KR20190106191A - 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents
개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있으며, 또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다.
Description
본 발명은 개스킷용 소재로 사용되는 신규한 이종(異種) 복합재료 및 그 제조방법에 대한 것이다.
일반적으로, 원자력발전소, 석유화학 플랜트, 화력발전소 등에서의 각종 배관의 접합부에는 내부를 유통하는 유체의 누설에 의해 야기될 수 있는 사고 등을 방지하기 위해 개스킷이 장착되어 있다.
특히, 원자력 발전소의 경우 정상적인 운전조건뿐만 아니라 원자로 수명 말기의 LOCA(loss coolant accident), MSLB(main steam line break), HELB(high energy line brake) 등이 발생할 경우, 인체가 방사선에 노출될 수도 있으며 방사선에 노출된 인체는 방사선의 이온화 작용에 의해서 생체내의 세포조직이 파괴되고 어느 정도 이상으로 선량을 받을 때에는 급성 또는 만성적인 방사선 장애가 생기기도 하며 유전적인 변이가 유발되기도 하기 때문에, 원자력 발전소의 주요 부분에 사용되는 개스킷은 방사선에 대한 안정성이 필수적으로 요구된다.
일반적으로, 디엔(diene)을 함유하는 EPDM(diene-containing terpolymer)은 내습성, 내코로나성, 우수한 온도 특성과 기계적 유연성 등과 같이 씰링용 소재로서의 우수한 특성으로 인하여 방사선 환경 내에서 사용되는 원자력 발전소의 안전계통, 인공위성 및 우주선의 개스킷 등의 씰링용 소재로서 폭넓게 사용되고 있다.
그러나, 원자력 시설이나 우주선과 같은 방사선 환경에서 사용되는 개스킷 등의 씰링용 소재로 상기와 같은 고무계 소재를 사용할 경우 자동산화(auto-oxydation)과정이 선행되는 방사선 열화에 직면하게 된다.
한편, 자동차 등의 차량 엔진용 개스킷의 대부분은 스테인리스강 박판을 복수매 겹친 구조로 이루어지는데, 상기 스테인리스강은 일반적으로 강도 조정을 목적으로 냉간 압연(조질 압연)을 행한 후에 사용되고, 가공 경화에 의해 고강도가 얻어진 상태를 가진다.
그런데, 최근 환경보호가 중대한 이슈로 부각됨에 따라 차량용 엔진의 연비 개선 및 출력 향상의 요구가 거세지고 있으며, 이에 대응해 차량용 개스킷용 소재에는 한층 더한 고강도와 복잡한 형상으로의 뛰어난 가공성이 동시에 요구되지만, 전술한 스테인리스강은 고강도화에 수반하는 가공성의 열화는 피할 수 없고 고강도화와 가공성의 양립을 충분히 만족할 수 없는 것이 현실이다.
또한, 자동차 등 차량의 엔진에 장착되는 헤드 개스킷 등의 소재로서 사용되는 고무 코팅 스테인리스 강판은 고무층을 보다 강고하게 유지하기 위해서, 스테인리스 강판의 한쪽 면 또는 양면에 크롬 화합물, 인산, 실리카로 이루어지는 크로메이트 피막을 형성하고, 크로메이트 피막 위에 고무층을 적층한 개스킷재도 널리 사용되고 있으나, 크로메이트 처리를 한 개스킷재는, 6가 크롬이 크로메이트 처리액에 포함되는 등 환경 면에서 큰 문제를 안고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 기존 개스킷용 소재가 가지는 문제점에 착안해 우수한 기계적 특성, 내식성 및 경량성을 동시에 가지는 개스킷용 이종복합소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.
또한, 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다:
(a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계.
또한, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 평균 입자의 크기는 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서는, 볼(ball)에 대한 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비를 10 : 1 내지 1 : 1으로 설정하여 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.
