널리 금속 및 합금으로 사용되는 철, 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘 및, 티티늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 분말일 수 있다.The material preparation step is a step of preparing graphene powder and metal powder used as a material to prepare a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material, wherein the graphene powder is single-layer graphene, multi-layered graphene Conventional graphene having a layered structure such as graphene, functionalized graphene, and graphene oxide may be used. In addition, as the metal powder, a metal powder that can be hydrogen functionalized and has an easy casting process can be used, and at least one selected from the group consisting of castable single element metals, alloys, sulfides, and nitrides. It may be formed as a powder of a metal, and may be a metal powder containing at least one metal selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel, magnesium, and titanium, which are widely used as metals and alloys.

상기 혼합단계는, 준비된 상기 금속 분말에 상기 그래핀 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계로, 준비된 상기 금속 분말 100 중량부에 상기 그래핀 분말 30 중량부 이하(0은 제외)를 상온에서 균질화기에 투입한 후, 상기 균질화기를100 ~ 3600 rpm으로 1시간 이상 작동시켜 밀도 차이에 따른 상기 금속 분말과 그래핀 분말 간의 분리현상을 최소화시키면서 상기 금속 분말과 그래핀 분말이 서로 균일하게 섞일 수 있도록 혼합하게 된다.The mixing step is a step of preparing a mixed powder by mixing the graphene powder with the prepared metal powder, and homogenizing 30 parts by weight or less of the graphene powder (excluding 0) in 100 parts by weight of the prepared metal powder at room temperature After input to the machine, the homogenizer is operated at 100 to 3600 rpm for at least 1 hour to minimize the separation between the metal powder and the graphene powder due to the difference in density and mix so that the metal powder and the graphene powder can be uniformly mixed with each other will do

상기 금속 분말 100 중량부에 혼합되는 상기 그래핀 분말이 30 중량부 보다 많게 혼합되는 경우에는, 초과된 그래핀 분말 양에 비해 상기 금속 분말과 균질하게 혼합되지 못하고, 주조 공정시에도 용융된 금속과 잘 섞이지 못해 그래핀 분말만 낭비하게 되는 문제점이 있으며, 상기 균질화기의 혼합속도 및 작동시간의 하한점 아래에서는 상기 금속 분말 및 그래핀 분말이 균일하게 혼합되기 힘들고, 상한점 보다 높은 경우에는 금속 분말 및 그래핀 분말의 혼합률에 비해 혼합비용이 현저하게 증가되는 문제점이 있다.When the graphene powder mixed with 100 parts by weight of the metal powder is mixed in more than 30 parts by weight, compared to the excess amount of the graphene powder, it is not homogeneously mixed with the metal powder, and the molten metal and the molten metal during the casting process There is a problem in that only graphene powder is wasted due to poor mixing, and it is difficult to uniformly mix the metal powder and graphene powder below the lower limit of the mixing speed and operating time of the homogenizer, and when it is higher than the upper limit, the metal powder And there is a problem in that the mixing cost is significantly increased compared to the mixing rate of the graphene powder.

상기 믹싱단계는, 상기 혼합단계를 통해 상기 금속 분말 및 그래핀 분말이 균일하게 혼합된 상기 혼합분말을 내부 불활성 가스 분위기로 조성되는 믹싱기에 투입한 후, 소정온도로 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 그래핀 분말 미 금속 분말 간의 접촉면적을 증가시키게 된다.In the mixing step, the mixed powder in which the metal powder and the graphene powder are uniformly mixed through the mixing step is put into a mixer composed of an internal inert gas atmosphere, and then mixed at a predetermined temperature for a predetermined time to mix the mixed powder The contact area between the heavy graphene powder and the fine metal powder is increased.

바람직하게는, 어트리션 밀(attrition mill), 볼 밀(ball mill), 제트 밀(jet mill) 등의 밀링(milling) 장치를 믹싱기로 활용하여 금속 분말 및 그래핀 분말이 서로 뭉쳐져 금속 분말 및 그래핀 분말 간의 물리적, 기계적 접촉면적을 증가시킬 수 있도록 한다. 또한, 상기 믹싱기 내부를 아르곤이나 질소 가스 등의 불활성 가스 분위기로 조성하여 금속 분말의 산화를 방지할 수 있도록 하고, 70 ~ 100℃에서 12시간 이상 믹싱을 실시하여 수소기능화를 위한 전처리 공정을 실시하도록 한다.Preferably, by using a milling device such as an attrition mill, a ball mill, or a jet mill as a mixer, the metal powder and the graphene powder are agglomerated together to form a metal powder and It makes it possible to increase the physical and mechanical contact area between graphene powders. In addition, the inside of the mixer is created in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen gas to prevent oxidation of the metal powder, and mixing is performed at 70 to 100° C. for 12 hours or more to perform a pretreatment process for hydrogen functionalization. let it do

