KR20030081508A - 소결된 고도 다공체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는 소결된 고도 다공체에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 개선된 연소 특성 및 불꽃 부착에 대한 값을 갖는 그러한 유형의 다공체를 제공하는 것으로, 그러한 목적은 섬유가 일 측면 및/또는 양 측면에서 아치형으로 형성되어 약 1 ㎜ 미만의 장축 및 약 200 ㎛ 미만의 단축을 구비하되, 장축이 단축보다 더 크도록 함으로써 달성된다. 또한, 본 발명은 그러한 소결된 고도 다공체의 제조 방법 및 그 용도에 관한 것이다.
Description
소결된 고도 다공체는 각종의 기술적 용도에 사용된다. 특히, 그러한 다공체는 연소 요소로서 사용되는데, 그 경우에 다공체는 그 다공도에 의거하여 액상 연료를 일시적으로 수용하였다가 연소 요소의 표면에서 기화시킬 수 있다. 그에 적절하게, 그러한 유형의 연소 요소는 높은 온도를 견뎌야 한다. 소결된 고도 다공체는 특히 자동차의 보조 가열 장치에서도 필요로 한다.
선행 기술로부터, 소결성 금속 분말로 고도 다공체를 제조하는 것이 공지되어 있다. 다만, 그러한 유형의 금속 분말로는 약 60 %를 약간 넘는 크기 정도의 다공도만이 얻어질 수 있다. 보다 더 높은 다공도를 얻기 위해, 소결성 금속 섬유를 사용하는 것이 또한 공지되어 있다. 그러한 유형의 소결성 금속 섬유는 연이어 부직포로 직조될 수 있고, 그런 연후에 그 부직포가 소결된다. 그러한 부직포는 90 %에 가까운 다공도를 보일 수 있다.
고도 다공체를 특히 연소 요소로서 사용할 수 있도록 하려면, 우수한 연소특성 및 불꽃 부착에 대한 값이 요구된다. 그와 동시에, 그러한 유형의 연소 요소는 높은 다공도를 나타내어야 한다. 그러나, 다공체의 다공도가 높으면 높을수록 불꽃 부착 및 연소 특성에 대해 얻어질 수 있는 값이 낮아진다.
본 발명은 섬유를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는 소결된 고도 다공체 및 그 제조 방법과 그 용도에 관한 것이다.
본 발명의 전술된 장점 및 추가의 장점을 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면 중에서,
도 1은 본 발명에 따른 다공체로 제조된 연소 요소의 68.9:1 축척의 현미경 확대도이고;
도 2는 연소 요소에 사용된 섬유의 개략적인 횡단면도이다.
본 발명의 목적은 전술된 단점을 보이지 않는 소결된 고도 다공체를 제공하는 것이다.
