KR20090081047A - Ceramic material of garnet crystal structure with low thermal conductivity and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

A ceramic material with a garnet crystal structure showing low thermal conductivity and a manufacturing method thereof are provided to show a high thermal expansion coefficient as much as that of a metal parent material while showing low thermal conductivities. A ceramic material showing low thermal conductivity has a garnet crystal structure of A3B5O12. In the garnet crystal structure, the A is one rare earth material selected from the group consisting of Er, Gd, Y and La; and the B is one material selected from the group consisting of Al and Ga. The A consists of Er and the B consists of Al and/or Ga. The ceramic material with a garnet crystal structure shows 2.5-3.6W/mk of thermal conductivity at the temperature of 1000°C.

Description

가넷 결정 구조의 저열전도성 세라믹 소재 및 그 제조방법{Ceramic material of garnet crystal structure with low thermal conductivity and manufacturing method of the same}Ceramic material of garnet crystal structure with low thermal conductivity and manufacturing method of the same

본 발명은 세라믹 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열차폐 코팅 재료로서 사용될 수 있는 가넷 결정 구조의 저열전도성 세라믹 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic material and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a low thermal conductivity ceramic material having a garnet crystal structure that can be used as a heat shield coating material and a method for manufacturing the same.

열차폐코팅이 사용되는 가스 터빈의 실제 사용온도는 1100℃~1200℃인데, 이렇게 고온의 분위기에 노출이 되면 금속재의 표면은 산화되기 쉽다. 가스 터빈과 같이 고온에서 사용하기 위해 개발된 초내열합금도 1000℃ 이상의 고온에서는 장시간 견디는 데에 문제가 따른다. 따라서, 고온에 노출되는 금속재의 수명을 향상시키기 위하여서는 열차폐성이 뛰어난 재료로 코팅하는 것이 필요하다.The actual operating temperature of the gas turbine using heat shield coating is 1100 ℃ ~ 1200 ℃, when exposed to high temperature atmosphere, the surface of the metal material is easy to oxidize. Superalloys developed for use at high temperatures, such as gas turbines, also suffer from long-term endurance at temperatures above 1000 ° C. Therefore, in order to improve the life of the metal material exposed to high temperature, it is necessary to coat with a material having excellent heat shielding properties.

이러한 열차폐코팅에 사용되는 세라믹 물질은 고온에서의 열전도도의 상승을 억제하는 낮은 소결성, 고온에서의 상안정성, 열차폐를 위한 낮은 열전도, 그리고 고온 열팽창계수가 금속 모재의 열팽창계수에 접근하는 높은 값을 가져야 하는 등의 조건이 요구되어진다(R. Vassen, X. Cao, F. Tietz, D. Basu, and D. Stover, "Zirconates as New Materials for Thermal Barrier Coating", J. Am . Ceram . Soc., 83, [8] 2023-2028 (2000)). 하지만 요구 조건에 만족하는 세라믹 물질은 매우 드물고 세라믹 재료들의 일부만이 이러한 조건을 만족시키고 있기 때문에 새로운 소재 개발이 필요한 실정이다.Ceramic materials used in these thermal barrier coatings have low sinterability to suppress the increase in thermal conductivity at high temperatures, phase stability at high temperatures, low thermal conductivity for thermal shielding, and high thermal expansion coefficients approaching the thermal expansion coefficient of the metal matrix. Conditions are required (R. Vassen, X. Cao, F. Tietz, D. Basu, and D. Stover, "Zirconates as New Materials for Thermal Barrier Coating", J. Am . Ceram . Soc. , 83, [8] 2023-2028 (2000)). However, very few ceramic materials satisfy the requirements, and only a few of the ceramic materials satisfy these requirements. Therefore, new materials need to be developed.

현재 TBC(Thermal Barrier Coating)용 소재로는 7~8wt% YSZ(Y2O3-stabilized zirconia)가 널리 사용되고 있다. 그러나 이 소재는 고온에서 장시간 유지될 경우 소결이 진행되어 TBC의 밀도가 높아지고, 열전도가 상승하며, 또한 상변태에 따른 부피의 변화로 냉각·가열 사이클 동안에 TBC층에 균열이 야기되는 문제가 있다(R. L. Jones, R. F. Reidy, and D. Mess, "Scandia, Yttria-Stabilized Zirconia for Thermal Barrier Coatings", Surf . Coat . Technol., 82, 7076 (1996)) (R. L. Jones and D. Mess, "Improved Tetragonal Phase Stability at 1400°C with Scandia, Yttria-Stabilized Zirconia", Surf . Coat . Technol., 867, 94101 (1996)). 또한, ZrO2는 열적 안정성이 우수하고, 낮은 소결성과 열전도도를 가지나 YSZ(Y2O3-stabilized zirconia)보다 낮은 열팽창계수를 가지는 단점이 있다. Currently, 7-8 wt% YSZ (Y 2 O 3 -stabilized zirconia) is widely used as a material for TBC (Thermal Barrier Coating). However, if the material is kept for a long time at a high temperature, the sintering proceeds to increase the density of the TBC, increase the thermal conductivity, and also cause a crack in the TBC layer during the cooling / heating cycle due to the volume change due to the phase transformation (RL). Jones, RF Reidy, and D. Mess, "Scandia, Yttria-Stabilized Zirconia for Thermal Barrier Coatings", Surf . Coat . Technol ., 82, 7076 (1996)) (RL Jones and D. Mess, "Improved Tetragonal Phase Stability at 1400 ° C. with Scandia, Yttria-Stabilized Zirconia ", Surf . Coat . Technol ., 867, 94101 (1996)). In addition, ZrO 2 has excellent thermal stability, has low sintering property and thermal conductivity, but has a lower thermal expansion coefficient than YSZ (Y 2 O 3 -stabilized zirconia).