또한, 상기 유성 볼밀링 공정은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 500 내지 700 ℃의 온도 및 750 내지 850 MPa의 압력하에서 5 내지 20 분 동안 스파크 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷을 제안한다.
본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료 제조 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본원 실시예에 따라 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료를 제조하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본원 실시예에 따라 서로 다른 직경의 디스크 형태로 제조된 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료 시편의 사진이다.
도 2는 본원 실시예에 따라 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료를 제조하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본원 실시예에 따라 서로 다른 직경의 디스크 형태로 제조된 개스킷용 알루미늄-SWCNT 복합재료 시편의 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 금속과 세라믹의 이종(異種) 소재를 스파크 플라즈마 소결법 등을 이용하여 복합화 하여 얻어지는, 금속의 인성과 세라믹의 내부식성 및 고강도성을 동시에 만족시키는 개스킷 및 씰링용 이종복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서와 같이 알루미늄 및 탄소나노튜브 소재의 복합화를 통해 각 소재의 장점을 살릴 경우, 우수한 기계적 특성, 내식성 및 경량성을 동시에 가져 원자력발전소, 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 사용가능한 패킹용 복합재료의 제조가 가능하며 각 물질의 구성 비율에 따라 다양한 물성 제어와 함께 원가 절감이 가능하다.
구체적으로, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 및 (ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)가 복합화되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
참고로, 알루미늄은 금속재료 중 상대적으로 가공이 용이하고 가벼운 특성으로 인해서 다양한 분야의 산업용 부품으로 사용되고 있지만 내부식성과 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 반면, 탄소나노튜브는 밀도가 낮고 우수한 기계적 특성과 세라믹 특유의 내부식성을 지니고 있어 다양한 산업 소재에 적용하기 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 본 발명에서와 같이 알루미늄과-탄소나노튜브의 특성이 효율적으로 제어된 벌크를 제조하면 초경량/고강도/고인성의 이종복합재료를 제조할 수 있고 다양한 산업재료 특히, 유체에 침해되지 않음과 동시에 압력 및 온도에 대하여 탄성, 유연성을 가져야 하며, 강도를 잃지 않는 기밀성을 요구하는 개스킷 등 씰링(sealing)용 부재의 소재로서의 활용성이 대단히 높다.
본 발명에 따른 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷은 구성 물질의 조성의 조절에 따라 온도와 분위기(액상, 기상) 상관없이 사용이 가능하다. 더욱이, 탄소나노튜브는 방사능 차폐능을 지니고 있어 원자력 발전소용 개스킷 및 패킹 소재로 적용이 가능하다.
또한, 기존의 탄소 개스킷은 인성이 낮지만 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 알루미늄 고유의 연성(ductility)으로 인해서 더욱 더 밀폐성을 높일 수 있는 장점을 가진다. 나아가, CNT의 높은 전도성으로 인해서 종래의 도전성 개스킷처럼 무선 주파수의 전파 누설을 감소시킬 수 있다.
상기 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 필요에 따라 경사기능성 재료(functionally graded material: FGM)로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 그 두께 방향, 폭 방향, 길이 방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 SWCNT 조성 및 물성이 연속적 또는 단속적으로 변하는 구조를 가질 수 있다.
일례로, 우수한 경도와 부식성이 요구되는 재료의 일측 표면부는 재료 내부에 비해 고함량의 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 일측 표면부로부터 타측 표면부로 가까워질수록 탄소나노튜브의 함량이 감소되는 경사층을 포함하여 극단적 특성 차이에 의한 박리와 응력 집중 등의 문제점을 해결할 수 있고, 재료의 타측 표면부는 고인성 기능 부여를 위해 알루미늄만으로 이루어질 수 있다.
물론, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료가 경사 기능성 재료일 경우 그 구성은 상기 일례에 한정되는 것은 아니며, 재료의 사용 환경이나 형상 등에 따라 자유롭게 변화를 줘 사용할 수 있다.
