KR20040088808A - Method for fabricating porous SiC ceramics using plant - Google Patents

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KR20040088808A KR1020030023170A KR20030023170A KR20040088808A KR 20040088808 A KR20040088808 A KR 20040088808A KR 1020030023170 A KR1020030023170 A KR 1020030023170A KR 20030023170 A KR20030023170 A KR 20030023170A KR 20040088808 A KR20040088808 A KR 20040088808A
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Abstract

PURPOSE: A method for preparing porous silicon carbide ceramics by using plants is provided, to lower cost and to reduce the generation of pollutant materials by using the fibrous material of a natural plant. CONSTITUTION: The method comprises the steps of (S110) extracting a basic source material from a plant; (S120) maturing the basic source material; (S130) processing the matured source material; (S140, S150) carbonizing the processed source material to prepare a carbon precursor; and (S160, S170) melting and sintering a metal silicon and the carbon precursor in vacuum at a sintering temperature of the carbon precursor to prepare the porous silicon carbide ceramics. Preferably the plant is dishcloth gourd plant, and the basic source material is the fibrous stalk cell of the plant. Preferably the maturing process comprises cutting the separated source material into a plated shape, drying it, coating a resin or an organic binder to it and maturing it. Preferably the resin is a phenol-based resin diluted with an alcohol in the ratio of 1:0.5-1:3.

Description

식물을 이용한 다공성 탄화규소 세라믹스의 제조 방법 {Method for fabricating porous SiC ceramics using plant}Method for fabricating porous SiC ceramics using plant

본 발명은 제철, 제강업, 화학공업 등의 산업분야와 소각로, 열사용 기기 등에서 사용되는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 식물을 기본 원료로 하여 필요한 가공 처리를 거쳐 탄소 전구체를 제조한 다음 이 탄소 전구체와 금속 실리콘을 반응 소결시켜서 열효율 및 연소효율이 향상되고 환경 저해 요소가 제거된 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing porous silicon carbide ceramics used in industrial fields such as steelmaking, steelmaking, chemical industry, incinerators, heat-using equipment, etc. The present invention relates to a method for producing porous silicon carbide ceramics by producing a carbon precursor and then reacting and sintering the carbon precursor and metal silicon to improve thermal efficiency and combustion efficiency, and to remove environmental inhibitors.

세라믹스는 고강도, 고경도 및 내마모성 등의 기계적 특성과 함께 우수한 내산화성, 내부식성, 낮은 열전도성 및 열팽창계수에 의한 높은 내열충격성, 고온강도 등의 열적 특성을 보유하고 있어 선진국에서는 이들을 이용한 소재 개발 연구 및 상용화에 많은 투자를 하고 있다.Ceramics have high mechanical properties such as high strength, high hardness, and abrasion resistance, as well as excellent oxidation resistance, corrosion resistance, low thermal conductivity, and thermal properties such as high thermal shock and high temperature strength due to thermal expansion coefficient. And a lot of investment in commercialization.

세라믹스 중 탄화규소(SiC)는 재료의 특성상 강한 공유결합(covalent bonding)을 이루고 있어서 소결성이 낮다. 소결(sintering)은 비금속 또는 금속의 분체를 가공하여 형성한 것을 융점 이하의 온도로 열처리한 경우, 분체 사이의 결합이 성형한 형태로 굳어지는 현상을 말한다. 요압제품 또는 세라믹스, 분말야금, 서멧 등을 제조하는 데에 있어서 중요한 수법이다. 소결의 구동력은 분체가 갖는 여분의 표면 에너지인데 즉, 분말이 간단히 집합된 상태에서 표면에너지의 총합은 최소가 아닌 열역학적으로 비평형상태에 있다. 분말을 가열처리하면 표면에너지를 감소시키려는 방향, 즉 표면적이 감소하는 방향으로 물질이동이 생겨서 입자끼리의 결합이 일어난다. 소결과정에 있어서 미세구조의 변화는 초기단계, 중기단계, 및 종기단계의 세 단계로 나눌 수 있다.Among the ceramics, silicon carbide (SiC) has a strong covalent bonding due to the characteristics of the material and thus has low sinterability. Sintering refers to a phenomenon in which a bond formed between a powder is hardened when a non-metal or metal powder is formed by heat treatment at a temperature below the melting point. It is an important technique for producing urine pressure products or ceramics, powder metallurgy, cermet, and the like. The driving force of the sintering is the extra surface energy of the powder, ie the sum of the surface energies in the state where the powder is simply aggregated is thermodynamically non-equilibrium, not the minimum. When the powder is heat-treated, mass transfer occurs in a direction to reduce the surface energy, that is, in a direction in which the surface area is reduced, thereby causing bonding of the particles. The microstructure change in the sintering process can be divided into three stages: initial stage, intermediate stage, and final stage.

