KR20140125033A - Metal composite material comprising carbon coated nano metal particles and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소가 표면에 코팅된 나노 금속입자를 포함하는 금속복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal composite material and a method of manufacturing the metal composite material, and more particularly, to a metal composite material including nano metal particles coated with carbon on a surface thereof and a manufacturing method thereof.
탄소동소체인 그래핀(graphene)은 육각형의 허니콤 모양을 갖는 탄소 단원자 층으로 최근 신소재로 각광 받고 있다. 이러한 그래핀은 1TPa의 영률, 125GPa 등의 파괴강도 등의 탁월한 물성을 가지고 있는 바, 그래핀을 기반으로 하는 금속복합재료에 대한 연구가 많이 진행되고 있는 실정이다. Graphene, a carbon isotope, is a carbon monoatomic layer with a hexagonal honeycomb shape. Such graphene has excellent physical properties such as a Young's modulus of 1 TPa and a fracture strength of 125 GPa. Thus, graphene-based metal composite materials have been studied extensively.
그래핀 기반의 금속복합재료를 형성함에 있어서 나노 금속입자의 표면에 그래핀 등을 코팅하고자 하는 시도가 이루어지고 있는데, 일반적으로는 CVD(화학기상증착법)법이 많이 이용되고 있다. In forming a graphene-based metal composite material, attempts have been made to coat graphene or the like on the surface of nano-metal particles. Generally, CVD (Chemical Vapor Deposition) method is widely used.
그런데, 이와 같은 종래 방법들에서는 첫째, CVD법이 수반하는 높은 제조 비용과 복잡한 공정으로 인해 단가가 상승하는 문제가 있었고, 둘째, 나노 금속입자 표면과 탄소 소재와의 상용성을 높이기 위하여 별도의 표면 처리 내지 분산 설계가 필요하다는 문제가 있었으며, 셋째, 탄소나노튜브, 그래핀, 카본나노플레이트 등의 입자는 밀도가 금속 입자에 비해 매우 낮아 상(phase)이 분리되는 문제점이 있었다. 그 외에도 분산 중에 탄소 소재가 파괴되는 경우가 많았으므로 금속복합재료의 물성이 저하되는 문제점이 있었다. However, in such conventional methods, there has been a problem that the cost increases due to a high manufacturing cost accompanied by the CVD method and a complicated process. Second, in order to improve the compatibility between the surface of the nano metal particles and the carbon material, Third, there is a problem in that particles of carbon nanotubes, graphenes, carbon nano plates, etc. have a very low density compared to metal particles, resulting in phase separation. In addition, since the carbon material is often broken down during dispersion, the physical properties of the metal composite material are deteriorated.
따라서, 상술한 문제점을 수반하지 않는 금속복합재료 및 제조방법이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a metal composite material and a manufacturing method that do not involve the above-described problems.
본 발명의 실시예들에서는 탄소 소재의 균일한 분산으로 인해 치밀도가 높아져서 항복강도 및 인장강도 등에 있어 뛰어난 물성을 갖는 금속복합재료를 제공하고자 한다. In the embodiments of the present invention, it is intended to provide a metal composite material having a high density due to uniform dispersion of a carbon material and having excellent physical properties such as yield strength and tensile strength.
또한, 상기 금속복합재료 및 이를 포함하는 금속 복합 성형물을 제조함에 있어 보다 간단한 공정으로 대량 생산이 가능한 제조방법을 제공하고자 한다.Also, it is intended to provide a manufacturing method which can mass-produce the metal composite material and the metal composite molding including the metal composite material by a simple process.
본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소 소재가 코팅된 나노 금속입자가 고분자 바인더 표면에 임베딩(embedding)되는 혼성복합화 입자와, 상기 혼성복합화 입자가 분산되는 금속 매트릭스를 포함하고, 상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 카바이드 또는 그래핀나노플레이트렛인 금속복합재료가 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a composite material comprising composite composite particles in which nano metal particles coated with a carbon material are embedded on a surface of a polymeric binder, and a metal matrix in which the hybrid composite particles are dispersed, Tube, carbon nano plate, carbide or graphene nano platelet may be provided.