한편, 상기 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)에 의한 분말야금공정을 통해 제조하는 것이 바람직하다.
일례로, 도 1에 도시한 바와 같이, (a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 제조방법에 따라 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료를 제조할 수 있다.
이때, 상기 단계 (a)에서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합분말을 제조할 수 있다.
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자의 크기가 0.1 내지 5 ㎛인 것을 사용할 수 있으며, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자크기가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 단일벽 카본 나노튜브 분말이 소결 공정 중에 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말과 함께 응집되어 균질한 복합재료를 수득하기 어렵고, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 평균입경이 5 ㎛를 초과하는 경우에는, 상기 카본 나노튜브의 균일한 분산이 어려워 불균일한 복합재료가 형성될 수 있어, 상기의 범위로 평균입경을 가지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 평균 입자의 크기가 0.1 내지 2 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말은 기계적, 전기적, 열적 특성 등이 우수하고, 직경이 작아 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말이 갖는 특성을 더욱 향상시킬 수 있어, 후술할 단계에서 제조되는 복합재료의 물성 향상효과를 기대할 수 있다.
상기 혼합분말은 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브 분말을 포함할 수 있으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말이 0.1 부피% 미만인 경우, 기계적 특성이 떨어지며, 50 부피%를 초과하는 경우에는 추가적인 물성 향상을 기대하기 어렵다. 바람직하게는 상기 단일벽 탄소나노튜브 분말을 0.1 내지 1 부피%로 포함하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 전동 볼밀링, 교반 볼밀링, 유성 볼밀링 등의 다양한 형태의 볼밀링 공정을 통해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하여 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다. 바람직하게는, 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 혼합분말을 제조할 수 있으며, 볼(ball)에 대한 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비(BPR)를 10 : 1 내지 1 :1으로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행할 수 있으며, 바람직하게는, BPR을 6 : 1로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행함으로써, 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다. 특히, 상기 유성 볼밀링 공정에 사용되는 볼은 자기윤활성, 인성 및 기계적 강도와 같은 특성이 우수한 지르코니아 볼을 사용할 수 있다.
또한, 상기 유성 볼밀링 공정을 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행할 수 있으며, 상기 유성 볼밀링 공정을 수행하는 시간이 1시간 미만인 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말이 조대한 입자를 형성하여 후술할 단계에서 스파크 플라즈마 소결을 통해 제조되는 복합재료의 물성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으며, 보다 바람직하게는, 상기 유성 볼밀링 공정을 250 rpm으로 5 내지 10시간 동안 수행하도록 구성하여 균질한 혼합분말을 제조할 수 있다.
아울러, 본 단계에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말을 볼밀링하기 위해서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 혼합 분말에 이형제를 추가로 공급하여 볼밀링 공정 중에 발생할 수 있는 스티킹(sticking) 현상 등을 방지하도록 구성할 수 있으며, 상기 혼합 분말을 스파크 플라즈마 소결하여 제조한 벌크형 복합재료의 물성을 해치지 않는 범위로 첨가할 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (b)에서는, 이전 단계에서 제조한 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 금속-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 단계이다.