초기단계는 입자끼리의 유착이 발생해서 이 부분의 면적이 차례로 증가하는데 이 변화를 경부성장이라고 부른다. 이 단계에서 상대 밀도는 약 0.5 내지 0.6, 수축률에서는 4% 내지 5%정도까지가 된다. 중기단계는 채널모양의 틈이 차차로 좁혀져서 상대밀도는 0.6 내지 0.95, 수축률은 5% 내지 20% 가까이 된다. 종기단계에서 상대밀도가 0.95 이상으로서, 다면체화한 입자각의 부분이나 입자 안에 기공(또는 공극이라고도 함)이 남는 정도이다. 외기와 통하고 있는 기공을 통기공(open pore), 통하지 않는 기공을 고립기공(closed pore)이라고 부르는데, 이 종기단계에서는 기공의 소멸에 따라 더욱 치밀화가 이루어진다. 따라서 기공이 많이 존재하는 다공질성 세라믹스와 기공이 많이 소멸한 치밀질 세라믹스는 기공에 따른 차이가 있고 이에 따라 그 기능도 차이가 있게 된다.In the early stages, adhesions between particles occur, which in turn increases the area of the area, which is called cervical growth. At this stage, the relative density is about 0.5 to 0.6, and shrinkage is about 4% to 5%. In the middle stage, the channel-shaped gap is narrowed gradually, so that the relative density is 0.6 to 0.95 and the shrinkage ratio is about 5% to 20%. The relative density is 0.95 or more in the boil stage, and the amount of pores (or also called voids) remains in the part or particle of the polyhedralized particle angle. The pores that communicate with the outside air are called open pores, and the pores that do not pass through are called closed pores. In this boil stage, densification takes place as the pores disappear. Therefore, porous ceramics with many pores and dense ceramics with many pores are different depending on the pores and accordingly, their functions are also different.

다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 종래의 방법은 기본 원료로 우레탄 폼(urethane foam)을 사용하여 제조하는 방법이다. 이 기술은 우레탄 폼의 표면에 워시 코팅(wash coating) 또는 딥 코팅(dip coating)등의 코팅 방법을 이용해서 탄화규소 현탁액을 코팅한 후, 우레탄 폼 표면상의 잔류 현탁액을 제거하기 위하여 탈수하고 건조하였다. 탄화규소의 미분말이 도포되어 건조된 우레탄 폼을 약 800℃ 이상의 온도로 열처리 하여 유기물 우레탄을 완전히 연소시켰다. 그 다음, 약 1800℃ 이상의 온도 및 질소 분위기에서 상압 소결시킴으로써 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하였다. 이러한 종래의 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법은 세라믹스 현탁액 코팅공정과 열처리 및 고온에서의 소결공정이 포함되어 있어서 전체 공정이 복잡하고 높은 소결온도로 인하여 제조를 위한 에너지 비용이 상승되어 최종 완제품의 단가가 높아지는 단점이 있었다. 또한, 우레탄 폼을 열처리할 때 유기 고분자 물질이 연소됨에 따른 공해 물질의 배출이 문제점으로 지적되어 왔다. 이러한 문제점을 해결하고자 다공성 탄화규소 세라믹스의 기본 원료에 대한 다양한 연구가 있어 왔다.The conventional method of manufacturing porous silicon carbide ceramics is a method using urethane foam as a basic raw material. This technique coated the silicon carbide suspension on the surface of the urethane foam using a coating method such as wash coating or dip coating, followed by dehydration and drying to remove the residual suspension on the surface of the urethane foam. . The fine powder of silicon carbide was applied and the dried urethane foam was heat-treated at a temperature of about 800 ° C. or more to completely burn the organic urethane. Next, porous silicon carbide ceramics were prepared by atmospheric sintering at a temperature of about 1800 ° C. or higher and a nitrogen atmosphere. The conventional method of manufacturing porous silicon carbide ceramics includes a ceramic suspension coating process, a heat treatment, and a sintering process at a high temperature, so that the overall process is complicated and the energy cost for manufacturing is increased due to the high sintering temperature, resulting in a cost of the final finished product. There was a disadvantage of increasing. In addition, the emission of pollutants due to the combustion of the organic polymer material when heat-treating the urethane foam has been pointed out as a problem. In order to solve this problem, various studies have been conducted on the basic raw materials of porous silicon carbide ceramics.