그러한 목적은 본 발명에 따라 섬유를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하고, 섬유가 일 측면 및/또는 양 측면에서 아치형으로 형성되어 약 1 ㎜ 미만의 장축 및 약 200 ㎛ 미만의 단축을 구비하되, 장축이 단축보다 더 크도록 함으로써 달성된다. 그러한 형태의 소결된 고도 다공체는 종래의 금속 섬유, 특히 부직포로 가공된 그러한 금속 섬유로 이루어진 선행 기술로부터 공지된 소결체에 비해 현저히 개선된 연소 특성 및 불꽃 부착에 대한 값을 나타낸다. 섬유는 경우에 따라 부직포로 가공되는 선행 기술로 공지된 금속 섬유에 비해 더 큰 비표면적(specific surface)을 구비하고, 그에 의해 개선된 특성이 얻어진다. 사용되는 섬유는 특히 연소를 촉진하는 요소로서 사용될 경우에 예컨대 액체 연료의 기화 시에 활성화 작용을 나타내는 예리한 에지를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 의미에서의 소결성 재료란 금속, 금속 산화물, 세라믹, 및/또는 플라스틱으로 제조된 재료를 의미한다. 본 발명의 의미에서 사용될 수 있는 금속 재료는 순수한 금속으로 이루어진 재료뿐만 아니라, 금속 합금으로 이루어진 재료 및/또는 상이한 금속과 금속 합금으로 이루어진 금속 혼합물까지 의미하는 것이다.특히, 그에는 강, 바람직하게는 크롬/니켈 강, 청동, 니켈계 합금, 하스텔로이(hastelloy), 인코넬(inconel) 등이 속하는데, 금속 혼합물은 예컨대 백금과 같은 고 융점 성분을 함유할 수 있다. 사용되는 섬유는 금속이거나 세라믹일 수 있다. 그러한 섬유로서는 철 재료(예컨대, 재료 규격 1.0495, 1.4113, 또는 1.4841에 따른) 및/또는 철/크롬/알루미늄계 합금이나 니켈/알루미늄계 합금을 사용하는 것이 매우 바람직하다. 그 중에서도 알루미늄 함유 합금이 바람직한데, 왜냐하면 그러한 알루미늄 합금은 높은 내온도성 및 높은 방식성을 나타내기 때문이다. 그 경우, 알루미늄 함량은 합금 중에 존재하는 금속의 총량을 기준으로 하여 약 10 내지 40 중량 %의 범위에 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 소결된 고도 다공체는 전적으로 금속 섬유로만 이루지는 것이 더욱 바람직하다. 그러나, 본 발명의 의미에서는 섬유를 구비한 분말로 이루어진 혼합물도 역시 소결성 재료로서 사용될 수 있다.
그 양 측면에서 아치형으로 형성된 섬유가 본 발명에 따른 다공체에 존재할 경우, 그 횡단면은 대략 타원형으로서 표현될 수 있다. 그러한 형태의 섬유가 그 종 방향 축을 따라 장축 방향으로 분포되면, 대략 반타원형으로 형성되는 섬유가 얻어진다. 일 측면에서만 아치형으로 형성된 그러한 형태의 섬유가 바람직한데, 왜냐하면 그러한 섬유는 더욱 증대된 비표면적을 나타냄으로써 필요로 하는 연소 특성 및 불꽃 부착에 대한 값을 더욱 향상시키기 때문이다. 즉, 그러한 형태의 섬유는 납작한 측면과 아치형 측면을 구비한다.
섬유의 장축은 약 500 ㎛ 미만이고, 섬유의 단축은 약 100 ㎛ 미만인 것이매우 바람직하다. 장축 및 단축의 길이는 100 내지 약 500 배율의 현미경에 의해 섬유의 횡단면 검경 시편에서 결정된다.
또한, 사용되는 섬유는 상이한 길이로 되는 것이 바람직한데, 그럼으로써 소결 공정 시에 매우 안정된 섬유 매트릭스가 형성되게 된다. 그와 같이 안정된 섬유 매트릭스가 형성되는 것은 본 발명의 또 다른 바람직한 구성에 따라 종 방향 축을 따라 한 겹 이상 접혀진 섬유를 사용함으로써 더욱 개선된다. 그에 의해, 섬유가 서로 잘 걸려 고정됨으로써 섬유 매트릭스의 안정성이 더욱 향상되게 된다. 사용되는 섬유의 총량에 대한 접혀진 섬유의 분율은 20 중량 % 이상의 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구성에서는 섬유가 그 종 방향 축을 중심으로 하여 비틀어진다. 그와 같이 비틀어진 섬유의 분율은 섬유의 총량을 기준으로 하여 섬유의 약 15 중량 % 이상이고, 특히 40 내지 60 중량 %인 것이 매우 바람직하다. 섬유는 종 방향 축을 중심으로 하여 반 회전 이상만큼 비틀어지는 것이 바람직하고, 그 종 방향 축을 중심으로 하여 1을 넘는 회전수를 보이는 것이 더욱 바람직하다.