이러한 문제를 극복하기 위하여 최근에는 YSZ(Y2O3-stabilized zirconia) 대신 CeO2를 기반으로 하는 소재가 연구되고 있으며, 이에 La2O3, Gd2O3, Y2O3 등의 희 토류 원소를 첨가하여 열전도를 낮추는 연구가 다수 진행되었다. 그런데 CeO2에 La2O3를 첨가한 조성들이 열전도도는 낮았으나 열팽창계수 결과의 200~400℃ 구간에서 열팽창계수가 급격히 감소하는 이상 현상이 관찰되었다(W. Ma, S. Gong, H. Xu, and X. Cao, "On Improving the Phase Stability and Thermal Expansion Coefficients of Lanthanum Cerium Oxide Solid Solutions", Scripta Materialia, 54, 15051508 (2006)). In order to overcome this problem, recently, materials based on CeO 2 instead of YSZ (Y 2 O 3 -stabilized zirconia) have been studied. Thus, rare earths such as La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , and Y 2 O 3 have been studied. Many studies have been conducted to reduce the thermal conductivity by adding elements. However, although the thermal conductivity of the compositions added La 2 O 3 to CeO 2 was low, an abnormal phenomenon in which the coefficient of thermal expansion rapidly decreased was observed in the range of 200-400 ° C. of the coefficient of thermal expansion (W. Ma, S. Gong, H.). Xu, and X. Cao, "On Improving the Phase Stability and Thermal Expansion Coefficients of Lanthanum Cerium Oxide Solid Solutions", Scripta Materialia , 54, 15051508 (2006).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온에서의 열전도도의 상승을 억제하는 낮은 소결성, 고온에서의 상안정성, 열차폐를 위한 낮은 열전도, 그리고 고온 열팽창계수가 금속 모재의 열팽창계수에 접근하는 높은 값을 가져 열차폐 코팅 소재로서 사용될 수 있는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재를 제공함에 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is low sinterability to suppress the increase in thermal conductivity at high temperature, phase stability at high temperature, low thermal conductivity for heat shielding, and high value of the high thermal expansion coefficient approaching the thermal expansion coefficient of the metal matrix. To provide a low thermal conductivity ceramic material of garnet crystal structure that can be used as a heat shield coating material.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 고온에서의 열전도도의 상승을 억제하는 낮은 소결성, 고온에서의 상안정성, 열차폐를 위한 낮은 열전도, 그리고 고온 열팽창계수가 금속 모재의 열팽창계수에 접근하는 높은 값을 가져 열차폐 코팅 소재로서 사용될 수 있는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재의 제조방법을 제공함에 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is low sinterability that suppresses the increase in thermal conductivity at high temperature, phase stability at high temperature, low thermal conductivity for thermal shielding, and high value of high thermal expansion coefficient approaching the thermal expansion coefficient of the metal matrix. The present invention provides a method for producing a low thermal conductivity ceramic material of garnet crystal structure that can be used as a heat shield coating material.

본 발명은, 가넷 결정구조를 가지며, 가넷 결정계의 A3B5O12 조성에서 A 사이트는 Er, Gd, Y 및 La 중에서 선택된 적어도 1종류의 희토류 원소로 구성되고, B 사이트는 Al 및 Ga 중에서 선택된 적어도 1종류의 원소로 구성되어 있는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재를 제공한다.The present invention has a garnet crystal structure, wherein in the A 3 B 5 O 12 composition of the garnet crystal system, the A site is composed of at least one rare earth element selected from Er, Gd, Y, and La, and the B site is selected from Al and Ga. A low thermal conductivity ceramic material having a garnet crystal structure composed of at least one selected element is provided.

상기 A 사이트는 Er로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al, Ga 또는 Al과 Ga의 조합으로 구성될 수 있다. The A site is composed of Er, and the B site may be composed of Al, Ga, or a combination of Al and Ga.

상기 A 사이트는 Gd로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al, Ga 또는 Al과 Ga의 조합으로 구성될 수 있다. The A site is composed of Gd, the B site may be composed of Al, Ga or a combination of Al and Ga.

상기 A 사이트는 La로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al로 구성될 수 있다. The A site may be composed of La, and the B site may be composed of Al.

상기 A 사이트는 Y로 구성되고, 상기 B 사이트는 Ga로 구성될 수 있다. The A site may be composed of Y, and the B site may be composed of Ga.

상기 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재는 1000℃에서의 열전도도가 2.5∼3.6 W/mk 범위의 값을 갖는다.The low thermal conductivity ceramic material of the garnet crystal structure has a value in the range of 2.5 to 3.6 W / mk thermal conductivity at 1000 ° C.

또한, 본 발명은, 가넷 결정 구조의 A3B5O12 조성을 갖도록 A 사이트에 첨가될 원소의 소스 원료로서 Er2O3, Gd2O3, La2O3 및 Y2O3 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 산화물 분말과, B 사이트에 첨가될 원소의 소스 원료로서 Ga2O3 및 Al2O3 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 산화물 분말을 볼 밀링기에 장입하여 용매와 함께 습식 혼합하는 단계와, 상기 볼 밀링기에 의해 혼합된 슬러리가 침전되지 않도록 교반시키며 건조하는 단계와, 건조된 슬러리를 분쇄하여 분말화하는 단계와, 분쇄된 분말을 몰드에 장입하고 성형하는 단계 및 성형된 시편을 소결하여 가넷 결정 구조의 세라믹 소재를 형성하는 단계를 포함하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, Er 2 O 3 , Gd 2 O 3 , La 2 O 3 as a source raw material of the element to be added to the A site to have a composition of A 3 B 5 O 12 of the garnet crystal structure And at least one oxide powder selected from Y 2 O 3 and Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 as source materials of the element to be added to the B site. Charging at least one oxide powder selected from among them into a ball mill, followed by wet mixing with a solvent, stirring and drying the slurry mixed by the ball mill to prevent precipitation, and pulverizing the powdered slurry It provides a method of producing a low-heat conductive ceramic material of the garnet crystal structure comprising the steps of, charging and shaping the pulverized powder into a mold, and sintering the molded specimen to form a ceramic material of garnet crystal structure.

본 발명의 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재는, 고온의 산화 분위기에서 상안정성이 우수하고, 열팽창계수가 금속모재의 열팽창계수에 접근하는 높은 값을 가지며, 낮은 열전도값을 가지는 등 열차폐 코팅의 조성으로 적합하다.The low thermal conductivity ceramic material of the garnet crystal structure of the present invention has excellent phase stability in a high temperature oxidizing atmosphere, has a high value of thermal expansion coefficient approaching the thermal expansion coefficient of a metal base material, and has a low thermal conductivity value. It is suitable as a composition.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen.

가넷 결정계(Garnet crystal system; A3B5O12)는 열적 상안정성이 우수하고, 낮은 열확산 계수를 가지며, 고온에서의 우수한 기계적 특성 때문에 열차폐용 소재로서 떠오르는 신소재이다. 또한, 가넷 결정계(Garnet crystal system; A3B5O12)는 격자상수(lattice constant)가 1200pm에 이르는 큰 큐빅 단위셀(Cubic unit cell)을 가지고 있으며, 하나의 셀(Cell)은 160개 정도의 원자(atoms)를 포함한다. 따라서, 다양한 재료를 도핑할 수 있어 특성(Properties)이 조성(Composition)으로 쉽게 조절될 수 있다는 장점을 가진다. Garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ) is a new material emerging as a heat shielding material because of excellent thermal phase stability, low thermal diffusion coefficient, and excellent mechanical properties at high temperature. In addition, the Garnet crystal system A 3 B 5 O 12 has a large cubic unit cell with a lattice constant of 1200 pm, and one cell has about 160 cells. It contains atoms of. Therefore, various materials can be doped, and the properties can be easily adjusted to the composition.