이러한 문제점을 해결하기 위한 연구 중의 하나가 한국 특허 제267797호이다. 동특허에서는 숯을 이용하여 치밀질 고인성 세라믹스를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 동 특허는 치밀질 세라믹스를 제조하는 방법에 대한 기술로 다공질 세라믹스를 제조하는 기술이 아니고 또한 최종 제품의 재질이 반응 소결에 의한 탄소섬유-탄화규소 복합체로 구성되어 있다. 따라서 상기와 같은 문제점을 해소하는 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조 방법에 대한 요구는 계속 되어 왔다.One of the studies to solve this problem is Korean Patent No. 267797. The patent discloses a method for producing dense high toughness ceramics using charcoal. However, the patent is not a technology for producing porous ceramics but a method for manufacturing dense ceramics, and the final product is made of carbon fiber-silicon carbide composite by reaction sintering. Therefore, there has been a continuing need for a method for producing porous silicon carbide ceramics that solves the above problems.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 열효율 및 연소효율을 향상시키고 환경을 저해하는 요소를 제거하기 위하여 식물에서 기본 원료를 추출하여 일정한 공정을 거쳐서 탄화 전구체를 제조한 다음 이를 이용하여 반응 소결에 의한 다공질 탄화규소 소결체를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been conceived to solve the above problems, in order to improve the thermal efficiency and combustion efficiency, and to remove the elements that interfere with the environment to extract the basic raw material from the plant to produce a carbonized precursor through a certain process and then use it The purpose is to provide a method for producing a porous silicon carbide sintered body by reaction sintering.

도 1은 본 발명에 따른 다공성 탄화규소 세라믹스의 제조 방법을 도시한 흐름도,1 is a flow chart showing a method of manufacturing porous silicon carbide ceramics according to the present invention;

도 2a는 도 1에 도시된 제조 방법의 구체적인 일실시예를 도시한 흐름도, 및FIG. 2A is a flow diagram illustrating a specific embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 1, and

도 2b는 도 1에 도시된 제조 방법의 또다른 구체적인 일실시예를 도시한 흐름도를 도시한 것이다.FIG. 2B shows a flowchart illustrating another specific embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 1.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공질 탄화규소 세라믹을 제조하는 방법은, (a)식물에서 기본 원료를 추출하는 단계, (b)상기 기본 원료를 숙성시키는 단계, (c)상기 숙성된 원료를 가공하는 단계, (d)상기 가공된 원료를 탄화하여 탄소 전구체를 제조하는 단계, 및 (e)금속 실리콘과 상기 탄소 전구체를 진공 분위기 하에서 상기 탄소 전구체의 소결 온도로 용융 및 반응 소결시키는 단계를 포함한다.Method for producing a porous silicon carbide ceramic according to the present invention for achieving the above object, (a) extracting the basic raw material from the plant, (b) aging the basic raw material, (c) the aged raw material (D) carbonizing the processed raw material to produce a carbon precursor, and (e) melting and reacting and sintering the metal silicon and the carbon precursor to a sintering temperature of the carbon precursor in a vacuum atmosphere. Include.

(a)단계에 있어서, 식물은 수세미과에 속하는 식물이고 기본 원료는 그 식물의 섬유질 줄기세포인 것이 바람직하다.In step (a), the plant is a plant belonging to the loofah family and the basic raw material is preferably the fibrous stem cells of the plant.

이 경우, (b)단계는 분리된 기본 원료를 판형으로 절단하고 건조시킨 후 수지 또는 유기 바인더로 도포하여 일정 시간 동안 숙성시키는 단계이다.In this case, step (b) is a step of cutting the separated basic raw material into a plate shape, drying, and then applying the resin or an organic binder to mature for a predetermined time.

여기서 도포되는 수지가 수지와 알코올의 비율이 1:0.5 내지 1:3의 범위 이내로 혼합되어 희석된 페놀계 수지인 것이 바람직하다.It is preferable that the resin apply | coated here is a phenol type resin in which the ratio of resin and alcohol is mixed in the range of 1: 0.5-1: 3, and diluted.

