KR20050027343A - 자전 고온합성법에 의한 세라믹 복합분말의 제조방법 - Google Patents

자전 고온합성법에 의한 세라믹 복합분말의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학반응열을 화합물 합성에 이용하는 자전 고온합성법(SHS)에 의해 알루미늄 분말과 산화보론 분말로부터 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말 또는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 저렴한 가격의 알루미늄과 산화보론의 혼합분말로부터 세라믹 복합분말을 용이하고 저렴하게 제조할 수 있다.

Description

자전 고온합성법에 의한 세라믹 복합분말의 제조방법 {Method for Preparing a Ceramic Composite Powder Using Self Propagation High Temperature Synthesis}
본 발명은 세라믹 복합분말의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 성분들의 화학 반응열을 화합물 합성에 이용하는 자전 고온합성법(Self propagation High temperature Synthesis; SHS)에 의하여 질화보론(BN), 질화알루미늄(AlN) 및 산화알루미늄(Al2O3; 알루미나)을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말 또는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 세라믹 분말을 합성하는 공정에 있어서는 반응이 진행되는 전기로를 고온으로 유지시키면서 시료를 여러 시간 동안 반응시켜 산화지르코늄, 질화알루미늄, 산화알루미늄 및 질화보론 등의 세라믹 분말을 합성하였다. 그러나 이와 같은 방법에 따르면, 고온에서 분말 상의 미반응 물질이 남게 되며, 이러한 미반응 물질들이 세라믹 분말에 대하여 불순물로 작용하기 때문에 세라믹 제품의 성능을 저하시키게 된다. 또한, 세라믹 분말을 제조하기 위한 반응 시간이 길어지기 때문에 제조공정의 생산성이 낮아지는 동시에 생산비용도 증대된다.
이러한 문제점을 고려하여 최근에는 SHS에 의한 세라믹 분말의 제조기술이 개발되고 있다. 통상적으로 SHS는 고체 혼합물끼리의 발열반응을 통한 자발적인 화학반응을 이용해 합성하는 방법으로서 고온의 반응로가 요구되지 않고, 제조공정이 단순하며 단시간에 세라믹 분말이 합성되는 까닭에 에너지 소비량이 매우 적고 따라서 생산성이 높다. 또한, 높은 연소온도에 의해 순도가 높은 세라믹을 얻을 수 있다. 따라서, SHS는 카바이드(carbide), 보라이드(boride), 나이트라이드(niride) 또는 옥사이드(oxide) 등과 같은 세라믹 분말의 합성뿐만 아니라 금속간 화합물 합성공정에도 응용되고 있다.
국내 공개특허 제2001-49338호에는 이러한 SHS를 이용한 질화보론(BN) 분말의 합성방법이 제시되어 있으며, 국내 등록특허 10-0337372에는 SHS를 이용하여 질화알루미늄 분말을 합성하는 방법이 제시되어 있다. 또한, 국내 공개특허 제2000-73464호에는 SHS를 이용하여 카바이드 또는 보라이드 세라믹 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
상기 국내 공개특허에 개시된 질화보론 분말을 합성하는 방법에 따르면, 다음과 같은 반응식 1에 따라 산화보론(B2O3)으로부터 산소를 제거하여, 보론(B) 원소를 생성시킨 후, 생성된 보론 원소를 질소(N2)와 반응시켜 질화보론 분말을 형성하게 된다.
<반응식 1>
B2O3 → 2B + 3/2O2
2B + N2 → 2BN
이 경우, 산화보론을 고압의 질소 환경에서 마그네슘(Mg)과 SHS 반응시켜 순수한 보론과 산화마그네슘(MgO)을 생성함으로써, 산화보론으로부터 보론 원소를 분리시키게 된다.