본 발명은 가스 터빈에 사용되는 금속인 모재의 내열성과 수명을 향상시키기 위한 열차폐코팅 소재로서 사용될 수 있는 가넷 결정 구조의 세라믹 소재를 제시한다. 고온에서 금속인 모재를 보호하는 열차폐 기능을 가지는 저열전도도 세라믹 소재로서 가넷(Garnet) 구조를 가지며, 가넷(Garnet)의 A3B5O12의 일반적인 조성에서 A 사이트(site)에 Er, Gd, Y 또는 La의 희토류 원소, B 사이트(site)에 Al, 또는 Ga의 원소로 구성되어 있는 소재에 관하여 제시한다.The present invention provides a ceramic material of garnet crystal structure that can be used as a heat shield coating material for improving the heat resistance and life of the base metal which is a metal used in a gas turbine. Low thermal conductivity ceramic material with heat shielding function to protect the base metal, which is a metal at high temperature, has a garnet structure, and Er, at the A site in the general composition of A 3 B 5 O 12 of Garnet, A rare earth element of Gd, Y, or La, and a material composed of Al or Ga of the B site will be described.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정 구조의 세라믹 소재는 고온 특성이 우수하고 상 변형이 일어나지 않는 안정적인 소재이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정 구조의 세라믹 소재는, 1200℃에서의 열팽창계수가 9.0×10-6/K 이상이고, 1000℃에서의 열전도도는 2.5~3.6W/mK 정도이며, 특히 가넷 결정계(Er3(GaAl)5O12)에서 열전도도가 최저 2.5W/mK로서 본 발명의 소재는 열차폐 코팅 등의 소재로서 활용가능하다.The ceramic material of the garnet crystal structure according to the preferred embodiment of the present invention is a stable material having excellent high temperature characteristics and no phase deformation. In the ceramic material of the garnet crystal structure according to the preferred embodiment of the present invention, the thermal expansion coefficient at 1200 ° C. is 9.0 × 10 −6 / K or more, and the thermal conductivity at 1000 ° C. is about 2.5 to 3.6 W / mK. The thermal conductivity of the garnet crystal system (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) is as low as 2.5W / mK, the material of the present invention can be utilized as a material such as heat shield coating.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정 구조의 세라믹 소재의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a ceramic material of garnet crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention.

가넷 결정 구조의 A3B5O12 조성을 갖도록 A 사이트(site)에 첨가될 원소를 함유하는 산화물 분말과 B 사이트(site)에 첨가될 원소를 함유하는 산화물 분말을 각각 칭량한다. 상기 A 사이트에 첨가될 원소는 Er(erbium; 에르븀), Gd(gadolinium; 가돌리늄), La(lanthanum; 란탄) 또는 Y(yttrium; 이트륨) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 희토류 원소일 수 있고, 이들 원소의 소스(source) 원료인 산화물로는 Er2O3, Gd2O3, La2O3, Y2O3 등을 사용할 수 있다. 상기 B 사이트에 첨가될 원소는 Ga(gallium; 갈륨), Al(aluminium; 알루미늄) 및 Fe(iron; 철) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 원소일 수 있고, 이들 원소의 소스 원료인 산화물로는 Ga2O3, Al2O3, Fe2O3 등을 사용할 수 있다. An oxide powder containing an element to be added to the A site and an oxide powder containing an element to be added to the B site are respectively weighed so as to have an A 3 B 5 O 12 composition of the garnet crystal structure. Elements to be added to the A site are Er (erbium; erbium), Gd (gadolinium; gadolinium), La (lanthanum; lanthanum) Or at least one rare earth element selected from y (yttrium), and an oxide which is a source material of these elements may include Er 2 O 3 , Gd 2 O 3 , La 2 O 3 , and Y 2 O 3. Etc. can be used. Elements be added to the B site, Ga (gallium; gallium) is Ga 2 with at least one may be a single element, the source material of oxide of these elements selected from, Al (aluminium;; aluminum), and Fe (ferrous iron) O 3 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3, etc. may be used.

A 사이트(site)에 첨가될 원소를 함유하는 소스 원료인 산화물 분말과 B 사이트(site)에 첨가될 원소를 함유하는 소스 원료인 산화물 분말을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하여 용매와 함께 습식 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 소스 원료들을 기계화학적으로 분쇄하고 균일하게 혼합한다. Oxide powder, which is a source material containing an element to be added to the A site, and oxide powder, which is a source material containing an element to be added to the B site, are charged into a ball milling machine and wetted with a solvent. Mix. The ball mill is rotated at a constant speed to mechanically grind and uniformly mix the source raw materials.

볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼100 시간 동안 실시한다. The balls used for ball milling may use balls made of ceramics such as zirconia, and the balls may be all the same size or may be used with balls having two or more sizes. Grind to the size of the target particles by adjusting the size of the ball, milling time, rotation speed per minute of the ball mill. For example, in consideration of the particle size, the size of the ball can be set in the range of about 1 mm to 10 mm, and the rotational speed of the ball mill can be set in the range of about 50 to 500 rpm. Ball milling is performed for 1 to 100 hours in consideration of the target particle size and the like.

볼 밀링에 의해 소스 원료들은 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 되며, 균일하게 혼합되게 되게 된다. By ball milling, the source raw materials are ground to finely sized particles, have a uniform particle size distribution, and are mixed evenly.

혼합이 완료된 슬러리가 침전되지 않도록 마그네틱 바를 이용하여 교반시키며 건조 공정을 실시한다. 상기 건조 공정은 80℃ 오븐에서 24시간 동안 항량 건조시킬 수 있다. A drying process is performed while stirring using a magnetic bar so that the mixed slurry is not precipitated. The drying process can be weight-dried for 24 hours in an oven at 80 ℃.

건조된 슬러리를 분쇄하여 분말을 제조한다. 상기 분쇄는 알루미나 유발을 사용하여 실시할 수 있다. The dried slurry is pulverized to prepare a powder. The grinding can be carried out using alumina induction.

분쇄된 상기 분말을 몰드에 장입하고 성형한다. 상기 성형은 직경이 16 ㎜인 몰드에 장입하고 먼저 50 MPa의 압력으로 1분간 일축 성형하고, 다시 150 MPa의 압력으로 1분간 등방가압성형(Cold Isostatic Pressing)하여 실시할 수 있다. The pulverized powder is charged into a mold and molded. The molding may be carried out by charging into a mold having a diameter of 16 mm, first uniaxially molding for 1 minute at a pressure of 50 MPa, and then cold isostatic pressing (Cold Isostatic Pressing) for 1 minute at a pressure of 150 MPa.

