KR20140072345A - Cordierite composite having lower thermal expension coefficient and high strength and the manufacturing method of the same - Google Patents

Cordierite composite having lower thermal expension coefficient and high strength and the manufacturing method of the same Download PDF

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KR20140072345A
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윤상옥
김태균
김윤환
이주식
김태원
이상훈
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주식회사 대양신소재
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Abstract

The present invention relates to a cordierite composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength as a main material, which is devised by using cordierite effectively used as a material for an element for heat exchangers requiring high heat-resisting impact properties or a material for a catalyst carrier for exhaust purification as a mother material and a manufacturing method thereof. More specifically, the cordierite composite material with low thermal expansion coefficient and high strength can be easily prepared by mixing cordierite as a main ingredient, lithium aluminosilicate which is a low expansion material as a sintering aid and aluminum titanate, zircon, etc. as a reinforcing agent in predetermined amount so as to make mixed materials thereby lowering sintering temperature and widening the sintering temperature range.

Description

저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 및 그 제조방법{Cordierite composite having lower thermal expension coefficient and high strength and the manufacturing method of the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cordierite composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength and a manufacturing method thereof,

본 발명은 높은 내열충격성을 필요로 하는 열교환기용 소자나 배기가스 정화용 촉매담체용 소재로 유망한 코디에라이트를 모재료로 하여 고안한 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코디에라이트를 주원료로 하고, 여기에 소결조제로서 저열팽창성 재료인 리튬알루미노규산염과, 강화제로서 티탄산알루미늄, 지르콘 등을 일정량 조합하여 복합재료화 함으로써 소결온도를 낮추고 소결온도범위를 넓힘으로써 저열팽창성과 고강도를 가지며 치밀한 코디어라이트계 복합재료를 용이하게 제조할 수 있다. The present invention relates to a cordierite composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength devised by using promising cordierite as a base material for a heat exchanger device or a catalyst support for purification of exhaust gas, More particularly, the present invention relates to a method for producing a composite material by using a cordierite as a main raw material, a lithium aluminosilicate as a sintering aid as a low heat expandable material and a certain amount of aluminum titanate and zirconium as a reinforcing agent, By lowering the sintering temperature range and widening the sintering temperature range, a dense cordierite composite material having low thermal expansion and high strength can be easily manufactured.

열교환기용 소자나 배기가스 정화용 촉매담체용 소재는 가혹한 환경에서 사용되는 점을 감안하여 고온과 상온간 급격한 온도 변화에 견디도록 내열충격성을 가져야 하며, 또한 열팽창계수가 낮은 저열팽창성 재료(<3ppm/℃)이어야 하고, 가스기밀 및 부식을 방지하기 위한 치밀성을 가져야 하며, 충격에 대한 내손상성을 보유하기 위하여 기계적 물성이 우수해야 하고, 작동온도에서의 상변화가 없어야 하는 등 다양한 물성적 조건을 필요로 한다. Considering that the material for a heat exchanger and the catalyst carrier for purification of exhaust gas are used in a harsh environment, it is required to have a thermal shock resistance so as to withstand a rapid temperature change between a high temperature and a room temperature. In addition, a low thermal expansion material having a low thermal expansion coefficient (<3 ppm / ), It must have compactness to prevent gas tightness and corrosion, have excellent mechanical properties in order to have a resistance to impact, and have various physical properties such as no phase change at operating temperature do.

이러한 소자나 촉매담체용 소재를 위하여 세라믹 소재를 주로 채용하고 있으며, 금속재료의 경우 내부식성 등이 취약하여 사용에 제한이 있다. 이러한 세라믹 소재 중 탄화규소 또는 질화규소 등의 비산화물계 소재는 1200℃ 이상의 높은 온도에서도 높은 강도를 유지하고 안정성이 우수한 장점이 있으나, 원료가격과 제조비용이 높아 사용에 한계가 있으며, 따라서 사용온도가 1200℃ 이하인 경우에는 탄화규소 또는 질화규소를 대체하여 내열성 산화물계 소재를 주로 사용하고 있다. Ceramic materials are mainly used for these devices and catalyst carrier materials, and metallic materials are limited in their use because of their poor corrosion resistance. Among such ceramic materials, non-oxide based materials such as silicon carbide or silicon nitride have advantages of high strength and high stability even at a high temperature of 1200 ° C or higher, but their use is limited due to high raw material cost and manufacturing cost, And when it is 1200 ° C or less, heat-resistant oxide-based materials are mainly used instead of silicon carbide or silicon nitride.

이러한 내열성 산화물계 소재 중 저열팽창성을 갖는 것으로서, 코디에라이트(MAS : 2MgO·2Al2O3·5SiO2, 열팽창계수 : 2 ~ 3ppm/℃), 리튬알루미노규산염(LAS : Li2O·Al2O3·2SiO2, LAS2 : Li2O·Al2O3·4SiO2, 열팽창계수 : 0.1 ~ 2ppm/℃), 티탄산알루미늄(AT : Al2O3·TiO2, 열팽창계수 : 1 ~ 2ppm/℃) 등과 LAS계 소재를 산처리하여 Li2O를 용해시켜 제거한 후 재소성하여 얻는 알루미노규산염(AS : Al2O3·SiO2)이 있으며, 이 중에서 물성적 요소나 제조 비용 측면에서 가장 바람직한 소재가 코디에라이트이다.As having a low thermal expansion of these heat-resistant oxide-based material, cordierite (MAS: 2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2, thermal expansion coefficient: 2 ~ 3ppm / ℃), lithium aluminosilicate (LAS: Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2, LAS2 : Li 2 O · Al 2 O 3 · 4SiO 2, thermal expansion coefficient: 0.1 ~ 2ppm / ℃), aluminum titanate (AT: Al 2 O 3 · TiO 2, the thermal expansion coefficient: 1 ~ 2ppm / ° C), and aluminosilicate (AS: Al 2 O 3 .SiO 2 ) obtained by acid treatment of LAS materials and dissolving and removing Li 2 O and re-firing. Among these, The most desirable material is cordierite.