또한 알코올로 희석된 페놀계 수지에 탄소 분말이 1 내지 50 중량% 이내의 범위로 더 첨가되는 것이 더 바람직하다.It is more preferable that the carbon powder is further added to the phenolic resin diluted with alcohol in the range of 1 to 50% by weight.

(c)단계는 (c-1)상기 숙성된 기본 원료를 소정 형상의 금형에 넣고 적층하는 단계, (c-2)상기 적층된 기본 원료를 150℃ 내지 500℃의 범위 이내의 저온 핫 프레스하는 단계, 및 (c-2)상기 저온 핫 프레스된 기본 원료를 소정 형상으로 가공하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.(c) step (c-1) putting the aged base material into a mold having a predetermined shape, and laminating (c-2) hot pressing the laminated base material within a range of 150 ° C to 500 ° C. It is preferable that the step and (c-2) comprises the step of processing the low-temperature hot-pressed basic raw material into a predetermined shape.

한편, (a)단계에 있어서 기본 원료는 식물의 줄기 또는 뿌리인 것도 바람직하다.Meanwhile, in step (a), the basic raw material is preferably a stem or root of a plant.

이 경우, (b) 단계는 분리된 기본 원료를 물 속에서 숙성시키는 단계이다.In this case, step (b) is a step of ripening the separated basic raw material in water.

(c) 단계는 숙성된 기본 원료를 소정 형상의 틀에서 2차원 또는 3차원으로 직조하여 가공하는 단계이다.Step (c) is a step of weaving the mature raw material in two or three dimensions in a frame of a predetermined shape.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing porous silicon carbide ceramics according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 탄화규소 세라믹스의 제조 방법은 먼저 기본원료를 추출하는 단계(S110), 기본원료를 숙성시키는 단계(S120), 기본원료를 가공하는 단계(S130), 기본원료를 탄화시키는 단계(S140), 탄소 전구체를 제조하는 단계(S150), 실리콘과 탄소 전구체를 반응해서 소결시키는 단계(S160), 및 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 단계(S170)를 포함한다.Referring to Figure 1, the method for producing a porous silicon carbide ceramics according to the present invention first extracting the basic raw material (S110), the step of ripening the basic raw material (S120), processing the basic raw material (S130), basic Carbonizing the raw material (S140), preparing a carbon precursor (S150), the step of reacting and sintering silicon and the carbon precursor (S160), and preparing a porous silicon carbide ceramics (S170).

기본 원료에 따라서 기본 원료의 숙성에서 부터 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조에 이르기까지의 제조 방법이 차이가 있고, 또한 그 결과물인 다공질 탄화규소 세라믹스도 차이가 있게 된다. 기본 원료에 따른 바람직한 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법이 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.Depending on the basic raw materials, there are differences in the manufacturing method from the aging of the basic raw materials to the production of porous silicon carbide ceramics, and the resulting porous silicon carbide ceramics also differs. A method of producing a preferred porous silicon carbide ceramics according to the basic raw material is shown in FIGS. 2A and 2B.

도 2a를 참조하면, 기본 원료로서 수세미과에 속하는 식물의 섬유질 줄기세포를 이용하여 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 바람직한 방법이 도시되어 있다. 기본 원료가 수세미과에 속하는 식물의 섬유질 줄기세포인 경우, 먼저 기본 원료를 추출하고(S210), 기본 원료를 절단하고 건조시킨 후(S221), 수지 또는 바인더로 기본 원료를 도포하여(S222), 기본 원료를 숙성시킨다(S223). 기본 원료를 소정 형상의 금형에 넣고 적층하여(S231), 이를 저온 핫 프레스하고(S232), 소정 형상으로 가공한다(S233). 가공된 기본 원료를 탄화시켜서(S240) 탄소 전구체를 제조한다(S250). 그 다음, 실리콘과 이 탄소 전구체를 반응 소결시켜서(S260) 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조한다(S270). 이 제조 방법을 따르는 경우, 제조된 다공질 탄화규소 소결체는 그 기공이 미세한 미세 기공 다공질 탄화규소 소결체가 된다.Referring to FIG. 2A, a preferred method of manufacturing porous silicon carbide ceramics using fibrous stem cells of a plant belonging to a loofah family as a basic raw material is shown. When the basic raw material is a fibrous stem cell of a plant belonging to a loofah, first the basic raw material is extracted (S210), the basic raw material is cut and dried (S221), and the basic raw material is applied with a resin or a binder (S222) Mature the raw material (S223). The basic raw material is placed in a mold having a predetermined shape and stacked (S231), and then hot-pressed at low temperature (S232), and processed into a predetermined shape (S233). Carbonized processed base material (S240) to produce a carbon precursor (S250). Next, porous silicon carbide ceramics are manufactured by reacting and sintering silicon and this carbon precursor (S260). When following this manufacturing method, the produced porous silicon carbide sintered compact becomes a microporous porous silicon carbide sintered compact whose pore is fine.

