KR20130135360A

KR20130135360A - 여러 개의 프리폼으로 구성되어 있는 세라믹 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130135360A
Application number: KR1020137027520A
Authority: KR
Inventors: 페터 폴스테르; 안드레아스 킨츨레; 토마스 푸츠; 알빈 폰 간스키; 블라시우스 헬; 알프레드 회슬러
Original assignee: 에스지엘 카본 에스이
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-12-10
Also published as: US10696600B2; WO2012143166A1; US20140044979A1; CN103476734A; DE102011007815A1; US20170226020A1; JP2014518832A; EP2699530A1; DE102011007815B4

Abstract

a) 각각 탄소 복합재로 이루어진 2개 이상의 프리폼을 제공하는 단계, b) 프리폼의 결합 표면 사이에 결합 화합물을 주입시키고 경화시킴으로써 적어도 하나의 결합 표면을 통해 2개 이상의 프리폼을 연결하여 복합체를 형성하며, 여기서 상기 결합 화합물은 실리콘 카바이드 및 적어도 1종의 폴리머 접착제를 함유하는 것인 단계, 및 c) 복합체를 실리콘화하여 부품을 형성하는 단계를 포함하는 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

여러 개의 프리폼으로 구성되어 있는 세라믹 부품의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A CERAMIC COMPONENT COMPOSED OF A PLURALITY OF PREFORMS}

다음의 발명은 부품 특히 세라믹 부품 제조를 위한 방법, 이와 함께 구입할 수 있는 부품 및 그 용도에 관련된 것이다.

세라믹 부품은 전자 산업, 자동차 제조 및 의료 공업 등과 같은 다양한 공업 분야에서 사용된다. 공업에서의 세라믹 재료에는 흔히, 그리고 특히 재료의 경도와 내열성에 대한 높은 요구 사항이 있는 사용을 위해 계획된 경우, 실리콘 카바이드(SiC)가 첨가된다. 그와 같은 종류의 세라믹 부품 제조를 위해서는 예를 들어 기본 재료에 탄소가 함유된 주형의 탄소가 실리콘 카바이드 외부에 있는 실리콘과 반응하고, 경우에 따라서는 주형에 존재하거나 주형 안에 형성되어 있는 미세한 구멍이 순수한 실리콘으로 채워지는 실리콘화 과정을 거칠 수 있다. 주형의 미세한 구멍에 실리콘을 침윤시키는 후자의 경우에는 실리콘-침윤된 실리콘 카바이드(SiSiC)로 이루어진 주형을 얻게 된다. 이 주형은 사실상 잔류물 통기성을 전혀 제공하지 않는다는 특징이 있다. 또한 이에 대하여 대안적으로 언급된 종류의 부품을 분말 형태의 실리콘 카바이드를 사용하여 소결 공정을 통해 제조할 수 있다.

특정한 사용에 있어서는, 특히 광리소그래피 분야에서는 정확하게 정해진 형태 그리고 부품 용적과 관련하여 특히 동질의 재료 특성을 갖는 세라믹 부품이 필요하다. 그러나 SiSiC 또는 기타 소결 공정이 이루어진 세라믹으로 이루어진 특히 큰 부품, 예를 들어 500 mm x 500 mm x 500 mm 이상의 크기를 갖는 부품은 아주 어렵게 제조할 수 있거나 규정되어 있는 정확성과 균형성을 갖은 상태로는 전혀 제조할 수 없다. 이는 특히 제조해야 하는 부품이 비교적 복잡한 형태를 갖는 경우에도 해당된다. 특히 소결 공정에서는 비교적 높은 수축이 나타난다.

원칙적으로 작은 크기의 개별 부품들을 커다란 크기의 전체 부품으로 구성함으로써 더 큰 부품도 제조할 수 있다. 그러나 이와 같은 접근 방식에서는 개별 부품들이 서로 견고하고 확실하게 결합되어야 한다.

DE 196 36 223 C2에서는 유기 결합제와 탄소 분말로 이루어진 페이스트를 사용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 2개 이상 부품을 결합하기 위한 방법이 알려져 있다. 여기서 페이스트는 800℃ 내지 1200℃ 온도에서 열분해가 이루어지며, 그 결과로 페이스트에 수축 과정으로 인한 미세 균열 시스템이 형성된다. 이어지는 전체 부품의 실리콘화에 있어서 실리콘은 페이스트의 미세 균열뿐만 아니라 탄소 섬유 강화 플라스틱의 미세 균열에도 도달하여, 그에 따라 부품의 탄소 섬유와 실리콘 카바이드를 위한 페이스트의 탄소 분말과 반응할 수 있다.