성형한 시편을 소결하여 가넷 결정 구조의 세라믹 소재를 형성한다. 상기 소결은 1300℃∼1600℃ 정도의 온도에서 1시간∼3시간 정도 실시하는 것이 바람직하다. 소결 공정은 소결 온도까지는 10℃/min의 승온 속도로 승온시킨 후, 일정 시간(예컨대, 1시간∼3시간 정도)을 유지하여 소결하고, 상온까지 로냉하여 실시할 수 있다.The molded specimen is sintered to form a ceramic material of garnet crystal structure. It is preferable to perform the said sintering for about 1 hour-about 3 hours at the temperature of about 1300 degreeC-1600 degreeC. The sintering step can be carried out by heating up to a sintering temperature at a heating rate of 10 ° C./min, sintering for a predetermined time (for example, about 1 hour to 3 hours), and quenching to room temperature.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정 구조의 세라믹 소재는, 1200℃에서의 열팽창계수가 9.0×10-6/K 이상이고, 1000℃에서의 열전도도는 2.5~3.6W/mK 정도이며, 특히 가넷 결정계(Er3(GaAl)5O12)에서 열전도도가 최저 2.5W/mK 정도이다. In the ceramic material of the garnet crystal structure according to the preferred embodiment of the present invention, the thermal expansion coefficient at 1200 ° C. is 9.0 × 10 −6 / K or more, and the thermal conductivity at 1000 ° C. is about 2.5 to 3.6 W / mK. In the garnet crystal system (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ), the thermal conductivity is about 2.5 W / mK.

금속인 모재의 내열성과 수명을 향상시키기 위한 가넷 결정 구조의 세라믹 소재로서, 가넷 결정계(Garnet crystal system; A3B5O12)에서 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Er2O3, Gd2O3, La2O3 또는 Y2O3, B 사이트에 들어갈 원소의 소스 원료로서 (Fe·Al)2O3 또는 (Ga·Al)2O3를 사용하여 일정 온도에서 일정 시간 동안 소결하여 열적 특성에 관하여 분석하였다. 이하에서, 본 발명의 가넷 결정 구조의 세라믹 소재의 고온 열적 특성 분석 방법을 구체적으로 설명한다.It is a ceramic material of garnet crystal structure to improve the heat resistance and lifespan of the base metal, which is a metal.Er 2 O 3 as a source raw material of element to enter the A site in the Garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ) , Gd 2 O 3 , La 2 O 3 Alternatively, the thermal properties were analyzed by sintering at a constant temperature using (Fe · Al) 2 O 3 or (Ga · Al) 2 O 3 as a source raw material of elements to enter Y 2 O 3 and B sites. Hereinafter, the high temperature thermal characteristic analysis method of the ceramic material of the garnet crystal structure of this invention is demonstrated concretely.

<실시예 1∼7><Examples 1-7>

표 1은 가넷 결정계에서 Er3(Ga·Al)5O12, Er3(Fe·Al)5O12 의 소결성을 요약하여 개략적으로 나타낸 것이다. 표 1에서 'O'는 해당 온도에서 용융되지 않고 소결이 이루어졌음을 나타내는 것이고, 'X'는 해당 온도에서 소결되지 못하고 용융되었음을 나타내는 것이다. Table 1 schematically shows the sinterability of Er 3 (Ga · Al) 5 O 12 , Er 3 (Fe · Al) 5 O 12 in the garnet crystal system. In Table 1, 'O' indicates that the sintering was performed without melting at the corresponding temperature, and 'X' indicates that it was not sintered and melted at the corresponding temperature.

소결성 결과Sinterability Results 1300℃1300 ℃ 1400℃1400 ℃ 1500℃1500 ℃ 1600℃1600 ℃ 실시예 1Example 1 Er3Ga5O12 Er 3 Ga 5 O 12 OO OO OO OO 실시예 2Example 2 Er3Ga4 .3Al0 .7O12 Er 3 Ga 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO OO OO OO 실시예 3Example 3 Er3Ga3 .6Al1 .4O12 Er 3 Ga 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO OO OO 실시예 4Example 4 Er3Ga2 .5Al2 .5O12 Er 3 Ga 2 .5 Al 2 .5 O 12 OO OO OO OO 실시예 5Example 5 Er3Ga1 .4Al3 .6O12 Er 3 Ga 1 .4 Al 3 .6 O 12 OO OO OO OO 실시예 6Example 6 Er3Ga0 .7Al4 .3O12 Er 3 Ga 0 .7 Al 4 .3 O 12 OO OO OO OO 실시예 7Example 7 Er3Al5O12 Er 3 Al 5 O 12 OO OO OO OO 비교예 1Comparative Example 1 Er3Fe4 .3Al0 .7O12 Er 3 Fe 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO OO OO XX 비교예 2Comparative Example 2 Er3Fe5O12 Er 3 Fe 5 O 12 OO OO XX XX

실시예 1 내지 7은 가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Er2O3, B 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 (Ga2O3ㆍAl2O3)를 사용한 경우이다. Examples 1 to 7 are Er 2 O 3 as a source raw material of an element that will enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ), and as a source raw material of an element that will enter the B site (Ga 2 O 3 ㆍ Al 2 O 3 ) is used.

표 1의 조성을 갖도록 소스 원료들을 칭량한다. 소스 원료의 분자량, 몰비, 함량비를 기초로 표 1의 조성을 갖도록 칭량한다. 예컨대, 실시예 1은 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 11.01g과 Ga2O3 분말 9.99g이 되게 칭량한 것이고, 실시예 2는 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 11.33g, Al2O3 분말 0.71g, Ga2O3 분말 7.96g이 되게 칭량한 것이며, 실시예 3은 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 11.68g, Al2O3 분말 1.45g, Ga2O3 분말 6.87g이 되게 칭량한 것이고, 실시예 4는 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 12.27g, Al2O3 분말 2.73g, Ga2O3 분말 5.01g이 되게 칭량한 것이며, 실시예 5는 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 12.92g, Al2O3 분말 4.13g, Ga2O3 분말 2.95g이 되게 칭량한 것이고, 실시예 6은 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 13.36g, Al2O3 분말 5.11g, Ga2O3 분말 1.53g이 되게 칭량한 것이며, 실시예 7은 표 1의 조성을 갖도록 Er2O3 분말 13.85g, Al2O3 분말 6.15g이 되게 칭량한 것이다. The source raw materials are weighed to have the composition of Table 1. It is weighed to have the composition shown in Table 1 based on the molecular weight, molar ratio, and content ratio of the source raw material. For example, Example 1 is weighed to have 11.01 g of Er 2 O 3 powder and 9.99 g of Ga 2 O 3 powder to have the composition of Table 1, and Example 2 is 11.33 g of Er 2 O 3 powder, Al to have the composition of Table 1 2 O 3 powder, 0.71g, Ga 2 O 3 powder 7.96g one would have to be weighed, the third embodiment is to have the composition of Table 1 Er 2 O 3 powder 11.68g, Al 2 O 3 powder, 1.45g, Ga 2 O 3 powder Example 6 weighed to 6.87g, Example 4 weighed to 12.27g Er 2 O 3 powder, 2.73g Al 2 O 3 powder, 5.01g Ga 2 O 3 powder to have the composition of Table 1, Example 5 12.92 g of Er 2 O 3 powder, 4.13 g of Al 2 O 3 powder, and 2.95 g of Ga 2 O 3 powder were weighed to have the composition of Table 1. Example 6 13.36 g of Er 2 O 3 powder to have the composition of Table 1. , 5.11 g of Al 2 O 3 powder, 1.53 g of Ga 2 O 3 powder, and Example 7 was weighed to 13.85 g of Er 2 O 3 powder and 6.15 g of Al 2 O 3 powder to have the composition of Table 1. will be.