이 때, 상기 나노 금속입자는 Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe 또는 이들의 합금일 수 있다. At this time, the nano metal particles may be Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe, or an alloy thereof.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기폭발법을 이용하여 탄소 소재가 표면에 코팅된 코어쉘 구조(core-shall structure)를 갖는 나노 금속입자를 제조하는 1단계; 상기 나노 금속입자를 고분자 바인더와 혼성복합화하여 혼성복합화 입자를 제조하는 2단계; 및 상기 혼성복합화 입자를 금속 매트릭스에 분산시키는 2단계를 포함하는 금속복합재료 제조방법이 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nano-metal particle, comprising: (1) preparing a nano-metal particle having a core-shall structure in which a carbon material is coated on a surface using an electric explosion method; A second step of preparing a hybrid composite particle by hybridizing the nano metal particles with a polymer binder; And a step of dispersing the hybrid composite particles in a metal matrix may be provided.
이 때, 상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 카바이드 또는 그래핀나노플레이트렛이고, 상기 나노 금속입자는 Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe 또는 이들의 합금이고, 상기 고분자 바인더는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 어택틱 폴리프로필렌(APP, Atatic Polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트, 에틸렌아크릴레이트공중합체, 폴리스티렌, 셀룰로스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아클리산, 폴리아크릴산에스텔, 폴리메타크릴산 및 폴리메타크릴산에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택될 수 있다. In this case, the carbon material may be a carbon nanotube, a carbon nanoplate, a carbide or a graphene nanoflourette, and the nano metal particles may be Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe, The binder is selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, atatic polypropylene (APP), ethylene vinyl acetate, ethylene acrylate copolymer, polystyrene, cellulose resin, polyamide resin, polyacrylic acid, polyacrylic acid ester, polymethacrylic acid And poly (methacrylic acid) ester.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 금속복합재료 제조방법으로 제조되는 금속복합재료를 주조, 압연 또는 금속분말사출성형법(MIM, Metal Injection Molding)을 통해 성형하는 단계를 포함하는 금속 복합 성형물 제조방법이 제공될 수 있다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a metal composite molding, which comprises molding a metal composite material produced by the above-described method for manufacturing a metal composite material through casting, rolling, or metal injection molding (MIM) A method can be provided.
이 때, 상기 금속분말사출성형법은 상기 금속복합재료, 금속 분말, 고분자 바인더 및 왁스를 금속사출성형기에 장입하여 사출성형하는 단계를 포함하고, 상기 왁스는 파라핀왁스, 마이크로크리스타린왁스, 스테아린산, 지방산 아미드 및 지방산 알코올에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.At this time, the metal powder injection molding method includes a step of charging the metal composite material, the metal powder, the polymer binder, and the wax into a metal injection molding machine and performing an injection molding, and the wax is a paraffin wax, microcrystalline wax, stearic acid, Amide, and fatty acid alcohol ester.
본 발명의 실시예들은 금속 매트릭스에 탄소 소재가 표면에 코팅된 나노 금속입자들이 균일하게 분산됨으로써, 치밀도가 향상되고 이로 인한 금속복합재료의 항복강도 및 인장강도를 높일 수 있다. Embodiments of the present invention can improve the compactness and the yield strength and the tensile strength of the metal composite material by uniformly dispersing the nano metal particles coated on the surface of the carbon material in the metal matrix.
또한, 전기폭발법을 이용하여 간단하게 탄소 소재가 표면에 코팅된 나노 금속입자를 대량으로 생산이 가능하고, 이를 금속 매트릭스에 균일하게 분산시켜 성형함으로써 보다 간단한 방법으로 금속 복합 성형물을 제조할 수 있다.In addition, it is possible to produce a large number of nano-metal particles coated with a carbon material on the surface thereof by using an electric explosion method, and by uniformly dispersing the nano metal particles on a metal matrix, the metal composite molding can be manufactured by a simpler method .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합재료를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 금속복합재료에서 혼성복합화 입자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 혼성복합화 입자의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합재료 제조방법 및 금속 복합 성형물 제조방법의 순서도이다.1 is a view schematically showing a metal composite material according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a view schematically showing hybrid composite particles in the metal composite material of Fig. 1; Fig.
3 is an SEM image of the hybrid composite particle of Fig.
