KR20100024230A - Carbon nanotube reinforced metal alloy nanocomposite and fabrication process thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A carbon nano tube reinforced metal alloy nano composite and a method of fabricating thereof are provided to improve a mechanical property of the nano composite through a homogeneous dispersion of a carbon nano tube, and to perform a casting process using the carbon nano tube. CONSTITUTION: A method of fabricating a carbon nano tube reinforced metal alloy nano composite comprises the following steps: (1) producing a carbon nano tube reinforced metal alloy nano composite powder through a molecular orientation mixing process for a homogeneous dispersion between the carbon nano tube and a metal; (2) dispersing the carbon nano tube reinforced metal alloy nano composite powder to a base metal; (3) obtaining a nano composite by bulking the mixture of the carbon nano tube reinforced metal alloy nano composite powder and the base metal; and (4) improving a mechanical property of the nano composite by an after treatment process.

Description

탄소나노튜브로 강화된 합금기지 나노복합재료 및 그의 제조방법{Carbon Nanotube Reinforced Metal Alloy Nanocomposite and Fabrication Process Thereof}Carbon Nanotube Reinforced Alloy-Based Nanocomposite and Its Manufacturing Method {Carbon Nanotube Reinforced Metal Alloy Nanocomposite and Fabrication Process Thereof}

본 발명은 모재금속 재료에 탄소나노튜브를 강화재로 사용해 보다 우수한 특성을 지닌 탄소나노튜브로 강화된 합금기지 나노복합재료를 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 이용하여 제조하는데 있다. 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 분산시켜 나노복합재료를 제조함으로써 모든 합금을 기지재료로서 사용 할 수 있으며, 이를 통해 기존 탄소나노튜브강화 복합 재료에서 문제시 되었던 기지 내 탄소나노튜브의 균질 분산 문제를 해결하고, 정확한 조성제어를 통해 손쉽게 합금화 된 나노복합재료를 얻을 수 있다. 이를 통해 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 기계적 특성을 향상시키고자 한다.The present invention uses carbon nanotubes as a reinforcing material in the base metal material to produce an alloy-based nanocomposite reinforced with carbon nanotubes having superior characteristics using carbon nanotubes / metal nanocomposite powders. By dispersing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder in the base metal to produce the nanocomposite material, all alloys can be used as the base material. By solving the problem of homogeneous dispersion and precise composition control, alloyed nanocomposites can be easily obtained. Through this, to improve the mechanical properties of carbon nanotubes / alloy nanocomposites.

탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하기 위해 모재금속의 합금화 원소를 사용하고 분자수준 혼합공정을 이용하여 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조한다. 먼저 기능기화 된 탄소나노튜브를 물에 분산시키고 금속염을 용해시킨 수용액을 섞어 초음파처리하면 탄소나노튜브와 금속이온이 분자수준으로 균질하게 혼합된 다. 상기 용액에 수산화나트륨을 가하면 금속이온이 금속 산화물로 바뀌고, 남아있는 나트륨과 같은 이온과 염들을 제거하기 위해 물로 여러 번 씻어주면 분자수준으로 혼합 된 탄소나노튜브/금속 산화물 나노복합분말을 얻을 수 있다. 이를 모재금속에 분산시킨 후 수소분위기에서 환원시키면 금속 산화물이 금속 나노입자로 환원되면서 탄소나노튜브의 표면을 고르게 코팅한다. 이 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속과 혼합한 후 이를 벌크화하면 탄소나노튜브가 균질하게 분산되어 있는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 얻는다.To prepare carbon nanotube / alloy nanocomposites, carbon nanotube / metal nanocomposite powders are prepared by using alloying elements of the base metal and using a molecular level mixing process. First, disperse the functionalized carbon nanotubes in water, and ultrasonically mix an aqueous solution in which metal salts are dissolved. The carbon nanotubes and the metal ions are homogeneously mixed at the molecular level. When sodium hydroxide is added to the solution, the metal ions are converted to metal oxides, and washed several times with water to remove ions and salts, such as remaining sodium, to obtain carbon nanotube / metal oxide nanocomposite powders mixed at the molecular level. . When this is dispersed in the base metal and reduced in a hydrogen atmosphere, the metal oxide is reduced to metal nanoparticles and evenly coats the surface of the carbon nanotubes. The carbon nanotube / metal nanocomposite powder is mixed with the base metal and then bulked to obtain a carbon nanotube / alloy nanocomposite material in which the carbon nanotubes are homogeneously dispersed.

종래의 분말야금법으로 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합재료는 기지재료와 탄소나노튜브간의 상대적인 크기 차이로 인해 탄소나노튜브 또는 그 응집체와 균일한 혼합이 어려웠다. 이와 관련된 종래기술로는 USP 2007-0134496 A1(Carbon nanotube dispersed composite material, method for producing same)은 탄소나노튜브를 세라믹이나 금속 분말과 함께 볼밀링한 후, 방전플라즈마 소결을 통해 복합재료를 제조하였다. 탄소나노튜브와 기지 분말의 기계적 혼합을 통해 탄소나노튜브가 소결체 내에 망상으로 분산될 수 있다. 또한 탄소나노튜브 강화 합금 기지 복합재료의 제조기술로서 중국의 S. Li, et. al(Journal of Alloys and Compounds(353), 2003, p.295??300), 싱가폴의 K. M. Kumar, et. al(Journal of Alloys and Compounds(455), 2008, p.148??158) 그리고 중국의 C. He et. al(Advanced Materials(19), 2007, p.1128-1132)등이 모재금속 분말과 탄소나노튜 브를 혼합하여 hot pressing 또는 진공 소결하여 특성평가를 실시한 내용을 보고한 바 있다. 그러나 대부분의 종래기술에서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하기 위해 분말야금법을 이용하고 있다. 이 공정은 일반적으로 탄소나노튜브와 금속 분말을 볼밀링(Ball-Milling), 기계적 합금화(Mechanical Alloying) 등의 방법으로 탄소나노튜브와 금속 분말을 혼합하는 방법으로서 간단한 공정으로 대량의 복합재료를 제조할 수 있는 장점이 있다. 그렇지만 분말야금공정을 위해 사용한 금속분말은 원료분말 크기가 강화재가 되는 탄소나노튜브의 크기보다 수배 내지 수십배 더 크기 때문에, 탄소나노튜브와 혼합이 어려워 대부분의 탄소나노튜브가 분말의 표면에서 응집된다. 따라서 분말의 소결성이 감소되고, 소결체의 밀도가 감소되어 결과적으로 기계적 특성이 감소되는 단점이 있다. Carbon nanotubes / metal nanocomposites manufactured by the conventional powder metallurgy method have difficulty in uniform mixing with carbon nanotubes or aggregates thereof due to the relative size difference between the matrix material and the carbon nanotubes. In the related art, USP 2007-0134496 A1 (Carbon nanotube dispersed composite material, method for producing same) ball milled carbon nanotubes together with ceramic or metal powder, and then manufactured a composite material through discharge plasma sintering. Through mechanical mixing of the carbon nanotubes and the known powder, the carbon nanotubes may be dispersed in a network in the sintered body. In addition, China's S. Li, et. al (Journal of Alloys and Compounds (353), 2003, p. 295 ?? 300), K. M. Kumar, et. al (Journal of Alloys and Compounds (455), 2008, p. 148 ?? 158) and C. He et. al (Advanced Materials (19), 2007, p. 1128-1132) reported the evaluation of hot metal powder or carbon nanotubes by hot pressing or vacuum sintering. However, most conventional techniques use powder metallurgy to produce carbon nanotube / alloy nanocomposites. This process is generally a method of mixing carbon nanotubes and metal powders by ball-milling and mechanical alloying of carbon nanotubes and metal powder. There is an advantage to this. However, since the metal powder used for the powder metallurgy process is several to tens of times larger than the size of the carbon nanotubes to be the reinforcing material, most of the carbon nanotubes are agglomerated at the surface of the powder because it is difficult to mix with the carbon nanotubes. Therefore, there is a disadvantage that the sinterability of the powder is reduced, the density of the sintered compact is reduced, and consequently the mechanical properties are reduced.

