KR20210000195A - 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조 방법 - Google Patents

질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법이 제공된다. 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법은, 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계, 그래핀 산화물로 코팅된 상기 탄화규소 섬유 및 붕산 분말의 혼합물을 제조하는 단계, 및 질소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조 방법{Boron nitride-silicon carbide fiber composites and method of fabricating of the same}
본 발명은 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유의 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 탄화규소 섬유의 표면에 질화붕소를 갖는 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조방법에 관련된 것이다.
육방정계 질화붕소는 붕소 원소와 질소 원소가 강한 공유결합으로 연결되고, 그래핀과 같은 이차원으로 연장된 육각 고리 형태를 갖는다. 질화붕소는 특성 면에서도 그래핀과 같이 투명하고, 유연하면서도 우수한 기계적 물성 등을 갖는다. 또한, 질화붕소는 절연 특성을 가지면서도, 우수한 열전도성으로 항공기 등의 우주재료로서의 응용성도 갖는다. 이러한 질화붕소의 특성을 활용하기 위해, 응용 분야에 따라 고분자, 금속, 세라믹 등의 다양한 기지상과 질화붕소의 복합소재가 연구되고 있다.
질화붕소를 기지상에 코팅하는 방법으로는, 분말 상태의 질화붕소를 포함하는 용액을 기지상에 스프레이하는 방법 또는 페인트형태로 제조하여 기지상에 도포하는 방법 등이 있다. 일반적으로, 이러한 방법은 기계 장치나 차체 등에 용이하게 사용될 수 있다.
하지만 기지상이 수 마이크로 이하의 입자 형태나 섬유의 형태를 갖는 경우, 상술된 방법은 질화붕소를 기지상에 코팅하는 방법으로 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 질화붕소의 표면을 개질한 후, 기지상과의 결합력을 향상시키는 방법 또는 기지상과 질화붕소 사이에 접착력을 향상시키기 위한 코팅층을 부가하는 방법이 연구되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록 번호 10-1196665(출원번호: 10-2010-0071006, 출원인: 한국에너지기술연구원)에는, 탄화규소섬유를 직조하여 직물을 제조하는 단계, 상기 직물을 페놀수지용액에 함침 후 경화시키는 단계, 상기 페놀수지용액이 침투된 직물을 600~800℃에서 1~2시간 탄화하여 섬유 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계, 상기 탄소 코팅층위에 화학증착법(CVD)을 이용하여 열분해 탄소 코팅층을 형성하는 단계, 졸겔/슬러리 코팅법을 이용하여 상기 열분해 탄소 코팅층 위에 질화붕소 코팅층을 형성하는 단계, 및 상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층이 형성된 섬유를 기지상과 혼합하여 열처리함으로써 소결체를 제조하는 단계를 포함하며, 보강섬유에 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층을 차례로 형성하여 섬유강화 복합재료를 제조하는 방법이 제공된다.
대한민국 특허 등록 번호 10-1196665
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 간단한 공정으로 제조되는 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 탄화규소 섬유의 표면에 질화붕소가 화학적 결합된 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 그래핀 산화물의 치환 반응으로 구조가 동일한 질화붕소 코팅층을 용이하게 형성하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법은, 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계, 그래핀 산화물로 코팅된 상기 탄화규소 섬유 및 붕산 분말의 혼합물을 제조하는 단계, 및 질소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 서로 다른 유량으로 제공되는 질소 가스 및 암모니아 가스의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소 가스는 제1 유량으로 제공되고, 상기 암모니아 가스는 상기 제1 유량보다 적은 제2 유량으로 제공될 수 있다.]
일 실시 예에 따르면, 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계는, 표면 처리된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계, 표면 처리된 상기 탄화규소 섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하여, 상기 아민기로 표면 개질된 탄화규소 섬유를 제조하는 단계, 및 표면 개질된 상기 탄화규소 섬유에 그래핀 산화물 용액을 첨가하여, 표면에 그래핀 산화물이 결합된 탄화규소 섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유는, 탄화규소 섬유, 및 상기 탄화규소 섬유의 표면에 화학 결합된 질화붕소를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유는, 탄소 원소 또는 산소 원소 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 결합에너지(binding energy) 스펙트럼에서, 상기 질화붕소의 질소 원소 및 붕소 원소의 전자의 계수율(counts per second) 대비 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 전자의 계수율이 더 작을 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 섬유 강화 세라믹 복합체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 강화 세라믹 복합체는, 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조방법은, 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계, 그래핀 산화물로 코팅된 상기 탄화규소 섬유 및 붕산 분말의 혼합물을 제조하는 단계, 및 질소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 간단한 공정으로 상기 탄화규소 섬유의 표면에 상기 질화붕소가 화학적 결합된 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하는 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법에서, 그래핀 산화물에서 질화붕소로 치환 반응 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 탄소 잔량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법에서, 그래핀 산화물에서 질화붕소로 치환 반응 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 그래핀 산화물(G)로 코팅된 탄화규소 섬유(100)가 준비될 수 있다(S100).