상기 믹싱기 내부의 형성온도 및 작동시간의 하한점 아래에서는 그래핀 분말과 금속과의 접촉 친밀도가 저하되어 반데르발스 힘 등을 통한 상기 금속 분말 및 그래핀 분말 간의 물리적, 기계적 접촉면적이 충분하지 못하고, 상한점 보다 높은 경우에는 금속 분말 및 그래핀 분말 간의 물리적, 기계적 접촉면적에 비해 믹싱공정에 소요되는 비용의 효율이 저하된다.Below the lower limit of the forming temperature and operating time inside the mixer, the contact intimacy between the graphene powder and the metal decreases, so that the physical and mechanical contact area between the metal powder and the graphene powder through van der Waals force is insufficient. If it is higher than the upper limit, the cost efficiency of the mixing process is lowered compared to the physical and mechanical contact area between the metal powder and the graphene powder.

상기 수소기능화단계는, 상기 믹싱단계를 거친 혼합분말을 내부 온도가 상기 금속 분말의 녹는점 보다 낮은 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 혼합분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로, 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 혼합분말을 급냉시켜 상기 혼합분말 내에 수소를 기능화시키게 된다.In the hydrogen functionalization step, the mixed powder that has undergone the mixing step is put into a hydrogen functionalization device in which an internal temperature is formed at a predetermined temperature lower than the melting point of the metal powder, and into the hydrogen functionalized device into which the mixed powder is put, inert After flowing the mixed gas in which gas and hydrogen gas are mixed in a predetermined volume ratio for a predetermined time, the mixed powder injected into the hydrogen functionalizing device is rapidly cooled to functionalize hydrogen in the mixed powder.

통상 수소기능화란, 기지의 구조에 의해 수소 또는 수소가 발생될 수 있는 기능기가 갇혀 있는 형태로, 수소결합, 수소가 포함된 공유결합, 반데르발스 결합 등, 수소가 포함된 기능기의 결합 중 하나 이상의 결합을 통해 기지에 수소가 결합 또는 흡착되어 있는 것을 말한다.In general, hydrogen functionalization is a form in which hydrogen or a functional group that can generate hydrogen is trapped by a known structure, and among the bonding of functional groups containing hydrogen, such as hydrogen bonding, covalent bonding containing hydrogen, van der Waals bonding, etc. It means that hydrogen is bonded or adsorbed to the matrix through one or more bonds.

본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조제의 제조방법에 있어서, 그래핀-금속 혼합분말에 대한 수소기능화의 한 실시예로는, 먼저 금속 분말의 산화 방지를 위한 아르곤이나 질소 가스 등의 불활성 가스 100 부피부에 수소 가스 10 ~ 100 부피부로 혼합된 혼합가스를 혼합분말이 투입된 수소기능화 장치 내부로 흘려보내 주면서 장치 내부 온도는 상기 금속 분말의 녹는점 보다 낮게 300 ~ 800℃로 5시간 이상 유지한 후 실온으로 급랭시켜 상기 그래핀-금속 혼합분말에 대한 수소기능화를 실시하게 된다.In the method for manufacturing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting material according to the present invention, as an embodiment of hydrogen functionalization of the graphene-metal mixed powder, first, argon or nitrogen gas, etc. for preventing oxidation of the metal powder While flowing the mixed gas mixed with 10 to 100 parts by volume of hydrogen gas to 100 parts by volume of the inert gas into the hydrogen functionalization device in which the mixed powder is added, the temperature inside the device is lower than the melting point of the metal powder to 300 to 800 5 After maintaining for more than an hour, it is quenched to room temperature to perform hydrogen functionalization on the graphene-metal mixed powder.

상기 혼합가스 중 불활성 가스는 금속 분말의 산화를 방지하고, 수소 가스는 상기 혼합분말의 수소기능화에 기여하며, 상기 수소기능화 장치 내부에 산소가 있을 경우에는 상기 수소 가스와 반응하면서 물이 생성되어 외부로 배출된다. 불활성 가스 100 부피부에 혼합되는 상기 수소 가스가 10 부피부 보다 작은 경우에는 수소 기능화가 거의 일어나지 않고, 상기 수소 가스가 100 부피부 보다 많은 경우에는 수소기능화 장치 내 폭발의 위험성이 있으며, 상기 혼합가스를 수소기능화 장치 내부로 소정유량으로 지속적으로 흘려보내줌으로써, 수소기능화 장치 내부의 수소 가스의 농도를 유지시켜 상기 혼합분말에 수소가 지속적으로 기능화될 수 있도록 한다. The inert gas of the mixed gas prevents oxidation of the metal powder, the hydrogen gas contributes to the hydrogen functionalization of the mixed powder, and when there is oxygen in the hydrogen functionalization device, water is generated while reacting with the hydrogen gas is emitted as When the hydrogen gas mixed with 100 parts by volume of the inert gas is less than 10 parts by volume, hydrogen functionalization hardly occurs, and when the hydrogen gas is more than 100 parts by volume, there is a risk of explosion in the hydrogen functionalization device, and the mixed gas By continuously flowing into the hydrogen-functionalized device at a predetermined flow rate, the concentration of hydrogen gas inside the hydrogen-functionalized device is maintained so that hydrogen can be continuously functionalized in the mixed powder.

