KR20070049142A - 열린 기공 금속 발포체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본원발명은 열린-기공 금속 발포체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 금속 발포체는 많은 전통적인 재료에 많은 부식을 발생시켜 종종 수명을 감소시키는 주위 환경 조건에서 유리하게 사용될 수 있다. 제시된 목적에 따라, 금속 발포체는 낮은 질량, 및 동시에 큰 비표면적, 및 화학적으로 공격적인 주위 환경 조건하에서의 증가된 내부식성을 가져야 한다. 본원발명에 따르는 열린-기공 금속 발포체는 이에 따라 개발되며 그 결과 적어도 니켈 40 중량% 및 적어도 90%의 다공도를 갖는 니켈-구리 합금으로부터 형성된다.
발포체
Description
본원발명은 열린-기공 금속 발포체뿐만 아니라 그 제조방법에 관한 것이다. 본원발명에 따르는 열린-기공 금속 발포체는 대부분의 전통적인 재료에 높은 부식을 발생시켜 적절한 부품의 감소된 수명을 결과하는 주위 환경 조건에서 유리하게 사용될 수 있다.
따라서, 이와 같은 현장 조건 하에서 니켈-구리 합금은 증가된 내부식성을 달성할 수 있고, 그 결과 전체 부품이 상기 합금으로부터 제조된다는 점은 공지이다.
그렇지만, 매우 큰 비표면적뿐만 아니라 큰 부피에도 불구하고 상기 부품이 작은 질량을 가져야 한다는 점에 관한 요구가 존재한다. 예를 들면, 이러한 요구는 화학 플랜트에 적용되는 열 교환기, 해수-담수화 공정, 서로 다른 필터 및 촉매 응용에 대한 요구이다.
그러므로, 본원발명의 목적은 작은 질량을 가짐과 동시에 큰 비표면적, 및 화학적으로 공격적인 주위 환경 조건에서 증가된 내부식성을 갖는 부품을 제공하는 것이다.
본원발명에 따르면, 상기 목적은 특허청구범위 제1항에 정의된 열린-기공 금속 발포체에 의해 해결된다. 상기 금속 발포체는 특허청구범위 제5항의 방법에 의해 제조될 수 있다.
본원발명의 바람직한 구체예 및 개선은 종속항에 기재된 특징에 의해 달성 될 수 있다.
본원발명에 따르는 열린-기공 금속 발포체는 니켈-구리 합금으로부터 형성되며, 40 중량% 이상, 바람직하게는 60 중량% 이상의 니켈이 포함되며, 열린-기공 금속 발포체는 90% 이상의 다공도를 갖는다.
니켈 및 구리에 추가하여, 불순물뿐만 아니라 최대 6 중량%의 부가적인 합금 원소가 포함될 수 있다. 적절한 합금 원소는 예를 들면 망간, 철, 탄소, 실리콘, 알루미늄 및 티타늄이다. 낮은 질량 및 매우 큰 비표면적과 함께 상대적으로 높은 다공도 때문에 본원발명에 따르는 열린-기공 금속 발포체는 다양한 응용에 사용될 수 있으며, 여기서 이들은 500℃ 이상의 증가된 온도에서 충분한 강도 및 우수한 기계적 특성을 갖는다.
이들은 산, 염 및 식염수에 대한 내구성이 있으며, 그 결과 이들은 또한 이러한 조건에서 긴 수명을 가지면서 사용될 수 있다. 전술한 공격 물질(aggressive substance)에 부가하여, 불소 및 불소화수소 화합물뿐만 아니라 심지어 불산(hydrofluoric acid)에 대한 이들의 내구성이 강조된다.
제조에 있어서, 반제품이 순수 니켈로 구성된 열린-기공 금속 발포체 형태로 사용되며, 이것은 90% 이상인 최소 다공도를 가지면서 상업적으로 구입 가능하다.
이 경우, 상기 열린-기공 금속 발포체의 니켈 발포 구조물 표면은 순수 구리 및/또는 산화구리 분말로 코팅된다.
코팅이 수행된 이후 니켈 발포 구조물의 표면뿐만 아니라 열린 기공 내부, 웹 내부 또한 코팅되었다.
분말 또는 분말 혼합물로 코팅한 이후, 700℃ 이상의 온도에서의 열처리가 수행되었으며 니켈 및 구리의 합금이 결과하였다.
최종적으로 수득된 합금의 조성은 사용되는 분말의 용량에 의한 상대적으로 광범위한 제한에 의해 영향을 받는다. 유기 결합제의 추가적인 적용의 결과로, 분말에 의한 코팅이 영향을 받으며 그 결과 표면상에 분말 입자의 균일한 부착이 수득될 수 있다.
상기 유기 결합제는 어느 정도의 액체 형태, 바람직하게는 수용액 형태로 사용되어 적절한 시기에 사용되는 기초 분말과 현탁액/분산액을 형성하는 것이 바람직하다.