일 실시 예에 따르면, 그래핀 산화물(G)로 코팅된 상기 탄화규소 섬유(100)를 준비하는 단계는, 표면 처리된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계, 표면 처리된 상기 탄화규소 섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하여, 상기 아민기로 표면 개질된 상기 탄화규소 섬유를 제조하는 단계, 및 표면 개질된 상기 탄화규소 섬유에 그래핀 산화물(G) 용액을 첨가하여, 표면에 그래핀 산화물(G)이 결합된 탄화규소 섬유(100)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 표면 처리된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계는, 상기 탄화규소 섬유의 표면에 관능기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 관능기가 수산화기인 경우, 상기 탄화규소 섬유를 열처리하여, 상기 탄화규소 섬유의 표면에 산화물층을 제조한 후, 상기 산화물층이 형성된 상기 탄화규소 섬유는 수산화칼륨 용액 내에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 산화물층이 제거되고, 상기 탄화규소 섬유의 표면 상에 상기 수산화기가 형성될 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 관능기가 카르복시기인 경우, 상기 탄화규소 섬유를 불산 및 질산의 혼합 용액 내에 제공하여, 상기 탄화규소 섬유의 표면에 카르복시기가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 불산 및 상기 질산은 3:1의 비율로 혼합될 수 있다.
아민기로 표면 개질된 상기 탄화규소 섬유를 제조하는 단계는, 하나의 말단 또는 양말단에 아민기를 포함하는 가교제 및 표면 처리된 상기 탄화규소 섬유를 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 관능기가 수산화기인 경우, 상기 가교제는 (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APTES)일 수 있다. 이 경우, 상기 (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APTES)이 분해되고, 이에 따라 형성된 아미노프로필실란이 상기 수산화기의 자리에 치환될 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 관능기가 카르복시기인 경우, 상기 가교제는 에틸렌디아민(EDA)일 수 있다. 이 경우, 상기 에틸렌디아민(EDA)의 한 쪽 말단의 상기 아민기와 상기 카르복시기가 결합된 아마이드 결합이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄화규소 섬유의 표면에 상기 아민기가 제공될 수 있다.
상기 그래핀 산화물(G)이 결합된 탄화규소 섬유를 제조하는 단계는, 상기 그래핀 산화물(G)의 수산화기 또는 카르복시기와 상기 아민기가 아마이드 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 산화물(G)이 상기 탄화규소 섬유의 표면에 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 관능기가 수산화기인 경우, 상기 탄화규소 섬유와 결합된 실리콘이 제공되고, 상기 아민기는 상기 그래핀 산화물의 탄소와 결합되고, 상기 실리콘 및 상기 아민기는 탄소 수가 3인 포화 탄화수소로 결합된 상기 그래핀 산화물(G)이 결합된 탄화규소 섬유(100)가 제조될 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 관능기가 카르복시기인 경우, 상기 탄화규소 섬유와 결합된 아마이드기가 제공되고, 상기 아민기는 상기 그래핀 산화물의 탄소와 결합되고, 상기 아마이드기 및 상기 아민기는, 탄소 수가 2인 포화 탄화수소로 결합된 상기 그래핀 산화물(G)이 결합된 탄화규소 섬유(100)가 제조될 수 있다.
도 1을 참조하면, 그래핀 산화물(G)로 코팅된 상기 탄화규소 섬유(100) 및 붕산 분말의 혼합물이 제조될 수 있다(S110).
일 실시 예에 따르면, 그래핀 산화물(G)로 코팅된 상기 탄화규소 섬유(100) 대비 상기 붕산 분말은, 약 1:1000의 질량 비로 혼합할 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합물은 0.003 내지 0.004g의 그래핀 산화물(G)로 코팅된 상기 탄화규소 섬유(100), 및 3 내지 4g의 상기 붕산 분말을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 질소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 그래핀 산화물(G)을 질화붕소(BN)로 치환시켜, 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)이 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 암모니아 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 서로 다른 유량으로 제공되는 질소 가스 및 암모니아 가스의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 가스에서, 상기 질소 가스는 제1 유량으로 제공되고, 상기 암모니아 가스는 상기 제1 유량보다 적은 제2 유량으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 질소 가스의 유량은 0.8L/min이고, 상기 암모니아 가스의 유량은 0.4L/min일 수 있다. 이 때, 상기 그래핀 산화물(G)을 상기 질화붕소(BN)로 치환시키는 치환 반응은 상기 암모니아 가스에 의해 수행될 수 있다. 하지만, 상기 암모니아 가스를 단독으로 사용하는 경우, 상기 치환 반응이 수행되는 챔버 내의 가스의 흐름이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 상기 암모니아 가스는 상기 질소 가스 대비 고가로 비용적인 문제점이 발생할 수 있다. 이에 따라, 상기 치환 반응에서 상기 질소 가스를 첨가한 상기 혼합 가스를 사용하는 것이 더 효과적일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 질소 가스 및 상기 암모니아 가스를 포함하는 상기 혼합 가스 분위기에서 그래핀 산화물(G)로 코팅된 상기 탄화규소 섬유(100) 및 상기 붕산 분말의 상기 혼합물이 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 산화물(G)이 질화붕소로 치환된 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)가 제조될 수 있다.