그러나, 코디에라이트가 지니고 있는 가장 큰 문제점은 소결체의 제조시 용융점에 가까운 좁은 온도범위(<20℃) 내에서만 치밀화가 이루어지며, 소결온도가 조금만 넘어도 용융이 일어나기 때문에 소결온도 조건을 설정하는 것이 매우 까다롭고, 따라서 비교적 순수한 코디에라이트의 소결체는 코디에라이트의 일부 용융으로 인하여 다량의 액상을 포함하거나 낮은 치밀화로 인하여 높은 기공율을 나타내며, 이와 같은 코디에라이트 소결체의 높은 기공율은 이를 적용한 제품의 기계적 특성을 저하시키는 한편 열교환기 소자의 소재로 이용되는 경우 가스누출의 원인으로 작용하게 된다.However, the greatest problem with cordierite is that the densification is performed only within a narrow temperature range (<20 ° C) near the melting point in the production of the sintered body, and the sintering temperature condition is set The sintered body of relatively pure cordierite exhibits a high porosity due to the presence of a large amount of liquid phase due to the partial melting of the cordierite or low densification, and the high porosity of the cordierite sintered body is higher than that of the product And when used as a material of a heat exchanger element, acts as a cause of gas leakage.

즉, 산업용 소성로를 사용하는 경우, 소성로의 발열체 인접한 곳과 이격된 곳 간의 온도 구배가 필히 존재하고, 이러한 온도 구배는 발열체 인접한 곳이 높고 이격된 곳이 낮은 상태로 형성된다. 이러한 온도구배는 그 위치에 따라 50℃ 이상의 값을 가질 수 있으며, 이는 소결온도 설정의 어려움을 야기한다. 소결온도의 측정을 위한 열전쌍의 위치는 대체로 소성로의 중앙부이며, 소성로의 중앙부의 온도를 기준 소결온도로 보아 소결온도를 설정하게 된다.That is, when an industrial baking furnace is used, there is a temperature gradient between the adjacent portion and the separated portion of the heating element of the baking furnace, and the temperature gradient is formed such that the adjacent portion of the heating element is high and the spacing is low. This temperature gradient may have a value of 50 DEG C or more depending on the position, which causes difficulty in setting the sintering temperature. The position of the thermocouple for measuring the sintering temperature is generally the center of the sintering furnace, and the sintering temperature is set by considering the temperature of the central portion of the sintering furnace as the reference sintering temperature.

이를 예시적으로 설명하면, 소결온도를 정상적으로 설정하면 코디에라이트와 발열체간의 인접 여부에 따라 발열체와 이격된 위치에 놓인 코디에라이트는 계획된 소결온도에 따라 소결이 정상적으로 이루어질 수 있으나, 발열체와 인접한 코디에라이트는 소결온도를 넘어선 직후 바로 용융온도에 도달하여 코디에라이트의 적어도 일부가 용융되는 결과 액상을 함유하는 불량품의 코디에라이트 소결체가 되는 경우도 발생된다. 반대로, 코디에라이트의 용융을 고려하여 소결온도를 낮추게 되면 발열체와 인접한 코디에라이트는 정상적으로 소결될 수 있으나, 발열체와 이격된 위치의 코디에라이트는 소결온도에 도달하지 못하여 소결이 되지 않는 문제점이 발생할 수 있는 것이다. 즉, 코디에라이트의 좁은 소결온도범위는 코디에라이트의 소결공정에 많은 주의를 요하게 하는 어려움이 있다.If the sintering temperature is set normally, the cordierite placed at a position spaced apart from the heating element depending on whether the cordierite is adjacent to the heating element can be sintered normally according to the planned sintering temperature. However, The elite immediately reaches the melting temperature immediately after the sintering temperature is exceeded, and at least a part of the cordierite is melted, resulting in a sintered product of the defective product containing the liquid phase. On the other hand, if the sintering temperature is lowered considering the melting of the cordierite, the cordierite adjacent to the heating element can be sintered normally, but the cordierite at the position spaced apart from the heating element does not reach the sintering temperature, It can happen. That is, the narrow sintering temperature range of cordierite has a difficulty in giving much attention to the sintering process of cordierite.

이에, 미국특허 제4,015,048호에서는 코디에라이트의 소결온도 범위를 넓히기 위한 방안으로 알칼리 금속산화물을 첨가하는 방법을, 그리고 미국특허 제4,194,917호에서는 희토류 금속산화물을 첨가하는 방법이 제시되어 있으나, 이들 방법 역시 소결조제에 의한 다량의 액상 형성으로 인해 코디에라이트의 물성 저하가 발생하는 단점이 있다.Thus, US Patent No. 4,015,048 discloses a method of adding an alkali metal oxide as a method for widening the sintering temperature range of cordierite and a method of adding a rare earth metal oxide in US Patent No. 4,194,917. However, There is a disadvantage in that the physical properties of cordierite are lowered due to the formation of a large amount of liquid phase by the sintering aid.