니켈 발포체의 니켈 발포 구조물 표면의 코팅은 금속 발포체를 분말이 없는 순수 결합제, 및 현탁액/분산액에 각각 침적시킴으로써 비교적 간단하게 달성될 수 있다. 침적 이후에 상황에 따라 더욱 균일한 분배 및 과량 결합제의 제거가 수행될 수 있으며, 또한 각각의 분말을 포함하는 현탁액/분산액의 제거가 바람직하게는 흡수 패드 상에서 수행되는 압축 작용에 의해 달성될 수 있다.
침적단계 및 압축단계 이후, 상기와 같이 제조된 금속 발포체는 코팅을 더욱 균일하게 개선하기 위해 진동 수단에 의해 진동될 수 있다. 이 경우, 분말이 증착된다. 분말은 결합제로 젖은 운동하는 표면 상부에 분배되고, 그 후 표면에 부착한다.
상기와 같이 제조된 금속 발포체는 열린-기공 금속 발포체이다.
이것은 바람직하게는 불활성 기체 분위기, 더욱 바람직하게는 수소 분위기에서 열처리 된다.
동시에, 약 300℃ 내지 600℃의 첫째 단계에서 유기 성분의 방출, 소위 이탈(disengaging)이 일어난다.
또한 700℃에서부터 상승하는 온도에서 니켈 및 구리 금속의 합금이 달성되는데, 여기서 경우에 따라 전술한 상황 하에서 산화구리로부터 환원된 상기 구리가 니켈 내로 아무 문제 없이 확산되며, 이와 같은 방법으로 합금이 달성된다.
결과적으로, 최종 금속 발포체의 강도는 순수 니켈로부터 형성된 금속 발포체와 비교하여 증가된다.
특히, 사용된 분말, 및 순수한 니켈로 구성된 사용된 금속 발포체에 관하여, 그 밖의 다른 조건은 동일한 최초 조건에서, 본원발명에 따르는 최종 열린-기공 금속 발포체 각각의 다공도 및 각각의 비표면적에 대한 계산된 효과는 특히 각각의 온도에서 열처리하는 동안 구체적인 변화 및 효과를 미치는 조절의 결과로 달성될 수 있다.
따라서, 예를 들면, 700℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 열처리하는 동안, 열린-기공 금속 발포체의 비표면적의 동시적인 증가와 함께, 순수 니켈로 구성된 금속 발포체의 다공도와 비교하여 비교적 많지 않은 다공도의 감소가 상기 열처리 결과로 달성될 수 있다.
이와 달리, 바람직하게는 1100℃ 내지 1300℃ 범위의 온도인 더 높은 온도에서 열처리하는 동안, 니켈 발포 구조물의 최초 다공도는 적어도 대체로 유지되며, 웹의 매우 매끄러운 표면 및 매우 매끄러운 표면을 가지고 달성될 수 있는 기공 내부 벽 때문에, 비표면적은 최초 사용된 순수 니켈로 구성된 금속 발포체와 비교하여 거의 일정하게 유지된다.
한편으로, 본원발명에 따르는 촉매로 작용하는 금속 발포체가 제조된다면, 열처리하는 동안 후속하여 제공되는 합금의 구성성분이 되지 않는 분말 형태의 촉매로 작용하는 물질을, 니켈 발포 구조물을 코팅하기 위해 사용되는 최초 분말에 첨가하는 것이 가능하다. 두 번째 가능성은, 열처리에 후속하여, 니켈-구리 합금으로부터 형성된 유사한 형태의 금속 발포체를 전술한 것의 표면상에 층으로 증착하고, 후속하여 각각의 촉매로 작용하는 물질에 특징적인 특정 열처리를 수행하여 다소 소결되도록 하는 것이다.
그렇지만, 특히 금속성의 촉매로 작용하는 물질에 대하여, 본원발명에 따르는 또 다른 최종 금속 발포체에 대한 열처리 이후의 전기 도금은 가능한 방법이다.
이하에서, 본원발명은 구체예에 따라 더욱 자세히 설명될 것이다.
실시예 1
최초 분말로서 20㎛의 평균 입도 및 패턴화된 형태를 갖는 분말 20g이 사용 될 것이다.
순수 니켈로 구성되고 약 94%의 다공도와 300 ㎜ * 150 ㎜ * 1.7 ㎜의 용적을 나타내는 열린-기공 금속 발포체가 유기 결합제인 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 1% 수용액 50㎖에 침적된다.
침적 이후에, 과량의 결합제를 기공 공간으로부터 제거하기 위하여, 결합제가 있는 순수 니켈로 구성된 금속 발포체가 흡수 패드 상에서 압착되어 그 결과 니켈 발포 구조물의 웹을 갖는 내부 표면은 단지 습윤하게 된다.
상기 과정 이후에, 상기와 같이 코팅된 니켈 발포 구조물은 진동장치에 고정되었으며 진동되었다. 진동 동안에, 결합제로 적셔진 금속 발포체 상의 양쪽 면으로부터 구리 분말이 분산되어 니켈 발포 구조물의 기공 네트워크 내에서 분말의 균일한 분배를 수득하였으며, 열린 기공을 유지하였다.