그러나 전술한 SHS에 의한 세라믹 분말의 제조방법은, 동시에 각기 다른 조성을 가지는 여러 가지 세라믹 분말들을 제조하기가 곤란하며 질화보론, 질화알루미늄 및 산화알루미늄 등으로 구성된 세라믹 복합분말을 제조하기 위해서는 먼저 각 분말들을 SHS 등에 따라 제조한 다음, 제조된 분말들을 요구되는 조성에 맞게 혼합하여 복합분말을 제조하여야 하기 때문에, 질화보론을 비롯한 질화알루미늄 및 산화알루미늄 등의 각각의 분말을 제조하는 데 많은 시간과 비용이 소요될 뿐만 아니라, 제조된 각 분말들을 반응 및 혼합시켜 복합분말을 제조하는 데에도 별도의 시간과 노력이 요구되기 때문에, 결국 복합분말 제조의 전체적인 시간 및 비용이 크게 상승하게 되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 알루미늄과 산화보론의 혼합분말로부터 산화알루미늄, 질화보론 및 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말 또는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말을 SHS를 이용해 제조하는 방법을 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 산화보론 분말, 알루미늄 분말 및 산화알루미늄으로부터 저렴한 비용으로 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말 또는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1구현예로 산화보론 분말 5~55 중량% 및 알루미늄 분말 45~95 중량%를 혼합하여 제1분말을 형성하는 단계; 상기 제1분말에 대하여 희석제를 5~75 중량부 첨가하여 제2분말을 형성하는 단계; 및 상기 제2분말을 질소가스 환경에서 SHS 반응시켜 복합분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄을 포함하는 세라믹 복합분말의 제조방법을 제공한다.
제1구현예에 있어서, 생성되는 질화알루미늄, 질화보론 및 산화알루미늄으로 이루어진 세라믹 복합분말의 적절한 조성을 위해서 상기 제1분말은 산화보론 분말에 대한 알루미늄 분말의 중량비가 약 1:0.82 이상인 것이 바람직하고, 상기 희석제는 산화알루미늄, 질화알루미늄 및 질화보론으로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있다
본 발명은 또한, 제2구현예로 산화보론 분말 56~95 중량% 및 알루미늄 분말 5~44 중량%를 혼합하여 제1분말을 형성하는 단계; 상기 제1분말에 대하여 희석제를 5~75 중량부 첨가하여 제2분말을 형성하는 단계; 및 상기 제2분말을 질소가스 환경에서 SHS 반응시켜 복합분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법을 제공한다.
제2구현예에 있어서, 생성되는 질화보론 및 산화알루미늄으로 이루어진 세라믹 복합분말의 적절한 조성을 위해서 상기 제 1분말의 산화보론 분말에 대한 상기 알루미늄 분말의 중량비가 적어도 1:0.82 미만인 것이 바람직하고, 상기 희석제는 산화알루미늄 또는 질화보론인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 구성 성분의 화학 반응열을 화합물 합성에 이용하는 SHS를 통하여 두 가지 이상의 화합물로 구성된 복합분말을 동시에 제조하는 방법을 제공한다. 즉, 알루미늄을 이용하여 저렴한 산화보론의 분말에서 산소를 제거하여 순수한 보론 원소를 분리하여 알루미늄 자체는 산소와 반응하여 알루미나(산화알루미늄)가 되는 한편, 순수한 보론은 질소와 반응하여 질화보론이 되며, 남은 나머지 알루미늄은 질소와 반응하여 질화알루미늄이 됨으로써, 질화보론, 질화알루미늄 및 산화알루미늄으로 구성되는 세라믹 복합분말이 제조된다.
본 발명에 있어서, 다음 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 질화보론이 제조되기 위해서는 산화보론으로부터 산소를 제거하여 순수한 보론 원소를 생성시킨 후, 생성된 보론 원소를 질소와 반응시켜 질화보론을 형성하게 된다.
<반응식 2>
B2O3 + 2Al → 2B + Al2O3
2B + N2 → 2BN
2Al + N2 → 2AlN
전술한 반응에 있어서, 고압의 질소가스 환경에서 산화보론을 알루미늄과 SHS 반응시키면 산화보론과 알루미늄이 반응함에 따라 순수한 보론 원소와 산화알루미늄이 생성됨으로써, 산화보론으로부터 산소가 제거되어 보론 원소만이 추출되는 한편 산화알루미늄이 형성된다. 계속되는 반응에서 보론 원소는 질소가스와 반응하여 질화보론을 형성한다.