또한, 일본공개특허 소55-27871호에서는 코디에라이트에 티탄산알루미늄을 첨가하여 코디에라이트의 특성저하를 방지하면서 소결온도의 범위를 넓힐 수 있는 복합재료 제조방법을 개시하고 있으나, 소결온도가 1350℃ 이상으로 매우 높으며, 적용되는 소결온도의 범위도 50℃ 이하로 여전히 좁아 용융과 소결의 온도 조절이 용이하지 않으므로 소결온도의 제어가 쉽지 않은 단점이 여전히 존재한다. Japanese Unexamined Patent Publication No. 55-27871 discloses a composite material production method in which aluminum titanate is added to cordierite to increase the sintering temperature range while preventing deterioration of cordierite properties. However, when sintering temperature is 1350 And the range of the sintering temperature to be applied is still narrow to 50 ° C or less, which makes it difficult to control the temperature of melting and sintering, so that it is still difficult to control the sintering temperature.

이를 개선하기 위하여 대한민국 등록특허공보 제79184호에서는 셀시안(Celsian; BaO·Al2O3·2SiO2)을 첨가한 코디에라이트-셀시안 복합재료와 코디에라이트-셀시안-티탄산알루미늄 복합재료를 개시하고 있으나, 소결조건이나 강도가 크게 개선되지 못한 반면 열팽창계수가 코디에라이트 보다 크게 증가되는 문제점이 있었다.In order to solve this problem, Korean Patent Registration No. 79184 discloses a cordierite-cell cyan composite material to which Celsian (BaO.Al 2 O 3 .2SiO 2 ) is added and a cordierite-cell cyan- However, the sintering conditions and the strength are not greatly improved, but the thermal expansion coefficient is greatly increased compared to cordierite.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명자들은 소결조제로 사용되는 셀시안의 BaO 성분이 소결조건이나 강도의 개선에 크게 효율적이지 못함을 판단하고 Li2O성분으로 구성되는 알루미노규산염 화합물인 유크립타이트 또는 스포듀민 결정구조 화합물 중 적어도 어느 하나를 첨가하고, 이를 티탄산알루미늄 등 강화제와 함께 복합상을 형성시킴으로써, 보다 낮은 소결온도를 구현함과 동시에 소결온도 범위를 넓게 하여 치밀하고 높은 강도를 갖는 저열팽창성 코디에라이트계 복합재료 조성물에 대한 연구를 거듭한 결과, 본 발명에 이르렀다.The invention consists of a such, the present inventors have found that the BaO component in the cell cyan does not significantly effective in improving the sintering conditions and the strength is determined, and Li 2 O component is used as a sintering aid made in view of solving the problems as described above, By adding at least any one of eucryptite or spodumine crystal structure compounds, which are aluminosilicate compounds, to form a composite phase together with a reinforcing agent such as aluminum titanate, a lower sintering temperature can be realized and a sintering temperature range can be widened Heat-expandable cordierite-based composite material composition having high density and high strength. The present invention has been accomplished on the basis of this finding.

따라서, 본 발명의 목적은 리튬알루미노규산염을 적정량 첨가하여 코디에라이트의 열팽창계수와 강도특성의 저하를 방지하거나 향상시키면서도 넓은 소결온도의 범위를 갖도록 하여 소결온도와 용융온도간의 차이를 넓힘으로써 소결과정에서 코디에라이트의 용융을 방지하여 액상 형성량이 적으며, 기공율이 낮아 치밀한 코디에라이트계 복합재료를 제조하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing a sintered product by adding a proper amount of lithium aluminosilicate to prevent or improve the thermal expansion coefficient and strength property of cordierite, To prevent the melting of the cordierite in the course of the production of the cordierite composite material. Thus, the amount of the liquid phase formed is small and the porosity is low.

또한, 본 발명의 다른 목적은 코디에라이트 복합재료의 소결조건 제어를 보다 용이하게 하며, 따라서 코디에라이트 소결체의 수율향상에 이바지할 수 있도록 하는 것이다. Another object of the present invention is to make it easier to control the sintering condition of the cordierite composite material, thereby contributing to the improvement of the yield of the cordierite sintered body.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 코디에라이트와, 리튬알루미노규산염과, 티탄산알루미늄 및 지르콘 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 강화제를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is characterized in that it comprises a cordierite, a lithium aluminosilicate, and at least one reinforcing agent selected from aluminum titanate and zircon. Based composite material composition.

상기 리튬알루미노규산염은 위 조성물 전체중량대비 0 초과 10 이하의 중량부인 것이 바람직하다.The lithium aluminosilicate is preferably in an amount of more than 0 to 10 parts by weight based on the total weight of the composition.

상기 강화제는 위 조성물 전체중량대비 0 초과 20 이하의 중량부인 것이 바람직하다.The amount of the reinforcing agent is preferably in the range of more than 0 to 20 parts by weight based on the total weight of the composition.

상기 리튬알루미노규산염은 유크립타이트 결정구조 또는 스포듀민 결정구조를 갖는 화합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.The lithium aluminosilicate is preferably at least one selected from among compounds having a eucryptite crystal structure or a spodumine crystal structure.

또한, 본 발명은 코디에라이트와, 리튬알루미노규산염과, 티탄산알루미늄 및 지르콘 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 강화제를 혼합, 분쇄 및 건조하여 혼합체를 제조하는 단계; 상기 혼합체를 성형하는 단계; 및 상기 혼합물을 소결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코디에라이트계 복합재료의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a composite material, comprising the steps of: mixing a mixture of cordierite, lithium aluminosilicate, at least one of aluminum titanate and zirconium, and pulverizing and drying the mixture; Molding the mixture; And sintering the mixture. The present invention also provides a method for producing a cordierite-based composite material.

상기 리튬알루미노규산염과 강화제는 각각 위 조성물 전체중량대비 0 초과 10 이하의 중량부, 0 초과 20 이하의 중량부인 것이 바람직하다.The lithium aluminosilicate and the reinforcing agent are each preferably in an amount of more than 0 to 10 parts by weight, and more preferably more than 0 to 20 parts by weight based on the total weight of the composition.