도 2b를 참조하면, 기본 원료로서 식물의 줄기 또는 뿌리를 이용하는 경우의 바람직한 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법이 도시되어 있다. 기본 원료가 식물의 줄기 또는 뿌리인 경우, 먼저 기본 원료를 추출하고(S310), 이를 물 속에서 숙성시키고(S320), 숙성된 기본 원료를 소정 형상의 틀에서 2차원 또는 3차원으로 직조한 다음(S331) 가공한다(S332). 그 다음 기본 원료를 탄화시켜서(S340)탄소 전구체를 제조한다(S350). 그 다음, 실리콘과 이 탄소 전구체를 반응 소결시켜서(S360) 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조한다(S370). 이 제조 방법을 따르는 경우, 제조된 다공질 탄화규소 소결체는 그 기공이 크고 불규칙한 조대 기공 다공질 탄화규소 소결체가 된다.Referring to FIG. 2B, there is shown a method for producing a porous porous silicon carbide ceramic in the case of using the stem or root of a plant as a basic raw material. If the basic raw material is the stem or root of the plant, first extract the basic raw material (S310), and aged it in water (S320), and weaving the matured basic raw material in a frame of a predetermined shape in two or three dimensions (S331) Process (S332). Then carbonizing the basic raw material (S340) to produce a carbon precursor (S350). Next, porous silicon carbide ceramics are manufactured by reacting and sintering silicon and the carbon precursor (S360). When following this manufacturing method, the manufactured porous silicon carbide sintered compact becomes a large pore and irregular coarse pore porous silicon carbide sintered compact.

미세 기공을 갖는 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조는 다음과 같다.The production of porous silicon carbide ceramics having fine pores is as follows.

기본 원료로 수세미과에 속하는 식물에서 섬유질 줄기세포를 분리하고 이를 판형으로 절단하여 건조시킨다. 수지(resin)나 유기 바인더(orgarnic binder)를 기본 원료에 도포한다.As a basic raw material, fibrous stem cells are isolated from plants belonging to the loofah family, cut into plates and dried. A resin or an organic binder is applied to the basic raw material.

수지로는 페놀계 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 페놀계 수지를 이용하는 경우, 페놀계 수지와 알코올을 1:0.5 내지 1:3의 비율로 혼합하여 희석시킨 페놀 수지(resin)를 사용한다.It is preferable to use a phenol resin as resin. When using a phenol resin, the phenol resin (resin) which mixed and diluted phenol resin and alcohol in the ratio of 1: 0.5-1: 3 is used.

수지나 유기 바인더로 코팅된 기본 원료를 일정 시간 동안 숙성시킨다. 페놀 수지를 이용하는 경우, 섬유질에 페놀 수지를 도포하기 전에 알코올로 희석된 페놀 수지에 탄소 분말을 1 내지 50중량% 첨가하여 도포함으로써 탄소 전구체의 탄소 수율을 높일 수 있다.The base material coated with resin or organic binder is aged for a certain time. When using a phenol resin, the carbon yield of a carbon precursor can be improved by adding and apply | coating 1-50 weight% of carbon powder to the phenol resin diluted with alcohol before apply | coating a phenol resin to a fiber.

숙성된 기본 원료를 소정 형상의 금형에 넣고 적층시킨후, 약 150℃ 내지 500℃의 범위 이내의 저온 핫 프레스(hot press)로 성형을 한다. 저온 핫 프레스로 성형된 기본 원료를 원하는 형상으로 1차 가공을 하고, 800℃ 내지 1300℃의 범위 내의 온도에서 진공 분위기 또는 불활성(inert) 가스 분위기에서 탄화하여 탄소 전구체를 제조한다.The aged basic raw material is placed in a mold having a predetermined shape and laminated, and then molded by a low temperature hot press within a range of about 150 ° C to 500 ° C. The basic raw material formed by low temperature hot press is first processed into a desired shape, and carbonized in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 800 ° C to 1300 ° C to produce a carbon precursor.