한편, 산화보론의 환원작용에 관여하지 않은 과량으로 들어간 알루미늄은 마찬가지로 질소가스와 반응하여 질화알루미늄을 생성하게 된다. 이 경우, 복합분말을 제조하기 위한 각 반응들은 순차적으로 일어나야 한다.
본 발명에 따른 세라믹 복합분말의 제조방법에 있어서, 질화알루미늄은 알루미늄으로부터 생성되고, 질화보론은 산화보론으로부터 유래되며, 이러한 산화보론으로부터 분리되는 산소와 알루미늄으로부터 산화알루미늄이 생성된다. 즉, 알루미늄 분말만을 투입할 경우에는 질화알루미늄만이 반응 생성물로서 생성되는 한편, 생성되는 질화보론의 양은 투입되는 산화보론 분말의 양에 비례한다. 이와 같은 관계로부터 투입하는 분말의 종류와 양에 따라 생성되는 복합분말의 종류와 양을 조절할 수 있다.
본 발명에 의한 질화보론(BN), 질화알루미늄(AlN) 및 알루미나(Al2O3)로 이루어진 세라믹 복합분말의 제조방법을 공정별로 살펴볼 경우, 먼저 형성시키고자하는 복합분말 내의 질화보론의 함량에 따라 결정되는 산화보론 분말과 알루미늄 분말을 희석제 분말과 함께 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 SHS 장치 내에 배치하고 장치를 진공 상태로 만들어 내부에 들어 있는 공기를 모두 제거한 후 , 상기 SHS 내의 압력이 약 3~100기압 정도가 되도록 질소 가스를 채운 상태에서 점화하여 SHS 반응을 일으키는 단계, 그리고 냉각한 후 제조된 복합분말을 꺼내어 사용하고자 하는 환경에 따라 적절한 입자 크기를 갖도록 분쇄하는 단계로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 반응식 2에 나타낸 바와 같은 일련의 반응들의 반응속도를 제어하기 위해서는 희석제가 요구된다. 이와 같은 자전 고온 합성 반응에서 반응속도를 제어하기 위한 희석제로는 알루미나, 질화알루미늄 및 질화보론이 혼합된 혼합분말을 사용할 수도 있고, 알루미나, 질화알루미늄 또는 질화보론 각각을 이용하거나 이들 가운데 어느 두 가지의 혼합 분말을 사용할 수도 있다. 즉, 알루미나와 질화알루미늄의 혼합 분말, 알루미나와 질화보론이 혼합된 분말 또는 질화알루미늄과 질화보론이 혼합된 분말을 반응속도를 제어하기 위한 희석제로 이용할 수 있다.
상기 희석제의 투입량이 지나치게 증가하면 SHS 반응의 진행이 중도에서 정지되는 현상이 일어나는 반면, 희석제를 사용하지 않을 경우에는 반응이 분말의 표면에서만 일어나기 때문에 표면에 막이 생성됨으로써 더 이상 반응이 내부로 진행하지 않게 된다. 본 발명에 따르면, 바람직한 희석제의 첨가범위는 산화보론과 알루미늄으로 이루어진 혼합분말에 대하여 약 5 내지 75 중량부 정도이다.
대체로 산화보론(B2O3) 분말 또한 알루미늄(Al) 분말 및 희석제 분말 등과 같은 각 출발 분말들이 적은 입자 사이즈를 가질수록 이들 분말의 혼합 및 반응에 유리하게 된다. 그러나 분말들의 입자의 크기가 너무 작을 경우에는 반응이 진행 되는 도중에 반응물 내부로 충분히 질소가스가 스며들지 못해 반응이 중단되는 현상이 발생할 수도 있다. 한편, 산화보론 분말의 경우에는 상온에서 큰 흡습성을 가지기 때문에 보통 +100 메쉬를 통과하지 않는 (약 0.15mm 이상의 입경을 가지는 것) 입자 사이즈를 가지는 것을 사용한다.