상기 혼합물을 소결하는 단계는 1250 ~ 1350℃의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.The step of sintering the mixture is preferably carried out at a temperature in the range of 1250 to 1350 ° C.

또한, 본 발명은 전술한 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료를 제공한다.Further, the present invention provides a cordierite composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength, which is produced by the above-described production method.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 저열팽창성과 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물을 이용하여 복합재료를 소결함으로써, 소결온도를 보다 낮게 함에도 불구하고 치밀한 소결체를 제조할 수 있는 작용효과가 기대된다.INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, sintering of a composite material using a cordierite-based composite material composition having low thermal expansion and high strength is expected to produce an action effect capable of producing a dense sintered body even though the sintering temperature is lowered. do.

또한, 소결온도를 보다 낮게 함으로써 공정에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 작용효과가 기대된다.Further, by lowering the sintering temperature, it is anticipated that the cost of the process can be reduced.

또한, 소결온도 영역을 넓게 확보하여 소성로 내의 온도구배에 따른 대응이 용이하며, 따라서 코디에라이트의 용융에 의한 소결체 내 액상의 생성량을 줄일 수 있어 고품질의 코디에라이트계 복합재료를 제조할 수 있으며, 수율을 향상할 수 있는 작용효과가 기대된다.In addition, since the sintering temperature range is wide and the temperature gradient in the sintering furnace is easy to cope with, it is possible to reduce the amount of the liquid phase in the sintered body due to melting of the cordierite, thereby producing a high quality cordierite composite material , And an action and effect that can improve the yield are expected.

또한, 코디에라이트계 복합재료 조성물을 열교환기용 소자나 배기가스 정화용 촉매담체용 소재 등으로의 확대적용할 수 있는 작용효과가 기대된다.Further, it is expected that the coordinating-type composite material composition can be applied to a heat exchanger device or a material for catalyst support for exhaust gas purification, etc.

또한, 코디에라이트계 복합재료의 소결온도를 종래의 코디에라이트계 복합재료에 비하여 낮게 유지함에도 불구하고 고강도와 저열팽창성 등 응용에 필요한 소정의 물성을 충분히 유지할 수 있도록 하는 작용효과가 기대된다.In addition, although the sintering temperature of the cordierite-based composite material is kept lower than that of the conventional cordierite-based composite material, an operation effect is expected to be able to sufficiently maintain predetermined physical properties required for applications such as high strength and low thermal expansion.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 코디에라이트-리튬알루미노규산염-티탄산알루미늄 복합재료의 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코디에라이트-리튬알루미노규산염-지르콘 복합재료의 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 코디에라이트-리튬알루미노규산염-티탄산알루미늄-지르콘 복합재료의 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 코디에라이트-리튬알루미노규산염-티탄산알루미늄과, 코디에라이트-리튬알루미노규산염-지르콘 복합재료의 X-선 분석결과이다.
FIG. 1 is a graph showing the density change of a cordierite-lithium aluminosilicate-aluminum titanate composite material according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the density change of a cordierite-lithium aluminosilicate-zircon composite material according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the density change of a cordierite-lithium aluminosilicate-aluminum titanate-zircon composite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows X-ray analysis results of a cordierite-lithium aluminosilicate-titanate and cordierite-lithium aluminosilicate-zircon composite according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

본 발명은 높은 내열충격성을 필요로하는 열교환기용 소자나 배기가스 정화용 촉매담체용 소재로서 적용될 수 있는 코디에라이트를 모재료로 하는 저열팽창성과 고강도를 갖는 산화물 복합재료에 관한 것으로, 코디에라이트와 함께 저열팽창성 재료들인 리튬알루미노규산염을 소결조제로, 티탄산알루미늄, 지르콘 등을 강화제로 일정량 조합하여 복합재료화 함으로써 소결온도를 낮추고 소결온도 영역을 넓게 확보하여 소성로 내의 온도구배에도 불구하고 복합재료의 용융을 방지하여 소결체 내 액상의 생성량을 줄이고 치밀한 소결체를 용이하게 제조함은 물론, 소결온도를 낮춤에도 불구하고 우수한 저열팽창성능과 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an oxide composite material having low thermal expansion and high strength using a cordierite as a base material which can be applied as a material for a heat exchanger and a catalyst carrier for purification of exhaust gas, which requires high heat shock resistance, Together with lithium aluminosilicate as a sintering aid and a certain amount of aluminum titanate and zircon as a reinforcing agent, the sintering temperature is lowered and the sintering temperature range is wide. The present invention relates to a cordierite composite material composition having excellent low thermal expansion performance and high strength in spite of lowering sintering temperature as well as easily producing a dense sintered body by reducing the amount of liquid phase in the sintered body by preventing melting, will be.

<조성예><Composition examples>

본 발명에 의한 저열팽창성과 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물의 조성비를 구체적으로 나타내면, (100-x-y)코디에라이트 + x리튬알루미노규산염 + y강화제로 표시되는 식 중, x와 y는 각각 중량%를 나타내며, x는 10 중량%이내, 그리고 y는 20 중량%이내로 조절된다.The composition ratio of the cordierite-based composite material composition having low thermal expansion and high strength according to the present invention may be specifically expressed by the following formula: (100-xy) cordierite + x lithium aluminosilicate + y represents the respective weight%, x is adjusted to within 10 wt%, and y is adjusted to within 20 wt%.