표 1의 조성을 갖도록 칭량된 소스 원료들을 볼 밀링기에 장입하고, 에탄올을 용매로 3 ㎜ 지르코니아 볼을 사용하여 플래니터리 밀(planetary mill)로 4시간 동안 습식 혼합하였다. Source raw materials weighed to have the composition of Table 1 were loaded into a ball mill and ethanol was wet mixed for 4 hours in a planetary mill using 3 mm zirconia balls as solvent.

혼합이 완료된 슬러리가 침전되지 않도록 마그네틱 바를 이용하여 교반시키며 건조하였고, 80℃ 오븐에서 24시간 동안 항량 건조시킨 후, 알루미나 유발을 이용하여 분쇄하여 분말을 제조하였다. The mixture was stirred and dried using a magnetic bar to prevent precipitation of the mixed slurry, followed by constant drying in an oven at 80 ° C. for 24 hours, and then pulverized using alumina induction to prepare a powder.

혼합된 분말을 직경이 16 ㎜인 몰드에 장입하고, 먼저 50 MPa의 압력으로 1분간 일축 성형하고, 다시 150 MPa의 압력으로 1분간 등방가압성형(Cold Isostatic Pressing)하였다. The mixed powder was charged into a mold having a diameter of 16 mm, first uniaxially formed at a pressure of 50 MPa for 1 minute, and further subjected to isostatic pressing (Cold Isostatic Pressing) at 150 MPa for 1 minute.

성형한 시편을 각각 1300℃, 1400℃, 1500℃, 1600℃까지 10℃/min의 승온 속도로 승온시킨 후 2시간을 유지하여 각각 소결하고, 상온까지 로냉하였다.The molded specimens were heated to 1300 ° C, 1400 ° C, 1500 ° C, and 1600 ° C at a heating rate of 10 ° C / min, and then sintered for 2 hours, respectively, and cooled to room temperature.

표 1에서 보여주듯이 Er3(GaㆍAl)5O12 조성은 1300℃~1600℃까지 모든 온도에서 소결이 되어 상이 안정함을 보였다. As shown in Table 1, the Er 3 (Ga · Al) 5 O 12 composition was sintered at all temperatures from 1300 ° C to 1600 ° C, indicating that the phase was stable.

도 1은 소결된 시편들의 결정구조를 분석하기 위하여 1600℃에서 2시간 동안 소결한 시험편을 고출력 X-선 회절기(diffractometer)(D/max-2500/PC, 리가쿠(Rigaku)사, 일본)를 이용하여 40 kV, 200 ㎃의 조건에서 4℃/min의 스캔 속도로 20~70°까지 회절 패턴을 관찰하였다. 1 is a high power X-ray diffractometer (D / max-2500 / PC, Rigaku Co., Japan) of a specimen sintered at 1600 ° C. for 2 hours to analyze the crystal structure of the sintered specimen. The diffraction pattern was observed up to 20 ° to 70 ° at a scan rate of 4 ° C./min using 40 kV and 200 Hz.

도 1에 도시된 바와 같이, 관찰 결과 실시예 1-6 까지의 조성이 YAG(yttrium aluminum garent)상이 확실하며 1600℃에서 상 안정성이 우수하다는 결론을 얻었다. As shown in FIG. 1, observations showed that the compositions up to Examples 1-6 were YAG (yttrium aluminum garent) phases and the phase stability was excellent at 1600 ° C.

표 2는 가넷 결정계에서 Er3(GaAl)5O12의 밀도 및 비열 값을 개략적으로 나타낸 것이다.Table 2 schematically shows the density and specific heat values of Er 3 (GaAl) 5 O 12 in the garnet crystal system.

밀도(g/㎤)Density (g / cm 3) 이론밀도(g/㎤)Theoretical density (g / cm3) 상대밀도(%)Relative Density (%) 비열(J/gK)Specific Heat (J / gK) Er3Ga5O12 Er 3 Ga 5 O 12 6.956.95 7.217.21 96.496.4 0.570.57 Er3Ga4 .3Al0 .7O12 Er 3 Ga 4 .3 Al 0 .7 O 12 7.187.18 7.117.11 101.0101.0 0.590.59 Er3Ga3 .6Al1 .4O12 Er 3 Ga 3 .6 Al 1 .4 O 12 7.147.14 6.996.99 100.7100.7 0.610.61 Er3Ga2 .5Al2 .5O12 Er 3 Ga 2 .5 Al 2 .5 O 12 6.476.47 6.816.81 95.095.0 0.630.63 Er3Ga1 .4Al3 .6O12 Er 3 Ga 1 .4 Al 3 .6 O 12 4.954.95 6.626.62 74.774.7 0.660.66 Er3Ga0 .7Al4 .3O12 Er 3 Ga 0 .7 Al 4 .3 O 12 4.894.89 6.506.50 75.375.3 0.680.68 Er3Al5O12 Er 3 Al 5 O 12 5.365.36 6.376.37 84.184.1 0.700.70

표 2에서 보이는 소결한 시편으로 밀도 측정, XRD 상분석, 열팽창계수 측정, 비열 측정, 열확산도 측정, 열전도도 계산 등의 실험을 통하여 고온에서의 열적 특성을 평가하였다. The sintered specimens shown in Table 2 were evaluated for thermal properties at high temperatures through experiments such as density measurement, XRD phase analysis, thermal expansion coefficient measurement, specific heat measurement, thermal diffusivity measurement, and thermal conductivity calculation.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정구조의 세라믹 소재(Er3(GaAl)5O12)의 온도(temperature)에 따른 열팽창 계수(thermal expansion coefficient; TEC)를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing a thermal expansion coefficient (TEC) according to the temperature of the ceramic material (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) of the garnet crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 열팽창 계수를 측정하기 위하여 길이 20 ㎜, 직경 5 ㎜ 정도의 소결체 시편을 팽창계(dilatometer)(DIL 402C, 네취(Netzsch)사, 독일)를 사용하여 1200℃까지 10℃/min의 속도로 승온하여 측정하였다. 측정 결과, 조성에 크게 관계없이 1200℃에서 10×10-6/K에 가까운 값을 가져 기존의 열차폐 소재로 널리 사용되는 7~8 wt% Y2O3 첨가 지르코니아(YSZ, Y2O3-stabilized zirconia)의 열팽창계수값(10.5×10-6/K)과 유사하다는 결론을 얻었다. 2, in order to measure the coefficient of thermal expansion, a sintered compact specimen having a length of 20 mm and a diameter of 5 mm was used at a dilatometer (DIL 402C, Netzsch, Germany) at 10 ° C / 1200 ° C. It measured by heating up at the speed of min. As a result, zirconia added with 7-8 wt% Y 2 O 3 (YSZ, Y 2 O 3) , which is widely used as a conventional heat shielding material, has a value close to 10 × 10 -6 / K at 1200 ° C regardless of the composition. It was concluded that the thermal expansion coefficient of -stabilized zirconia was similar to that of 10.5 × 10 -6 / K.