상기 문제점을 해결하기 위해 한국의 홍(Hong) 등은 (대한민국 등록특허 10-0558966) 분자수준 혼합공정을 세계최초로 개발하여 탄소나노튜브가 금속기지 내부에 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합재료를 제조하였고, 기계적 특성이 크게 향상될 수 있음을 확인하였다. 그러나 분자수준 혼합공정에서는 탄소나노튜브/금속산화물 나노복합분말을 환원하는 공정 수행이 필수적이므로 알루미늄, 티타늄과 같이 환원이 어려운 금속에 대해서는 적용이 어려웠다. 따라서 본 발명에서는 1차적으로 분자수준 혼합공정을 이용해 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조한 후 2차적으로 환원이 어려운 금속과 혼합하는 방법으로 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 방법을 고안하였으며 해당 기술 분야의 당업자라면 누구든지 알 수 있듯이 이 방법에서 합금기지로 사용될 모재금속은 환원이 어려운 금속뿐만 아 니라 환원이 가능한 모든 금속에 대해서도 적용이 가능하다.In order to solve the above problem, Hong et al. (Korea Patent No. 10-0558966) developed a molecular level mixing process for the first time in the world, and carbon nanotubes / metal nanocomposites in which carbon nanotubes are uniformly dispersed in a metal base. The material was prepared and found that the mechanical properties can be greatly improved. However, in the molecular level mixing process, it is essential to perform a process of reducing carbon nanotube / metal oxide nanocomposite powders, so it is difficult to apply to a difficult metal such as aluminum and titanium. Therefore, in the present invention, a method of preparing carbon nanotube / alloy nanocomposite by first preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder using a molecular level mixing process and then mixing it with a metal which is difficult to reduce secondly. As one of ordinary skill in the art knows, the base metal to be used as an alloy base in this method is applicable to all metals that can be reduced as well as to metals that are difficult to reduce.

한편, 탄소나노튜브/금속 나노복합재료 제조공정에 있어서 중요한 이슈는 대량생산이 가능한 주조공정을 도입하는 것이나 다음과 같은 문제점으로 인해 주조공정이 어려웠다. 첫째, 탄소나노튜브는 공기 중에서 400℃ 이상이 되면 산화하기 시작한다. 따라서 고온에서 이루어지는 주조공정 중 공기와 접촉하게 되면 산화하여 손실되는 문제점이 있다. 둘째, 탄소나노튜브의 밀도는 통상 1∼2.5 사이로 대부분의 금속에 비해 밀도가 낮아 금속용탕에서 부유하게 되는 문제점이 있다. 셋째, 탄소나노튜브는 금속과 젖음성(wetting)이 좋지 않아 잘 혼합되지 않고, 금속 용탕 내에서 응집하게 된다. 이상의 주요 문제점들로 인하여 주조공정을 이용한 탄소나노튜브/금속 나노복합재료의 제조가 거의 불가능하였다. 그러나 본 발명에서 제시하는 방법대로 1차적으로 분자수준 혼합공정을 통해 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하고, 컴팩션(compaction) 또는 소결한 후 2차적으로 이를 금속용탕과 혼합하는 2단계 공정을 이용한다면 탄소나노튜브의 산화문제, 낮은 밀도 문제, 젖음성 문제를 해결함으로써 주조공정을 통한 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조가 가능해진다.Meanwhile, an important issue in the carbon nanotube / metal nanocomposite manufacturing process is the introduction of a casting process capable of mass production, but the casting process was difficult due to the following problems. First, carbon nanotubes start to oxidize when they are above 400 ° C in air. Therefore, there is a problem in that the loss in contact with air during the casting process made at a high temperature. Secondly, the density of carbon nanotubes is usually between 1 and 2.5, so that the density of the carbon nanotubes is lower than that of most metals. Third, the carbon nanotubes do not mix well with the metal due to poor wetting, and are agglomerated in the molten metal. Due to the above major problems, it was almost impossible to manufacture carbon nanotubes / metal nanocomposites using the casting process. However, a two-step process of preparing carbon nanotube / metal nanocomposite powders first through a molecular level mixing process, compaction or sintering, and secondly mixing them with the molten metal as described in the present invention. By using this method, the carbon nanotube / alloy nanocomposite material can be manufactured through a casting process by solving the carbon nanotube oxidation problem, low density problem, and wettability problem.

본 발명은 탄소나노튜브를 금속에 강화시켜 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 과정에서 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 이용함으로써 탄소나노튜브와 균일한 혼합이 가능하게 하고, 정확한 조성의 제어를 통해 쉽게 합금화된 나노복합재료를 제조하여 우수한 성능의 소재를 얻을 수 있다. The present invention enables uniform mixing with carbon nanotubes by using carbon nanotubes / metal nanocomposite powders in the process of manufacturing carbon nanotubes / alloy nanocomposites by reinforcing carbon nanotubes on metals, Through control, alloyed nanocomposites can be easily manufactured to obtain superior materials.

본 발명은 (a) 탄소나노튜브와 금속 간 균질한 분산을 위해 분자수준 혼합공정을 이용하여 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계; (b) 단계 (a)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 분산시키는 단계; (c) 단계 (b)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속의 혼합체를 벌크화하여 복합재료를 얻는 단계; (d) 단계 (c)에서 얻은 복합재의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 후처리 공정에 의하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 얻는 단계를 포함하여 고강도, 고탄성의 탄소나노튜브를 강화재로 이용하여 우수한 특성의 탄소나노튜브/합금 나노복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of (a) preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder using a molecular level mixing process for homogeneous dispersion between carbon nanotubes and metals; (b) dispersing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (a) in the base metal; (c) bulking the mixture of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (b) and the base metal to obtain a composite material; (d) excellent properties using high strength, high elastic carbon nanotubes as reinforcing materials, including obtaining carbon nanotubes / alloy nanocomposites by post-treatment to improve the mechanical properties of the composites obtained in step (c) The present invention relates to a carbon nanotube / alloy nanocomposite material and a method of manufacturing the same.