상기 그래핀-금속 혼합분말에 대한 수소기능화는 통상 그래핀 분말에 대부분이 발생하고, 금속 분말에 대한 수소기능화는 거의 미미한 수준으로 발생되며, 수소는 상기 그래핀 분말의 환원을 도와 산소를 제거하여 순도 높은 그래핀 분말을 형성하며, 그래핀 분말의 기타 잔류물을 제거하게 된다. 상기 산소 및 기타 잔류물이 제거된 자리에 수소가 결합하게 되고, 일부 그래핀과는 수소 간 공유결합을 형성하며, 그래핀 층과 층 사이의 반데르발스 힘에 의해 일부 수소는 갇히게 된다. 이 상태에서 서서히 냉각하게 되면 상기 그래핀-금속 혼합분말에 결합되어있던 일부 수소가 외부로 이탈될 수 있으며, 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조제의 제조방법의 상기 수소기능화 단계에서는 공정 후반에 실온으로 급랭시키는 과정을 두어 수소가 외부로 이탈되는 것을 최소화하게 된다.Most of the hydrogen functionalization of the graphene-metal mixed powder usually occurs in the graphene powder, and the hydrogen functionalization of the metal powder occurs at an almost insignificant level, and hydrogen helps the reduction of the graphene powder and removes oxygen. A high-purity graphene powder is formed, and other residues of the graphene powder are removed. Hydrogen bonds to the site where the oxygen and other residues are removed, forms a covalent bond between hydrogen and some graphene, and some hydrogen is trapped by the van der Waals force between the graphene layer and the layer. When cooled slowly in this state, some hydrogen bound to the graphene-metal mixed powder may be released to the outside, and the hydrogen-functionalized step of the method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite casting according to the present invention In the latter part of the process, a process of quenching to room temperature is provided to minimize the escape of hydrogen to the outside.

상기 수소기능화단계를 거쳐 제조된 그래핀-금속 복합 주조재의 경우, 그래핀 분말에 수소기능화가 대부분 발생하여 수소가 그래핀 분말에 흡착 또는 결합 상태로 기능화되며, 그래핀 분말에 기능화된 수소는 주조 과정에서 그래핀이 용융된 금속 내부에 잘 섞여 고용될 수 있게 함으로써, 주조 공정을 통해 그래핀-금속 합금을 용이하게 제조할 수 있게 된다.In the case of the graphene-metal composite cast material manufactured through the hydrogen functionalization step, most of the hydrogen functionalization occurs in the graphene powder, so that hydrogen is adsorbed or functionalized in a bonded state to the graphene powder, and the hydrogen functionalized in the graphene powder is cast By allowing the graphene to be mixed well and dissolved in the molten metal in the process, it is possible to easily manufacture a graphene-metal alloy through the casting process.

도 4는 본 발명에 따른 상기 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계 및, 상기 수소기능화단계를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 장입하여 주조 공정을 통해 제조된 그래핀-알루미늄 합금 및 순수 알루미늄 각각에 대해 실시한 인장시험 그래프를 나타내고 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 순수 알루미늄에 비해 상기 수소기능화단계를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 장입하여 주조 공정을 통해 제조된 그래핀-알루미늄 합금의 인장강도가 더 높게 나타남을 확인할 수 있다.4 is a graphene-aluminum alloy and pure water prepared through a casting process by charging a graphene-aluminum composite cast material manufactured through the material preparation step, mixing step, mixing step, and the hydrogen functionalization step according to the present invention; A graph of a tensile test performed on each aluminum is shown, and as shown in FIG. 4 , graphene produced through a casting process by charging a graphene-aluminum composite cast material manufactured through the hydrogen functionalization step compared to pure aluminum - It can be seen that the tensile strength of the aluminum alloy is higher.

바람직하게는, 상기 수소기능화단계를 거친 상기 그래핀-금속 혼합분말을 소정온도로 가열된 가열용기내에 투입하여 소정시간 동안 가열하는 고온열처리단계를 실시할 수 하여 그래핀과 금속 간의 결합력을 강화시킬 수 있게 된다.Preferably, the graphene-metal mixed powder, which has undergone the hydrogen functionalization step, is put into a heating vessel heated to a predetermined temperature, and a high-temperature heat treatment step of heating for a predetermined time can be performed to strengthen the bonding force between graphene and metal. be able to