본 발명에 있어서, 산화보론, 알루미늄 및 산화알루미늄으로 이루어진 혼합 분말의 SHS를 일으키기 위한 점화제로서는 -100메쉬(mesh) 정도의 사이즈(100메쉬 채(sieve))를 통과하는 사이즈, 즉 약 0.15 ㎛ 이하의 입경)를 가지는 티타늄(Ti)분말을 사용하며, 이와 같은 점화제로 혼합분말에 접촉되어 있는 니크롬 또는 칸탈 코일을 덮은 다음, 코일에 전기를 인가하면 SHS 반응이 개시된다. 이 경우, 혼합 분말의 사이즈가 너무 미세하거나 SHS 장치 내의 질소 압력이 너무 낮을 경우에는 혼합 분말의 표면을 따라서만 반응이 진행되는 표면 연소 현상이 일어날 수 있으므로 주의하여야 한다.
본 발명에 있어서, 혼합 분말의 SHS 반응을 위하여 SHS 장치 내에 본격적으로 질소가스를 채우기 전에, SHS 장치 내부를 진공으로 만들어 장치 내부의 공기를 모두 제거한 다음에 SHS 장치 내에 질소 가스를 약 3기압 내지 약 100기압 정도의 압력으로 채우는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
산화보론(B2O3) 분말 약 50중량% 및 알루미늄(Al) 분말 약 50중량%가 혼합된 제1분말을 제조한 다음, 희석제로서 알루미나(Al2O3) 분말을 상기 제1분말 전체에 대하여 약 20중량부 첨가하였다. 이어서, 상기 희석제가 첨가된 제1분말을 폴리프로필렌으로 이루어진 컨테이너에 투입하고, 알루미나로 구성된 볼(ball)을 사용하여 약 30분 동안 건식밀링(dry milling) 방법으로 혼합함으로써, 산화보론, 알루미늄 및 알루미나로 구성된 제2분말을 제조하였다. 이때, 제2분말에 포함된 산화보론에 대한 알루미늄의 중량비는 약 1:1정도가 된다.
본 실시예에 있어서, 상기 산화보론 분말은 약 +100 메쉬 정도의 입자 크기(약 0.15㎜ 이사의 입경)를 가지는 것을 사용하였으며, 상기 알루미늄 금속 분말로는 -100 메쉬 정도의 크기(약 0.15㎜ 이하의 입경)를 가지는 것을 사용하였다. 또한, 상기 알루미나 분말을 대략 -325 메쉬 정도의 크기(약 45㎛ 이하의 입경)를 가지는 것을 사용하였다.
이어서, 상기 제2분말을 흑연으로 이루어진 도가니에 넣은 다음, 제2분말이 담겨진 도가니를 SHS 장치에 투입하였다. 계속하여, SHS 장치 내의 니크롬 코일 또는 칸탈 코일이 제2분말의 상부에 접촉되도록 코일을 배치한 후, SHS 반응을 일으키는 점화제로서 티타늄(Ti) 분말을 코일이 보이지 않을 정도로 덮었다. 이 때, 티타늄 분말은 -100 메쉬 정도의 입자 크기(약 0.15㎜ 이하의 입경)를 가지는 것을 사용하였다.
계속하여, SHS 장치 내부가 먼저 진공 상태로 되도록 장치 내의 공기를 제거한 다음, 질소(N2) 가스를 주입하여 SHS 장치 내의 압력을 약 5기압 정도가 되게 하였다. 이어서, 다시 SHS 장치의 내부의 기체를 빼내어 SHS 장치내의 공기를 완전히 제거하였다.
다음에, 재차 SHS 장치에 질소가스를 주입하여 SHS 장치 내의 압력을 약 50기압 정도로 유지한 다음, 칸탈 내지 니크롬 코일을 통해 전기를 인가하여 티타늄(Ti) 분말을 점화시켰다. 이에 따라, 산화보론, 알루미늄 및 알루미나로 구성된 제2혼합 분말의 SHS 반응이 일어났다.
본 실시예에 있어서, 반응은 약 90초 정도 진행하였으며, 반응이 진행되는 동안 SHS 장치 내의 압력은 약 100기압 정도까지 상승하다가 하강하였다. 반응이 완료된 후, 장치 내의 온도가 내려감에 따라 함께 내려갔다. 반응이 종료되고 약 20분정도 경과하여 SHS 장치가 충분히 냉각되었을 때, 장치내의 가스를 배출시키고 반응 생성물을 장치로부터 꺼냈다.