이 때, 탄소 전구체의 기공의 크기나 분포 제어를 위해서 기본 원료에 도포되는 수지 또는 유기 바인더의 양, 숙성된 기본 원료를 금형에 적층할 때의 적층 방법 또는 핫 프레스할 때의 압력을 적절히 조정하는 것이 중요하다. 또한, 탄화시키는 단계에서 진공 또는 불활성 가스 분위기나 열처리 시간에 따라서 탄소 전구체의 탄소수율이 달라지므로 이를 제어하는 것도 중요하다.At this time, in order to control the size and distribution of the pores of the carbon precursor, the amount of the resin or organic binder applied to the base material, the lamination method when laminating the aged base material to the mold, or the pressure during hot pressing are appropriately adjusted. It is important. In addition, it is also important to control the carbon yield of the carbon precursor in accordance with the vacuum or inert gas atmosphere or heat treatment time in the carbonization step.

조대 기공을 갖는 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조는 다음과 같다.The preparation of porous silicon carbide ceramics having coarse pores is as follows.

기본 원료로 식물의 줄기나 뿌리를 이용하여 물 속에서 숙성을 시킨 다음, 일정 형상의 틀에서 2차원 또는 3차원으로 직조하여 기공이 조절된 기본 원료의 성형체를 제조한다. 그 다음, 성형된 기본 원료를 원하는 형상으로 1차 가공을 하고, 미세 기공의 경우와 마찬가지로 800℃ 내지 1300℃의 범위 내의 온도에서 진공 분위기 또는 불활성(inert) 가스 분위기에서 탄화하여 탄소 전구체를 제조한다.After aging in water using the stem or root of the plant as a basic raw material, and then weaving in a two-dimensional or three-dimensional in a certain shape of the frame to prepare a molded body of the basic raw material with controlled pores. Thereafter, the molded base material is first processed into a desired shape, and carbonized in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 800 ° C. to 1300 ° C. as in the case of fine pores, thereby producing a carbon precursor. .

상기와 같이 제조된 탄소 전구체를 이용하여 금속 실리콘과 반응 소결시켜서 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하게 된다.The porous silicon carbide ceramics are prepared by reaction sintering with metal silicon using the carbon precursor prepared as described above.

금속 실리콘과 탄소 전구체를 반응시켜서 탄화규소를 제조하는 소결 방법에는 여러가지가 있다. 예를 들면, 상압소결(Pressureless Sintering), 열간가압소결 (Hot Pressing), 열간등가압소결(Hot Isostatic Pressing) 및 액상 반응소결 (Reaction Sintering)과 같은 소결 방법이 있다.There are a variety of sintering methods for producing silicon carbide by reacting metal silicon with a carbon precursor. For example, there are sintering methods such as Pressureless Sintering, Hot Pressing, Hot Isostatic Pressing, and Reaction Sintering.

이 중에서 상압소결, 열간가압소결, 열간등가압소결과 같은 소결 방법은 고가의 미분(fine powder)을 주원료로 하고 소결조제(sintering aids)를 사용해야 하므로 본원 발명의 식물의 줄기 또는 뿌리나 섬유질을 기본 원료로 하는 탄화규소소결체의 제조에는 적합하지 않다.Among them, sintering methods such as atmospheric sintering, hot pressing sintering, and hot isostatic sintering have to use expensive fine powder as a main raw material and sintering aids, so that the stem, root or fiber of the plant of the present invention is used as a basic raw material. It is not suitable for the production of silicon carbide sintered compact.

액상 반응 소결법은 미분의 원료 및 고가의 소결조제를 첨가하지 않고, 다른 소결법에 비하여 비교적 낮은 온도(약 1,500℃ 내지 1,700℃의 범위 이내)에서 소결이 가능할 뿐만 아니라, 소결 반응이 탄소와 용융 실리콘과의 발열 반응에 의해 매우 빠르게 진행되고, 소결시 수축이나 팽창 등의 치수 변화가 거의 없이 소결되는 장점이 있어서 정밀 치수 또는 복잡한 형상이나 대형의 제품을 쉽게 소결할 수 있다. 따라서 생산성 향상과 함께 에너지 비용을 절감할 수 있는 공정이며, 본원 발명에 적합한 소결 방법이다. 이러한 액상 반응 소결법은 한국 등록 특허 제10-0299099호에 개시되어 있으며, 동특허에 개시된 액상 반응 소결법을 이용할 수 있다.The liquid phase reaction sintering method is capable of sintering at a relatively low temperature (within the range of about 1,500 ° C to 1,700 ° C) compared with other sintering methods without adding fine powder and expensive sintering aid, and the sintering reaction is performed with carbon and molten silicon. It proceeds very rapidly by exothermic reaction and has the advantage of sintering with little dimensional change such as shrinkage or expansion during sintering, so that it is easy to sinter precision products or complicated shapes or large products. Therefore, it is a process which can reduce energy cost with productivity improvement, and is a sintering method suitable for this invention. Such a liquid phase reaction sintering method is disclosed in Korean Patent No. 10-0299099, and the liquid phase reaction sintering method disclosed in the same patent may be used.