그러나 양쪽 부품 사이의 결합층에 존재하는 탄소와 실리콘 사이의 화학 반응은 경우에 따라서 발생할 수 있는 부작용을 포함, 얻게 되는 전체 부품의 동질성을 고려할 때 문제가 많다. 개별 부품 자체에 플라스틱과 결합된 탄소 섬유가 있고 중간층의 페이스트에는 유기 결합제에 분포되어 있는 탄소 분말이 있기 때문에, 실리콘화가 이루어지는 동안 필연적으로 상이한 반응 상태가 나타난다. 이는 결국 최종 재료에서의 불균형성 및 바람직하지 않은 수축을 초래한다.

따라서 본 발명의 과제는 부품, 특히 SiSiC를 기반으로 하는 부품과 같은 세라믹 부품의 제조를 위한 방법을 명시하는 것이다. 이러한 방법으로 기존에 알려져 있는 부품과 비교할 때, 그 특성과 관련하여 더욱 높은 동질성, 특히 더 작은 수준의 밀도 변화 및 수축 감소를 나타내는 부품을 얻게 된다. 특히 부품들이 비교적 크고 복합적이거나 더욱 복잡한 형태를 제시하는 경우에 그러하다.

이러한 과제는 본 발명에 의거하여 다음과 같은 절차를 포함하는 부품 제조를 위한 방법에 의해서 해결된다:

a) 탄소 복합재로 이루어진 2개 이상의 프리폼을 제공하는 단계,

b) 프리폼의 결합 표면 사이에 결합 화합물을 주입시키고 경화시킴으로써 적어도 하나의 결합 표면을 통해 2개 이상의 프리폼을 연결하여 복합체를 형성하며, 여기서 상기 결합 화합물은 실리콘 카바이드 및 적어도 1종의 폴리머 접착제를 함유하는 것인 단계, 및

c) 복합체를 부품으로 실리콘화하는 단계.

따라서 본 발명에 의거하여 제조해야 하는 부품은 전체 부품 또는 복합체를 위한 탄소 복합재로 이루어진 여러 개의 개별 부품 또는 프리폼으로 구성된다. 여기서 개별 부품들은 서로 결합되며, 전체 부품은 실리콘화 과정을 거친다. 여러 개의 개별 부품으로 부품을 구성함으로써 간단한 방식으로 비교적 크고 복잡한 형태의 부품을 제조할 수 있다.

c) 단계에서 결합 화합물의 열처리에 있어서 여기에 함유되어 있는 폴리머 접착제가 쌓여 층을 이룬 실리콘 카바이드 입자가 결정적으로 작용하여 갈라짐으로써 미세 구멍이 생긴다. 이 구멍을 통해서 c) 단계에서 실리콘이 결합층으로 스며들어갈 수 있다. 그러나 실리콘은 결합층에 있는 실리콘 카바이드와 반응하지 않기 때문에, 결합층에서의 실리콘 카바이드는 c) 단계에서 실리콘이 결합층에 스며드는 것을 유리하게 하지만 반응은 하지 않는 수동적인 통기성 형성 물질로 작용한다. 따라서 c) 단계가 종결된 후에 결합층에는 실리콘과 실리콘 카바이드가 있다. 그 결과 실리콘 카바이드 세라믹을 기반으로 하는 동질의 부품 복합체가 생긴다.

실리콘 카바이드 자체가 결합 화합물에서 반응하지 않고 비반응적인 통기성을 형성하는 충전재로서 작용하기 때문에, 기존에 알려져 있는 제조 방법에서 최종 재료의 이질성과 수축 증가를 야기하는 모든 바람직하지 않은 반응을 피하도록 한다. 결합 화합물에서 통기성을 형성하는 물질이 프리폼에서의 실리콘화에서 생성된 물질과 동일한 특성을 제시하는 점은 특별한 장점이다. 왜냐하면 각각 실리콘 카바이드가 이 두 가지 물질에 있어서 다루어지기 때문이다. 따라서 상기 방식으로 높은 정확성과 동질성을 갖는 비교적 크고 복잡한 부품을 제조할 수 있다. 특히 부품 실리콘화가 진행된 복합체의 바람직하지 않은 밀도 기울기를 피할 수 있다. 또한 본 발명에 의거한 방법에 의해서 열전도율, 탄성 모듈 및 굽힘 강도의 편차와 같은 기타 재료 특성의 편차가 적어진다.

본 발명에서 복합재는 2개 이상의 결합된 성분으로 이루어진 재료이다. 여기서 복합재는 그 개별적인 성분과는 다른 재료 특성을 나타낸다. 또한 탄소 복합재와 스며든 SiC도 이러한 개념에 포함된다.

본 발명에서 탄소 복합재는 탄소로 이루어진 입자 및/또는 섬유가 매트릭스에 매설되어 있는 재료이다.

또한 본 발명에서 세라믹은 아주 일반적으로 무기적 원료로부터의 형성과 이어지는 열 처리를 통해서 얻어지는 공업 재료로 이해된다. 여기서 열처리는 재료의 용해 온도 이하 최소 50℃에서 진행된다.