상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)를 제조하는 단계는, 상기 그래핀 산화물(G) 상의 탄소 원소를 상기 암모니아 가스의 질소 원소로 치환시키는 단계, 및 그래핀 산화물(G) 상의 치환된 상기 질소 가스 주변의 상기 탄소 원소를 상기 붕산의 붕소 원소로 치환시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 질소 원소로 치환시키는 단계는, 상기 그래핀 산화물(G) 표면 상에 수산화기(-OH) 또는 하이드록시기(-COOH)의 관능기와 결합된 탄소 원소를 환원시키고, 동시에 상기 환원된 탄소 원소의 자리에 상기 암모니아 가스의 질소 원소로 치환시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 환원에 의해, 상기 탄소 원소의 상기 관능기가 제거될 수 있다. 이에 따라 결합을 잃어 불안정해진 상기 탄소 원소는 제거되고, 동시에 상기 탄소 원소 자리에 상기 암모니아 가스의 상기 질소 원소가 제공될 수 있다.
상기 붕소 원소로 치환시키는 단계는, 상기 그래핀 산화물(G) 상에 치환된 상기 질소 원소 주변의 상기 탄소 원소를 상기 붕산 분말의 상기 붕소 원소로 치환시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 옥텟 규칙(octet rule)을 만족시키기 위해, 5가의 최외각 전자를 갖는 상기 질소 원소는, 4가의 최외각 전자를 갖는 상기 탄소 원소보다, 3가의 최외각 전자를 갖는 상기 붕소 원소와 더 높은 결합력을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀 산화물(G) 상에 치환된 상기 질소 원소 주변의 상기 탄소 원소가 상기 붕소 원소로 용이하게 치환될 수 있다.
상술된 바와 같이, 옥텟 규칙(octet rule)을 만족시키기 위해, 상기 붕소 원소는 상기 탄소 원소보다, 상기 질소 원소와 결합력이 더 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 붕소 원소로 치환시키는 단계 후에, 상기 질소 원소로 치환시키는 단계가 자발적으로 수행될 수 있다. 이 때, 상기 그래핀 산화물(G)에서 제거된 상기 탄소 원소는 에틸렌 가스(C2H4)로 제거될 수 있다. 상기 에틸렌 가스의 수소 원소는, 상기 질소 원소를 제공하며 분해된 암모니아 가스(NH3) 및 상기 붕소 원소를 제공하며 분해된 붕산 분말(H3BO3)에서 생성될 수 있다.
상기 질소 원소로 치환시키는 단계 및 상기 붕소 원소로 치환시키는 단계가 반복하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 탄화규소 섬유, 및 상기 탄화규소 섬유의 표면에 화학 결합된 질화붕소(BN)를 갖는 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)가 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는, 탄소 원소 또는 산소 원소 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는, 상기 그래핀 산화물(G)의 탄소 원소를 상기 질소 원소 및 상기 붕소 원소로 치환시켜 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는, 국부적인 영역에서 질화붕소(BN)로 치환되지 않은 상기 그래핀 산화물(G)의 구성 원소를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는, 상기 그래핀 산화물(G)의 상기 구성 원소인 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 결합에너지(binding energy) 스펙트럼에서, 상기 질화붕소의 질소 원소 및 붕소 원소의 전자의 계수율(counts per second) 대비 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소의 전자의 계수율(counts per second)이 더 작을 수 있다.
상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)의 표면에 X선을 제공하여, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)의 표면에서 광전자가 방출될 수 있다. 1초당 방출된 상기 광전자의 개수는 상기 전자의 계수율(counts per second)로 정의되고, 방출된 상기 광전자의 운동 에너지(kinetic energy)로 결합 에너지(binding energy)를 계산하여, 상기 결합에너지(binding energy) 스펙트럼이 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는, 표면에 국부적으로 질화붕소(BN)로 치환되지 않은 그래핀 산화물(G)의 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)의 결합에너지(binding energy) 스펙트럼에서, 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소 중에서 어느 하나가 포함될 수 있다. 이 때, 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소는 상기 질화붕소(BN)의 상기 질소 원소 및 상기 붕소 원소 대비 적은 양이 포함될 수 있다. 따라서, 상기 질소 원소 및 상기 붕소 원소 대비 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 원소의 전자의 계수율(counts per second)이 더 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)는 섬유 강화 세라믹 복합체에 이용될 수 있다.