4 is a flowchart of a method of manufacturing a metal composite material and a method of manufacturing a metal composite molding according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합재료(100)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 금속복합재료(100)에서 혼성복합화 입자(10)를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a schematic view of a metal
도 1을 참조하면, 금속복합재료(100)는 탄소 소재(13)가 코팅된 나노 금속입자(12)가 고분자 바인더(11) 표면에 임베딩되는 혼성복합화 입자(10)와, 상기 혼성복합화 입자(10)가 분산되는 금속 매트릭스(20)를 포함한다. 1, a metal
혼성복합화 입자(10)는 고분자 바인더(11)와 고분자 바인더(11)의 표면에 임베딩되는 나노 금속입자(12)를 포함한다. 혼성복합화 입자(10)는 고분자 바인더(11)와 나노 금속입자(12)가 혼성복합화(hybridization)되어 형성되는 것으로, 이 때 상기 혼성복합화 공정에 대해서는 제조방법에 대한 설명에서 후술하기로 한다. 한편, '임베딩' 된다는 의미는 나노 금속입자(12)의 일부가 고분자 바인더(11)의 표면에 매립됨을 의미한다(도 2 참조). 관련하여, 도 3에서는 혼성복합화 입자(10)의 SEM(Scanning electron microscope) 이미지를 나타내고 있음을 밝혀둔다. The
고분자 바인더(11)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 어택틱 폴리프로필렌(APP, Atatic Polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트, 에틸렌아크릴레이트공중합체, 폴리스티렌, 셀룰로스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아클리산, 폴리아크릴산에스텔, 폴리메타크릴산 및 폴리메타크릴산에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택될 수 있으며, 상기 나열된 물질로 한정되지 않는다. 이러한 고분자 바인더(11)는 펠릿 또는 분말 상태일 수 있다. The
나노 금속입자(12)는 코어쉘(core-shall) 구조를 가지고 있으며, 코어에는 나노 스케일의 금속입자가 위치하고, 쉘에는 탄소 소재(13)가 위치하게 된다. The nanometer-sized
탄소 소재(13)는 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 카바이드 또는 그래핀나노플레이트렛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 탄소나노튜브는 나노 스케일의 원통형 탄소결정체이고, 탄소나노플레이트는 그래핀나노시트라고도 불리우는 것으로 복수개의 그래핀층으로 구성된다. 이러한 탄소나노플레이트는 그래핀과 성질이 유사하지만 그래핀에 비해 제조가 용이하고 제어하기 쉽다는 장점이 있다. 그래핀나노플레이트렛은 천연 흑연 또는 팽창 흑연에서 박리법을 통해 제조된 그래핀을 통칭하며, 탄소나노튜브 및 유기 용액과의 혼합비를 조절하여 분산성을 향상시켜 수평 배양성을 증진시킨 소재를 말한다. 한편, 탄소 소재(13)를 나노 금속입자(12) 표면에 형성시키는 방법에 대해서는 후술할 금속복합재료 제조방법에 대한 부분에서 설명하도록 한다. The
나노 금속입자(12)는 나노 스케일의 금속입자(10)로써, 예를 들어 Al(알루미늄), Cu(구리), Ni(니켈), Sn(주석), W(텅스텐), Cr(크롬), Fe(철) 또는 이들의 합금일 수 있다. 다만, 상기 열거된 것들에 한정되지 않고 대부분의 금속 물질은 모두 나노 금속입자(12)에 해당할 수 있다. The
나노 금속입자(12)의 입도는 한정되지 않으며 예를 들면 30nm 내지 500nm일 수 있다. 나노 금속입자(12)의 나노 스케일의 입도로 인하여, 500℃ 이하의 저온에서도 금속 성형이 가능하다는 장점을 갖는다. The particle size of the
금속 매트릭스(20)는 혼성복합화 입자(10)가 분산되는 기지(matrix)의 역할을 하는 것으로, Al(알루미늄), Cu(구리), Ni(니켈), Sn(주석), W(텅스텐), Cr(크롬), Fe(철) 또는 이들의 합금일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 금속 매트릭스(20)는 혼성복합화 입자(10)의 나노 금속입자(12)와 동일한 금속이거나 상이한 금속일 수 있다. The
상기와 같이 구성되는 금속복합재료(100)는 금속 매트릭스(20)에 탄소 소재(13)가 표면에 코팅된 나노 금속입자(12)가 표면에 임베딩된 혼성복합화 입자(10)들이 균일하게 분산됨으로써, 치밀도가 향상되고 이로 인한 항복강도 및 인장강도가 높다는 장점이 있다. 이에 대해서는 후술할 시험예에서 보충설명하기로 한다. The composite
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 금속복합재료 제조방법 및 금속 복합 성형물 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a metal composite material and a method of manufacturing a metal composite molding according to embodiments of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속복합재료 제조방법 및 금속 복합 성형물 제조방법의 순서도이다. 4 is a flowchart of a method of manufacturing a metal composite material and a method of manufacturing a metal composite molding according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 금속복합재료 제조방법은 전기폭발법을 이용하여 탄소 소재가 표면에 코팅된 코어쉘 구조를 갖는 나노 금속입자를 제조하는 1단계와, 상기 나노 금속입자를 고분자 바인더와 혼성복합화(hybridization)하여 혼성복합화 입자를 제조하는 2단계와, 그리고 상기 혼성복합화 입자를 금속 매트릭스에 분산시키는 3단계를 포함한다. Referring to FIG. 4, a method of fabricating a metal composite material includes a first step of preparing nano metal particles having a core shell structure in which a carbon material is coated on the surface using an electric explosion method, a step of hybridizing the nano metal particles with a polymer binder (hybridization) to prepare hybrid composite particles; and (3) dispersing the hybrid composite particles in a metal matrix.