프리폼의 결합 표면 사이로 결합 화합물이 주입되어 경화되는 방식과 관련하여 본 발명에 의거한 방법은 원칙적으로 한정되어 있지 않다. 예를 들어 b) 단계에서의 결합 화합물을 그와 같은 종류의 코팅이 이루어진 결합 표면을 다른 프리폼의 결합 표면에 대해 가압하고, 이어서 굳어지지 전에 중간체의 결합 표면에 적용할 수 있다. 바람직하게는 이러한 실시 형태에서의 결합 화합물은 간단하게 적용하는 작업 (예: 가볍게 문지르거나 닥터 나이프 코팅을 통해) 가능하게 하기 위해서 페이스트 형태로 제공된다. 결합 화합물이 굳어지는 상태에서 양쪽 프리폼의 가압을 통해 안정적이고 높은 하중을 견딜 수 있는 결합이 이루어진다.

이에 대하여 대안적으로 b) 단계에서 결합해야 하는 프리폼이 연결 틈새가 결합 화합물로 채워지고 나서 결합 화합물이 굳어지기 전, 임의로 결합 장치를 사용하여 결합 표면 사이에 연결 틈새가 형성되는 상태에서 상대적으로 서로 마주 보도록 정렬할 수 있다. 이는 정확하게 정해진 치수 특히 두께에 연결 틈새가 생긴다는 장점을 갖는다.

결합 화합물이 경화되기 전에 결합의 안정성을 증가시키기 위해서 결합 표면을 선택적으로 맞대고 가압할 수 있다. 프리폼 결합에 있어서의 진행은 각 적용에 따른다. 결합 표면 모서리에 가압하는 것이 가능하지 않은 경우, 특히 프리폼이 충격을 받아 납작하게 또는 결합 장치의 도움으로 연결될 수 있다. 따라서 여러 개의 축으로 진행되는 분리 이음매가 있는 결합 과정이 진행될 수 있다. 분리 이음매는 바람직하게는 결합 표면에 의해서 혹사를 당한 부분이 진행되지 않도록 선택된다.

본 발명의 범주 내에서는 b) 단계에서 폴리머 접착제로서 페놀 수지를 함유한 결합 화합물이 사용된다는 점이 장점으로 입증되었다. 이에 대하여 대안적으로 또는 추가적으로 결합 화합물은 폴리머 접착제로서 비탄소계 폴리머, 그 중에서도 바람직하게는 폴리실란, 폴리실록산, 폴리시라잔 또는 앞서 언급한 2개 이상의 화합물의 임의의 혼합물을 함유할 수 있다. 비탄소계 폴리머는 다음 방법 절차에 있어서 결합층의 탄소와 반응하지 않는다는 장점을 갖는다.

쉽게 제조 가능하며 적용하기에 적합한 점성을 갖는 결합 화합물은 예를 들어 폴리머 접착제가 물속에서 현탁액을 만드는 경우에 얻어진다.

결합 화합물에서 개별적인 성분이 차지하는 비율과 관련하여 본 발명은 제한적이지 않다. 그러나 특히 b)단계에서 5 내지 50 중량%의 물, 20 내지 80 중량%의 실리콘 카바이드 그리고 10 내지 55 중량%의 폴리머 접착제를 갖는 결합 화합물이 사용되는 경우, 훌륭한 결과가 얻어진다. b) 단계에서는 특히 10 내지 40 중량%의 물, 30 내지 65 중량%의 실리콘 카바이드 그리고 20 내지 45 중량%의 폴리머 접착제를 함유하는 결합 화합물이 바람직하게 사용되며, 가장 바람직하게는 결합 화합물은 15 내지 25 중량%의 물, 45 내지 55 중량%의 실리콘 카바이드 그리고 27 내지 33 중량%의 폴리머 접착제를 함유하고 있는 결합 화합물이다. 특별히 유리한 것으로 입증된 실시 예에 의거하면 결합 화합물이 20 중량%의 물, 50 중량%의 실리콘 카바이드 그리고 30 중량%의 폴리머 접착제, 바람직하게는 페놀 수지를 함유하고 있다.

그 밖에 결합 화합물에서는 폴리머 접착제를 위한 경화제를 마련할 수 있다. 그 중에서도 바람직하게는 액상 경화제가 사용된다. 경화제는 폴리머 접착제가 너무 일찍 굳어지는 것을 방지하기 위해서 바람직하게는 결합 표면에 결합 화합물을 적용하기 바로 직전에 비로소 결합 화합물에 첨가된다. 따라서 결합 화합물은 2액형 접착제로서 작용한다. 이러한 방식으로 결합 화합물의 열 경화를 하지 않을 수 있다. 따라서 결합 화합물 경화를 위해서 복합체를 오븐에 넣을 필요가 없다. 복합체를 넣는 오븐은 특히 큰 사이즈의 부품에 있어서 여러 번거로움 및 그에 따른 높은 비용과 연결되어 있기 때문에 상당한 장점이다.