상기 고온열처리단계는, 상기 수소기능화단계를 거친 그래핀-금속 혼합분말을 1000℃ 이상으로 가열된 가열용기 내에 투입하여 상기 그래핀-금속 혼합분말의 표면을 수초에서 수분 동안 순간적으로 고온에 노출시키는 공정으로, 이 때 순간적으로 고온 가열된 그래핀-금속 혼합분말의 표면은 기능화된 일부 수소가 빠져 나가면서 노출된 탄소가 일부 탄소-금속결합을 형성하거나, 외부로부터 유입된 산소를 통해 탄소-산소-금속 결합층을 형성하여 그래핀-금속간의 결합을 강화시키게 되며, 금속 표면에 그래핀 코팅층을 형성하게 된다.In the high-temperature heat treatment step, the graphene-metal mixed powder that has undergone the hydrogen functionalization step is put into a heating vessel heated to 1000° C. or more, and the surface of the graphene-metal mixed powder is instantaneously exposed to a high temperature for several seconds to several minutes. As a process, at this time, the surface of the graphene-metal mixed powder heated to a high temperature instantaneously is exposed to some carbon-metal bonds as some functionalized hydrogen escapes, or carbon-oxygen through oxygen introduced from the outside. - By forming a metal bonding layer, the graphene-metal bond is strengthened, and a graphene coating layer is formed on the metal surface.

도 2는 본 발명에 따른 상기 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계, 수소기능화단계 및, 고온열처리단계 를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지, SEM 확대 이미지 및 EDX 분석 그래프로, 도 2a에서, 검정색 바탕은 SEM 이미지 촬영을 위해 준비된 바닥판을 나타내며, 검정색 바탕 위의 구슬 형상들은 그래핀-알루미늄 복합 주조재 알갱이를 나타내는 것이다.2 is an SEM image, an SEM enlarged image, and an EDX analysis graph of the graphene-aluminum composite cast material manufactured through the material preparation step, the mixing step, the mixing step, the hydrogen functionalization step, and the high-temperature heat treatment step according to the present invention; In 2a, the black background represents the bottom plate prepared for SEM imaging, and the bead shapes on the black background represent the grains of the graphene-aluminum composite cast material.

또한, 도 2b는 도 2a의 일부분을 확대한 SEM 이미지로, 여러 구 형상은 알루미늄 알갱이의 표면에 그래핀이 회색 구름같이 코팅된 것을 나타내며, 도 2b에서 상부 좌측의 불규칙한 막대 형상들은 알루미늄 알갱이의 표면에 코팅되지 못한 그래핀들을 나타내고, 도 2c에서 EDX 분석 그래프는, 도 2b에 표시된 부분에서의 성분에 대한 분석 그래프를 나타내는 것으로 다량의 알루미늄과 함께, 그래핀 탄소가 검출되는 것을 확인할 수 있다.In addition, Fig. 2b is an enlarged SEM image of a part of Fig. 2a. Several spherical shapes indicate that graphene is coated like a gray cloud on the surface of the aluminum grains, and the irregular bar shapes on the upper left in Fig. 2b are the surface of the aluminum grains. It shows graphene not coated on, and the EDX analysis graph in FIG. 2c shows the analysis graph for the component in the portion shown in FIG. 2b, and it can be confirmed that graphene carbon is detected along with a large amount of aluminum.

바람직하게는, 상기 수소기능화단계 후, 상기 고온열처리단계 전에, 상기 수소기능화단계를 거치 상기 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하고, 상기 고 에너지빔의 조사를 통해 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 동안 가열하여 상기 혼합분말에 기능화되는 수소의 양을 조절하는 수소기능화 제어단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, after the hydrogen functionalization step, before the high temperature heat treatment step, a high energy beam is irradiated to the mixed powder through the hydrogen functionalization step, and the mixed powder is heated to a predetermined temperature through the irradiation of the high energy beam for a predetermined time. It may further include a hydrogen functionalization control step of controlling the amount of hydrogen functionalized in the mixed powder by heating during the process.

상기 수소기능화단계를 통해 그래핀-금속 혼합분말에 기능화된 수소의 양에 따라 주조 과정 중 상기 그래핀-금속 복합 주조재가 장입되어 제조되는 금속 합금의 인장강도나 변형률 등 상기 금속 합금의 재료 성질이 달라지게 되며, 본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에서는, 상기 수소기능화 제어단계를 통해 상기 그래핀-금속 복합 주조재에 기능화되는 수소의 양을 소정 양으로 조절가능하도록 함으로써, 상기 그래핀-금속 복합 주조재가 장입되어 주조 고정을 통해 최종 제조되는 금속 합금의 인장강도나 변형률 등의 재료 성질을 조절할 수 있도록 한다.According to the amount of hydrogen functionalized in the graphene-metal mixed powder through the hydrogen functionalization step, the material properties of the metal alloy such as tensile strength or strain of the metal alloy manufactured by charging the graphene-metal composite casting material during the casting process. In the method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention, the amount of hydrogen functionalized in the graphene-metal composite cast material can be adjusted to a predetermined amount through the hydrogen functionalization control step. By doing so, the graphene-metal composite casting material is charged to control material properties such as tensile strength or strain rate of the metal alloy finally manufactured through casting and fixing.