그러한 유형의 본 발명에 따른 다공체는 바람직하게도 우수한 기계 특성을 나타내는데, 그것은 섬유가 그 종 방향 축을 중심으로 하여 비틀어짐으로 인해 양호한 소결 접촉이 제공되기 때문이다. 또한, 그러한 유형의 본 발명에 따른 다공체는 우수한 연소 특성을 나타낸다.
섬유의 단축의 길이는 중앙으로부터 단부 쪽으로 감소되는 것이 또한 바람직하다. 그 경우, 예컨대 섬유의 중앙에서의 단축의 길이는 약 100 ㎛의 범위에 있는 반면에, 섬유의 단부에서의 단축의 길이는 약 20 ㎛의 범위에 있게 된다. 섬유의 단부에서의 단축의 길이에 대한 섬유의 중앙에서의 단축의 길이의 비는 2:1을 넘는 것이 바람직하고, 3:1을 넘는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 다공체에서의 그러한 형태의 섬유의 분율은 20 중량 % 이상인 것이 바람직하고, 15 내지 50 중량 %인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구성에서는 아치형 측면이 섬유의 종 방향 축을 가로질러 연장되는 리세스를 구비한다. 예컨대, 홈 형태로 형성될 수 있는 그러한 리세스에 의거하여, 섬유의 아치형 측면이 파형으로서 표현될 수 있는 표면을 구비하게 된다. 그럼으로써, 바람직하게도 본 발명에 따른 다공체에 사용되는 섬유의 비표면적이 증대되어 그것이 더욱 개선된 연소 특성 및 불꽃 부착에 대한 값을 나타내게 된다.
다공체는 하나 이상의 소결되지 않은 추가의 층을 구비하는 것이 또한 바람직하다. 그러한 소결되지 않은 추가의 층은 예컨대 소결성 재료와 동일한 재료, 특히 섬유로 이루어진 천공 박판 또는 와이어 직물 등일 수 있다.
끝으로, 본 발명에 따른 다공체는 약 5 내지 150 ㎛의 다공 분포를 나타내는 것이 바람직하고, 10 내지 100 ㎛의 범위에 있는 다공 분포를 나타내는 것이 더욱 바람직하다. 그 경우, 다공 분포는 ASSME 규격 12/94에 따른 다공 측정기(porometer)에 의해 결정된다. 그와 동시에, 본 발명에 따른 다공체는 80 % 이상의 다공도, 특히 90 %를 넘는 다공도를 나타내는 것이 바람직하며, 93 %를 넘는 다공도 및 50 g/㎡ 이상의 비표면적을 나타내는 것이 더욱 바람직하다. 그러한유형의 본 발명에 따른 다공체는 고도 다공질일 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 다공체이 연소 특성에 유리하게 작용하는 탁월한 크기의 비표면적까지 나타내게 된다. 또한, 본 발명에 따른 다공체는 특히 예컨대 연소 요소 또는 심지 요소로서 사용될 경우에 다량의 연소 액체를 수용할 수 있다.
또한, 본 발명은 섬유를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는 소결된 고도 다공체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그러한 방법에서는
- 제1 단계로 섬유를 최대 약 20 ㎜의 길이로 단축시키고;
- 제2 단계로 재료를 약 0.2 내지 0.4 g/㎠의 벌크 체적으로 부착하며;
- 제3 단계로 재료를 소결한다.