결합 화합물용 경화제로서 사용된 폴리머 접착제의 경화를 도와주는 모든 물질을 사용할 수 있다. 이의 바람직한 예는 염기 및 특히 산이다. 여기서 원칙적으로 알칼리 금속의 수산화물, 알칼리 토금속 수산화물, 황산, 질산, 인산 등과 같은 무기산, 카르복시산, 초산과 같은 유기산, 삼불화초산 또는 삼염화 아세트산 등과 같은 모든 알려져 있는 염기와 산을 사용할 수 있다. 폴리머 접착제로서 페놀 수지가 사용되는 경우, 경화제로서 p-톨루엔설폰산이 사용되는 경우에 특히 좋은 결과를 얻게 된다.

본 발명 내용의 발전된 형태에서는 b) 단계에서의 결합 화합물 경화를 10℃ 내지 100℃, 바람직하게는 15℃ 내지 80℃, 특히 바람직하게는 18℃ 내지 30℃의 온도에서 진행할 것을 제안한다. 여기서 경화는 예를 들면 5시간 내지 30시간 동안에 걸쳐 이루어질 수 있다. 공정 기술적 관점에서 볼 때, 실온에서의 경화가 유리하다. 여러 개의 결합 표면 중 몇몇 또는 결합 표면의 특정 위치에서 경화 가속이 필요한 경우, 경화를 위해서 해당 부분을 개별적으로 각각 가열할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면 b) 단계에서 1 내지 50 μm, 바람직하게는 3 내지 20 μm 및 특히 바람직하게는 5 내지 10 μm의 평균 입자 직경을 갖는 분말 형태의 실리콘 카바이드를 함유하고 있는 결합 화합물이 사용된다. 상기 입자 크기를 갖는 실리콘 카바이드 분말의 사용은 달성해야 하는 효과를 고려할 때 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.

정확하게 규정되어 있는 프리폼의 결합과 접착 연결 부분의 높은 부하 용량을 가능하게 하기 위해서 b) 단계에서 사이에 결합 화합물이 있는 중간체의 결합 표면을 장력 장치를 사용하여 가압할 수 있다. 여기서 누르는 압력은 바람직하게는 0.5 내지 4 MPa에 달하며, 1 내지 2 MPa가 보다 바람직하다.

본 발명의 범주 내에서 a) 단계에서 비결정질 다공성 탄소로 이루어진 매트릭스를 갖는 복합재로 이루어진 최소한 2개의 프리폼이 마련되어 있는 경우, 특히 유리한 특성을 갖는 부품을 제조할 수 있다는 사실이 명백해졌다. C/C, 그러니까 탄소로 이루어진 입자 및/또는 섬유가 비결정질 다공성 탄소로 이루어진 매트릭스에 들어있는 복합재로 이루어진 그와 같은 종류의 프리폼은 특히 생소지(green body)로 마련될 수 있다. 생소지는 형태가 안정적이지만 여전히 쉽게 깎으며 가공할 수 있다.

본 발명에 따르면 비결정질 다공성 탄소로 이루어진 매트릭스에 탄소 입자 및/또는 탄소 섬유가 묻혀 있다. 이는 탄소 입자의 입자 직경 및 탄소 섬유의 평균 길이가 최대 75 μm, 그 중에서도 특히 50 μm에 달하는 경우 바람직하다. 비교적 긴 섬유를 갖는 섬유 재료를 피하는 것이 유리한 것으로 판단되었다.

a) 단계에서의 탄소 복합재로 이루어진 프리폼의 제공은 전문가에게 알려져 있는 모든 종류와 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 a) 단계에서 비결정질 다공성 탄소로 이루어진 매트릭스를 갖고 있는 복합재로 이루어진 2개 이상의 프리폼을 마련하기 위해서는, 탄소 전구체와 유기 결합제를 함유하고 있는 혼합물로 이루어진 최소한 2개의 프리폼이 탄소 전구체와 유기 결합제가 탄화되고 경우에 따라서 흑연화되기 전에 형성될 수 있다.

이러한 실시 형태에서는 특히 탄소 전구체와 유기 결합제를 함유하는 혼합물이 2개 이상의 얇은 판 형태의 틀이 1회 또는 여러 차례의 압축 사이클에서 각각 0.5 g/cm³ 내지 1.5 g/cm³의 밀도를 갖는 프리폼으로 압축되기 전에 형성될 수 있다.

본 발명 내용의 발전된 형태에서는 600℃ 내지 1,500℃, 바람직하게는 800℃ 내지 1,200℃ 그리고 그 중에서도 보다 바람직하게는 850℃ 내지 950℃의 온도에서 프리폼의 탄화를 진행할 것을 제안한다. 특별히 바람직한 실시 예에 따르면 탄화가 900℃등에서 진행된다.