상기 수소기능화 제어단계는, 상기 수소기능화단계를 통해 수소가 기능화된 그래핀-알루미늄 혼합분말에 고 에너지빔을 조사하여 기능화된 수소의 양을 조절하는 것으로, 이 때 고 에너지빔은 에너지를 전달할 수 있는 빔을 뜻하며, 바람직하게는, 전자빔, 이온빔 및, 마이크로파 중 조사 장치가 소형으로 제조가능하고 조작이 편리하며 경제적인 마이크로파를 사용할 수 있고, 고 에너지 빔으로 마이크로파를 사용하는 경우, 마이크로 파의 진동수는 1000~3000 MHz, 출력은 400~1500W 이고, 이를 환원 및 재합성 장치 내에 투입된 혼합분말에 조사하여 600~1200℃로 가열할 수 있으며, 조사 시간은 수소 양의 조절을 위해 5초~10분인 것이 바람직하다.The hydrogen functionalization control step is to control the amount of functionalized hydrogen by irradiating a high energy beam to the graphene-aluminum mixed powder in which hydrogen is functionalized through the hydrogen functionalization step, in which case the high energy beam can deliver energy. Preferably, an electron beam, an ion beam, and a microwave irradiation device among microwaves can be manufactured in a compact size, easy to operate, and economical microwave can be used. is 1000~3000 MHz, the output is 400~1500W, and it can be heated to 600~1200℃ by irradiating it to the mixed powder put in the reduction and resynthesis device, and the irradiation time is 5 seconds~10 minutes to control the amount of hydrogen it is preferable

상기 마이크로 파의 진동수, 출력 및, 가열온도의 하한점 이하에서는 이탈되는 수소 양이 적어 이탈시킬 수소 양을 제어하는데 어려움이 있고, 상기 마이크로 파의 진동수, 출력 및, 가열온도의 상한점 이상에서는, 과도한 가열로 폭발의 위험성이 있고, 장치가 손상될 우려가 있다. Below the lower limit of the frequency, output, and heating temperature of the microwave, the amount of hydrogen released is small, so it is difficult to control the amount of hydrogen to be released, and above the upper limit of the frequency, output, and heating temperature of the microwave, There is a risk of explosion due to excessive heating, and there is a risk that the device may be damaged.

조사된 고 에너지빔을 통해 수소가 기능화된 그래핀-금속 혼합분말이 자체 발열하면서 급속히 온도가 올라가고, 급속한 온도 상승은 결합력이 약한 수소의 결합을 끊어 수소의 분리 및 이탈을 유도하여 수소의 양을 조절할 수 있음과 함께, 수소가 빠져나가면서 생기는 결함을 통해 수소가 기능화된 그래핀-금속 혼합분말의 반응성을 높일 수 있게 된다.Through the irradiated high energy beam, the hydrogen-functionalized graphene-metal mixed powder self-heats and the temperature rises rapidly. In addition to the controllability, it is possible to increase the reactivity of the hydrogen-functionalized graphene-metal mixed powder through defects caused by the escape of hydrogen.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대해서 설명한다.Hereinafter, Examples and Comparative Examples according to the present invention will be described.

본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 상기 재료준비단계로 순 알루미늄 분말 100 중량부 및 그래핀 분말 3 중량부를 준비하고, 상기 준비된 순 알루미늄 분말 및 그래핀 분말을 균질화기에 투입한 후, 상온에서 300rpm의 회전속도로 12시간 동안 작동시켜 상기 혼합단계를 실시하였다.In the method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention, 100 parts by weight of pure aluminum powder and 3 parts by weight of graphene powder are prepared in the material preparation step, and the prepared pure aluminum powder and graphene powder are prepared After being put in the homogenizer, the mixing step was performed by operating at room temperature at a rotation speed of 300 rpm for 12 hours.

볼 밀 장치를 믹싱기로 활용하였으며, 상기 믹싱기 내부에 상기 혼합단계를 거친 그래핀-알루미늄 혼합분말을 투입하고, 아르곤 가스 분위기에서 80℃로, 24시간 믹싱을 실시하였다.A ball mill device was used as a mixer, and the graphene-aluminum mixed powder that had undergone the mixing step was put into the mixer, and mixing was performed at 80° C. in an argon gas atmosphere for 24 hours.

상기 믹싱단계를 실시한 후, 수소기능화 장치 내에 상기 혼합분말을 투입하고, 아르곤 가스 100 부피부에 수소 가스 25 부피부로 혼합된 혼합가스를 장치 내부로 흘려보내면서 내부 온도는 550℃로 5시간 유지한 후, 상온으로 급랭시켜 상기 수소기능화단계를 실시하였으며,After performing the mixing step, the mixed powder is put into the hydrogen functionalization device, and the mixed gas mixed with 100 parts of argon gas by 25 parts by volume of hydrogen gas is flowed into the device while the internal temperature is maintained at 550° C. for 5 hours After that, the hydrogen functionalization step was carried out by quenching to room temperature,

상기 수소기능화단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of the graphene-aluminum composite cast material roughed up to the hydrogen functionalization step, stirred, and then solidified to prepare a specimen.