SHS 반응 생성물은 물결무늬를 갖고 있었으며, 흑연 도가니의 접촉부위는 검은 색을 띄고 내부는 회색 및 흰색을 나타내었다. 제조된 복합분말을 X선 회절 분석기(X-Ray Diffractometer: XRD)를 사용하여 분석한 결과, 극히 다량의 산화알루미늄 및 질화보론과 소량의 질화알루미늄으로 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 소량의 9Al2O3·2B2O3이 검출되었다.
실시예 2
산화보론 분말 약 56 중량% 및 알루미늄 분말 약 44 중량%가 혼합된 제1분말에 희석제로 알루미나 분말을 제1분말에 대하여 약 20중량부 첨가하고 볼밀(ball mill)을 사용하여 밀링(milling)시켜 제2분말을 제조하였다. 이 경우, 산화보론에 대한 알루미늄의 중량비는 약 1:0.79 정도가 된다.
본 실시예에 있어서, 산화보론, 알루미늄 및 알루미나 분말들은 각기 전술한 실시예 1의 경우와 동일한 사이즈를 가지는 것들을 사용하였다.
상기 제2분말을 흑연으로 이루어진 도가니에 넣어서 자전 고온 합성 장치에 투입한 후, 자전 고온 합성 장치 내의 니크롬 코일 또는 칸탈 코일이 제2분말의 상부에 접촉되도록 코일을 배치한 후, SHS 반응을 일으키는 점화제로서 티타늄 분말을 코일이 보이지 않을 정도로 덮었다. 이때, 티타늄 분말은 전술한 실시예 1과 동일한 입경을 가지는 것을 사용하였다.
이어서, SHS 장치 내부를 먼저 진공 상태로 만들기 위하여 SHS 장치 내의 공기를 제거한 다음, 질소가스를 주입하여 SHS 장치내의 압력을 약 5기압 정도로 유지하였다. 계속하여, SHS 장치 내부의 기체를 다시 빼내어 SHS 장치 내의 공기를 완전히 제거하였다.
다음에, SHS 장치에 질소가스를 주입하여 SHS 장치 내의 압력을 약 50기압 정도로 유지한 다음, 칸탈 내지 니크롬 코일을 통해 전기를 인가하여 티타늄 분말을 점화시켜 SHS 반응이 일어나도록 하였다.
본 실시예에 있어서, 반응은 약 90초 정도 진행하였으며, 반응이 진행되는 동안 SHS 장치 내의 압력은 약 100기압 정도까지 상승하다가 하강하였다. 반응이 완료된 후, 장치 내의 온도가 내려감에 따라 압력도 함께 내려갔다. 반응이 종료되고 약 20분 정도 경과하여 SHS 장치가 충분히 냉각되었을 때, 장치 내의 가스를 배출시키고 SHS 반응 생성물을 장치로부터 꺼냈다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절분석기(XRD)를 사용하여 분석한 결과, 복합분말에서 질화알루미늄(AlN)은 검출되지 않았으며, 다량의 산화알루미늄(Al2O3) 및 질화보론(BN)과 소량의 9Al2O3·2B2O 3이 검출되었다.
실시예 3
산화보론 분말 약 5 중량% 및 알루미늄 분말 약 95중량%를 혼합하여 제 1분말을 제조한 다음, 희석제로 알루미나 분말을 제1분말에 대하여 약 25중량부 첨가하였다. 이어서 상기 희석제가 투입된 제1분말을 컨테이너에 투입한 후, 알루미나 볼을 이용하여 혼합함으로써 제2분말을 제조하였다. 이 경우, 제2분말에 포함된 산화보론 분말에 대한 알루미늄 분말의 중량비는 약 1:19정도가 된다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2분말로부터 복합분말을 제조하기 위하여 SHS 장치 내에서 수행되는 공정은 전술한 실시예 1의 경우와 동일하게 하였다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석한 결과, 9Al2O3·2B2O3는 검출되지 않았으며, 산화알루미늄과 극히 다량의 질화알루미늄 및 소량의 질화보론이 검출되어, 복합분말은 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄으로 이루어짐을 알 수 있었다.