본 발명은 분자수준 혼합공정을 이용하여 탄소나노튜브가 모재금속 내에 균질하게 분산되는 미세조직을 얻고, 금속 기지재료의 기계적 물성을 향상시켜 우수한 특성의 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 데 있다. The present invention is to obtain a microstructure in which carbon nanotubes are homogeneously dispersed in the base metal using a molecular level mixing process, to improve the mechanical properties of the metal matrix material to produce a carbon nanotube / alloy nanocomposite material of excellent characteristics have.

본 발명은 분자수준 혼합공정을 이용하여 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하고, 이를 금속 기지재료 내에 균일하게 분산시켜 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법을 개발하는 데 있다. 따라서 나노사이즈(nano-size, 1마이크론 미만)의 입자크기를 갖는 금속 입자가 탄소나노튜브의 표면에 코팅(coating) 또는 장식(decoration)되어 있거나, 나노사이즈의 금속입자에 탄소나노튜브가 균일하게 박혀있는 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조해야 하며, 이를 모재금속과 혼합한 후 소결, 주소 등의 벌크화 공정을 거쳐 기공도 5％ 미만의 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조한다.The present invention provides a method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material by preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder using a molecular level mixing process and uniformly dispersing it in a metal matrix. Therefore, the metal particles having a nano-size particle size of less than 1 micron are coated or decorated on the surface of the carbon nanotubes, or the carbon nanotubes are uniformly applied to the nano-sized metal particles. The embedded carbon nanotube / metal nanocomposite powder should be prepared, and the carbon nanotube / alloy nanocomposite having a porosity of less than 5% is prepared through a bulking process such as mixing with the base metal and sintering and addressing.

탄소나노튜브/금속 나노복합분말은 분자수준으로 탄소나노튜브와 나노 크기의 금속 입자가 균일하게 혼합되어 있어 모재금속에 균질하게 분산시킬 수 있다. 또한 합금 나노복합재료를 얻는 과정에서 환원 공정이 들어가지 않게 됨으로써 환원이 불가능한 알루미늄이나 티타늄을 포함한 모든 금속 재료를 모재금속으로 사용할 수 있게 되었고, 탄소나노튜브를 코팅하고 있는 금속과 모재금속의 정확한 조성 제어를 통해 쉽게 합금 기지 나노복합재료를 얻을 수 있다.Carbon nanotubes / metal nanocomposite powders are homogeneously mixed with carbon nanotubes and nano-sized metal particles at the molecular level, and can be uniformly dispersed in the base metal. In addition, since the reduction process does not enter in the process of obtaining alloy nanocomposites, all metal materials including aluminum or titanium which cannot be reduced can be used as the base metal, and the precise composition of the metal and base metal coated with carbon nanotubes The control makes it easy to obtain alloy matrix nanocomposites.

본 발명은 모재금속의 합금화 원소로 사용되는 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 분자수준 혼합공정을 통해 제조하면 탄소나노튜브의 표면을 나노크기의 금속 입자가 코팅 또는 장식하고 있는 미세조직, 탄소나노튜브가 금속 나노입자에 박혀있는 미세조직을 나타낸다. 따라서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조했을 때 기존재료에 비하여 탄소나노튜브의 모재금속 내 분산을 비약적으로 향상시켰으 며, 탄소나노튜브/금속 나노복합분말에서 합금화 원소 금속의 정확한 조성제어를 통해 손쉽게 합금화 된 나노복합재료를 얻을 수 있었다. 본 발명을 통해 제조된 탄소나노튜브/합금 나노복합재료는 탄소나노튜브의 균질 분산을 통하여 기계적 특성이 월등이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 기존에는 불가능하였던 탄소나노튜브를 이용한 주조공정이 가능해진다. According to the present invention, when carbon nanotubes / metal nanocomposite powders used as alloying elements of a base metal are prepared through a molecular level mixing process, the surface of the carbon nanotubes is coated or decorated with micro-sized metal particles or carbon nanotubes. The tube shows microstructure embedded in metal nanoparticles. As a result, carbon nanotube / alloy nanocomposite materials have significantly improved the dispersion of carbon nanotubes in the base metal compared to existing materials.In addition, precise composition control of alloying element metals in carbon nanotube / metal nanocomposite powders can be achieved. Through the alloying nanocomposites were obtained easily. The carbon nanotubes / alloy nanocomposites prepared through the present invention may have improved mechanical properties through homogeneous dispersion of carbon nanotubes. In addition, in the present invention, a casting process using carbon nanotubes, which has not been possible in the past, becomes possible.

본 발명은 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 균일하게 분산시킨 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 나타낸다.The present invention represents a carbon nanotube / alloy nanocomposite material in which carbon nanotubes / metal nanocomposite powders in which carbon nanotubes are uniformly dispersed are uniformly dispersed in a base metal.

상기에서 탄소나노튜브가 모재금속에 중량비로 0.1∼50％ 분산된 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 나타낸다.The carbon nanotubes described above represent carbon nanotubes / alloy nanocomposites in which 0.1 to 50% of the carbon nanotubes are dispersed in the base metal by weight.

상기의 탄소나노튜브/금속 나노복합분말에서 금속은 구리, 니켈, 코발트, 몰리브데늄, 철, 갈륨, 루테늄, 크롬, 금, 은 및 백금 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성된 것을 사용할 수 있다.In the carbon nanotube / metal nanocomposite powder, the metal may be formed of one or more selected from copper, nickel, cobalt, molybdenum, iron, gallium, ruthenium, chromium, gold, silver, and platinum.

상기에서 모재금속은 알루미늄, 리튬, 베릴륨, 마그네슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브데늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 인듐, 주석, 안티몬, 텅스텐, 백금, 금 및 납 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성된 것을 사용할 수 있다.The base metal may be aluminum, lithium, beryllium, magnesium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, germanium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium , Palladium, silver, cadmium, indium, tin, antimony, tungsten, platinum, gold and lead may be used any one or more selected from.

본 발명은 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 균일하게 분산시킨 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법을 나타낸다.The present invention shows a method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material in which carbon nanotube / metal nanocomposite powder in which carbon nanotubes are uniformly dispersed in a base metal.