제1 단계로 사용되는 섬유의 단축을 행함으로써, 제조하려는 다공체의 높은 기계적 안정성 및 균일성을 구현하게 된다. 그러한 길이의 섬유에 의해, 0.2 내지 0.4 g/㎠의 벌크 체적에서 기계 강도가 큰 동시에 균일성이 높은 다공체를 생성할 수 있다. 그 경우, 제2 단계로 섬유를 산재시켜 부착하도록 조치하는 것이 바람직하다. 그와 같이 섬유를 산재시키는 것은 벌크 주형에 주입할 때에 섬유 더미에 정향된 기계적 진동을 작용시키면서 구현하게 된다. 정향된 기계적 진동의 작용에 의한 섬유 더미의 교반은 예컨대 섬유를 섬유 더미로부터 진동 컨베이어를 경유하여 주형으로 공급함으로써 이뤄질 수 있다. 주형에 주입할 때에 시브 면(sieve face) 상에서 섬유 더미의 교반에 의해 섬유를 산재시키도록 조치할 수도 있다. 그 경우, 주형의 구성 여하에 따라 섬유 더미가 유포되는 진동 시브 면이 제공되거나 회전 시브 면도 제공될 수 있다. 그 경우, 메쉬(mesh) 크기가 약 0.5 내지 5㎜인 비교적 조대한 메쉬의 시브 면으로도 충분하다. 시브 면 상에서 섬유 더미를 굴림으로써, 시브 개구의 구역에서만 계속적으로 섬유가 섬유 더미로부터 떼어져 주형 내로 떨어지는 것이 구현되게 된다.
또한, 사용되는 재료, 특히 섬유를 산재시킬 때에 주형을 재료 유입구에 대해 이동시키도록 조치하는 것이 바람직하다. 재료 유입구, 예컨대 진동 컨베이어 홈통의 투하 단부 또는 시브의 언더플로우(underflow)와 주형 사이의 상대 이동은 제조하려는 다공체의 기하 형태에 맞춰 조정된다. 그 경우, 주형은 섬유 유입구에 대해 회전되거나 일 평면에서 섬유 유입구에 대해 상대적으로 왕복 이동될 수 있다. 제조하려는 고도 다공체가 해당 하우징에의 고정을 위해 연결 요소를 구비해야 하는 경우에는 본 발명의 또 다른 구성에 따라 다공체와 결합하려는 하나 이상의 연결 요소를 성형 요소로서 주형 내에 삽입하여 함께 소결하는 조치를 취한다.
추가로, 제2 단계 후에 또 다른 단계로 재료를 압축하여 다지는 것이 더욱 바람직하다. 그럼으로써, 연이어 제3 단계로 소결될 안정된 다공질 본체가 생성된다. 그러한 본체는 개별적으로 따로따로 후속 취급될 수 있다. 그러한 유형의 본체는 높은 치수 정밀도를 나타내고, 연이어 별다른 수축 없이 고정되고 안정된 다공체로 소결될 수 있다.
재료를 제2 단계로 소결되지 않은 추가의 층에 부착하고, 이어서 제3 단계로 그 층과 함께 소결하는 것이 더욱 바람직하다. 그럼으로써, 소결성 재료로 이루어진 층과 소결되지 않은 층 사이의 고정적인 유지가 얻어질 수 있다. 양자의 층은 동일한 재료로 이뤄지는 것이 바람직하다. 특히, 추가의 층은 천공 박판 또는 와이어 직물일 수 있다.
끝으로, 본 발명은 본 발명에 따른 다공체를 특히 자동차에서의 보조 가열 장치 및/또는 부가 가열 장치의 기화 요소 또는 심지 요소로서, 버너의 불꽃 유지기로서, 열 분배 판으로서, 연소 촉진 요소로서, 열 교환기로서, 및/또는 이종 반응에 대한 촉매로서 사용하는 용도에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다공체는 전술된 모든 용도에서 현격히 증대된 그 비표면적에 의거하여 선행 기술로 공지된 다공체에 비해 특히 불꽃 부착과 관련된 탁월한 특성을 나타낸다. 본 발명에 따른 다공체를 촉매로서 사용할 경우의 이종 반응은 본 발명에 따른 다공체의 제조에 사용된 섬유가 다수의 모퉁이 및 에지를 구비함에 의거하여 현저히 더 신속하게 진행된다. 본 발명에 따른 다공체에서는 전술된 용도에 필수적인 연소 특성도 현격히 향상된다.