적용 시 필요한 경우, 탄화 후 1,600℃ 내지 2,500℃, 특히 1,800℃ 내지 2,200℃ 그리고 그 중에서도 보다 바람직하게는 1,900℃ 내지 2,100℃ 온도에서 흑연화 처리가 진행될 수 있다. 2,000℃ 온도가 흑연화 처리에 특히 유리한 온도로 밝혀졌다.

본 발명에 의거한 방법에서는 원칙적으로 탄소 전구체로서 간단하게 그리고 가능한 한 완벽하게 탄소로 열분해, 탄화 또는 흑연화될 수 있는, 전문가에게 알려져 있는 모든 탄소 함유 화합물을 사용할 수 있다. 그 예는 피치와 폴리아크릴로니트릴이다.

본 발명의 특히 바람직한 실시 형태에 따르면 탄소 전구체로서 분말 셀룰로오스가 사용된다. 여기서 분말 셀룰로오스는 미세하게 빻아 가루로 만든 셀룰로오스를 의미한다. 그 입자는 바람직하게는 직경 또는 공 모양 형태가 아닌 경우, 가장 긴 길이가 최대 50 μm이다. 이 실시 형태에서는 a) 단계에서의 프리폼의 제공은 바람직하게는 다음과 같은 절차를 포함한다:

1) 분말 셀룰로오스 제공,

2) 분말 셀룰로오스의 탄화 처리,

3) 탄화 처리된 분말 셀룰로오스를 결합제, 바람직하게는 페놀 수지와 혼합,

4) 예를 들어 얇은 판 형태에서 3) 단계에서 제조된 혼합물로 이루어진 2개의 이상의 프리폼 형성,

5) 임의로 4) 단계에서 형성된 2개 이상의 프리폼 압축하기,

6) 2개 이상의 프리폼 탄화 처리 그리고

7) 임의로 2개 이상의 탄화 처리된 프리폼의 흑연화 처리.

분말 셀룰로오스 사용의 장점은 분말 셀룰로오스를 사용함으로써 70%의 놀라울 정도로 비교적 높은 통기성을 얻을 수 있다는 사실이다. 또한 분말 셀룰로오스는 실리콘 카바이드에 대하여 실리콘과의 비교적 높은 대체 확률을 갖고 있어서 실리콘화를 통해 비교적 많은 실리콘 카바이드 연결 부분이 형성된다.

본 발명 내용의 발전된 형태에서는 탄소 입자가 최대 80:1, 바람직하게는 최대 50:1의 평균 형상비를 갖는 탄화 처리된 분말 셀룰로오스를 사용할 것을 제안한다. 여기서 형상비는 미립자의 최대 팽창 길이와 동일한 미립자의 최소 팽창 길이에 대한 비율이다. 따라서 예를 들면 섬유의 경우 섬유 길이의 섬유 직경에 대한 비율이다. 비교적 크기가 작은 형상비를 갖는 그와 같은 탄소 입자는 높은 통기성이라는 목적에 부합한다.

본 발명의 기타 바람직한 실시 형태에 의하면 b) 단계에서 제조된 복합체가 실리콘화가 이루어지기 전에 전체적으로 예를 들어 프레이즈반으로 깎는 과정, 연마 또는 절삭 과정을 통해서 치핑 가공이 이루어진다. 복합체가 아직 복합체의 최종적인 경도에 도달하지 않았기 때문에 이는 비교적 간단한 방식으로 가능하다. 가공해야 하는 물체의 비교적 부드러운 상태에서 그와 같은 치핑 가공은 또한 “생가공(green machining)”이라고 칭한다. 복합체 전체의 치핑 가공에 의해서 결합 이음매에 부품 형태를 정확하게 조절할 수 있다. 제조해야 하는 부품의 고도의 복잡성으로 인해서 필요한 경우에는 완성된 생가공된 프리폼을 결합하고, 복합체로서 특정 범위, 예를 들어 임계 치수 범위에서 생상태(green state)에서 추가로 치핑 가공할 수 있다. 이와 같은 진행 방식을 통해서 최종 상태에서 내부로부터 더 이상 생가공할 수 없는 케이싱 부품등을 제조할 수 있다. 이러한 경우 내부에 놓여 있는 구간의 치핑 가공을 결합하기 전, 개별 부품에서 진행한다. 마찬가지로 해당 가공 기계의 형태로 인해서 더 이상 복합체의 생가공이 가능하지 않은 부품 구간에도 차단 지점이 있을 수 있다. 또한 각 가공 중심부의 공구 이동 거리가 충분하지 않은 경우, 적합한 차단 지점 마련은 시정 조치가 될 수 있다.

각각 요청에 따라 b) 단계 전에 1개 이상의 프리폼 및 모든 프리폼을 바람직하게는 치핑 가공할 수 있으며 복합체를 위해 결합된 프리폼을 b) 단계 후와 c) 단계 전에 전체적으로 다시 한번 치핑 가공할 수 있다. 나아가서 b) 단계에서 연결되어 있는 중간체는 치핑 가공 후와 b) 단계에서의 실리콘화 전 탄소 복합재로 이루어진 최소 1개 프리폼과 결합할 수 있다.