본 발명은 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조에 있어서, The present invention in the production of carbon nanotube / alloy nanocomposites,

(a) 탄소나노튜브와 금속 간 균질 분산을 위해 분자수준 혼합공정을 통해 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, (a) preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder through a molecular level mixing process for homogeneous dispersion between carbon nanotubes and metals;

(b) 상기 단계 (a)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 분산시키는 단계와, (b) dispersing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (a) in the base metal;

(c) 상기 단계 (b)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속의 혼합체를 벌크화하여 복합재료를 얻는 단계, 및(c) bulking the mixture of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (b) and the base metal to obtain a composite material, and

(d) 상기 단계 (c)에서 얻은 복합재료를 후처리공정으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법을 나타낸다. (d) shows a method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material that can improve the mechanical properties of the composite material obtained in step (c) by a post-treatment process.

상기에서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조시 모재금속이 분말상 또는 섬유상인 경우에는 (1) 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, When the base metal is powder or fibrous when the carbon nanotube / alloy nanocomposite material is manufactured in the above, (1) preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder in which carbon nanotubes are uniformly dispersed with the metal;

(2) 혼합 공정을 통해 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속 분말의 혼합분말을 제조하는 단계와, (2) preparing a mixed powder of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder and the base metal powder through a mixing process;

(3) 벌크화 공정을 통하여 상기 혼합분말을 벌크화하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와, (3) bulking the mixed powder through a bulking process to produce a carbon nanotube / alloy nanocomposite material;

(4) 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법을 나타낸다. (4) carbon nanotubes comprising the step of inducing a solid solution of the carbon nanotubes / alloy nanocomposites, precipitation, grain refinement, carbon nanotubes arrangement, and arrangement of grains through a post-treatment process to improve mechanical properties. / Method for producing alloy nanocomposite material is shown.

상기에서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조 시 모재금속이 판상인 경우에는 (1') 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, When the base metal is a plate when the carbon nanotube / alloy nanocomposite material is manufactured in the above step, (1 ') preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder in which carbon nanotubes are uniformly dispersed with the metal;

(2') 스프레이코팅 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속 판상 위에 코팅하는 단계와, (2 ') coating the carbon nanotube / metal nanocomposite powder on the base metal plate through a spray coating process;

(3') 벌크화 공정을 통하여 상기 코팅된 분말을 벌크화 하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와, (3 ') bulking the coated powder through a bulking process to produce a carbon nanotube / alloy nanocomposite material;

(4') 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법을 나타낸다 (4 ') carbon nanotubes comprising the step of inducing the solidification of the carbon nanotubes / alloy nanocomposites, precipitation, grain refinement, carbon nanotubes arrangement and grain arrangement through a post-treatment process to improve mechanical properties. Shown are methods for producing tube / alloy nanocomposites.

상기에서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조시 모재금속이 금속용액인 경우에는 (1") 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와,When the base metal is a metal solution when the carbon nanotube / alloy nanocomposite material is manufactured, the steps of preparing carbon nanotube / metal nanocomposite powder in which (1 ″) carbon nanotubes are uniformly dispersed with the metal,

(2") 혼합 및 주조 공정을 통해 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속 용액을 혼합하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와, (2 ") mixing and casting a carbon nanotube / metal nanocomposite powder into a base metal solution to prepare a carbon nanotube / alloy nanocomposite material;

(3") 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법. (3 ") carbon nanotubes including the step of inducing the solidification of the carbon nanotubes / alloy nanocomposites, precipitation, grain refinement, carbon nanotubes arrangement, and alignment of the grains through a post-treatment process to improve mechanical properties. Method for producing tube / alloy nanocomposites.

상기에서 (2) 단계에서의 혼합 공정은 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속을 복합화 하기 위한 분말 교반 공정, 습식/건식 볼밀링 또는 기계적 합금화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법.The mixing process in the step (2) is a carbon nanotube / characterized in that it comprises a powder agitation process, wet / dry ball milling or mechanical alloying process to complex the carbon nanotube / metal nanocomposite powder and the base metal Method for producing alloy nanocomposites.

상기에서 벌크화 공정은 95％ 이상의 상대밀도의 합금 나노복합재료의 제조를 위한 진공 상압소결, 스파크 플라즈마 소결, 핫 프레싱, 열간 정수압 가압 성형 공정 및 냉간 정수압 가압 성형 공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 포함한다.The bulking process includes any one or more processes selected from vacuum atmospheric sintering, spark plasma sintering, hot pressing, hot hydrostatic pressure forming process, and cold hydrostatic pressure forming process for the production of alloy nanocomposites having a relative density of 95% or more. do.

상기에서 후처리 공정은 고용화처리, 압연, 압출, 인발, 압축, 단조 및 시효 경화 공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 포함한다.The post-treatment process includes any one or more processes selected from solid solution treatment, rolling, extrusion, drawing, compression, forging and age hardening.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 (a) 탄소나노튜브와 금속 간 균질 분산을 위해 분자수준 혼합공정을 통해 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계; (b) 단계 (a)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재 금속에 분산시키는 단계; (c)단계 (b)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속의 혼합체를 벌크화하여 복합재료를 얻는 단계; (d) 단계 (c)에서 얻은 복합재를 기계적 특성을 향상시키기 위해 후처리 하는 공정들을 통하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 얻는다.The present invention comprises the steps of preparing a carbon nanotube / metal nanocomposite powder through a molecular level mixing process for homogeneous dispersion between carbon nanotubes and metals; (b) dispersing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (a) in the base metal; (c) bulking the mixture of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (b) and the base metal to obtain a composite material; (d) Carbon nanotube / alloy nanocomposites are obtained by post-treatment of the composite obtained in step (c) to improve mechanical properties.

탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하기 위해 모재금속의 합금화 원소가 될 금속을 분자수준 혼합공정을 이용하여 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조한다. 기능기화 된 탄소나노튜브를 물에 분산시키고 금속염을 용해시킨 수용액을 섞어 초음파처리하면 탄소나노튜브와 금속이온이 분자수준으로 균질하게 혼합된다. 상기 용액에 수산화나트륨을 가하면 금속이온이 금속 산화물로 바뀌고, 남아있는 나트륨과 같은 이온과 염들을 제거하기 위해 106 배 희석한 후 건조하면 분자수준으로 혼합된 탄소나노튜브/금속 산화물 나노복합분말을 얻을 수 있다. 이를 모재금속에 분산시킨 후 수소분위기에서 환원시키면 금속 산화물이 금속으로 환원된다. 이 복합분말을 벌크화하면 탄소나노튜브가 균질하게 분산되어 있는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 얻는다. 상기의 탄소나노튜브/합금 복합재료에서 탄소나노튜브의 중량비는 탄소나노튜브의 첨가로 특성 증진을 기대 할 수 있는 최소한의 양인 0.1％부터 50％까지로 한다. 탄소나노튜브는 금속에 비해 상대적으로 밀도가 낮아 중량비로 50％를 넘어가게 되면 탄소나노튜브가 전체 나노복합재료 부피의 대부분을 차지하게 되어 효과적인 벌크화가 이루어지지 않게 된다. 상기에서 금속 산화물 나노복합분말은 300℃, 수소 분위기에서 환원이 가능한 구리와 니켈, 수소 분위기에서 800℃로 환원 가능한 코발트와 몰리브데늄, 500℃에서 환원 가능한 철, 수소 분위기에서 960℃로 환원 가능한 갈륨, 수소 분위기에서 300℃로 환원 가능한 루테늄, 황화수소 환원제를 사용해 환원 가능한 크롬, 히드라진 환원제를 사용해 환원 가능한 금, 은, 백금을 포함하는 환원 가능한 모든 금속을 사용 할 수 있다. 모재금속으로서는 실시예를 기준으로 작성한 다음 표 1과 같이 원자가수나 융점, 소결 온도, 금속간 화합물 형성여부와 관계없이 모든 금속을 사용하면 특성을 증가시킬 수 있다.In order to prepare carbon nanotube / alloy nanocomposites, carbon nanotube / metal nanocomposite powders are prepared by using a molecular level mixing process of a metal to be an alloying element of a base metal. When the functionalized carbon nanotubes are dispersed in water and ultrasonically mixed with an aqueous solution in which metal salts are dissolved, the carbon nanotubes and the metal ions are homogeneously mixed at the molecular level. When sodium hydroxide is added to the solution, the metal ions are converted into metal oxides, and after diluting 10 to 6 times to remove ions and salts such as remaining sodium, and drying, the carbon nanotube / metal oxide nanocomposite powder mixed at the molecular level is added. You can get it. When this is dispersed in the base metal and reduced in a hydrogen atmosphere, the metal oxide is reduced to the metal. Bulking this composite powder yields a carbon nanotube / alloy nanocomposite material in which carbon nanotubes are homogeneously dispersed. In the carbon nanotube / alloy composite material, the weight ratio of carbon nanotubes is 0.1% to 50%, which is the minimum amount that can be expected to improve properties by adding carbon nanotubes. Carbon nanotubes are relatively less dense than metals, so if the weight ratio exceeds 50%, carbon nanotubes occupy most of the total nanocomposite volume, thereby preventing effective bulking. The metal oxide nanocomposite powder is 300 ° C., copper and nickel which can be reduced in a hydrogen atmosphere, cobalt and molybdenum that can be reduced to 800 ° C. in a hydrogen atmosphere, iron that can be reduced at 500 ° C., and can be reduced to 960 ° C. in a hydrogen atmosphere. All reducible metals, including gold, silver and platinum, which can be reduced using gallium, ruthenium, which can be reduced to 300 ° C in a hydrogen atmosphere, and chromium, which can be reduced using a hydrogen sulfide reducing agent, can be used. As the base metal, all the metals can be used to increase the properties regardless of the valence number, melting point, sintering temperature, and intermetallic compound formation as shown in Table 1 below.

표 1. 모재금속 별 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 특성 비교Table 1. Comparison of properties of carbon nanotube / alloy nanocomposites by base metal

금속metal 원자가수An atomic singer 융점 (℃)Melting point (℃) 소결온도 (℃)Sintering Temperature (℃) 구리와 금속간 화합물 형성여부Formation of compound between copper and metal 합금의 경도(Hv)Alloy Hardness (Hv) 탄소나노튜브 나노복합재료의 경도(Hv)Hardness (Hv) of Carbon Nanotube Nanocomposites 니켈nickel 22 14551455 800∼900800-900 ×× 136.9136.9 154.78154.78 알루미늄aluminum 33 660660 450∼500450-500 ○○ 69.8669.86 104.36104.36 티타늄titanium 44 16681668 900∼1000900-1000 ○○ 505.9505.9 596.42596.42

모재금속으로서는 알루미늄, 리튬, 베릴륨, 마그네슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브데늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 인듐, 주석, 안티몬, 텅스텐, 백금, 금 및 납 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용 할 수 있다.Base metals include aluminum, lithium, beryllium, magnesium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, germanium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium One or more selected from among silver, cadmium, indium, tin, antimony, tungsten, platinum, gold, and lead can be used.

이하 본 발명의 내용을 실시예예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail by way of examples. However, these are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1><Example 1>

기능기화 된 탄소나노튜브를 초음파 처리를 통해 물에 분산시키고, 구리염으로 Cu(ac)2를 사용하여 수용액에 용해하여 3시간 동안 초음파 처리를 통해 탄소나노튜브 용액과 잘 섞는다. 상기 용액을 80℃의 온도로 가열한 후 수산화나트륨을 가 하면 탄소나노튜브와 균일하게 섞인 평균 10nm 크기의 구리 산화물을 얻는다. 이를 물로 106 배 희석하여 남아있는 염을 제거하여 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 제조하였다.The functionalized carbon nanotubes are dispersed in water through sonication, dissolved in an aqueous solution using Cu (ac) 2 as a copper salt, and mixed well with the carbon nanotube solution through sonication for 3 hours. After heating the solution to a temperature of 80 ℃ sodium hydroxide is added to obtain a copper oxide of average size of 10nm uniformly mixed with carbon nanotubes. This was diluted 10 6 times with water to remove the remaining salt to prepare a carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder.

탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 알루미늄 분말과 혼합화 하였다. 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말에 50∼100㎛의 직경을 가진 순도 99％이상의 알루미늄 분말을 알코올과 같은 용매 내에서 하루이상 교반시킨다. 진공분위기에서 50∼80℃의 온도로 용매를 증발시키면 균질 혼합된 복합분말 혼합체를 얻게 된다. 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말에 50∼100㎛의 직경을 가진 순도 99％ 이상의 알루미늄 분말과 플래너터리 밀(Planetary Mill)을 이용하여 2∼10시간 기계적 합금화 하여 균질 혼합된 복합분말 혼합체를 얻게 된다. 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말에 50∼100㎛의 직경을 가진 순도 99％이상의 알루미늄 분말과 지르코니아 볼을 이용하여 5∼10시간 볼밀링하여 균질 혼합된 복합분말 혼합체를 얻게 된다. 알루미늄 분말의 산화를 방지하기 위하여 기계적 합금화나 볼밀링은 질소나 아르곤분위기에서 실시한다. 각 혼합공정에서 얻은 복합분말 혼합체를 살펴봤을 때, 기계적 합금화를 통해 얻은 복합체에서 탄소나노튜브의 분산이 가장 양호하였다. 복합분말 혼합체를 250∼300℃의 온도를 가해 4시간 동안 수소분위기에서 환원시키면 구리 산화물이 구리로 환원되어 도 3과 같이 나노크기의 구리 입자가 탄소나노튜브를 잘 코팅하고 있는 미세조직을 얻을 수 있다. 환원된 복합분말 혼합체를 벌크화 하여 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하였다. 상압 소결을 통해 600∼650℃의 온도 조건에서 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료를 제조하였다. 200∼300MPa의 압력을 가하면서 물을 이용하여 냉간 정수압 가압 성형을 통해 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하였다. 스파크 플라즈마 소결 장비를 사용하여 진공에서 압력을 가하면서 450∼500℃의 온도조건으로 소결 하여 도 4와 같이 탄소나노튜브가 알루미늄합금 기지 내에 균질분산 되어 있는 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료를 제조하였다. 각 벌크화 공정을 통해 얻은 나노복합재료의 미세조직과 상대밀도를 살펴보았을 때, 스파크 플라즈마 소결을 통해 얻은 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 상대밀도와 미세조직이 가장 우수하였다. 나노복합재료의 특성을 향상시키기 위해 후처리 공정을 실시하였다. 알루미늄 모재금속에 구리를 고용화처리 하기 위해 질소나 아르곤 분위기에서 500∼600℃의 온도로 하루 동안 열처리 하였다. 30∼50％ 압연하여 소성가공 한 뒤 100∼200℃ 온도 범위에서 3∼24시간 시효경화 처리를 통해 고용된 구리를 석출시키면 구리의 석출경화 효과를 통해 경도를 증가시킬 수 있다. 고용화처리 전의 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 경도는 69이었으나 시효경화를 거친 나노복합재료의 경도는 98으로 40％증가함을 보였다.Carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder was mixed with aluminum powder. Aluminum powder having a purity of 99% or more having a diameter of 50 to 100 μm in a carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder is stirred in a solvent such as alcohol for at least one day. The solvent is evaporated at a temperature of 50-80 ° C. in a vacuum atmosphere to obtain a homogeneously mixed composite powder mixture. A carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder was mechanically alloyed for 2 to 10 hours using a 99% purity aluminum powder having a diameter of 50-100 μm and a planetary mill to obtain a homogeneously mixed composite powder mixture. do. The carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder is ball milled for 5 to 10 hours using an aluminum powder having a purity of 50 to 100 µm and a zirconia ball having a purity of 99% or more to obtain a homogeneously mixed composite powder mixture. To prevent oxidation of aluminum powder, mechanical alloying or ball milling is carried out in nitrogen or argon atmosphere. When looking at the composite powder mixture obtained in each mixing process, the dispersion of carbon nanotubes in the composite obtained through mechanical alloying was the best. When the composite powder mixture is subjected to a temperature of 250 to 300 ° C. and reduced in a hydrogen atmosphere for 4 hours, copper oxide is reduced to copper to obtain a microstructure in which nano-sized copper particles are well coated with carbon nanotubes as shown in FIG. 3. have. The reduced composite powder mixture was bulked to prepare a carbon nanotube / aluminum nanocomposite material. Carbon nanotube / aluminum alloy nanocomposites were prepared at atmospheric temperatures of 600 to 650 ° C. through atmospheric pressure sintering. A carbon nanotube / aluminum nanocomposite material was prepared by cold hydrostatic pressure molding using water while applying a pressure of 200 to 300 MPa. Using a spark plasma sintering equipment, sintering is carried out at a temperature of 450 to 500 ° C. while applying pressure in a vacuum to produce carbon nanotubes / aluminum alloy nanocomposites in which carbon nanotubes are homogeneously dispersed in an aluminum alloy matrix as shown in FIG. 4. It was. When the microstructure and relative density of nanocomposites obtained through each bulking process were examined, the relative density and microstructure of carbon nanotube / aluminum alloy nanocomposites obtained through spark plasma sintering were the best. In order to improve the properties of the nanocomposite material was carried out a post-treatment process. In order to solidify copper to aluminum base metal, heat treatment was performed at a temperature of 500 to 600 ° C. under nitrogen or argon for one day. After rolling by 30 to 50% and plastic working, the solid solution is precipitated by aging hardening at 100 to 200 ° C. for 3 to 24 hours to increase hardness through the precipitation hardening effect of copper. The hardness of the carbon nanotube / aluminum alloy nanocomposite before solidifying treatment was 69, but the hardness of the age-cured nanocomposite was 98, indicating a 40% increase.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 휘발성이 강한 에탄올에 초음파 처리를 통하여 분산시킨 후 스프레이코팅공정을 이용하여 알루미늄 호일에 고르게 분사시켰다. 알루미늄박은 15∼20㎛의 두께를 가 진 순도 99％ 이상의 것을 사용하였다. 이를 수소분위기에서 250∼300℃의 온도를 가해 4시간 환원 해 구리 산화물을 구리로 환원하였다. 환원시킨 후 도 3과 같이 나노크기의 구리 입자가 탄소나노튜브의 표면을 고르게 코팅하고 있는 미세조직을 관찰할 수 있다. 이를 적층한 후 스파크 플라즈마 소결 장비를 사용하여 진공에서 압력을 가하면서 550℃의 온도조건으로 소결 하여 도 5와 같이 탄소나노튜브가 알루미늄 레이어 사이에 균질하게 분산되어 있는 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료를 제조하였다. The carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder prepared by the method described in Example 1 was dispersed in an volatile ethanol by sonication and then evenly sprayed onto aluminum foil using a spray coating process. As aluminum foil, the thing of purity 99% or more which has thickness of 15-20 micrometers was used. This was reduced to 4 hours by applying a temperature of 250 ~ 300 ℃ in a hydrogen atmosphere to reduce the copper oxide to copper. After reduction, as shown in FIG. 3, the microstructure of the nano-sized copper particles uniformly coating the surface of the carbon nanotubes can be observed. After stacking the carbon nanotubes, the carbon nanotubes / aluminum alloy nanocomposites in which carbon nanotubes are homogeneously dispersed between aluminum layers as shown in FIG. The material was prepared.

<실시예 3><Example 3>

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 250∼300℃의 온도를 가하여 4시간 동안 수소분위기에서 환원시키면 구리 산화물이 구리로 환원되면서 탄소나노튜브/구리 나노복합분말이 제조된다. 상기 나노복합분말을 99％ 이상의 순도를 가지는 알루미늄 용탕에 교반을 통해 분산시켜 혼합체를 얻은 후 퀀칭(quenching)하여 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하였다.When the carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder prepared by the method described in Example 1 was reduced in a hydrogen atmosphere for 4 hours by applying a temperature of 250 to 300 ° C., the carbon oxide and copper nanocomposite powder were reduced while copper oxide was reduced to copper. Is manufactured. The nanocomposite powder was dispersed in an aluminum molten metal having a purity of 99% or more through stirring to obtain a mixture, and then quenched to prepare a carbon nanotube / aluminum nanocomposite material.