도 1에 전체적으로 도면 부호 "1"로 지시되어 도시된 다공체(연소 요소)는 일 측면에서 아치형으로 형성되었지만 그 타 측면이 납작하게 형성된 섬유를 구비한다. 즉, 그러한 섬유의 횡단면은 반타원형에 해당된다. 그 섬유는 아치형 표면 상에 홈형 리세스를 구비한다(밝은 구역). 또한, 섬유의 종 방향 축을 따라 접혀지고 비틀어진 것을 식별할 수 있을 것이다.
도 2는 다공체(1)에 사용된 섬유의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 그 도면으로부터 장축(2)과 단축(3)을 명확히 확인할 수 있다.
도 1에 도시된 연소 요소는 소결성 재료, 즉 재료 1.4841의 섬유로 이루어진 제1 층을 구비하는데, 그 제1 층을 추가의 층, 즉 메쉬 폭이 2 ㎜인 와이어 직물 상에 부착하여 그와 함께 소결하였다. 그 경우, 섬유 함유 층의 단위 면적당 중량을 150 g/㎡으로 세팅하였다. 섬유의 장축의 길이는 350 ㎛이었고, 섬유의 단축의 길이는 50 ㎛이었다. 섬유의 길이는 약 5 내지 15 ㎜의 범위에 있었다. 이어서, 진동 컨베이어에 의해 와이어 직물 상에 유포되는 섬유 더미를 진공 중에서 1,280 ℃의 온도로 와이어 직물과 함께 소결하였다. 그에 의해, 다공도가 90 %를 넘고 12 ㎛ 내지 100 ㎛의 다공 분포를 나타내는 본 발명에 따른 다공체가 제조되었다.
본 발명에 의해, 특히 연소 요소 또는 심지 요소로서 사용할 경우에 선행 기술로 공지된 통상의 다공체에 비해 개선된 연소 특성 및 불꽃 부착에 대한 값을 보이면서도 변함이 없이 높은 다공도를 갖는 소결된 고도 다공체가 제공되게 된다.
Claims (10)
- 섬유(1)를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하고, 섬유는 일 측면 및/또는 양 측면에서 아치형으로 형성되어 약 1 ㎜ 미만의 장축(2) 및 약 200 ㎛ 미만의 단축(3)을 구비하되, 장축이 단축보다 더 큰 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 제1항에 있어서, 섬유(1)는 그 종 방향 축을 중심으로 하여 비틀어지는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유(1)의 단축(3)의 길이는 중앙으로부터 단부 쪽으로 감소되는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 아치형 측면은 섬유(1)의 종 방향 축을 가로질러 연장되는 리세스를 구비하는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 다공체는 하나 이상의 소결되지 않은 추가의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 다공체는 5 내지 150 ㎛, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛의 범위에 있는 다공 분포를 나타내는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체.
- 섬유(1)를 함유한 소결성 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 소결된 고도 다공체를 제조하는 방법으로서,- 제1 단계로 섬유(1)를 최대 약 20 ㎜의 길이로 단축시키고;- 제2 단계로 재료를 약 0.2 내지 0.4 g/㎠의 벌크 체적으로 부착하며;- 제3 단계로 재료를 소결하는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 제2 단계 후에 추가의 단계로 재료를 추가로 압축시켜 다지는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체의 제조 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 제2 단계로 재료를 하나 이상의 소결되지 않은 추가의 층 상에 부착하고, 이어서 제3 단계로 그 소결도지 않은 추가의 층과 함께 소결하는 것을 특징으로 하는 소결된 고도 다공체의 제조 방법.
- 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 소결된 고도 다공체를 보조 가열 장치 및/또는 부가 가열 장치의 기화 요소 또는 심지 요소로서, 버너에서의 불꽃 유지기로서, 열 분배 판으로서, 연소 촉진 요소로서, 열 교환기로서, 및/또는 이종반응에 대한 촉매로서 사용하는 용도.
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