상기와 같이 제조되고 결합제 및 표면상의 구리 분말로 코팅된 니켈 발포 구조물은 요구된다면 변형될 수 있다. 따라서, 예를 들면 본 니켈 발포 구조물은 속빈 실린더(hollow cylinder) 형태로 감겨 질 수 있다. 변형 동안, 구리 입자는 표면상에 부착한다. 상기와 같이 코팅되고 변형된 니켈 발포 구조물은, 경우에 따라서, 그 후 수소 분위기에서 수행되는 열처리를 거칠 수 있다. 동시에, 열처리는 5 K/min의 가열 주기로 실행된다. 300℃ 내지 600℃ 범위의 온도에서 유기 성분이 이탈되는데 이때 바람직하게는 이를 위해 약 30분의 유지시간이 유지되어야 한다.
후속하여, 온도는 그 후 동일한 가열 주기로 1100℃ 내지 1300℃ 범위까지 증가하고, 30분 이상 유지된다.
열처리 이후에, 상기와 같이 제조된 열린-기공 금속 발포체는 순수 니켈로 구성된 금속 발포체의 최초 다공도와 상응하는 약 94%의 다공도를 다시 나타내었다.
금속 발포체의 내부 벽 및 웹은 매끄러웠다.
상기와 같이 제조된 열린-기공 금속 발포체는 바람직한 높은 내부식성을 나타냈으며 니켈 발포 구조물과 비교하여 상당히 증가된 강도를 달성하였으며 그 결과 이것은 더 잘 기계가공될 수 있을 것이다.
소결된 다공성 구조물은 적어도 40%의 니켈 함량을 갖는 단일상(single-phase) 고용체 구리-니켈 합금으로 구성된다. Mn, Fe, C, Si, Al, Ti, S이 합금에 더욱 포함될 수 있다.
실시예 2
본 문맥에서는, 순수 니켈로 구성된 동일한 열린-기공 금속 발포체, 동일한 최초 구리 분말뿐만 아니라 폴리비닐피롤리돈 1% 수용액이 사용되었다.
또한, 이탈을 결과하는 열처리의 첫째 단계가 동일한 형태로 수행되었다. 단지 열처리의 둘째 단계가 매우 감소한 온도, 즉 700℃ 내지 900℃의 범위에서 수행되었으며 그 후 1시간 이상 유지되었다.
상기 열처리 이후, 니켈-구리 합금으로 구성되고 상기와 같이 제조된 금속 발포체는 순수한 니켈로 구성된 열린-기공 금속 발포체의 최초 다공도 약 94%와 비교하여 약간 감소된 다공도 약 91%를 나타냈다. 그렇지만, 내부 표면뿐만 아니라 웹은 구리 입자의 불완전한 소결에 의해 발생한 증가된 거칠기를 나타냈으며 그 결 과 최종 열린-기공 금속 발포체의 비표면적의 뚜렷한 증가가 관찰되었다.
실제로, 전술한 바람직하게 요구되는 특정이 달성될 수 있다.
Claims (12)
- 니켈 40 중량% 이상을 갖는 니켈-구리 합금으로 형성되고 90% 이상의 다공도(porosity)를 갖는 열린-기공 금속 발포체.
- 제 1항에 있어서, 상기 니켈 및 상기 구리에 추가하여 최대 6 중량%의 부가적인 합금 원소가 포함됨을 특징으로 하는 금속 발포체.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 니켈이 60 중량% 이상 포함됨을 특징으로 하는 금속 발포체.
- 앞선 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부가적인 합금 원소는 망간, 철, 탄소, 실리콘, 알루미늄, 티타늄으로부터 선택됨을 특징으로 하는 금속 발포체.
- 순수 니켈로 구성된 열린-기공 금속 발포체가 구리 분말 또는 산화구리 분말로 코팅되어서 상기 분말이 니켈 발포 구조물(nickel foam structure)의 표면 및 열린 기공 내부를 덮고, 후속하여 700℃ 이상의 온도에서 열처리가 수행되며, 여기서 니켈 및 구리 합금이 발생됨을 특징으로 하는,제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 분말은 유기 결합제에 의해 상기 니켈 분말 발포 구조물의 표면에 증착됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 구리 분말 또는 상기 산화구리 분말은 폴리머 결합제의 수성 용액에 의해 증착됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리는 수소 분위기에서 수행됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 700℃ 내지 900℃ 범위의 상기 열처리 동안 다공도의 감소와 비표면적의 증가가 달성됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 1100℃ 내지 1300℃ 범위의 상기 열처리 동안 상기 니켈 발포 구조물의 최초 다공도가 유지됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 이전에 분말 형 태의 촉매로 작용하는 물질이 상기 분말에 첨가됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
- 제 5항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 이후에 촉매로 작용하는 물질은 갈바니 전기에 의해 또는 상기 표면의 소결에 의해 증착됨을 특징으로 하는 열린-기공 금속 발포체 제조 방법.
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