<실시예 4><Example 4>

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 250∼300℃의 온도를 가해 4시간 동안 수소분위기에서 환원시키면 구리 산화물이 구리로 환원되면서 탄소나노튜브/구리 나노복합분말이 제조된다. 상기 나노복합 분말을 순도 99％이상의 니켈 분말과 Planetary Mill을 이용하여 2∼10시간 기계적 합금화하여 혼합체를 얻었다. 이를 스파크 플라즈마 소결 장비를 사용하여 진공에서 압력을 가하면서 800∼900℃의 온도조건으로 소결하여 탄소나노튜브/니켈 나노복합재료를 제조하였다. When the carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder prepared by the method described in Example 1 was applied at a temperature of 250 to 300 ° C. and reduced in a hydrogen atmosphere for 4 hours, the copper oxide was reduced to copper and the carbon nanotube / copper nanocomposite powder was reduced. Is manufactured. The nanocomposite powder was mechanically alloyed using nickel powder having a purity of 99% or more and Planetary Mill for 2 to 10 hours to obtain a mixture. This was sintered under a temperature condition of 800 ~ 900 ℃ while applying pressure in a vacuum using a spark plasma sintering equipment to prepare a carbon nanotube / nickel nanocomposite material.

<실시예 5>Example 5

실시예 1에 기재된 방법으로 제조된 탄소나노튜브/구리 산화물 나노복합분말을 250∼300℃의 온도를 가해 4시간 동안 수소분위기에서 환원시키면 구리 산화물이 구리로 환원되면서 탄소나노튜브/구리 나노복합분말이 제조된다. 상기 나노복합분말을 순도 99％이상의 티타늄 분말과 Planetary Mill을 이용하여 2∼10시간 기계적 합금화 하여 혼합체를 얻었다. 티타늄 분말의 산화를 방지하기 위하여 볼밀링은 질소나 아르곤분위기에서 실시한다. 이를 스파크 플라즈마 소결 장비를 사용하여 진공에서 압력을 가하면서 900∼1000℃의 온도조건으로 소결하여 탄소나노튜브/티타늄 나노복합재료를 제조하였다.When the carbon nanotube / copper oxide nanocomposite powder prepared by the method described in Example 1 was applied at a temperature of 250 to 300 ° C. and reduced in a hydrogen atmosphere for 4 hours, the copper oxide was reduced to copper and the carbon nanotube / copper nanocomposite powder was reduced. Is manufactured. The nanocomposite powder was mechanically alloyed using titanium powder having a purity of 99% or more and Planetary Mill for 2 to 10 hours to obtain a mixture. To prevent oxidation of titanium powder, ball milling is carried out in nitrogen or argon atmosphere. This was sintered under a temperature condition of 900 ~ 1000 ℃ while applying pressure in a vacuum using a spark plasma sintering equipment to prepare a carbon nanotube / titanium nanocomposite material.

실시예 1의 스파크 플라즈마 소결을 통해 제조된 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 표면 미세조직을 도 4에 나타내었다. 탄소나노튜브가 알루미늄합금 기지 내 균질하게 분산되어 있으며, 알루미늄 카바이드가 형성되지 않은 것을 확인 하였다. 실제 탄소나노튜브의 강화효과를 확인하기 위하여 경도를 측정한 결과, 표 1과 같이 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 경도가 같은 조성의 알루미늄 에 비해 50％ 증가한 효과를 볼 수 있었다. 탄소나노튜브/니켈합금 나노복합재료와 탄소나노튜브/티타늄합금 나노복합재료의 경우에도 표 1과 같이 경도를 측정한 결과 동일한 조성의 니켈합금과 티타늄합금에 비해 경도가 각각 10％, 20％ 정도 증가한 효과를 나타내는 것을 볼 수 있다.The surface microstructure of the carbon nanotube / aluminum alloy nanocomposite prepared through the spark plasma sintering of Example 1 is shown in FIG. 4. It was confirmed that the carbon nanotubes were uniformly dispersed in the aluminum alloy base, and that aluminum carbide was not formed. As a result of measuring the hardness to confirm the strengthening effect of the actual carbon nanotubes, as shown in Table 1, the hardness of the carbon nanotubes / aluminum alloy nanocomposites was increased by 50% compared to aluminum of the same composition. In the case of carbon nanotube / nickel alloy nanocomposites and carbon nanotube / titanium alloy nanocomposites, the hardness was measured as shown in Table 1, and the hardness was about 10% and 20%, respectively, compared to nickel and titanium alloys of the same composition. It can be seen that it shows an increased effect.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.

본 발명의 탄소나노튜브/합금 나노복합재료는 기존의 소재에 비해 우수한 기계적 성질을 가지므로 스프레이코팅과 같은 간단한 공정에 의해서 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조할 수 있다. 또한 분자수준 혼합공정으로 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 이용함으로써 모재금속으로서 알루미늄이나 티타늄과 같이 환원이 어려운 금속을 포함한 모든 금속 재료를 사용 할 수 있으며, 탄소나노튜브의 기지재료 내 균질한 분산뿐만 아니라 금속의 정확한 조성제어를 통해 손쉽게 합금화 된 나노복합재료를 얻을 수 있다.Since the carbon nanotubes / alloy nanocomposites of the present invention have excellent mechanical properties compared to the existing materials, the carbon nanotubes / alloy nanocomposites can be manufactured by a simple process such as spray coating. In addition, by using carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared by molecular level mixing process, all metal materials including hard to reduce metal such as aluminum and titanium can be used as base metal, and homogeneous in base material of carbon nanotube In addition to the dispersion, precise alloying of metals allows for easy alloying of nanocomposites.

본 발명의 나노복합재료는 무게의 경량화 뿐 아니라 높은 강도와 탄성계수와 함께 우수한 내마모 특성까지 갖출 수 있으므로 고성능의 소재가 요구되는 전자기 부품산업, 기계 부품산업, 구조용 재료 등에 응용이 가능하다.The nanocomposite material of the present invention can be applied to the electromagnetic parts industry, mechanical parts industry, structural materials, etc., which require high performance materials, as well as light weight, and can have high strength and elastic modulus and excellent wear resistance.

도 1은 본 발명에서 제시한 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조공정도이다.1 is a manufacturing process chart of the carbon nanotube / alloy nanocomposite material presented in the present invention.

도 2는 본 발명에서 제시한 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조 할 때 모재금속의 형상에 따른 제조개념도이다.Figure 2 is a manufacturing concept according to the shape of the base metal when the carbon nanotube / alloy nanocomposite material proposed in the present invention.

도 3은 탄소나노튜브와 구리가 균질하게 혼합되어 있는 탄소나노튜브/구리 나노복합분말의 미세조직이다.3 is a microstructure of carbon nanotube / copper nanocomposite powder in which carbon nanotubes and copper are homogeneously mixed.

도 4은 본 발명에서 제시한 개념으로 분말야금 공정을 통해 제조 된 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 미세조직이다.Figure 4 is a microstructure of the carbon nanotubes / aluminum alloy nanocomposites prepared through the powder metallurgy process in the concept presented in the present invention.

도 5은 본 발명에서 제시한 개념으로 스프레이코팅 공정을 통해 제조 된 탄소나노튜브/알루미늄합금 나노복합재료의 미세조직이다.5 is a microstructure of the carbon nanotubes / aluminum alloy nanocomposites prepared by the spray coating process in the concept presented in the present invention.