구분division CC HH NN SS 함량(%)content(%) 97.7797.77 2.232.23 NoneNone NoneNone

표 1은 상기 실시예1에서 상기 수소기능화단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재에 있어서, 그래핀 분말에 대한 CHNS 원소분석표이며, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 탄소와 함께 상기 탄소에 기능화된 수소의 함량을 확인할 수 있다.Table 1 is a CHNS elemental analysis table for graphene powder in the graphene-aluminum composite cast material that has been subjected to the hydrogen functionalization step in Example 1, and, as shown in Table 1, functionalized on the carbon together with carbon You can check the hydrogen content.

또한, 상기 수소기능화단계를 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 1200℃로 가열된 가열용기 내에 투입한 후, 20초 동안 가열하고 회수하여 상기 고온열처리단계를 실시하였으며,In addition, the graphene-aluminum composite cast material that had undergone the hydrogen functionalization step was put into a heating vessel heated to 1200° C., heated for 20 seconds, and recovered to perform the high-temperature heat treatment step,

상기 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of the molten graphene-aluminum composite cast material roughed up to the high-temperature heat treatment step, stirred, and then solidified to prepare a specimen.

도 2는 본 발명에 따른 상기 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계, 수소기능화단계 및, 고온열처리단계 를 거쳐 제조된 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지, SEM 확대 이미지 및 EDX 분석 그래프로, 도 2a에서 검정색 바탕 위에 구슬 형상들의 그래핀-알루미늄 복합 주조재 알갱이를 확인할 수 있고, 도 2b는 도 2a의 일부분을 확대한 SEM 이미지로, 여러 구 형상을 통해 알루미늄 알갱이의 표면에 그래핀이 회색 구름같이 코팅된 것을 확인할 수 있다,2 is an SEM image, an SEM enlarged image, and an EDX analysis graph of the graphene-aluminum composite cast material manufactured through the material preparation step, the mixing step, the mixing step, the hydrogen functionalization step, and the high-temperature heat treatment step according to the present invention; In 2a, the grains of the graphene-aluminum composite cast material in the shape of beads can be confirmed on a black background, and FIG. 2b is an enlarged SEM image of a part of FIG. 2a. It can be seen that they are coated together,

또한, 도 2b에서 상부 좌측의 불규칙한 막대 형상들을 통해 알루미늄 알갱이의 표면에 코팅되지 못한 그래핀들을 확인할 수 있고, 도 2c에서 EDX 분석 그래프를 통해 다량의 알루미늄과 함께 그래핀 탄소가 검출되는 것을 확인할 수 있다.In addition, graphene not coated on the surface of aluminum grains can be confirmed through the irregular bar shapes on the upper left in FIG. 2b , and graphene carbon is detected along with a large amount of aluminum through the EDX analysis graph in FIG. 2c . have.

본 발명에 따른 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법에 있어서, 상기 재료준비단계로 순 알루미늄 분말 100 중량부 및 그래핀 분말 3 중량부를 준비하고, 상기 준비된 순 알루미늄 분말 및 그래핀 분말을 균질화기에 투입한 후, 상온에서 300rpm의 회전속도로 12시간 동안 작동시켜 상기 혼합단계를 실시하였다.In the method for producing a hydrogen-functionalized graphene-metal composite cast material according to the present invention, 100 parts by weight of pure aluminum powder and 3 parts by weight of graphene powder are prepared in the material preparation step, and the prepared pure aluminum powder and graphene powder are prepared After being put in the homogenizer, the mixing step was performed by operating at room temperature at a rotation speed of 300 rpm for 12 hours.

볼 밀 장치를 믹싱기로 활용하였으며, 상기 믹싱기 내부에 상기 혼합단계를 거친 그래핀-알루미늄 혼합분말을 투입하고, 아르곤 가스 분위기에서 80℃로, 24시간 믹싱을 실시하였다.A ball mill device was used as a mixer, and the graphene-aluminum mixed powder that had undergone the mixing step was put into the mixer, and mixing was performed at 80° C. in an argon gas atmosphere for 24 hours.

상기 믹싱단계를 실시한 후, 수소기능화 장치 내에 상기 혼합분말을 투입하고, 아르곤 가스 100 부피부에 수소 가스 25 부피부로 혼합된 혼합가스를 장치 내부로 흘려보내면서 내부 온도는 550℃로 5시간 유지한 후, 상온으로 급랭시켜 상기 수소기능화단계를 실시하였다.After performing the mixing step, the mixed powder is put into the hydrogen functionalization device, and the mixed gas mixed with 100 parts of argon gas by 25 parts by volume of hydrogen gas is flowed into the device while the internal temperature is maintained at 550° C. for 5 hours After that, it was quenched to room temperature to carry out the hydrogen functionalization step.