ASTM(American Society for Testing Materials; 미국재료시험협회) E1269를 바탕으로 직경이 6 ㎜, 두께가 0.6~0.7 ㎜가 되는 원형 디스크의 소결체를 제조하고, 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter; DSC)(DSC 404C, 네취(Netzsch)사, 독일)를 사용하여 10℃/min의 승온 속도로 1200℃까지 비열을 측정하였다. 비열 측정 결과, 1200℃에서 0.57~0.70J/gK의 값을 가진다는 것을 얻었다. Based on ASTM (American Society for Testing Materials) E1269, a sintered body of a circular disk having a diameter of 6 mm and a thickness of 0.6 to 0.7 mm was prepared, and a differential scanning calorimeter (DSC) (DSC) Specific heat was measured to 1200 degreeC using the temperature increase rate of 10 degree-C / min using 404C, Netzsch, Germany. As a result of specific heat measurement, it was obtained that it had a value of 0.57-0.70 J / gK at 1200 degreeC.

열확산도를 측정하기 위하여 직경이 12.7 ㎜, 두께가 2.0 ㎜인 원형 디스크의 소결체를 제조하고, 1 ㎛의 다이아몬드를 사용하여 상하면을 연마하였다. 시편 표면에서 레이저의 반사를 막고 시험편에의 흡수를 돕기 위하여 그래파이트(graphite)를 양면에 코팅하고, 열정수측정기(LFA427, 네취(Netzsch)사, 독일)를 사용하여 열확산도를 측정하였다. 열확산도 측정 결과, 1000℃에서 0.6~0.7㎜2/s의 값을 가진다는 결론을 얻었다.In order to measure the thermal diffusivity, a sintered compact of a circular disk having a diameter of 12.7 mm and a thickness of 2.0 mm was manufactured, and the upper and lower surfaces were polished using diamond having a diameter of 1 m. Graphite was coated on both sides in order to prevent the reflection of the laser from the specimen surface and to help the absorption into the test specimen, and thermal diffusivity was measured using a passion water meter (LFA427, Netzsch, Germany). As a result of thermal diffusivity measurement, it was concluded that it has a value of 0.6 ~ 0.7mm 2 / s at 1000 ℃.

ASTM(American Society for Testing Materials; 미국재료시험협회) E1461에 의거하여 시차주사열량계(DSC)로 측정한 비열 값, 이론 밀도, 열확산도 세 가지 값을 곱하여 열전도도 값을 계산하였다. 그러나 이 결과는 소결체의 밀도를 고려하지 않은 것이므로 이를 다음과 같은 수학식 1을 사용하여 조성에 따른 소재의 열전도도를 다시 계산하였다. Thermal conductivity values were calculated by multiplying three values of specific heat, theoretical density, and thermal diffusivity measured by differential scanning calorimetry (DSC) according to American Society for Testing Materials (ASTM) E1461. However, this result does not take into account the density of the sintered compact, so that the thermal conductivity of the material according to the composition was recalculated using Equation 1 below.

Figure 112008005493542-PAT00001
Figure 112008005493542-PAT00001

수학식 1에서, kmeasured는 측정된 열전도도를 의미하고, Φ는 기공율을 의미하며, ktrue는 실제 소재의 열전도도를 의미한다. In Equation 1, k measured means measured thermal conductivity, Φ means porosity, k true means thermal conductivity of the actual material.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정구조의 세라믹 소재(Er3(GaAl)5O12)의 온도(temperature)에 따른 열전도도(thermal conductivity)를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph illustrating thermal conductivity according to temperature of a ceramic material (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) having a garnet crystal structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 열전도도 계산 결과, 1000℃에서 2.5~3.6W/mK의 값을 가졌 다. 이는 1.8~2.7W/mK의 열전도값을 가지는 7~8 wt% Y2O3 첨가 지르코니아(YSZ, Y2O3-stabilized zirconia)(Nitin, P. Padture, Klemens, G. Paul, J. Am . Ceram . Soc. 80, (1997) 1018-1020)보다 조금은 높지만 유사한 값이다. Referring to Figure 3, as a result of the thermal conductivity calculation, it had a value of 2.5 ~ 3.6W / mK at 1000 ℃. This is 7 ~ 8 wt% Y 2 O 3 addition zirconia (YSZ, Y 2 O 3 -stabilized zirconia) (Nitin, P. Padture, Klemens, G. Paul, J. Am ) with a thermal conductivity of 1.8 ~ 2.7W / mK. . Ceram. Soc. 80, it is a bit higher than the analogous (1997) 1018-1020).

<비교예 1∼2><Comparative Examples 1 and 2>

비교예 1, 2는 표 1에 나타난 바와 같이 가넷 결정계(A3B5O12)의 B 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 실시예 1 내지 7의 (Ga2O3ㆍAl2O3) 대신에 (Fe2O3ㆍAl2O3)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1∼7과 동일한 방법으로 시편을 제조하고 소결하였다. Comparative Examples 1 and 2, as shown in Table 1, are the source raw materials of the elements to enter the B site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ) (Ga 2 O 3 ㆍ Al 2 O of Examples 1 to 7). 3 ) Specimens were prepared and sintered in the same manner as in Examples 1 to 7, except that (Fe 2 O 3 .Al 2 O 3 ) was used instead.

1300℃~1600℃에서 소결한 결과, Er3(FeㆍAl)5O12 조성은 1500℃부터 용융되는 것을 관찰하였고, 열차폐 코팅의 조성으로 사용되기에는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. As a result of sintering at 1300 ° C. to 1600 ° C., the composition of Er 3 (Fe · Al) 5 O 12 was observed to be melted from 1500 ° C. and found to be unsuitable for use as a heat shield coating composition.

<실시예 8∼9><Examples 8-9>

표 3은 가넷 결정계에서 Gd3(Ga·Al)5O12, Gd3(Fe·Al)5O12의 소결성을 요약하여 개략적으로 나타낸 것이다. 표 3에서 'O'는 해당 온도에서 용융되지 않고 소결이 이루어졌음을 나타내는 것이고, 'X'는 해당 온도에서 소결되지 못하고 용융되었음을 나타내는 것이다. Table 3 summarizes the sinterability of Gd 3 (Ga · Al) 5 O 12 , Gd 3 (Fe · Al) 5 O 12 in the garnet crystal system. In Table 3, 'O' indicates that the sintering was performed without melting at the corresponding temperature, and 'X' indicates that it was not sintered and melted at the corresponding temperature.