따라서 특히 복잡한 부품의 제조를 위해서는 예를 들어 다음과 같은 절차를 진행할 수 있다:

- 여러 개의, 특히 얇은 판 모양의 프리폼에서 첫 번째 생가공 진행,

- 프리폼을 여러 개의 복합체로 결합,

- 복합체에서 두 번째 생가공 진행 그리고

- 여러 개의 가공이 완성되었거나 부분 완성된 복합체를 완성된 부품으로 결합

프리폼의 결합 표면에서 미세 구멍의 실링을 규정하고, 그 뒤에 이어서 적용되는 결합 화합물의 결합 효과를 향상시키기 위해서 b) 단계에서 결합 화합물 처리 전 중간체의 결합 표면에 예비 처리제를 적용할 수 있다.

그와 같은 예비 처리제는 특히 실리콘 카바이드를 함유할 수 있다. 바람직하게는, 예비 처리제는 우선적으로 결합 화합물과 동일한 성분으로 구성된다. 그래서 예비 처리제 사용으로 인한 제조된 부품에서의 이질성 증가를 방지할 수 있다.

바람직하게는, 예비 처리제는 결합 화합물보다 작은 점성을 보인다.

c) 단계에서의 부품을 위한 복합체의 실리콘화는 원칙적으로 전문가에게 알려져 있는 모든 방식으로 진행할 수 있다. 예를 들어 c) 단계에서의 부품을 위한 복합체의 실리콘화는 복합체에 액상 실리콘 또는 액상 화합물을 침윤시키고 이어지는 1,100℃ 내지 2,000℃, 바람직하게는 1,350℃ 내지 2,000℃ 그리고 보다 바람직하게는 1,500℃ 내지 1,700℃ 온도에서의 열처리를 통해서 진행될 수 있다. 실리콘 합금으로서는 규화철, 규화크롬, 규화티타늄, 규화몰리브덴, 규화니켈 및 규화알루미늄 그룹 등에서 선택한 합금을 사용할 수 있다. 실리콘을 주입하는 동안의 열처리를 통해서 복합체에서의 탄소 실리콘 카바이드로의 최소한의 부분적 이행이 이루어진다.

본 발명의 그 밖의 대상은 상술한 바와 같은 방법으로 얻을 수 있는 부품이다.

바람직하게는, 본 발명에 의거한 부품은 DIN EN 821-2에 의거하여 측정된 80 내지 190 mW/mK, 특히 130 내지 180 mW/mK의 열전도율을 제시한다.

본 발명에 의거한 방법은 상술한 바와 같이 특히 큰 동질성을 갖는 (즉, 부품 용적에 대하여 변화가 아주 적은 밀도와 재료 특성의 미미한 변화만을 갖는) 비교적 큰 사이즈의 부품 제조에 적합하다. 이러한 이유에서 본 발명에 의거한 부품은 본 발명의 기타 선호되는 실시 형태에 따르면 적어도 200 mm, 바람직하게는 적어도 400 mm 그리고 특히 바람직하게는 적어도 600 mm의 길이를 제시한다. 본 발명에서 특히 바람직한 실시 예는 부품 치수가 1150 mm x 600 mm x 390 mm에 달한다고 규정하고 있다.

본 발명의 또 다른 대상은 앞서 기술한 부품의 광학 부품, 특히 광리소그래피 부품으로서의 사용이다.

다음에서는 도면을 참조하면서 본 발명을 설명해주나 본 발명을 제한하지 않는 예에 의거하여 설명이 이루어질 것이다.
도면 1a는 본 발명에 의거한 부품의 첫 번째 세그먼트의 배경도이다.
도면 1b는 본 발명에 의거한 부품의 두 번째 세그먼트의 배경도이다.
도면 1c는 본 발명에 의거한 부품의 세 번째 세그먼트의 배경도이다.
도면 1d는 본 발명에 의거한 부품의 네 번째 세그먼트의 배경도이다.
도면 2는 본 발명에 의거한 방법의 범주 내에서 복합제로 구성할 수 있는 얇은 판 모양의기본 부품으로 이루어져 있는 프리폼을 절단하기 위한 설계도를 제시한다.
도면 3은 프리폼을 절단하기 위한 기타 설계도를 제시한다.

광리소그래피에서 사용할 수 있는 1150 m x 600 mm x 390 mm 치수의 케이스는 세라믹 부품으로 제조되었다. 우선 케이스는 앞서 정해진 결합 시스템에 의거하여 도면 1A에 제시되어 있는 4개의 개별적인 세그먼트 11A-11D로 나누어졌다. 케이스를 여러 개의 세그먼트 11A-11D로 분할함으로써 복잡성을 감소시킬 수 있다. 이어서 세그먼트 11A-11D 각각이 여러 개의 얇은 판 모양의 서브 세그먼트(13)으로 나누어진다. 서브 세그먼트(13)은 도면 2와 3에 제시되어 있는 설계도에 의거하여 탄소 복합재로 이루어진 기본 플레이트 15로부터 절단하거나 직각 형태로 규정된 표면 특성을 유지하면서 프레이즈반으로 깎았다.