실시예 4
산화보론 약 30 중량% 및 알루미늄 분말 약 70중량%를 혼합하여 제 1분말을 제조한 다음, 희석제로 알루미나 분말을 제1분말에 대하여 약 25중량부 첨가하였다. 이어서, 상기 희석제가 투입된 제1분말을 컨테이너에 투입한 후, 알루미나 볼을 이용하여 혼합함으로써 제2분말을 제조하였다. 이때, 산화보론 분말에 대한 알루미늄 분말의 중량비는 약 1:2.33 정도가 된다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2분말로부터 복합분말을 제조하기 위하여 SHS 장치 내에서 수행되는 공정은 전술한 실시예 1의 경우와 동일하게 하였다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석한 결과, 질화보론 및 다량의 산화알루미늄과 질화알루미늄이 검출되었으며, 극히 소량의 9Al2O3·2B2O3가 검출되었다.
실시예 5
산화보론 분말 약 40중량% 및 알루미늄 분말 약 60중량%를 혼합하여 제1분말을 제조한 다음, 희석제로 알루미나분말을 제1분말에 대하여 약 25중량부 첨가하였다. 계속하여, 상기 희석제가 투입된 제1분말을 컨테이너에 투입한 후, 알루미나 볼을 이용하여 혼합함으로써 제2분말을 제조하였다. 이때, 산화보론 분말에 대한 알루미늄 분말의 중량비는 약 1:1.5정도가 된다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석한 결과, 질화알루미늄, 다량의 질화보론 및 극히 다량의 산화알루미늄으로 이루어짐을 검출할 수 있었으며, 소량의 9Al2O3·2B2O3가 검출되었다.
실시예 6
산화보론 분말 약 60 중량% 및 알루미늄 분말 약 40 중량%를 혼합하여 제1분말을 제조한 다음, 희석제로 알루미나 분말을 제1분말에 대하여 약 25 중량부 첨가하였다. 계속하여, 상기 희석제가 투입된 제1분말을 컨테이너에 투입한 후, 알루미나 볼을 이용하여 혼합함으로써 제2분말을 제조하였다. 이때, 산화보론 분말에 대한 알루미늄 분말의 중량비는 약 1:0.68정도가 된다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절 분석기를 사용하여 분석한 결과, 질화알루미늄은 검출되지 않았으며, 복합분말은 극히 다량의 산화알루미늄 및 질화보론으로 이루어짐을 알 수 있었으며, 소량의 9Al2O3·2B2O3 가 검출되었다.
실시예 1 내지 6의 결과를 정리하면 표 1과 같다. 표 1에서 보듯이, 알루미나를 20중량부 사용한 경우, 산화보론이 56중량% 이상이고, 알루미늄이 44중량% 이하이면 질화보론과 산화알루미늄으로 이루어진 세라믹 복합분말이 수득되었고, 산화보론이 50중량% 이하이고, 알루미늄이 50중량% 이상이면, 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄으로 이루어진 세라믹 복합분말이 수득되었다.
알루미나를 25중량부로 높인 경우, 산화보론이 60중량% 이상이고, 알루미늄이 40중량% 이하이면 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말이 수득되었다.
원료구성에 따른 세라믹 복합분말 성분의 변화
원료구성 희석제 생성된 세라믹 복합분말
산화보론(중량 %) 알루미늄(중량 %) 알루미나(중량부) 질화보론 산화알루미늄 질화알루미늄
실시예 1 50 50 20 OO OO O
실시예 2 56 44 20 OO OO X
실시예 3 5 95 25 △ OO OO
실시예 4 30 70 25 O OO OO
실시예 5 40 60 25 OO OO O
실시예 6 60 40 25 OO OO X
OO: 다량 검출; O: 검출; △: 미량 검출; X: 미검출
실시예 7
실시예 1에 따라 산화보론 약 50중량% 및 알루미늄 분말 약 50중량%로 이루어진 제1분말에 대하여 희석제로 알루미나 분말 약 20중량부를 혼합하여 제2분말을 형성한 다음, 제2분말을 자전 고온 합성 장치 내에서 질소의 인가압력을 각각 1, 3, 5, 10, 30, 50 및 100기압으로 변화시키면서 복합분말을 제조하였다.