상기 수소기능화단계를 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 상기 수소기능화 제어단계를 위해 마이크로 파 조사 장치 내에 넣고, 마이크로 파의 진동수는 2450 MHz, 출력은 1100W로, 60초간 조사하여 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 제조하였다.The graphene-aluminum composite cast material that has undergone the hydrogen functionalization step is placed in a microwave irradiation device for the hydrogen functionalization control step, the frequency of the microwave is 2450 MHz, the output is 1100W, and irradiated for 60 seconds, less than 1% hydrogen A graphene-aluminum composite casting material having a content was prepared.

이 상태의 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.In this state, 30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of the molten metal of the graphene-aluminum composite cast material in this state, stirred, and then solidified to prepare a specimen.

또한, 상기 수소기능화 제어단계를 거쳐 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 1200℃로 가열된 가열용기 내에 투입한 후, 20초 동안 가열하고 회수하여 상기 고온열처리단계를 실시하였으며,In addition, the graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1% through the hydrogen functionalization control step is put into a heating vessel heated to 1200° C., then heated for 20 seconds and recovered to perform the high-temperature heat treatment step did,

상기 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of the molten graphene-aluminum composite cast material roughed up to the high-temperature heat treatment step, stirred, and then solidified to prepare a specimen.

도 3은 상기 고온열처리단계까지 거쳐 제조된 수소 함량 1% 미만의 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 SEM 이미지이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 구형의 알루미늄 기지 표면에 그래핀이 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.3 is an SEM image of a graphene-aluminum composite casting material having a hydrogen content of less than 1% prepared through the high-temperature heat treatment step, and as shown in FIG. 3, it can be confirmed that the graphene is coated on the surface of the spherical aluminum matrix. can

실시예2와 상기 재료준비단계, 혼합단계, 믹싱단계 및, 수소기능화단계는 동일하게 실시하고, 다만, 상기 수소기능화단계를 거친 후 상기 수소기능화 제어단계에서, 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 상기 수소기능화 제어단계를 위해 마이크로 파 조사 장치 내에 넣고, 마이크로 파의 진동수는 2450 MHz, 출력은 400W로, 10초간 조사하여 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 제조하였으며, 이 상태의 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.Example 2 and the material preparation step, the mixing step, the mixing step, and the hydrogen functionalization step are carried out in the same way, however, in the hydrogen functionalization control step after the hydrogen functionalization step, the graphene-aluminum composite casting material is A graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 3% was prepared by irradiating it for 10 seconds with a microwave frequency of 2450 MHz and an output of 400W, which was placed in a microwave irradiation device for the hydrogen functionalization control step. In a state of graphene-aluminum composite cast material, 30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of molten metal, stirred, and then solidified to prepare a specimen.

또한, 상기 수소기능화 제어단계를 거쳐 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 1200℃로 가열된 가열용기 내에 투입한 후, 20초 동안 가열하고 회수하여 상기 고온열처리단계를 실시하였으며, 상기 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재 100 중량부의 용탕에 순 알루미늄 30 중량부를 투입하고 교반한 후 응고시켜 시편을 제조하였다.In addition, the graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 3% through the hydrogen functionalization control step is put into a heating vessel heated to 1200° C., then heated for 20 seconds and recovered to perform the high temperature heat treatment step Then, 30 parts by weight of pure aluminum was added to 100 parts by weight of the graphene-aluminum composite casting material roughed up to the high-temperature heat treatment step, stirred and solidified to prepare a specimen.

[비교예1][Comparative Example 1]

순 알루미늄 100 중량부를 용탕에 투입 주조하여 시편을 제조하였다.A specimen was prepared by casting 100 parts by weight of pure aluminum into the molten metal.

도 4는 상기 실시예1에서 수소기능화단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편1'), 고온열처리단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편2') 및, 순수 알루미늄 시편('시편3')의 각각에 대한 인장시험 결과로 시편2의 경우 시편3에 비해 항복강도 및 탄성계수가 월등히 증가되었음을 확인할 수 있고, 시편1 또한 시편3에 비해 항복강도 및 탄성계수가 증가되었음을 확인할 수 있다.4 is an aluminum alloy specimen using the graphene-aluminum composite cast material roughed up to the hydrogen functionalization step in Example 1 ('Specimen 1'), and an aluminum alloy specimen using the graphene-aluminum composite cast material roughed up to the high temperature heat treatment step ( As a result of the tensile test for each of 'Specimen 2') and pure aluminum specimens ('Specimen 3'), it can be seen that the yield strength and modulus of Specimen 2 were significantly increased compared to Specimen 3, and Specimen 1 and Specimen 3 It can be seen that the yield strength and elastic modulus were increased compared to .