여기서, 리튬알루미노규산염은 소결조제로서 10중량%를 초과하면 강도의 저하를 유발하여 적합하지 않으며, 강화제는 티탄산알루미늄, 지르콘 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나 이상으로서 20중량%를 초과하면 치밀화에 저해되므로 소결온도를 낮추고 소결온도 영역을 넓게 확보함으로써 치밀한 소결체를 용이하게 제조하기 위해서는 상기 조성범위가 바람직하며, 그 임계적 의의가 있다.The lithium aluminosilicate is not suitable because it causes a decrease in strength when it exceeds 10% by weight as a sintering auxiliary agent, and the reinforcing agent is at least one selected from aluminum titanate and zircon compounds. When it exceeds 20% by weight, the lithium aluminosilicate is inhibited from being densified In order to easily produce a dense sintered body by lowering the sintering temperature and ensuring a wide sintering temperature range, the above-mentioned composition range is preferable and its critical significance is present.

다만, 상용화 가능한 강도의 확보가 가능하다면 리튬알루미노규산염 및 강화제의 첨가량을 위 수치보다 증가하는 것도 가능하다. 즉, 리튬알루미노규산염을 사용하였다는 것에 1차적 의의가 있고, 물성의 향상을 위하여 리튬알루미노규산염의 함량을 조절하였다는 것에 2차적 의의가 있다.
However, it is also possible to increase the addition amount of lithium aluminosilicate and reinforcing agent above the above-mentioned value, provided that a commercially available strength can be secured. In other words, there is a primary significance that lithium aluminosilicate is used, and it is of secondary importance that the content of lithium aluminosilicate is controlled for improvement of physical properties.

<제조예><Production Example>

본 발명의 저열팽창성과 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물은 다음과 같은 일반적인 산화물 혼합 방법에 의해 용이하게 제조할 수 있다.The cordierite composite material composition having low thermal expansion and high strength of the present invention can be easily produced by the following general oxide mixing method.

여기서 복합재료 조성물은 소결되기 이전의 조성을 의미하는 것이고, 소결한 이후에는 이를 복합재료라고 명명한다. Here, the composite material composition means a composition before sintering, and after sintering, it is called a composite material.

먼저, Al2O3 , SiO2 , MgO, Li2O, TiO2 및 ZrO2 등의 성분을 포함하는 천연원료나 시약급의 화합물을 원료조성으로 하여, 이들 원료조성 중에서 코디에라이트, 유크립타이드 또는 스포듀민 결정구조를 갖는 화합물 중의 적어도 어느 하나, 티탄산알루미늄 및/또는 지르콘의 조성에 맞게 정확히 계량하여 각각의 원료혼합물을 마련한 다음, 이들 원료혼합물들을 알루미나 볼밀을 이용하여 혼합 및 분쇄한다.First, a natural raw material or a reagent grade compound containing components such as Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, Li 2 O, TiO 2 and ZrO 2 is used as a raw material composition, and cordierite, Tide or a compound having a spodumine crystal structure, aluminum titanate and / or zircon, to prepare respective raw material mixtures, and then these raw material mixtures are mixed and crushed using an alumina ball mill.

본 발명에서 복합재료의 모재 역할을 하는 코디에라이트는 인도네시아산 카올린과 중추활석을 기본으로 하여 소량의 MgO 및 Al2O3를 보정하여 추가하였으며, 다른 첨가 화합물들은 시약급의 화합물들을 기본원료로 사용하였다.In the present invention, cordierite, which serves as a base material of the composite material, is prepared by adding a small amount of MgO and Al 2 O 3 based on kaolin and caustic soda from Indonesia, and other additive compounds are prepared by using reagent grade compounds as basic raw materials Respectively.

여기서, 상기 원료들은 화합물 형태로 존재하거나 염의 형태로 존재하는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명에 의한 복합재료 조성물을 도출하는데 있어서의 출발원료의 형태나 등급, 정량적 조성비는 적의 조절 및 선택될 수 있으므로, 이를 구체적으로 열거하지 아니하기로 한다. 다만, 조성비에 따른 임계적 의의가 본 발명의 특징을 이루도록 그 비율이 조정되어야 함은 물론이다.Here, the raw materials may be present in the form of a compound or exist in the form of a salt. In the derivation of the composite material composition according to the present invention, the shape, grade and quantitative composition ratio of the starting material can be controlled and selected appropriately, It shall not be specifically listed. However, it is needless to say that the ratio should be adjusted so that the critical meaning according to the composition ratio is characteristic of the present invention.

원료혼합물 중에서 복합재료의 모재역할을 하는 코디에라이트 혼합물은 건조 후 1100 ~ 1300℃의 온도범위에서 하소를 하고, 복합재료에 소결조제 첨가되는 유크립타이드 및/또는 스포듀민은 1000 ~ 1100℃, 그리고 강화제로 첨가되는 티탄산알루미늄 및/또는 지르콘 화합물은 1300 ~ 1500℃에서 합성하여 각 합성분말을 마련한다.The cordierite mixture serving as a base material of the composite material in the raw material mixture is calcined at a temperature in the range of 1100 to 1300 ° C after drying, and the eucryptide and / or the spodumene added to the sintering aid in the composite material is calcined at 1000 to 1100 ° C, Aluminum titanate and / or zircon compounds added as a reinforcing agent are synthesized at 1300 to 1500 ° C to prepare respective synthetic powders.

그러나, 각 원료의 합성온도조건은 위에 한정되는 것은 아니며, 합성방법에 따라 가변적임은 물론이다.However, the synthesis temperature condition of each raw material is not limited to the above, and it goes without saying that it is variable depending on the synthesis method.