한편, 금속 복합 성형물 제조방법은 상기 금속복합재료 제조방법으로 제조되는 금속복합재료를 주조, 압연 또는 금속분말사출성형법(MIN, Metal Injection Molding)을 통해 성형하는 단계를 포함한다. Meanwhile, the method for manufacturing a metal composite molding includes molding the metal composite material produced by the metal composite material manufacturing method through casting, rolling or metal injection molding (MIN).
이하, 각 단계들에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, each step will be described.
(1) 금속복합재료 제조방법: 1단계(1) Method for manufacturing a metal composite material: Step 1
1단계는 전기폭발법을 이용하여 탄소 소재가 표면에 코팅된 코어쉘 구조를 갖는 나노 금속입자를 제조하는 단계이다. 여기에서 탄소 소재 및 나노 금속입자에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략하도록 한다. Step 1 is a step of preparing nano metal particles having a core shell structure in which a carbon material is coated on the surface using an electric explosion method. Here, the carbon material and the nano-metal particles have already been described above, so redundant description will be omitted.
전기폭발법은 순간적인 전기에너지를 이용하여 금속을 분말화 시키는 기술로서, 기존의 금속나노분말 제조방법에 비해서 경제적이고 대량생산 및 상업화가 가능하다는 장점을 갖는다. 이러한 전기폭발법은 고밀도 전류가 금속 와이어를 통과할 때에 금속 와이어가 미세 입자 또는 증기 형태로 폭발하는 현상을 이용하는 것으로, 두 전극 사이에 위치한 금속 와이어에 강력한 충격 전류를 인가하면 금속 와이어가 용융되고, 온도 상승에 따라 금속 와이어 표면은 냉각되는 반면에 금속 와이어 내부는 액적(droplet)을 형성하고 상기 액적 간에 방전이 일어나서 기화된다. 이 때, 기화된 금속 가스는 금속 와이어 내부 압력이 임계값 이상으로 도달되면 순간적으로 팽창하고 금속 미림자와 가스가 고속으로 분출되어 미세한 입자를 형성하게 된다. The electric explosion method has a merit that it is economical, mass-produced and commercialized compared with the conventional metal nano powder manufacturing method as a technique of pulverizing metal using momentary electric energy. Such an electric explosion method utilizes the phenomenon that a metal wire explodes in the form of fine particles or vapor when a high-density current passes through a metal wire. When a strong impact current is applied to a metal wire located between the two electrodes, As the temperature rises, the surface of the metal wire cools while the inside of the metal wire forms a droplet, and a discharge occurs between the droplets and is vaporized. At this time, the vaporized metal gas expands instantaneously when the pressure inside the metal wire reaches the threshold value, and the metal pumice and gas are ejected at high speed to form fine particles.
전기폭발법은 통상의 전기폭발장치를 사용하여 수행될 수 있으며, 구체적으로는 0.1 내지 1mm 두께와, 10cm 내외의 길이를 갖는 금속 와이어를 준비하고, 탄소 함유 가스 및 불활성 가스의 혼합 분위기 하에서, 상기 금속 와이어에 고전압 및 대전류를 인가하여(대략 30kV) 전기폭발시킴으로써 수행될 수 있다. The electric explosion method can be carried out using a conventional electric explosion device. Specifically, a metal wire having a thickness of 0.1 to 1 mm and a length of about 10 cm is prepared, (Approximately 30 kV) by applying a high voltage and a large current to the metal wire.