기본 플레이트(15)를 제조하기 위해서 분말 셀룰로오스와 페놀 수지로 이루어진 탄소 혼합물이 얇은 판 모양의 틀 형태로 형성되었으며, 틀 형태는 여러 차례의 압축 과정에서 0.74 g/cm³의 밀도가 되기까지 가압하였다. 분말 셀룰로오스는 탄소 섬유를 함유하고 있다. 여기서 탄소 섬유의 평균 길이는 최대 50 μm이었다. 이어서 기본 플레이트(15)는 900℃ 온도에서 탄화되었으며, 2000℃ 온도에서 흑연화되었다. 그러고 나서 C/C 상태에 있는 서브 세그먼트(13)가 기본 플레이트(15)로부터 절단되었다.

계속해서 서브 세그먼트(13)의 생상태(green state)에 놓여 있는 탄소 복합재의 흡수성을 감소시키기 위해서 해당 결합 표면이 예비처리제로 코팅되었다. 예비 처리제의 경화는 실온에서 이루어졌다. 예비 처리제의 경화 후, 주걱을 사용하여 결합 표면에 결합 화합물을 적용했다. 예비 처리제와 결합 화합물 모두 20 중량%의 물, 50 중량%의 실리콘 카바이드 그리고 30 중량%의 페놀 수지를 함유했다. 실리콘 카바이드는 분말 형태이며, 20 μm의 평균 입자 직경을 보인다. 예비 처리제와 결합 화합물을 적용하기 바로 직전에 각각 p-톨루엔설폰산을 경화제로서 첨가했다.

결합 화합물을 적용하고 나서 곧바로 제시되지 않은 팽창 장치의 도움으로 개별적인 서브 세그먼트(13)를 규정된 1 MPa의 압력 하에 해당 결합 표면에서 서로 가압하였다. 팽창 장치는 서브 세그먼트의 생상태(green state)에 놓여 있는 탄소 복합재를 손상하지 않도록 형성되어야 한다. 이어서 결합 화합물을 실온에서 12시간 동안 경화시켰다.

이러한 방식으로 세그먼트 11A-11D를 서브 세그먼트(13)으로 이루어진 각각의 복합체로서 제조한 후에 첫 번째 세그먼트 11A와 두 번째 세그먼트 11B의 비스듬한 결합 표면을 프레이즈반으로 깎았으며, 세그먼트 11A, 11B는 (제시되어 있지 않음) 기울어져 있는 고정 장치와 예비 처리제 및 결합 화합물을 사용하여 앞서 기술한 서브 세그먼트(13)의 결합에서와 마찬가지로 결합되었다. 이러한 진행 방식은 기본 플레이트(15)의 임의의 배치를 가능하게 하기 때문에 재료를 절약하고, 결합 표면을 축소시킬 수 있다.

비스듬한 결합 표면에서의 결합 화합물 경화 후, 세 번째 세그먼트 11C와 네 번째 세그먼트 11D가 프레이즈반으로 깎인 결합 표면을 통해서 첫 번째 세그먼트 11A와 두 번째 세그먼트 11B로 이루어진 복합체와 결합되었다. 여기서 중심점을 맞추는 작업은 원칙적으로 모서리의 기하학적 구조를 통해서 또는 결합 후 프레이즈반으로 모두 깎아버리게 되는 스피곳의 도움으로 이루어질 수 있다. 그렇게 함으로써 특히 맞춤핀 연결에 있어서 나타나는 것과 같은 바람직하지 않은 에어 포켓을 방지할 수 있다.

결합 화합물이 다시 한번 경화된 후에 서로 결합되어 있는 세그먼트 11A-11D에서 필요한 허용오차에 도달하기 위해서 허용오차가 포함된 치수를 추가로 치핑처리했다. 생상태(Green state)에 있는 복합체의 치핑 처리 후, 1680℃ 온도에서 1시간 동안 액상 실리콘을 복합체에 침윤시킴으로써 복합체의 실리콘화가 이루어졌다.

실리콘화 과정이 종결된 후, 그 크기에도 불구하고 동질성과 등방성의 재료 특성을 보이는 실리콘 카바이드 세라믹으로 이루어진 케이스 부품을 얻는다. 구체적으로 부품 제조 시 수축은 0.14%였으며, 허용오차는 1000 mm에 대하여 ±0.2 mm였다. 밀도, 열 팽창, 탄성 모듈 및 굽힘 강도 등과 같은 재료 특성의 편차는 전체 부품에 대하여 최대 3%였다.