이와 같은 공정을 통해 얻어진 합성된 분말들은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명 복합재료의 조성범위 내에 포함되는 양을 각각 계량하여 다시 알루미나 볼밀을 이용하여 혼합 및 분쇄를 행하고, 혼합이 완료된 분말은 원형의 금속몰드에서 100 MPa의 압력으로 원판형 시편으로 성형한 후 1250 ~ 1400℃의 온도범위에서 소결함으로써 본 발명의 산화물 복합재료가 얻어지게 된다.As shown in the following Table 1, the synthesized powders obtained through such a process were each weighed to an amount contained within the composition range of the composite material of the present invention, and then mixed and pulverized using an alumina ball mill. And then sintered in a temperature range of 1250 to 1400 DEG C to obtain an oxide composite material of the present invention.

저팽창, 고강도 코디에라이트계 복합재료 조성물의 특성Characteristics of low expansion, high strength cordierite composite material composition 번호number MAS
(wt%)
MAS
(wt%)
LAS
(wt%)
LAS
(wt%)
LAS2
(wt%)
LAS2
(wt%)
AT
(wt%)
AT
(wt%)
ZS
(wt%)
ZS
(wt%)
소결온도(℃)Sintering temperature (℃) 상대밀도
(%)
Relative density
(%)
휨강도
(Mpa)
Flexural strength
(Mpa)
열팽창계수(ppm/)Thermal Expansion Coefficient (ppm /)
실시예1Example 1 9595 55 00 00 00 13501350 98.698.6 122122 0.910.91 실시예2Example 2 9090 1010 00 00 00 13251325 98.198.1 100100 0.7840.784 실시예3Example 3 9595 00 55 00 00 14001400 98.898.8 125125 1.251.25 실시예4Example 4 9090 00 1010 00 00 13751375 98.398.3 113113 0.8370.837 실시예5Example 5 8585 55 00 1010 00 13001300 99.199.1 150150 2.1212.121 실시예6Example 6 7575 55 00 2020 00 13001300 99.999.9 160160 2.8422.842 실시예7Example 7 8080 1010 00 1010 00 12501250 99.899.8 153153 1.9341.934 실시예8Example 8 7070 1010 00 2020 00 12501250 100100 172172 2.4232.423 실시예9Example 9 8585 55 00 00 1010 13501350 99.199.1 137137 2.0112.011 실시예10Example 10 7575 55 00 00 2020 13501350 99.999.9 131131 1.3161.316 실시예11Example 11 8080 1010 00 00 1010 13001300 98.198.1 142142 1.8451.845 실시예12Example 12 7070 1010 00 00 2020 13001300 99.299.2 122122 1.2151.215 실시예13Example 13 8585 55 00 55 55 12501250 99.699.6 143143 2.0852.085 실시예14Example 14 7575 55 00 1010 1010 12501250 99.899.8 155155 1.8751.875 실시예15Example 15 8080 1010 00 55 55 12501250 99.599.5 148148 1.8351.835 실시예16Example 16 7070 1010 00 1010 1010 12501250 99.399.3 162162 1.6871.687 비교예1Comparative Example 1 9090 10% Celsian10% Celsian 13001300 -- 9797 1.91.9 비교예2Comparative Example 2 7070 10% Celsian10% Celsian 20% AT20% AT 13501350 -- 133133 3.53.5

MAS : 2MgO·2Al2O3·5SiO2, MAS: 2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2,

LAS : Li2O·Al2O3·2SiO2, LAS: Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2,

LAS2 : Li2O·Al2O3·4SiO2, LAS2: Li 2 O.Al 2 O 3 .4SiO 2 ,

AT : Al2O3·TiO2, AT: Al 2 O 3 .TiO 2 ,

ZS : ZrO2·SiO2, ZS: ZrO 2 .SiO 2 ,

Celsian : BaO·Al2O3·2SiO2 Celsian: BaO · Al 2 O 3 · 2SiO 2

비교예 : 대한민국 등록특허공보 제79184호
Comparative Example: Korean Registered Patent No. 79184

<평가예>&Lt; Evaluation example &

이렇게 제조된 소결체는 소결성, 결정분석, 강도 및 열팽창계수 측정을 통하여 목적하는 특성들을 평가하였으며, 이와 같은 제조 공정을 통하여 소결온도를 낮추고 소결온도 영역을 넓게 확보하여 액상의 생성량이 낮거나 액상이 존재하지 않는, 치밀한 저열팽창성, 고강도의 코디에라이트계 복합재료 소결체를 용이하게 제조할 수 있다.The sintered body thus obtained was evaluated for sinterability, crystal analysis, strength and thermal expansion coefficient, and the desired properties were evaluated. Through such a manufacturing process, the sintering temperature was lowered and the sintering temperature range was broadly secured. The sintered compact of the cordierite composite material can be easily manufactured which is dense, low heat expandable and high strength.

제조한 시편은 선수축율과 아르키메데스법에 의한 밀도측정을 통하여 소결성을 평가하였으며, ASTM E855-84에 의거 3점법으로 강도를, 그리고 ASTM D696-79에 의거 40 ~ 800℃에서 열팽창계수를 측정하여 특성을 평가하였다. 그리고, 소결시의 구성성분간의 반응을 알아보기 위해 X-선 회절분석도 행하였다.
The sinterability of the prepared specimens was evaluated by the linear shrinkage and the density measurement by the Archimedes method. The sinterability was evaluated by the three point method according to ASTM E855-84, and the thermal expansion coefficient was measured at 40 to 800 ° C. according to ASTM D696-79 . X-ray diffraction analysis was also performed to examine the reaction between the constituents during sintering.