Claims (11)

탄소나노튜브가 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 균일하게 분산시킨 탄소나노튜브/합금 나노복합재료.Carbon nanotube / alloy nanocomposite material in which carbon nanotube / metal nanocomposite powder in which carbon nanotubes are uniformly dispersed is uniformly dispersed in a base metal. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브가 모재금속에 중량비로 0.1∼50％ 분산된 탄소나노튜브/합금 나노복합재료.The carbon nanotube / alloy nanocomposite according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are dispersed at a weight ratio of 0.1 to 50% in the base metal. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브/금속 나노복합분말의 금속은 구리, 니켈, 코발트, 몰리브데늄, 철, 갈륨, 루테늄, 크롬, 금, 은 및 백금 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성된 탄소나노튜브/합금 나노복합재료.The carbon nanotube of claim 1, wherein the metal of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder comprises at least one selected from copper, nickel, cobalt, molybdenum, iron, gallium, ruthenium, chromium, gold, silver, and platinum. / Alloy nanocomposites. 제1항에 있어서, 모재금속은 알루미늄, 리튬, 베릴륨, 마그네슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브데늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 인듐, 주석, 안티몬, 텅스텐, 백금, 금 및 납 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 구성된 탄소나노튜브/합금 나노복합재료.The base metal according to claim 1, wherein the base metal is aluminum, lithium, beryllium, magnesium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, germanium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum A carbon nanotube / alloy nanocomposite composed of at least one selected from ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, indium, tin, antimony, tungsten, platinum, gold and lead. 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조에 있어서, In the production of carbon nanotubes / alloy nanocomposites, (a) 탄소나노튜브와 금속 간 균질 분산을 위해 분자수준 혼합공정을 통해 탄 소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, (a) preparing carbon nanotube / metal nanocomposite powder through molecular level mixing process for homogeneous dispersion between carbon nanotube and metal, (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속에 분산시키는 단계와, (b) dispersing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (a) in the base metal; (c) 상기 단계 (b)에서 제조된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속의 혼합체를 벌크화하여 복합재료를 얻는 단계, (c) bulking the mixture of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder prepared in step (b) and the base metal to obtain a composite material, (d) 상기 단계 (c)에서 얻은 복합재료를 후처리공정으로 기계적 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법. (d) a method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite comprising improving the mechanical properties of the composite material obtained in step (c) by a post-treatment process. 제 5항에 있어서, 모재금속이 분말상 또는 섬유상인 경우에는The base metal according to claim 5, wherein the base metal is powder or fibrous (1) 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, (1) preparing carbon nanotubes / metal nanocomposite powders in which carbon nanotubes are uniformly dispersed with a metal; (2) 혼합 공정을 통해 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속 분말의 혼합분말을 제조하는 단계와, (2) preparing a mixed powder of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder and the base metal powder through a mixing process; (3) 벌크화 공정을 통하여 상기 혼합분말을 벌크화하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와, (3) bulking the mixed powder through a bulking process to produce a carbon nanotube / alloy nanocomposite material; (4) 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법. (4) enhancing the mechanical properties by inducing solidification, precipitation, grain refinement, carbon nanotube arrangement, and arrangement of crystal grains of the carbon nanotube / alloy nanocomposite through a post-treatment process. Method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material. 제 5항에 있어서, 모재금속이 판상인 경우에는The method of claim 5, wherein when the base metal is plate (1) 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와, (1) preparing carbon nanotubes / metal nanocomposite powders in which carbon nanotubes are uniformly dispersed with a metal; (2) 스프레이코팅 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속 판상 위에 코팅하는 단계와, (2) coating the carbon nanotube / metal nanocomposite powder on the base metal plate through a spray coating process; (3) 벌크화 공정을 통하여 상기 코팅된 분말을 벌크화 하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와, (3) bulking the coated powder through a bulking process to produce carbon nanotube / alloy nanocomposites; (4) 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법. (4) enhancing the mechanical properties by inducing solidification, precipitation, grain refinement, carbon nanotube arrangement, and arrangement of crystal grains of the carbon nanotube / alloy nanocomposite through a post-treatment process. Method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material. 제 5항에 있어서, 모재금속이 금속용액인 경우에는The method of claim 5, wherein the base metal is a metal solution (1) 탄소나노튜브가 금속과 균일하게 분산된 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하는 단계와,(1) preparing carbon nanotubes / metal nanocomposite powders in which carbon nanotubes are uniformly dispersed with a metal; (2) 혼합 및 주조 공정을 통해 상기 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 모재금속 용액을 혼합하여 탄소나노튜브/합금 나노복합재료를 제조하는 단계와,  (2) preparing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material by mixing the base metal solution of the carbon nanotube / metal nanocomposite powder through a mixing and casting process; (3) 후처리 공정을 통하여 상기 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 고용화, 석출, 결정립 미세화, 탄소나노튜브의 배열 및 결정립의 배열을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복 합재료의 제조방법. (3) enhancing the mechanical properties by inducing solidification, precipitation, grain refinement, arrangement of carbon nanotubes, and arrangement of crystal grains of the carbon nanotube / alloy nanocomposite through a post-treatment process. Method for producing a carbon nanotube / alloy nanocomposite material. 제 6항에 있어서, (2) 단계에서의 혼합 공정은 탄소나노튜브/금속 나노복합분말과 모재금속을 복합화 하기 위한 분말 교반 공정, 습식/건식 볼밀링 또는 기계적 합금화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법.The method of claim 6, wherein the mixing step (2) comprises a powder agitation process, a wet / dry ball milling or a mechanical alloying process for complexing the carbon nanotube / metal nanocomposite powder and the base metal. Method for producing carbon nanotube / alloy nanocomposite material. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, (3) 단계에서의 벌크화 공정은 95％ 이상의 상대밀도의 합금 나노복합재료의 제조를 위한 진공 상압소결, 스파크 플라즈마 소결, 핫 프레싱, 열간 정수압 가압 성형 공정 및 냉간 정수압 가압 성형 공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법.8. The process of claim 6 or 7, wherein the bulking process in step (3) is performed by vacuum atmospheric sintering, spark plasma sintering, hot pressing, hot hydrostatic pressure forming process for the production of alloy nanocomposites having a relative density of at least 95%. And at least one process selected from cold hydrostatic pressure forming processes. 제 6항 내지 제 8항 중 선택된 어느 한 항에 있어서, 후처리 공정은 고용화처리, 압연, 압출, 인발, 압축, 단조 및 시효 경화 공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브/합금 나노복합재료의 제조방법.The carbon according to any one of claims 6 to 8, wherein the aftertreatment process comprises at least one process selected from solid solution, rolling, extrusion, drawing, compression, forging and age hardening processes. Method for preparing nanotube / alloy nanocomposites.
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