이 때, 상기 금속 와이어는 Al(알루미늄), Cu(구리), Ni(니켈), Sn(주석), W(텅스텐), Cr(크롬), Fe(철) 또는 이들의 합금으로 이루어진 와이어 형태일 수 있다. 상기 탄소 함유 가스는 예컨대 탄화수소 가스일 수 있고, 구체적으로는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 또는 부틸렌 가스를 단독으로 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 열거된 것들로 한정되는 것은 아니다. 상기 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소 가스를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 열거된 것들로 한정되는 것은 아니다. At this time, the metal wire may be in the form of a wire made of Al (aluminum), Cu (copper), Ni (nickel), Sn (tin), W (tungsten), Cr . The carbon-containing gas may be, for example, a hydrocarbon gas. Specifically, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, butane or butylene gas may be used singly or in combination of two or more. It is not. The inert gas may be a mixture of helium, neon, argon, and nitrogen gas, or may be a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.
이와 같은 전기폭발법을 이용하여 탄소 소재를 나노 금속입자 표면에 코팅하는 경우에는, 금속 와이어를 연속적으로 장치 안으로 피딩(feeding)시킴으로써 이루어질 수 있는 바, 간단한 공정을 통해서 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다(이상 S110). When the carbon material is coated on the surface of the nano metal particles by using the electric explosion method, the metal wire can be continuously fed into the device, and it is advantageous in mass production through a simple process (Step S110).
(2) 혼성복합화 입자 제조방법: 2단계(2) Method for producing hybrid composite particles: Step 2
2단계는 상기 나노 금속입자를 고분자 바인더와 혼성복합화(hybridization)하여 혼성복합화 입자를 제조하는 단계이다. 여기에서 고분자 바인더의 종류 등에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략하도록 한다. Step 2 is a step of preparing hybrid composite particles by hybridizing the nano metal particles with a polymer binder. Since the types of the polymeric binders and the like have been described above, redundant description is omitted.
상기 혼성복합화 입자의 제조는 혼성복합화 장비를 이용하여 이루어질 수 있다. 상기 혼성복합화 장비의 예로는 슈퍼믹서, 하이브리다이저(Hybridizer), 사이클로믹서 등이 있다. 상기 장비들을 이용하여 고분자 바인더와 나노 금속입자가 고속으로 혼합되어 상기 나노 금속입자가 상기 고분자 바인더의 표면에 임베딩 될 수 있다.The hybrid composite particles may be produced using a hybrid complexing machine. Examples of the hybrid hybridization equipment include a super mixer, a hybridizer, and a cyclomixer. The polymer binder and the nano-metal particles can be mixed at a high speed by using the above-described devices, so that the nano-metal particles can be embedded on the surface of the polymeric binder.
탄소 소재가 코팅된 나노 금속입자는 반데르발스 인력에 의해 응집이 되는 문제가 있는데, 이러한 문제를 해결하고 보다 균일한 금속복합재료의 형성을 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 금속복합재료 제조방법에서는 탄소 소재가 코팅된 나노 금속입자를 고분자 바인더에 선분산하게 된다. 즉, 고속회전에 의해 높은 전단력과 온도 제어에 의해 고분자 바인더(입자)의 표면이 연화되고, 고속 회전시 상기 고분자 바인더와 탄소 소재가 코팅된 나노 금속입자가 충돌을 일으키면서 상기 나노 금속입자가 상기 고분자 바인더의 표면에 임베딩되는 것이다. 이 때, 탄소 소재가 코팅된 나노 금속입자끼리 충돌을 일으키면서 응집된 입자들이 해체되기 때문에 매우 균일한 분산성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 나노 금속입자의 포텐셜 에너지는 매우 크므로 고분자 바인더에 임베딩시킴으로써 전체 에너지를 낮추어 안정적인 분산 상태를 유지할 수 있다(이상 S120). In order to solve the above problems and to form a more uniform metal composite material, there is a problem in that the metal composite material according to the embodiments of the present invention The nano metal particles coated with the carbon material are dispersed in the polymer binder in a linear manner. That is, the surface of the polymeric binder (particle) is softened by high shear force and temperature control by high-speed rotation, and when the polymer binder and the carbon material-coated nano-metal particles collide with each other during high-speed rotation, And is embedded on the surface of the polymeric binder. In this case, since the nanomaterials coated with the carbon material collide with each other and the agglomerated particles are disassembled, a very uniform dispersion can be secured. Since the potential energy of the nano metal particles is very large, the polymer can be embedded in the polymer binder, thereby lowering the total energy and maintaining a stable dispersion state (S 120).