<결과><Result>

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코디에라이트, 리튬알루미노규산염, 티탄산알루미늄 복합재료와 코디에라이트, 리튬알루미노규산염, 지르콘 복합재료 및 코디에라이트, 리튬알루미노규산염, 티탄산알루미늄, 지르콘 복합재료에 대한 소결체의 밀도 변화를 각각 나타내는 그래프로, 도 1에 의하면 치밀화 시작 온도가 1250℃로서 1350℃에서의 소결체와 밀도가 거의 대등하며, 도 2와 도 3에 의하면 치밀화 시작온도가 1275℃로서, 1350℃에서의 소결체와 밀도가 거의 대등하여 각각 100℃ 및 75℃ 이상의 안정적인 소결범위를 나타내고 있는 바, 이는 일반적으로 코디에라이트 단미로 된 조성의 소결범위가 20℃ 미만인 것에 비해 크게 넓어졌음을 보여주고 있으며, 비교예인 코디에라이트-셀시안-티탄산알루미늄 복합재료와 비교하여도 소결온도와 소결범위에서 장점이 있다.FIG. 1 and FIG. 2 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a lithium secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross- The densification starting temperature is 1250 ° C., and the densities of the sintered bodies at 1350 ° C. are almost equal to each other. According to FIGS. 2 and 3, The temperature was 1275 占 폚 and the density was almost equal to that of the sintered body at 1350 占 폚 Respectively show a stable sintering range of 100 DEG C or more and 75 DEG C or more. This shows that the sintering range of the composition as a cordierite starter generally becomes broader than that of less than 20 DEG C, and the comparative cordierite- - In comparison with aluminum titanate composite material, it has advantages in sintering temperature and sintering range.

그리고, 표 1에 나타낸 본 발명의 코디에라이트계 복합재료 소결체들의 특성을 보면, 일반적으로 알려진 코디에라이트만으로 조성된 소결체의 특성인 강도(100Mpa 이하)와 열팽창계수(2 ~ 3ppm/℃)에 비해 모든 조성범위에서 특성향상이 이루어졌음을 알 수 있으며, 비교예인 코디에라이트-셀시안-티탄산알루미늄 복합재료와 비교하였을 때, 실시예에서 상용화 가능한 3ppm/ 이하의 특성을 나타내었으며, 특히, 티탄산 알루미늄과 지르콘이 적어도 하나 첨가된 복합재료에서 휨강도 특성에서 다른 복합재료에 관한 실시예 및 비교예와 비교하여 현저히 향상되었음을 알 수 있다.The characteristics of the sintered cordierite composite material according to the present invention shown in Table 1 are as follows: the strength (100 MPa or less) and the thermal expansion coefficient (2 to 3 ppm / ° C.) It was found that the characteristics were improved in all the composition ranges as compared with the cordierite-cel-cyanititanate composite material of the comparative example. In comparison with the cordierite-cel-cyanititanate composite material of the comparative example, It can be seen that the bending strength characteristics of the composite material to which at least one of aluminum and zircon are added is remarkably improved as compared with the examples and comparative examples of other composite materials.

즉, 표 1로부터 알 수 있는 것은, 상용화 가능한 열팽창계수를 갖는 범위내에서 보다 증진된 강도값을 갖는 복합재료를 제조할 수 있다는 것으로서 본 발명의 의의가 충분히 존재하는 것이다.That is, as can be seen from Table 1, within a range having a thermal expansion coefficient that can be used for commercialization It is possible to produce a composite material having a more enhanced strength value.

소결온도범위는 1250 이상 1400℃ 미만이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1205 이상 1350℃ 이하가 좋다. 소결온도가 1250℃ 미만인 경우에는 바람직한 강도를 확보하기 어려우며, 1400℃ 이상인 경우에는 복합재료가 용융될 우려가 있어 바람직하지 않으므로, 소결온도는 위 범위에서 그 임계적 의의가 있으며, 더욱 바람직하게는 1350℃의 소결온도를 유지하여야 용융의 위험에서 완전히 벗어날 수 있다. 또한 이러한 소결온도의 상한은 종래의 복합재료의 소결온도에 비하여 우수한 강도를 유지하고, 상용화 가능한 열팽창계수를 보유하도록 하는 조건하에 보다 낮은 온도로서 비교예 1에서는 1300℃의 낮은 소결온도를 유지하나 97MPa의 휨강도를 가져 강도가 매우 취약하며, 비교예 2에서는 1350℃로 소결온도를 상향하여 강도값은 133MPa로 높아졌으나, 열팽창계수가 3.5ppm/℃로 너무 높아 바람직하지 않으므로 본 발명의 우수성이 입증될 수 있다.
The sintering temperature range is preferably 1250 to less than 1400 ° C, more preferably 1205 to 1350 ° C. When the sintering temperature is lower than 1250 DEG C, it is difficult to ensure the desired strength. When the sintering temperature is higher than 1400 DEG C, the composite material is likely to be melted, which is not preferable. Therefore, the sintering temperature is critical in the above range, The sintering temperature must be maintained to completely eliminate the risk of melting. Further, the upper limit of the sintering temperature is maintained at a lower temperature under the condition that the thermal expansion coefficient is kept under a condition that maintains a superior strength compared with the sintering temperature of the conventional composite material, and a sintering temperature as low as 1300 캜 in Comparative Example 1 is maintained, In Comparative Example 2, the sintering temperature was raised to 1350 DEG C, and the strength value was increased to 133 MPa. However, since the thermal expansion coefficient is too high to be 3.5 ppm / DEG C, the superiority of the present invention is proved .