이하 미세기공을 갖는 다공질 탄화규소 세라믹스 제조의 실시예를 참조하여 본원 발명에 따른 다공성 탄화규소 소결체의 제조 방법을 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, a method of manufacturing a porous silicon carbide sintered body according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment of manufacturing porous silicon carbide ceramics having micropores.

{실시예}{Example}

수세미과에 속하는 식물에서 섬유질의 줄기세포를 분리한다. 분리된 섬유질의 줄기세포를 판형으로 절단하여 건조시킨다. 그 다음, 페놀계 수지와 알코올을 1:0.5 내지 1:3의 비율로 혼합하여 희석시킨 페놀 수지(resin)를 섬유질에 도포하고 24시간 동안 숙성시킨다. 이 때, 섬유질에 페놀 수지를 도포하기 전에 알코올로 희석된 페놀 수지에 탄소 분말을 1 내지 50중량% 첨가하여 도포함으로써 탄소 전구체의 탄소 수율을 높일 수 있다. 숙성된 섬유질을 100㎜×100㎜ 크기의 사각형상의 금형에 넣고 적층시킨다. 그 다음, 200℃의 온도에서 1㎏/㎤ 정도의 낮은 압력으로가압하여 저온 핫 프레스(hot press)한다. 저온 핫 프레스된 성형체를 원하는 형상으로 1차 가공을 한 다음 1300℃의 질소 가스 분위기 하에서 탄화하여 다공성 탄소 전구체를 제조한다.Isolate fibrous stem cells from plants belonging to the loofah family. The isolated fibrous stem cells are cut into plates and dried. Then, the diluted phenolic resin (resin) is applied to the fiber by mixing the phenolic resin and alcohol in a ratio of 1: 0.5 to 1: 3 and aged for 24 hours. At this time, the carbon yield of the carbon precursor can be increased by adding 1 to 50% by weight of carbon powder to the phenol resin diluted with alcohol before applying the phenol resin to the fiber. The aged fibers are placed in a 100 mm x 100 mm square mold and laminated. Then, it is pressurized at a low pressure of about 1 kg / cm 3 at a temperature of 200 ° C. to perform a low temperature hot press. The low temperature hot pressed molded product is first processed into a desired shape and then carbonized under a nitrogen gas atmosphere at 1300 ° C. to prepare a porous carbon precursor.

2㎜ 내지 3㎜의 입도를 갖는 금속 실리콘(Si)을 상기 제조된 탄소 전구체 아래에 놓고 1650℃의 소결 온도와 10-1torr의 진공 분위기로 조절된 진공 저항 가열로에서 용융시킨다. 그 다음, 탄소 전구체로 침투된 실리콘과 탄소 전구체의 탄소 성분을 반응시킴으로써 액상 반응소결에 의한 다공질 탄화 규소 소결체를 제조한다.Metal silicon (Si) having a particle size of 2 mm to 3 mm was placed under the prepared carbon precursor and melted in a vacuum resistance heating furnace adjusted to a sintering temperature of 1650 ° C. and a vacuum atmosphere of 10 −1 torr. Next, the porous silicon carbide sintered body by liquid phase sintering is produced by reacting the silicon penetrated with the carbon precursor and the carbon component of the carbon precursor.