상기 스파크 플라즈마 소결은, 압력이 가해지는 조건에서 상기 혼합분말에 직류 전류를 가해 혼합분말의 입자 사이로 흐르는 펄스상의 직류 전류에 의해 불꽃방전 현상이 발생되고, 이에 의해 순간적으로 발생하는 스파크 플라즈마의 높은 에너지에 의한 열확산 및 전계 확산과 몰드의 전기저항에 의한 발열 및 가해지는 압력과 전기에너지에 의해 혼합분말이 소결되어 단시간에 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브를 복합화하여 치밀한 구조의 복합재료를 제조할 수 있으며, 이러한 소결능을 통해 복합재료 결정립의 성장을 효과적으로 제어할 수 있고, 균일한 미세구조를 갖는 금속-세라믹 이종복합재료를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기 스파크 플라즈마 소결 공정을 위해, 예를 들어, 상부전극 및 하부전극이 구비되어 전류를 공급해 스파크 플라즈마를 발생시켜 혼합분말을 소결할 수 있는 몰드를 수용하는 공간을 형성하는 챔버, 냉각수를 유통시켜 상기 챔버를 냉각할 수 있는 냉각부, 상기 상부전극 및 하부전극에 전류를 공급하는 전류공급부, 상기 챔버에 온도를 검출할 수 있는 온도감지부, 상기 챔버 내부에 내기를 외부로 배출할 수 있는 펌프, 상기 챔버 내부에 압력을 공급할 수 있는 압력공급부, 상기 온도감지부가 감지하는 온도에 따라 스파크 플라즈마 소결 공정의 온도를 제어하는 제어부 및 상기 제어부를 조절할 수 있는 조작부를 구비한 스파크 플라즈마 소결장치를 이용하여 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
본 단계에서는 상기 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결하기 위해서, 상기 스파크 플라즈마 장치에 구비된 펌프를 이용하여 챔버의 내부가 진공 상태가 될 때까지, 배기하여 감압시킴으로써, 챔버 내에 존재하는 가스 상의 불순물을 제거하고, 산화를 방지하도록 구성하여 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 혼합분말을 100 ℃/분의 승온 속도로 소결 온도까지 가열하여 상기 혼합분말을 선예열한 후, 스파크 플라즈마 소결을 수행할 수 있고, 상기와 같은 승온속도로 혼합분말을 선예열하여, 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 혼합분말의 내부 및 외부에 균일한 온도가 공급됨으로 인해 균일한 구조의 이종복합재료를 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 스파크 플라즈마 소결 공정은 승온 속도를 조절하여 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료 입자의 성장을 억제할 수 있어 제조되는 복합재료의 크기를 제어할 수 있다.
상기한 스파크 플라즈마 소결 공정은 바람직하게는, 500 내지 700 ℃의 온도에서 5 내지 20 분 동안 수행하도록 구성하여 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 제조할 수 있다. 이때, 스파크 플라즈마 소결온도가 500 ℃ 미만일 경우, 저밀도를 가지는 소결체가 제조되며, 스파크 플라즈마 소결 온도가 700 ℃를 초과하는 경우 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 결정립이 급성장하여 기계적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 5 분 미만으로 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 경우, 불완전한 소결로 인해 충분한 소결 효과를 기대하기 어렵고, 소결 시간이 20 분을 초과하는 경우, 에너지의 소모가 증가해 비경제적일 뿐만 아니라, 소결에 의한 치밀화 효과를 더 이상 기대하기 어렵다.
아울러, 상기 스파크 플라즈마 소결 공정은 750 내지 850 MPa의 압력하에서 수행하도록 구성하여 혼합분말을 가압하여 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 제조할 수 있으며, 750 MPa 미만의 압력하에서는 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 밀도가 저하되는 단점이 있고, 850 MPa를 초과하는 경우에서는 압력이 높아 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료에 균열이 발생할 수 있어 상기한 조건으로 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기와 같은 금속 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 소결한 후, 상기 복합재료를 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 기계적 특성이 우수한 금속-탄소나노튜브 복합재료를 수득할 수 있다.