참조 표시 목록:

11A 첫 번째 세그먼트

11B 두 번째 세그먼트

11C 세 번째 세그먼트

11D 네 번째 세그먼트

13 서브 세그먼트

15 기본 플레이트

Claims

a) 각각 탄소 복합재로 이루어진 2개 이상의 프리폼 (11A-11D, 13)을 제공하는 단계,
b) 프리폼 (11A-11D, 13)의 결합 표면 사이에 결합 화합물을 주입시키고 경화시킴으로써 적어도 하나의 결합 표면을 통해 2개 이상의 프리폼 (11A-11D, 13)을 연결하여 복합체를 형성하며, 여기서 상기 결합 화합물은 실리콘 카바이드 및 적어도 1종의 폴리머 접착제를 함유하는 것인 단계, 및
c) 복합체를 부품으로 실리콘화하는 단계
를 포함하는 부품, 특히 세라믹 부품의 제조 방법.
제1항에 있어서, 단계 b)에서, 결합 화합물을 프리폼 (11A-11D, 13)의 결합 표면 상에 적용하고, 이와 같이 코팅이 이루어진 결합 표면을 다른 프리폼 (11A-11D, 13)의 결합 표면에 대해 가압한 후, 결합 화합물을 경화하고/하거나 단계 b)에서 임의로는 결합 장치를 사용하여 결합 표면 사이에 연결 틈새를 형성하면서 연결시킬 프리폼 (11A-11D, 13)을 서로에 대해 정렬한 후, 결합 화합물을 연결 틈새에 충전하고 이어서 결합 화합물을 경화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 b)에서, 폴리머 접착제로서 페놀 수지를 포함하고/하거나 폴리머 접착제가 비탄소 폴리머, 바람직하게는 폴리실란, 폴리실록산, 폴리실라잔, 또는 2종 이상의 상기 화합물의 임의의 혼합물인 결합 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서, 물 5 내지 50 중량%, 실리콘 카바이드 20 내지 80 중량% 및 폴리머 접착제 10 내지 55 중량%, 바람직하게는 물 10 내지 40 중량%, 실리콘 카바이드 30 내지 65 중량% 및 폴리머 접착제 20 내지 45 중량%, 특히 바람직하게는 물 15 내지 25 중량%, 실리콘 카바이드 45 내지 55 중량% 및 폴리머 접착제 27 내지 33 중량%를 함유하는 결합 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서, 폴리머 접착제를 위한 경화제를 함유하는 결합 화합물을 사용하며, 상기 경화제가 바람직하게는 염기 또는 보다 바람직하게는 산, 보다 바람직하게는 p-톨루엔설폰산을 함유하는 것임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서, 결합 화합물을 10℃ 내지 100℃, 바람직하게는 15℃ 내지 80℃, 특히 바람직하게는 18℃ 내지 30℃의 온도에서 바람직하게는 5 내지 30 시간 동안 경화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서, 평균 입자 직경이 1 내지 50 μm, 바람직하게는 3 내지 20 μm, 특히 바람직하게는 5 내지 10 μm인 분말 형태의 실리콘 카바이드를 함유하는 결합 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)에서, 비결정질의 다공성 탄소의 매트릭스를 포함하는 복합재로부터 2개 이상의 프리폼 (11A-11D, 13)을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 단계 a)에서, 매트릭스에 개재되어 있는 탄소 입자 및/또는 탄소 섬유를 함유하는 2개의 중간체 (11A-11D, 13)를 제공하고, 상기 탄소 입자의 입자 직경 및 상기 탄소 섬유의 평균 길이가 최대 75 μm, 바람직하게는 최대 50 μm인 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 단계 a)에서, 탄소 전구체, 및 유기 결합제를 함유하는 혼합물에 의해 2개 이상의 프리폼 (11A-11D, 13)이 형성되고 이후 탄화 처리되어, 비결정질의 다공성 탄소의 매트릭스를 포함하는 복합재로부터 2개 이상의 프리폼 (11A-11D, 13)이 제공되고, 탄소 전구체로서 탄화 처리된 셀룰로오스 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서, 결합 화합물을 도입하기 전에 바람직하게는 실리콘을 포함하고 보다 바람직하게는 결합 화합물과 동일한 성분으로 이루어진 예비 처리제를 프리폼 (11A-11D, 13)의 결합 표면에 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b)에서 액상 실리콘 또는 액상 실리콘 합금을 복합체에 침윤시켜 실리콘화한 후 1100℃ 내지 2000℃, 바람직하게는 1350℃ 내지 2000℃, 특히 바람직하게는 1500℃ 내지 1700℃의 온도에서 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득할 수 있는 부품.
제13항에 있어서, DIN EN 821-2에 의거하여 측정한 열 전도율이 80 내지 190mW/mK, 바람직하게는 130 내지 180mW/mK인 것을 특징으로 하는 부품.
광학 부품, 특히 광리소그래피 부품으로서의 제13항 또는 제14항에 따른 부품의 용도.