(3) 금속복합재료 제조방법: 2단계(3) Method for manufacturing a metal composite material: Step 2
3단계는 상기 2단계에서 제조된 혼성복합화 입자를 금속 매트릭스에 분산시켜 금속복합재료를 제조하는 단계이다. 여기에서 금속 매트릭스에 대해서는 전술하였으므로 중복 설명은 생략하도록 한다. Step 3 is a step of dispersing the hybrid composite particles prepared in Step 2 into a metal matrix to produce a metal composite material. Since the metal matrix has been described above, the redundant description will be omitted.
상기와 같이 혼성복합화 입자를 금속 매트릭스에 분산시키는 경우에는, 상기 탄소 소재로 인하여 금속복합재료의 기계적 물성이 향상될 뿐만 아니라, 나노 금속입자의 균일한 분산으로 인하여 금속복합재료의 치밀도가 향상된다는 장점이 있다(이상 S130).When the hybrid composite particles are dispersed in the metal matrix as described above, not only the mechanical properties of the metal composite material are improved due to the carbon material, but also the density of the metal composite material is improved due to uniform dispersion of the nano metal particles (S130).
(4) 금속 복합 성형물 제조방법(4) Method of manufacturing molded metal composite article
상기 (1) 내지 (3)에서 기재한 금속복합재료 제조방법으로 제조되는 금속복합재료를 성형하여 금속 복합 성형물을 제조할 수 있다. 이러한 금속 복합 성형물은 고강성 재료가 요구되는 자동차, 항공, 우주, 군수, 카메라, 핸드폰 등의 전기전자 산업에서의 부품들로 이용될 수 있다. The metal composite material can be manufactured by molding the metal composite material produced by the method for manufacturing a metal composite material described in the above items (1) to (3). Such a metal composite molding can be used as components in the electric and electronic industries such as automobiles, aerospace, space, military, cameras, and mobile phones in which high rigidity materials are required.
금속 복합 성형물을 제조하기 위하여, 상기 금속복합재료를 주조, 압연 또는 금속분말사출성형법(MIM, Metal Injection Molding)을 통해 성형할 수 있다. 이하에서 상기 금속복합재료를 금속분말사출성형법으로 성형하는 경우를 중심으로 설명하도록 한다. In order to produce a metal composite molding, the metal composite material can be molded through casting, rolling or metal injection molding (MIM). Hereinafter, the case where the metal composite material is formed by metal powder injection molding will be mainly described.
금속분말사출성형법은 금속분말을 사출성형기를 이용하여 몰드에 사출하여 성형하고, 이를 다시 소결하여 금속 정밀부품을 만드는 방법을 의미한다. 이러한 금속분말사출성형법은 일반적 금형을 이용한 성형방법에 비해 얇고 복잡한 형상을 갖는 고정밀의 부품 성형이 가능하다는 장점이 있다. The metal powder injection molding method refers to a method in which a metal powder is injected into a mold using an injection molding machine and molded, and then sintered to form a metal precision part. Such a metal powder injection molding method is advantageous in that it is possible to form a high-precision part having a thin and complicated shape as compared with a molding method using a general mold.
금속분말사출성형법에 따라 금속 복합 성형물을 제조하기 위해서 금속사출성형기에는 상술한 금속복합재료(상기 (1) 내지 (3)에서 기재한 금속복합재료 제조방법으로 제조됨), 금속 분말 및 왁스 등이 장입될 수 있다. In order to produce the metal composite molding according to the metal powder injection molding method, the metal injection molding machine is provided with the above-mentioned metal composite material (manufactured by the method of manufacturing the metal composite material described in the above (1) to (3)), metal powder, wax, Can be charged.