소결성 결과Sinterability Results 1300℃1300 ℃ 1400℃1400 ℃ 1500℃1500 ℃ 1600℃1600 ℃ 실시예 8Example 8 Gd3Ga5O12 Gd 3 Ga 5 O 12 OO OO OO OO 실시예 9Example 9 Gd3Ga4.3Al0.7O12 Gd 3 Ga 4.3 Al 0.7 O 12 OO OO OO OO 비교예 3Comparative Example 3 Gd3Ga3 .6Al1 .4O12 Gd 3 Ga 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO OO XX 비교예 4Comparative Example 4 Gd3Al5O12 Gd 3 Al 5 O 12 OO OO OO XX 비교예 5Comparative Example 5 Gd3Fe3 .6Al1 .4O12 Gd 3 Fe 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO OO XX 비교예 6Comparative Example 6 Gd3Fe4 .3Al0 .7O12 Gd 3 Fe 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO OO OO XX 비교예 7Comparative Example 7 Gd3Fe5O12 Gd 3 Fe 5 O 12 OO OO XX XX

가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Gd2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1∼7과 동일한 방법으로 시편을 제조하고 소결하였다. Specimens were prepared and sintered in the same manner as in Examples 1 to 7 except that Gd 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ).

소결한 결과 Gd2O3가 많이 첨가된 조성들은 1300℃~1600℃까지 모든 온도에서 열차폐코팅용 소재로 사용하기에 적절한 상안정성이 있음을 알 수 있었다. As a result of sintering, it was found that the compositions to which Gd 2 O 3 was added have a suitable phase stability for use as a heat shield coating material at all temperatures from 1300 ℃ to 1600 ℃.

<비교예 3∼7><Comparative Examples 3 to 7>

실시예 8∼9와 동일한 방법으로 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Gd2O3를 사용하고, B 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 (Ga2O3ㆍAl2O3) 혹은 (Fe2O3ㆍAl2O3)를 사용하여 시편을 제조하고 소결하였다.In the same manner as in Examples 8 to 9, Gd 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site, and (Ga 2 O 3 Al 2 O was used as the source raw material of the element to enter the B site. 3 ) or (Fe 2 O 3 ㆍ Al 2 O 3 ) to prepare a specimen and sintered.

소결한 결과 Gd2O3의 첨가량이 감소하고 Fe2O3의 첨가량이 증가됨에 따라 1500℃부터 용융되는 것을 관찰하였고 열차폐 코팅의 조성으로 사용되기에는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. As a result of the sintering, as the amount of Gd 2 O 3 was decreased and the amount of Fe 2 O 3 was increased, it was observed to melt from 1500 ° C. It was found that it was not suitable for use as a composition of the thermal barrier coating.

<실시예 10><Example 10>

표 4는 가넷 결정계에서 La3(Ga·Al)5O12, La3(Fe·Al)5O12의 소결성을 요약하여 개략적으로 나타낸 것이다. 표 4에서 'O'는 해당 온도에서 용융되지 않고 소결이 이루어졌음을 나타내는 것이고, 'X'는 해당 온도에서 소결되지 못하고 용융되었음을 나타내는 것이다. Table 4 schematically shows the sinterability of La 3 (Ga · Al) 5 O 12 , La 3 (Fe · Al) 5 O 12 in the garnet crystal system. In Table 4, 'O' indicates that sintering was performed without melting at the corresponding temperature, and 'X' indicates that the sintering was not sintered at the corresponding temperature.

소결성 결과Sinterability Results 1300℃1300 ℃ 1400℃1400 ℃ 1500℃1500 ℃ 1600℃1600 ℃ 실시예 10Example 10 La3Al5O12 La 3 Al 5 O 12 OO OO OO OO 비교예 8Comparative Example 8 La3Fe3 .6Al1 .4O12 La 3 Fe 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO XX XX 비교예 9Comparative Example 9 La3Fe4 .3Al0 .7O12 La 3 Fe 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO OO XX XX 비교예 10Comparative Example 10 La3Fe5O12 La 3 Fe 5 O 12 OO OO XX XX 비교예 11Comparative Example 11 La3Ga4 .3Al0 .7O12 La 3 Ga 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO XX XX XX 비교예 12Comparative Example 12 La3Ga3 .6Al1 .4O12 La 3 Ga 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO XX XX XX 비교예 13Comparative Example 13 La3Ga5O12 La 3 Ga 5 O 12 OO XX XX XX

가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 La2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1∼7과 동일한 방법으로 시편을 제조하고 소결하였다. Specimens were prepared and sintered in the same manner as in Examples 1-7 except that La 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ).

소결한 결과 La3Al5O12 조성은 1300℃~1600℃까지 모든 온도에서 열차폐코팅용 소재로 사용하기에 적절한 상안정성이 있음을 알 수 있었다. As a result of sintering, La 3 Al 5 O 12 composition was found to have a suitable phase stability for use as a heat shield coating material at all temperatures from 1300 ℃ to 1600 ℃.

<비교예 8∼13><Comparative Examples 8-13>

실시예 10과 동일한 방법으로 가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 La2O3를 사용하고, B 사이트(site)에 들어갈 원소의 소스 원료로서 (Ga2O3ㆍAl2O3) 혹은 (Fe2O3ㆍAl2O3)를 사용하여 시편을 제조하고 소결하였다.In the same manner as in Example 10, La 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ), and as the source raw material of the element to enter the B site Specimens were prepared and sintered using (Ga 2 O 3 Al 2 O 3 ) or (Fe 2 O 3 Al 2 O 3 ).

소결한 결과 Fe2O3와 Gd2O3의 첨가량이 증가함에 따라 1400℃부터 용융이 진행됨을 관찰하였고, 열차폐 코팅의 조성으로 사용되기에는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. As a result of sintering, as the amount of Fe 2 O 3 and Gd 2 O 3 increased, the melting proceeded from 1400 ° C., and it was found that it was not suitable to be used as a composition of the thermal barrier coating.

<실시예 11><Example 11>

표 5는 가넷 결정계에서 Y3(Ga·Al)5O12, Y3(Fe·Al)5O12의 소결성을 요약하여 개략적으로 나타낸 것이다. 표 5에서 'O'는 해당 온도에서 용융되지 않고 소결이 이루어졌음을 나타내는 것이고, 'X'는 해당 온도에서 소결되지 못하고 용융되었음을 나타내는 것이다. Table 5 schematically shows the sinterability of Y 3 (Ga · Al) 5 O 12 , Y 3 (Fe · Al) 5 O 12 in the garnet crystal system. In Table 5, 'O' indicates that the sintering was performed without melting at the corresponding temperature, and 'X' indicates that it was melted without sintering at the corresponding temperature.