상기 섬유 강화 세라믹 복합체는, 세라믹 물질을 기지상(matrix)으로 포함하고, 섬유상 물질이 첨가되어 상기 복합체의 기계적 물성 등이 강화된 물질일 수 있다. 이 경우, 상기 섬유 강화 세라믹 복합체에서, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유(110)은 상기 기지상과 상기 섬유상 물질 사이의 고체 윤활제로 사용될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 구체적인 제조 방법 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조
0.003 내지 0.004g의 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 및 3 내지 4g의 붕소 분말의 혼합물을 준비하였다. 챔버 내에 상기 혼합물이 제공된 도가니를 장입하였다.
0.8L/min의 질소 가스 및 0.4L/min의 암모니아 가스의 혼합 가스 분위기에서 1300℃의 온도에서 2시간 이상 열처리하여, 상기 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 실험 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 탄소 잔량을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 구성원소 및 상기 구성원소의 비를 확인할 수 있다.
도 4에서 알 수 있듯이, 상기 복합섬유에서 상기 탄소 원소 및 상기 산소 원소가 확인되었다. 상기 탄소 원소 및 상기 산소 원소는 상기 그래핀 산화물의 구성원소로, 상기 그래핀 산화물에서 상기 질화붕소로 치환되었음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 구성원소의 전자의 계수율(counts per second) 값에 의해 상기 구성원소의 비를 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 복합섬유에서 상기 질소 원소, 붕소 원소 및 탄소 원소의 비율은, 각각 46.8%, 45.7% 및 7.5%로 계산되었다. 상기 구성원소의 비를 통해 상기 질화붕소로 치환시키는 단계가, 상기 그래핀 산화물을 상기 질화붕소로 치환시키는 효과적인 방법임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 5를 참조하면, 상기 복합섬유의 단면에서 상기 탄화규소 섬유의 표면에 얇은 띠의 형태가 관찰되었다. 이에 따라, 상기 탄화규소 섬유의 표면에 질화붕소가 형성되었음을 확인 할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
G: 그래핀 산화물
BN: 질화붕소
100: 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유
110: 질화붕소-탄화규소 복합섬유

Claims (9)

  1. 그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계;
    그래핀 산화물로 코팅된 상기 탄화규소 섬유 및 붕산 분말의 혼합물을 제조하는 단계; 및
    질소를 포함하는 가스 분위기에서 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 그래핀 산화물을 질화붕소로 치환시켜, 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 제조하는 단계를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 암모니아 가스를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 질소를 포함하는 가스 분위기는, 서로 다른 유량으로 제공되는 질소 가스 및 암모니아 가스의 혼합 가스를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 질소 가스는 제1 유량으로 제공되고,
    상기 암모니아 가스는 상기 제1 유량보다 적은 제2 유량으로 제공되는 것을 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    그래핀 산화물로 코팅된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계는,
    표면 처리된 탄화규소 섬유를 준비하는 단계;
    표면 처리된 상기 탄화규소 섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하여, 상기 아민기로 표면 개질된 탄화규소 섬유를 제조하는 단계; 및
    표면 개질된 상기 탄화규소 섬유에 그래핀 산화물 용액을 첨가하여, 표면에 그래핀 산화물이 결합된 탄화규소 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유의 제조 방법.
  6. 탄화규소 섬유; 및
    상기 탄화규소 섬유의 표면에 화학 결합된 질화붕소를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 질화붕소-탄화규소 복합섬유는, 탄소 원소 또는 산소 원소 중에서 어느 하나를 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유.
  8. 제7 항에 있어서,
    X선 광전자 분광법(XPS)을 이용한 결합에너지(binding energy) 스펙트럼에서,
    상기 질화붕소의 질소 원소 및 붕소 원소의 전자의 계수율(counts per second) 대비 상기 탄소 원소 또는 상기 산소 전자의 계수율이 더 작은 것을 포함하는 질화붕소-탄화규소 복합섬유.
  9. 제 6항에 따른 질화붕소-탄화규소 복합섬유를 포함하는 섬유 강화 세라믹 복합체.
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CN109678471A (zh) * 2018-12-28 2019-04-26 齐鲁工业大学 WB2与氧化石墨烯自组装包覆Si3N4协同强韧化的陶瓷刀具材料及其制备方法

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