여기에서, 왁스는 성형성과 이형성을 향상시키고, 고분자 바인더를 용이하게 제거하는 기능을 한다. 상기 왁스는 파라핀왁스, 마이크로크리스타린왁스, 스테아린산, 지방산 아미드 및 지방산 알코올에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택될 수 있으며, 상기 열거된 것들로 한정되는 것은 아니다. Here, the wax improves the moldability and releasability and functions to easily remove the polymeric binder. The wax may be at least one selected from the group consisting of paraffin wax, microcrystalline wax, stearic acid, fatty acid amide, and fatty acid alcohol ester, but is not limited thereto.
상기와 같이 금속복합재료, 금속 분말 및 왁스를 금속사출성형기에 장입하여 사출성형하고, 이를 다시 소결하게 되면 최종적으로 금속 복합 성형물이 제조될 수 있다(이상 S140). As described above, the metal composite material, the metal powder and the wax are charged into a metal injection molding machine, injection-molded, and then sintered again to finally produce a metal composite molding (S140).
이하, 시험예를 통해 본 발명을 보충 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예로 본 발명이 한정되지 않음은 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in further detail through a test example. However, it is apparent that the present invention is not limited to the following test examples.
시험예Test Example
하기 [표 1]에서와 같이 실시예 1 내지 실시예 4에 해당하는 금속 복합 성형물을 제조하였다. 구체적으로는, 알루미늄 와이어를 전기폭발장치에 투입하여 전기폭발법으로 표면에 탄소나노플레이트가 코팅된 나노 알루미늄 입자를 제조하였다. 상기 나노 알루미늄 입자를 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 바인더와 슈퍼믹서를 이용하여 혼성복합화 입자를 제조하고, 상기 혼성복합화 입자를 15㎛ 크기의 구형 알루미늄 분말(실시예 4의 경우에는 10㎛ 크기의 구형 실리콘 분말을 더 포함함) 및 스테아린산(왁스)와 혼합하여 금속사출성형기에 장입하고 약 150℃ 및 400MPa 압력하에서 사출성형물을 제조하였다. 다음으로 상기 바인더를 열분해하고 남은 사출성형물을 소결함으로써 최종적으로 금속 복합 성형물을 제조하였다. The metal composite moldings corresponding to Examples 1 to 4 were prepared as shown in Table 1 below. Specifically, an aluminum wire was charged into an electric explosion device to produce nano aluminum particles coated with carbon nanoplate on the surface by an electric explosion method. The composite nano-aluminum particles were prepared by using an ethylene vinyl acetate (EVA) binder and a super mixer, and the hybrid composite particles were mixed with spherical aluminum powder having a size of 15 mu m (spherical aluminum powder having a size of 10 mu m Powder) and stearic acid (wax), charged into a metal injection molding machine, and extruded at a pressure of about 150 DEG C and 400 MPa. Next, the binder was pyrolyzed and the remaining extrudate was sintered to finally produce a metal composite molding.
한편, 실시예들과 비교하기 위해 하기 [표 1]에서와 같이 비교예 1, 비교예 2에 해당하는 금속 성형물을 제조하였다. 비교예 1, 비교예 2는 실시예들에서 탄소나노플레이트가 코팅된 나노 알루미늄 입자를 제외한 것만이 차이가 나므로, 구체적인 공정에 대해서는 설명을 생략하도록 한다(비교예 2의 경우에는 10㎛ 크기의 구형 실리콘 분말을 더 포함함). For comparison with the examples, metal moldings corresponding to Comparative Examples 1 and 2 were prepared as shown in [Table 1] below. In Comparative Examples 1 and 2, only the nano aluminum particles coated with the carbon nanoplate are different from each other in the Examples, so the description of the specific processes is omitted (in Comparative Example 2, Silicon powder).
다음으로, 상기 실시예 1 내지 4, 그리고 비교예 1,2에 대하여 인장강도 및 항복강도, 그리고 치밀도를 측정하여 [표 1]에 나타내었다. 인장강도 및 항복강도는 인장시험(tension test)을 거쳐 측정되었다(TO-102 장비 사용, (주)테스트윈社). 한편, 상기 치밀도의 측정은 이론 밀도 대비 실시예/비교예의 측정 밀도의 비율을 계산함으로써 이루어졌다.Next, the tensile strength, the yield strength and the compactness of the above Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were measured and shown in Table 1. Tensile strength and yield strength were measured through a tension test (using TO-102 equipment, Testwin Inc.). On the other hand, the measurement of the density was performed by calculating the ratio of the density of measurement of Examples / Comparative Examples to the theoretical density.