도 5는 상기 실시예2에서 수소기능화 제어단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편4'), 고온열처리단계까지 거친 1% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편5'), 상기 실시예3에서 수소기능화 제어단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편6'), 고온열처리단계까지 거친 3% 미만의 수소 함량을 가지는 그래핀-알루미늄 복합 주조재를 사용한 알루미늄 합금 시편('시편7') 및, 순수 알루미늄 시편('시편3)의 각각에 대한 인장시험 주요 지표로 시편4의 경우 항복강도 및 탄성계수가 월등히 증가하였고, 시편6의 경우에는 연신율이 높게 나타남을 알 수 있으며, 상기 수소기능화 제어단계까지 거친 그래핀-알루미늄 복합 주조재의 경우에도 주조 공정을 통한 그래핀-알루미늄 합금 제조에 충분히 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.5 is an aluminum alloy specimen ('Specimen 4') using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 1% that has been roughed up to the hydrogen functionalization control step in Example 2 ('Specimen 4'), which is less than 1% rough until the high temperature heat treatment step An aluminum alloy specimen ('Specimen 5') using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content, a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 3%, which was subjected to the hydrogen functionalization control step in Example 3 An aluminum alloy specimen used ('Specimen 6'), an aluminum alloy specimen using a graphene-aluminum composite cast material having a hydrogen content of less than 3%, which was rough until the high-temperature heat treatment step ('Specimen 7'), and a pure aluminum specimen ('Specimen As the main index of the tensile test for each of 3), it can be seen that in the case of Specimen 4, the yield strength and the modulus of elasticity were significantly increased, and in the case of Specimen 6, the elongation was high. It can be confirmed that even in the case of a composite cast material, it can be sufficiently used for manufacturing a graphene-aluminum alloy through a casting process.

도 6은 상기 시편2에 대한 인장시험을 실시한 후의 파단면에 대한 SEM 이미지 및 EDX 분석 결과로 합금 내에 존재하는 그래핀을 확인할 수 있다.6 is a SEM image and EDX analysis results of the fracture surface after performing a tensile test on the specimen 2, it can be confirmed that graphene present in the alloy.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.Although some embodiments have been described above by way of example, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms without departing from the spirit and scope thereof.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.Accordingly, the above-described embodiments are to be regarded as illustrative and not restrictive, and all embodiments within the scope of the appended claims and their equivalents are included within the scope of the present invention.

Claims (3)

그래핀 분말 및 금속 분말을 준비하는 재료준비단계;
준비된 상기 금속 분말에 상기 그래핀 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합단계;
상기 혼합단계를 통해 제조된 상기 혼합분말을 불활성 가스 분위기의 믹싱기에 투입한 후, 소정온도로 소정시간 동안 믹싱하여 상기 혼합분말 중 그래핀 분말 및 금속 분말 간의 접촉면적을 증가시키는 믹싱단계; 및,
상기 믹싱단계를 거친 혼합분말을 내부 온도가 상기 금속 분말의 녹는점 보다 낮은 소정온도로 형성되는 수소기능화 장치에 투입하고, 상기 혼합분말이 투입된 상기 수소기능화 장치 내부로 불활성 가스 및 수소 가스가 소정 부피비로 혼합된 혼합가스를 소정시간 동안 흘려보낸 후, 상기 수소기능화 장치 내부에 투입된 상기 혼합분말을 냉각시키는 수소기능화단계를; 포함하여 형성되며,

상기 수소기능화단계를 거친 상기 혼합분말을 소정온도로 가열된 가열용기 내에 투입하여 소정시간 동안 가열하는 열처리 단계를; 더 포함하여 형성되고,

상기 수소기능화단계 후, 상기 열처리 단계 전에,
상기 수소기능화단계를 거친 상기 혼합분말에 에너지빔을 조사하고, 상기 에너지빔의 조사를 통해 상기 혼합분말을 소정온도로 소정시간 동안 가열하여 상기 혼합분말에 기능화되는 수소의 양을 조절하는 수소기능화 제어단계를; 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수소기능화된 그래핀-금속 복합 주조재의 제조방법.
Material preparation step of preparing graphene powder and metal powder;
a mixing step of preparing a mixed powder by mixing the graphene powder with the prepared metal powder;
A mixing step of increasing the contact area between the graphene powder and the metal powder in the mixed powder by adding the mixed powder prepared through the mixing step to a mixer in an inert gas atmosphere, mixing at a predetermined temperature for a predetermined time; and,
The mixed powder that has undergone the mixing step is put into a hydrogen-functionalized device having an internal temperature lower than the melting point of the metal powder, and an inert gas and a hydrogen gas are added into the hydrogen-functionalized device into which the mixed powder is added in a predetermined volume ratio a hydrogen functionalization step of cooling the mixed powder injected into the hydrogen functionalization device after flowing the mixed gas mixed with the furnace for a predetermined time; is formed including

a heat treatment step of putting the mixed powder that has undergone the hydrogen functionalization step into a heating vessel heated to a predetermined temperature and heating for a predetermined time; formed by further comprising,

After the hydrogen functionalization step, before the heat treatment step,
Hydrogen functionalization control of irradiating an energy beam to the mixed powder that has undergone the hydrogen functionalization step, and heating the mixed powder to a predetermined temperature for a predetermined time through irradiation of the energy beam to adjust the amount of hydrogen functionalized in the mixed powder Steps; Hydrogen-functionalized graphene, characterized in that it further comprises a method for producing a metal composite casting.
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