SHS 장치 내의 압력이 약 5기압 이하일 경우에는 반응이 진행되다 중간에 정지되었으나, 나머지 압력 하에서는 복합분말의 합성 반응이 모두 진행되었다. 그러나 SHS 장치 내의 압력이 약 5기압인 경우에도 장치 내로 계속적으로 질소를 흘려 보내주면 복합분말의 합성반응이 진행되었다.
본 실시예에 따라 복합분말의 합성반응이 완료된 후, X-선 회절 분석장치를 사용하여 복합분말을 분석한 결과 SHS 장치 내의 압력을 3, 5 및 10기압 정도로 유지하면서 반응을 진행하였을 경우에는 각기 반응하지 않은 알루미늄과 산화보론이 소량 잔류하였다.
실시예 8
실시예 1과 같이 산화보론 분말과 알루미늄 분말이 약 1:1 정도의 중량비로 혼합된 제1분말에 희석제로서 알루미나 분말을 제1분말 전체에 대하여 각각 1, 3, 5, 25, 50, 70 및 80 중량부 첨가하여 제2분말을 제조한 다음, 전술한 실시예 1의 공정에 따라 제2분말을 반응시켜 세라믹 복합분말을 제조하였다.
본 실시예에 있어서, 희석제인 알루미나가 첨가되지 않은 경우와 약 80 중량부로 첨가된 경우에서는 복합분말의 합성반응이 진행되지 않고 중간에 정지하였다.
비교예
알루미늄 분말 약 100중량%로 이루어진 제1분말에 희석제로 알루미나 분말을 제1분말에 대하여 약 25중량부 첨가하고 컨테이너에 투입한 다음, 알루미나 볼을 사용하여 약 40분 정도 혼합함으로써, 제2분말을 제조하였다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2분말로부터 복합분말을 제조하기 위하여 SHS 장치 내에서 수행되는 공정은 전술한 실시예 1의 경우와 동일하게 하였다.
본 실시예에 따라 제조된 복합분말을 X-선 회절분석기(XRD)를 사용하여 분석한 결과, 복합분말에서 질화보론(BN) 및 9Al2O3·2B2O3는 검출되지 않았으며, 산화알루미늄과 다량의 질화알루미늄(AlN)이 검출됨으로써, 복합분말은 산화알루미늄 및 질화알루미늄으로 구성됨을 알 수 있었다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 산화보론 분말 및 알루미늄 분말로부터 간단하고 용이하게 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말 또는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 저렴한 가격의 알루미늄 분말과 산화보론 분말을 사용함으로서 기존의 방법보다 훨씬 경제적으로 세라믹 복합분말을 제조할 수 있다. 또한, 여러 성분을 포함하는 세라믹 복합분말을 한 차례의 공정을 통하여 간편하게 제조할 수 있으므로 세라믹 복합분말의 제조에 소요되는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있다.

Claims (6)

  1. 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화보론, 산화알루미늄 및 질화알루미늄을 포함하는 세라믹 복합분말의 제조방법:
    (a) 산화보론 분말 5~55 중량% 및 알루미늄 분말 45~95 중량%를 혼합하여 제1분말을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1분말에 대하여 희석제를 5~75 중량부 첨가하여 제2분말을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제2분말을 질소가스 환경에서 SHS 반응시켜 복합분말을 형성하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1분말은 산화보론 분말에 대한 상기 알루미늄 분말의 중량비가 1:0.82이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 희석제는 산화알루미늄, 질화알루미늄 및 질화보론으로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법.
  4. 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화보론과 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법:
    (a) 산화보론 분말 56~95 중량% 및 알루미늄 분말 5~44 중량%를 혼합하여 제1분말을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1분말에 대하여 희석제를 5~75 중량부 첨가하여 제2분말을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제2분말을 질소가스 환경에서 SHS 반응시켜 복합분말을 형성하는 단계.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제1분말은 산화보론 분말에 대한 상기 알루미늄 분말의 중량비가 1:0.82 미만인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 희석제는 산화알루미늄 또는 질화보론인 것을 특징으로 하는 세라믹 복합분말의 제조방법.
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