상기 [표 1]에서 알 수 있듯이 실시예 1 내지 4에 해당하는 금속 복합 성형물의 경우에는 비교예 1 및 2에 해당하는 금속 성형물에 비하여 항복강도, 인장강도 및 치밀도가 모두 높아졌음을 확인할 수 있다. 즉, 탄소나노플레이트 코팅 나노 알루미늄 입자를 포함하여 금속 복합 성형물을 제조하는 경우에는 일반 금속 성형물에 비해 고강성의 금속 성형물을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. As can be seen from Table 1, in the case of the metal composite molding corresponding to Examples 1 to 4, the yield strength, the tensile strength and the tightness were both higher than those of the metal molds of Comparative Examples 1 and 2 have. That is, when a metal composite molding including carbon nanoplate coated nano aluminum particles is manufactured, it can be confirmed that a metal mold having a high rigidity can be manufactured compared with a general metal molding.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.
100: 금속복합재료
10: 혼성복합화 입자
11: 고분자 바인더
12: 나노 금속입자
13: 탄소 소재
20: 금속 매트릭스100: metal composite material
10: Hybrid composite particles
11: polymer binder
12: nano metal particles
13: Carbon material
20: metal matrix
Claims (7)
상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 카바이드 또는 그래핀나노플레이트렛인 금속복합재료.A hybrid composite particle in which nano metal particles coated with a carbon material are embedded on a surface of a polymeric binder; and a metal matrix in which the hybrid composite particles are dispersed,
Wherein the carbon material is a carbon nanotube, a carbon nanoplate, a carbide, or a graphene nanoflurry.
상기 나노 금속입자는 Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe 또는 이들의 합금인 금속복합재료.The method according to claim 1,
Wherein the nano metal particles are Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe, or an alloy thereof.
상기 나노 금속입자를 고분자 바인더와 혼성복합화(hybridization)하여 혼성복합화 입자를 제조하는 2단계; 및
상기 혼성복합화 입자를 금속 매트릭스에 분산시키는 2단계를 포함하는 금속복합재료 제조방법.A first step of preparing nano-metal particles having a core-shall structure in which a carbon material is coated on the surface using an electric explosion method;
A second step of preparing hybrid composite particles by hybridizing the nano metal particles with a polymer binder; And
And dispersing the hybrid composite particles in a metal matrix.
상기 탄소 소재는 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 카바이드 또는 그래핀나노플레이트렛이고, 상기 나노 금속입자는 Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe 또는 이들의 합금인 금속복합재료 제조방법.The method of claim 3,
Wherein the carbon material is a carbon nanotube, a carbon nanoplate, a carbide or a graphene nanoplate, and the nano metal particles are Al, Cu, Ni, Sn, W, Cr, Fe or an alloy thereof.
상기 고분자 바인더는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 어택틱 폴리프로필렌(APP, Atatic Polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트, 에틸렌아크릴레이트공중합체, 폴리스티렌, 셀룰로스계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아클리산, 폴리아크릴산에스텔, 폴리메타크릴산 및 폴리메타크릴산에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 금속 복합 성형물 제조방법.The method of claim 3,
The polymeric binder may be selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, atatic polypropylene (APP), ethylene vinyl acetate, ethylene acrylate copolymer, polystyrene, cellulose resin, polyamide resin, polyacrylic acid, And at least one member selected from the group consisting of acrylic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid, maleic acid and maleic acid.
상기 금속분말사출성형법은 상기 금속복합재료, 금속 분말, 고분자 바인더 및 왁스를 금속사출성형기에 장입하여 사출성형하는 단계를 포함하고,
상기 왁스는 파라핀왁스, 마이크로크리스타린왁스, 스테아린산, 지방산 아미드 및 지방산 알코올에스텔로 구성되는 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 금속 복합 성형물 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the metal powder injection molding method comprises a step of charging the metal composite material, the metal powder, the polymer binder and the wax into a metal injection molding machine and performing injection molding,
Wherein the wax is at least one selected from the group consisting of paraffin wax, microcrystalline wax, stearic acid, fatty acid amide and fatty acid alcohol ester.
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