본 단계에서는 100 내지 300 MPa의 압력을 유지하는 조건에서 상기 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료를 냉각하도록 구성하여 상기 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 및 단일벽 탄소나노튜브의 복합재료의 표면 및 내부에 형성되는 보이드 등의 형성을 억제할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료는, 알루미늄(또는 알루미늄 합금)과 탄소나노튜브의 복합화를 통해 고강도, 고인성, 고내부식성을 가짐은 물론 방사능 차폐성능까지 우수하여 강도와 내식성 및 경량성이 요구되는 극한환경용 개스킷 및 씰링용 부품군에 맞춤형으로 적용이 가능하고 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공, 특히 원자력 발전소용 부재와 같이 매우 높은 안전성이 요구되는 부품의 소재로서 대단히 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료의 제조방법은 종래의 금속재료 제조법에 많이 사용되는 용융법이 대신에 저에너지의 고상 분말야금 공정에 따라 제조되고 크로메이트 처리 등 환경에 부담을 주는 공정을 필요로 하지 않는 친환경 공정이라는 장점을 가진다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 및 비교예>
1. 개스킷용 알루미늄-단일벽 탄소나노튜브 이종복합재료(Al - 50vol% SWCNT)의 제조(실시예)
도 2에 도시한 바와 같이, 알루미늄 복합재료를 제조하기 위해 먼저, 알루미늄 분말(평균 입자 크기: 75 ㎛) 50 부피%와, 단일벽 탄소나노튜브(평균 길이: 약 10 um, 평균 직경: 약 5 nm) 분말 50 부피%를 유성 볼밀링 장치에 공급하고, 20 mL의 헵탄(heptane)을 투입하였다. 볼 대 혼합분말의 중량비를 8 : 1로 설정하여 볼을 투입하고, 250 rpm으로 6시간 동안 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 혼합분말을 제조하였다.
제조한 혼합분말을 탄소 몰드(~φ30mm)에 장입하고, 몰드를 스파크 플라즈마 소결 장치의 챔버에 장착하였다. 챔버에 압력을 진공상태가 되도록 조절하고, 상부 전극 및 하부 전극에 전류를 인가하여 650 ℃의 온도 및 800 MPa의 압력 조건하에서 10 분 동안 스파크 플라즈마 소결 공정을 실시해 알루미늄-단일벽 탄소나노튜브 이종복합재료 시편을 얻었다(도 3).
2. 알루미늄 소결체의 제조 (비교예 1)
알루미늄 분말만을 이용해 소결하는 것을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 알루미늄 소결체를 제조하였다.
3. 단일벽 탄소나노튜브 소결체의 제조 (비교예 2)
단일벽 탄소나노튜브 분말만을 이용해 소결하는 것을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 단일벽 탄소나노튜브 소결체를 제조하였다.
<실험예>
실시예, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 시편에 대한 밀도 및 기계적 물성을 측정해 그 결과를 아래 표 1에 기재하였다.
아래 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 알루미늄에 탄소나노튜브를 복합화해 얻어진 본 발명에 따른 시편은, 용융법 등 종래 복합소재 제조법에 비해 간단하고 환경 친화적인 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 높은 탄소나노튜브 함량을 가짐에도 높은 상대밀도를 가지며, 또한, 알루미늄에 비해 향상된 경량성 및 탄성을 가지며, 특히, 무려 알루미늄의 무려 4배에 달하는 높은 경도를 가져 개스킷 등 씰링용 부품의 소재로서 최적화되었음을 확인할 수 있다.
[표 1]
Claims (7)
- (i) 50 내지 99.9 부피%의 알루미늄 또는 알루미늄 합금; 및
(ii) 0.1 내지 50 부피%의 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료. - 제1항에 있어서,
하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료:
(a) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 단일벽 탄소나노튜브 분말을 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 복합재료를 제조하는 단계. - 제2항에 있어서,
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 평균 입자의 크기는 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료. - 제2항에 있어서,
상기 단계 (a)에서, 볼(ball)에 대한 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 단일벽 탄소나노튜브 분말의 중량비를 10 : 1 내지 1 : 1으로 설정하여 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료. - 제4항에 있어서,
상기 유성 볼밀링 공정은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료. - 제2항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 500 내지 700 ℃의 온도 및 750 내지 850 MPa의 압력하에서 5 내지 20 분 동안 스파크 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 개스킷용 금속-세라믹 이종복합재료. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 금속-세라믹 이종복합재료로 이루어진 개스킷.
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