상기 방법으로 제조된 다공질 탄화규소 소결체는 각각의 섬유질 다발이 실리콘과 탄소와의 반응에 의해 탄화규소로 형성된 망상의 미세기공을 갖는 다공질 소결체이다.The porous silicon carbide sintered body manufactured by the above method is a porous sintered body having each of the fibrous bundles having mesh micropores formed of silicon carbide by reaction of silicon and carbon.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 다공질 탄화규소 세라믹을 제조하는 방법에 따르면, 천연식물의 섬유질을 출발원료로 이용하여 기계적 및 열적 특성이 우수한 탄화규소 세라믹스 소결체를 제조함으로써 원가를 절감하고 또한 이 제조 방법에 따른 다공질 탄화규소 세라믹 제품을 열사용 기기 등에 사용함으로써 연료를 절감하고 공해 물질의 배출을 저감하여 에너지절약 및 환경 보호를 제공할 수 있는 효과가 있다.According to the method for manufacturing the porous silicon carbide ceramic according to the present invention as described above, by using the fiber of the natural plant as a starting material to reduce the cost and also to reduce the cost by producing a silicon carbide ceramic sintered body having excellent mechanical and thermal properties By using the porous silicon carbide ceramic products according to the method for heat-use equipment, etc., it is possible to save fuel and reduce emissions of pollutants, thereby providing energy saving and environmental protection.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments of the present invention, the invention is not limited to the specific embodiments described above, it is usually in the art to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Anyone of ordinary skill in the art can make various modifications, as well as such modifications are within the scope of the claims.

Claims (9)

(a)식물에서 기본 원료를 추출하는 단계;(a) extracting the basic raw material from the plant; (b)상기 기본 원료를 숙성시키는 단계;(b) aging the basic raw material; (c)상기 숙성된 원료를 가공하는 단계;(c) processing the aged raw material; (d)상기 가공된 원료를 탄화하여 탄소 전구체를 제조하는 단계; 및(d) carbonizing the processed raw material to produce a carbon precursor; And (e)금속 실리콘과 상기 탄소 전구체를 진공 분위기 하에서 상기 탄소 전구체의 소결 온도로 용융 및 반응 소결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.(e) melting and reacting and sintering the metal silicon and the carbon precursor at the sintering temperature of the carbon precursor in a vacuum atmosphere. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a)단계에 있어서, 상기 식물은 수세미과에 속하는 식물이고 상기 기본 원료는 상기 식물의 섬유질 줄기세포인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.In the step (a), the plant is a plant belonging to the loofah family and the basic raw material is a method for producing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the plant's fibrous stem cells. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 (b)의 숙성시키는 단계는 상기 분리된 기본 원료를 판형으로 절단하고 건조시킨 후 수지 또는 유기 바인더로 도포하여 일정 시간 동안 숙성시키는 단계인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.The step of aging of (b) is a method for producing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the step of cutting the separated basic raw material into a plate shape, dried and then applied with a resin or an organic binder for a certain time. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 (b)의 수지가 수지와 알코올의 비율이 1:0.5 내지 1:3의 범위 이내로 혼합되어 희석된 페놀계 수지인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.The resin of (b) is a method for producing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the ratio of the resin and alcohol is mixed in the range of 1: 0.5 to 1: 3 diluted phenolic resin. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 알코올로 희석된 페놀계 수지에 탄소 분말이 1 내지 50 중량% 이내의 범위로 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.Method for producing a porous silicon carbide ceramics, characterized in that the carbon powder is further added in the range of 1 to 50% by weight to the phenol-based resin diluted with alcohol. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 (c)의 가공하는 단계는,The processing step of (c), (c-1)상기 숙성된 기본 원료를 소정 형상의 금형에 넣고 적층하는 단계;(c-1) stacking the aged basic raw materials into a mold having a predetermined shape; (c-2)상기 적층된 기본 원료를 150℃ 내지 500℃의 범위 이내의 저온 핫 프레스하는 단계; 및(c-2) hot pressing the stacked basic raw materials within a range of 150 ° C to 500 ° C; And (c-2)상기 저온 핫 프레스된 기본 원료를 소정 형상으로 가공하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.(c-2) processing the low temperature hot pressed basic raw material into a predetermined shape; a method of manufacturing porous silicon carbide ceramics, characterized in that consisting of. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a)단계에 있어서, 상기 기본 원료는 식물의 줄기 또는 뿌리인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.In the step (a), the basic raw material is a method for producing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the stem or root of the plant. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (b)의 숙성시키는 단계는 상기 분리된 기본 원료를 물 속에서 숙성시키는 단계인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.The aging step of (b) is a method for producing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the step of aging the separated raw material in water. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (c)의 가공하는 단계는 상기 숙성된 기본 원료를 소정 형상의 틀에서 2차원 또는 3차원으로 직조하여 가공하는 단계인 것을 특징으로 하는 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법.Wherein the step of (c) is a method of manufacturing porous silicon carbide ceramics, characterized in that the step of weaving the mature raw material in a predetermined shape in a two-dimensional or three-dimensional process.
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