이러한 결과는 도 4에 나타낸 소결체의 X-선 분석 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 첨가된 물질들이 코디에라이트 모재와 함께 티탄산알루미늄과 지르콘 이외에 2차상이나 비정질상이 형성되지 않은 안정된 복합재료를 형성함으로써 복합재료의 기능적 역할이 의도된 대로 잘 수행되고 있음을 알 수 있다. 즉, 비정질상이 존재하지 아니하여 용융되지 않았음이 확인되며, 제2상이 생성되지 아니하여 강도가 충분히 향상되었음을 추론할 수 있다.As can be seen from the X-ray analysis results of the sintered body shown in FIG. 4, these results show that the added materials together with the cordierite base material form a stable composite material in which a secondary phase or an amorphous phase is not formed besides aluminum titanate and zircon It can be seen that the functional role of the composite material is performing as intended. That is, it is confirmed that the amorphous phase does not exist and is not melted, and it can be deduced that the strength is sufficiently improved because the second phase is not produced.

또한, 본 발명에 따라 제조된 코디에라이트계 복합재료는 코디에라이트에 소결조제로 리튬알루미노규산염만을 첨가하는 경우보다 강화제인 티탄산알루미늄 또는 지르콘을 같이 첨가할 경우에 소결특성과 강도특성이 보다 향상되며, 강도는 티탄산알루미늄을, 그리고 열팽창계수는 지르콘을 첨가할 경우 각각 효과적임을 알 수 있다.In addition, the cordierite-based composite material produced according to the present invention exhibits sintering properties and strength characteristics when aluminum aluminate or zircon, which is a strengthening agent, is added to the cordierite as a sintering aid, instead of lithium aluminosilicate alone , The strength is aluminum titanate, and the coefficient of thermal expansion is effective when zircon is added.

이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 열팽창계수와 강도는 소재의 열충격저항을 결정하는 가장 중요한 인자들로서 본 발명의 코디에라이트계 복합재료가 단미 코디에라이트 및 코디에라이트-셀시안-티탄산알루미늄 복합재료와 비교하여 우수한 열충격저항성을 지니면서도 소결온도가 낮고 소결범위가 넓어 안정적으로 치밀한 소결체를 보다 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다.As can be seen from the above results, the coefficient of thermal expansion and the strength are the most important factors that determine the thermal shock resistance of the material. Therefore, the cordierite composite material of the present invention is a combination of monodisperse cordierite and cordierite-cell cyan- The sintering temperature is low and the sintering range is wide, so that it is possible to more easily manufacture a dense sintered body stably.

요컨대 본 발명은 코디에라이트, 리튬알루미노규산염, 강화제가 유기적으로 결합되어 소결온도의 저하, 소결온도범위의 확장, 고강도, 저열팽창성의 구현이라는 격별한 효과를 도출한 것이다.
In short, the present invention derives the distinguished effect that the cordierite, the lithium aluminosilicate and the reinforcing agent are organically bonded to each other to lower the sintering temperature, expand the sintering temperature range, and realize high strength and low thermal expansion.

이상과 같이 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 상세히 설명하였으나, 본발명의 보호범위는 상기 실시예들에 의해서 한정되어 해석되어서는 아니되며, 특허청구범위의 해석에 의하여 결정되어야 함은 자명하다 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be.

Claims (8)

코디에라이트와, 리튬알루미노규산염과, 티탄산알루미늄 및 지르콘 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 강화제를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물.A cordierite composite material composition having a low thermal expansion coefficient and a high strength, the composite material composition comprising cordierite, lithium aluminosilicate, and at least one reinforcing agent selected from aluminum titanate and zircon. 제 1 항에 있어서,
상기 리튬알루미노규산염은 위 조성물 전체중량대비 0 초과 10 이하의 중량부인 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the lithium aluminosilicate is in a weight ratio of not less than 10 and not more than 10 based on the total weight of the composition, and has a low thermal expansion coefficient and high strength.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강화제는 위 조성물 전체중량대비 0 초과 20 이하의 중량부인 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the reinforcing agent is a weight ratio of not less than 20 and not more than 20 with respect to the total weight of the composition, and has a low thermal expansion coefficient and high strength.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 리튬알루미노규산염은 유크립타이트 결정구조 또는 스포듀민 결정구조를 갖는 화합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료 조성물.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the lithium aluminosilicate is at least one selected from among compounds having a eucryptite crystal structure or a compound having a spodumene crystal structure, and has a low thermal expansion coefficient and high strength.
코디에라이트와, 리튬알루미노규산염과, 티탄산알루미늄 및 지르콘 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 강화제를 혼합, 분쇄 및 건조하여 혼합체를 제조하는 단계;
상기 혼합체를 성형하는 단계; 및
상기 혼합물을 소결하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코디에라이트계 복합재료의 제조방법.
Preparing a mixture by mixing, pulverizing and drying cordierite, lithium aluminosilicate, at least one of aluminum titanate and zirconium;
Molding the mixture; And
Sintering the mixture;
Based composite material according to claim 1,
제 5 항에 있어서,
상기 리튬알루미노규산염과 강화제는 각각 위 조성물 전체중량대비 0 초과 10 이하의 중량부, 0 초과 20 이하의 중량부인 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the lithium aluminosilicate and the reinforcing agent are each in an amount of more than 0 to 10 parts by weight and more than 0 to 20 parts by weight based on the total weight of the composition, .
제 6 항에 있어서,
상기 혼합물을 소결하는 단계는 1250 ~ 1350℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step of sintering the mixture is carried out at a temperature in the range of 1250 to 1350 DEG C, and a method of producing the cordierite composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength.
제 5 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 저열팽창계수와 높은 강도를 갖는 코디에라이트계 복합재료.A cordierite-based composite material having a low thermal expansion coefficient and high strength, which is produced by the manufacturing method of claim 5.
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