소결성 결과Sinterability Results 1300℃1300 ℃ 1400℃1400 ℃ 1500℃1500 ℃ 1600℃1600 ℃ 실시예 11Example 11 Y3Ga5O12 Y 3 Ga 5 O 12 OO OO OO OO 비교예 14Comparative Example 14 Y3Ga4.3Al0.7O12 Y 3 Ga 4.3 Al 0.7 O 12 OO OO OO XX 비교예 15Comparative Example 15 Y3Ga3 .6Al1 .4O12 Y 3 Ga 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO OO XX 비교예 16Comparative Example 16 Y3Fe3 .6Al1 .4O12 Y 3 Fe 3 .6 Al 1 .4 O 12 OO OO OO XX 비교예 17Comparative Example 17 Y3Fe4 .3Al0 .7O12 Y 3 Fe 4 .3 Al 0 .7 O 12 OO OO OO XX 비교예 18Comparative Example 18 Y3Fe5O12 Y 3 Fe 5 O 12 OO OO OO XX

가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Y2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1∼7과 동일한 방법으로 시편을 제조하고 소결하였다.Specimens were prepared and sintered in the same manner as in Examples 1 to 7 except that Y 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ).

소결한 결과 Y3Ga5O12 조성은 1300℃~1600℃까지 모든 온도에서 열차폐코팅용 소재로 사용하기에 적절한 상안정성이 있음을 알 수 있었다. As a result of sintering, it was found that the Y 3 Ga 5 O 12 composition has an appropriate phase stability for use as a heat shield coating material at all temperatures from 1300 ° C to 1600 ° C.

<비교예 14∼18><Comparative Examples 14-18>

실시예 11과 동일한 방법으로 가넷 결정계(A3B5O12)의 A 사이트에 들어갈 원소의 소스 원료로서 Y2O3를 사용하고, B 사이트에 들어갈 원소의 소스 원료로서 (Ga2O3ㆍAl2O3) 혹은 (Fe2O3ㆍAl2O3)를 사용하여 시편을 제조하고 소결하였다. In the same manner as in Example 11, Y 2 O 3 was used as the source raw material of the element to enter the A site of the garnet crystal system (A 3 B 5 O 12 ), and (Ga 2 O 3. Specimens were prepared and sintered using Al 2 O 3 ) or (Fe 2 O 3 .Al 2 O 3 ).

소결한 결과 Gd2O3의 첨가량이 감소하고, Fe2O3의 첨가량이 증가함에 따라 1600℃에서 용융이 진행됨을 관찰하였고, 열차폐 코팅의 조성으로 사용되기에는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. As a result of sintering, the addition amount of Gd 2 O 3 decreases and the addition of Fe 2 O 3 increases the melting at 1600 ° C., and it is found that it is not suitable for use as a composition of the thermal barrier coating.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정구조의 세라믹 소재(Er3(GaAl)5O12)의 XRD 상분석 결과를 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the results of XRD image analysis of a ceramic material (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) of the garnet crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정구조의 세라믹 소재(Er3(GaAl)5O12)의 온도에 따른 열팽창 계수를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing a coefficient of thermal expansion according to the temperature of the ceramic material (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) of the garnet crystal structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가넷 결정구조의 세라믹 소재(Er3(GaAl)5O12)의 온도에 따른 열전도도를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing thermal conductivity according to temperature of a ceramic material (Er 3 (GaAl) 5 O 12 ) having a garnet crystal structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

Claims (7)

가넷 결정구조를 가지며, 가넷 결정계의 A3B5O12 조성에서 A 사이트는 Er, Gd, Y 및 La 중에서 선택된 적어도 1종류의 희토류 원소로 구성되고, B 사이트는 Al 및 Ga 중에서 선택된 적어도 1종류의 원소로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.Has a garnet crystal structure, and in the A 3 B 5 O 12 composition of the garnet crystal system, the A site is composed of at least one rare earth element selected from Er, Gd, Y and La, and the B site is at least one selected from Al and Ga A low thermal conductivity ceramic material with a garnet crystal structure, which is composed of an element. 제1항에 있어서, 상기 A 사이트는 Er로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al, Ga 또는 Al과 Ga의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.The low thermal conductivity ceramic material of claim 1, wherein the A site is made of Er, and the B site is made of Al, Ga, or a combination of Al and Ga. 제1항에 있어서, 상기 A 사이트는 Gd로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al, Ga 또는 Al과 Ga의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.The low thermal conductivity ceramic material of claim 1, wherein the A site is made of Gd, and the B site is made of Al, Ga, or a combination of Al and Ga. 제1항에 있어서, 상기 A 사이트는 La로 구성되고, 상기 B 사이트는 Al로 구 성된 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.The low thermal conductivity ceramic material according to claim 1, wherein the A site is made of La, and the B site is made of Al. 제1항에 있어서, 상기 A 사이트는 Y로 구성되고, 상기 B 사이트는 Ga로 구성된 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.The low thermal conductivity ceramic material of claim 1, wherein the A site is made of Y, and the B site is made of Ga. 제1항에 있어서, 1000℃에서의 열전도도가 2.5∼3.6 W/mk 범위의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재.The low thermal conductivity ceramic material according to claim 1, wherein the thermal conductivity at 1000 ° C. has a value in the range of 2.5 to 3.6 W / mk. 가넷 결정 구조의 A3B5O12 조성을 갖도록 A 사이트에 첨가될 원소의 소스 원료로서 Er2O3, Gd2O3, La2O3 및 Y2O3 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 산화물 분말과, B 사이트에 첨가될 원소의 소스 원료로서 Ga2O3 및 Al2O3 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 산화물 분말을 볼 밀링기에 장입하여 용매와 함께 습식 혼합하는 단계;Er 2 O 3 , Gd 2 O 3 , La 2 O 3 as a source raw material of the element to be added to the A site to have the A 3 B 5 O 12 composition of the garnet crystal structure And at least one oxide powder selected from Y 2 O 3 and Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 as source materials of the element to be added to the B site. Charging at least one oxide powder selected from among a ball mill and wet mixing with a solvent; 상기 볼 밀링기에 의해 혼합된 슬러리가 침전되지 않도록 교반시키며 건조하는 단계;Stirring and drying the slurry mixed by the ball mill to prevent precipitation; 건조된 슬러리를 분쇄하여 분말화하는 단계; Pulverizing and drying the dried slurry; 분쇄된 분말을 몰드에 장입하고 성형하는 단계; 및Charging the ground powder to a mold and molding; And 성형된 시편을 소결하여 가넷 결정 구조의 세라믹 소재를 형성하는 단계를 포함하는 가넷 결정구조의 저열전도성 세라믹 소재의 제조방법.A method of manufacturing a low thermal conductivity ceramic material having a garnet crystal structure, comprising sintering a molded specimen to form a ceramic material having a garnet crystal structure.
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