KR970001052B1 - 코디에라이트 복합체 세라믹의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

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Description

코디에라이트 복합체 세라믹의 제조방법
본 발명은 코디에라이트 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
세라믹의 종래의 소재에 비해 많은 장점을 가지나 취성에 의한 파괴가 큰 문제점으로 지적되었다. 이러한 단점을 극복하고 보다 가혹한 환경에서 사용하기 위해 제2상인 보강재로서 섬유, 휘스커(whisker), 플레이트 또는 입자 등을 혼합하여 복합체를 제조하는 방법이 개발되어 왔다. 일반적으로 이들 보강재는 개별적인 공정을 거쳐 제조된 후 세라믹 재료와 혼합, 건조, 성형 및 소결의 과정을 거쳐 최종 세라믹 제품으로 제조된다.
파인 세라믹(fine ceramic)중 코디에라이트(coordierite)는 열팽창성 및 유전성(dielectric)이 낮고 화학적, 열적 안정성이 높기 때문에 전자 산업, 환경산업 또는 우주 산업 등에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 코디에라이트 글래스 세라믹은 적정량의 여러 산화막 세라믹을 균일하게 혼합한 후 건조하고 이를 고온에서 용융한 후 퀀칭(quenching)하여 고체로 성형하고, 얻어진 고체를 분쇄하여 분말을 얻고, 분말을 900 내지 1000℃에서 하소(calcinging)하는 방법을 제조된다.
그러나 이 방법에 의해 제조된 코디에라이트 세라믹은 소결온도 범위가 좁아 충분한 소결이 어렵고 분자 구조내에 있는 H2O의 영향으로 고밀도의 소결체 제조가 불가능하다. 따라서 일반적인 코디에라이트는 저밀도의 소결체로 제조되기 때문에 기계적 강도가 낮아서 그 사용 폭이 제한될 수 밖에 없다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 고밀도의 코디에라이트를 제조하기 위한 방법으로 K2O 또는 TiO2와 같은 소결첨가제를 사용하는 방법이 개발되었다. 이러한 첨가제의 사용에 의해서 고밀도의 코디에라이트가 제조되었으나 이들 첨가제의 작용으로 인해 코디에라이트의 최대 장점인 낮은 열팽창계수가 높아지는 결과를 초래하였다.
따라서 낮은 열팽창계수를 유지하면서 고밀도 코디에라이트를 제조하는 방법으로서 미국 특허 제5,064,783호는 SSG(solution sol-gel) 방법을 제안하였다. 이 방법에서는 중합 알콕시드(alkoxide)를 사용하여 금속 알콕시드를 형성한 후 분해와 결합의 과정을 거쳐 금속-산소-금속 결합을 형성하는 원리를 이용하고 있다. 미국 특허 제5,045,514호는 뮬라이트 졸과 코디에라이트 좋을 별도로 제조한 후 뮬라이드 졸 및 코디에라이트 졸을 혼합하여 겔화시키고 얻어진 겔을 1200℃ 내지 1400℃에서 하소한 후 소결함으로써 뮬라이트/코디에라이트 세라믹을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 또한 미국 특허 제4,888,314호는 낮은 온도에서 소결하여 코디에라이트 세라믹 파우더를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
한편, 보강제는 일반적으로 탄소 열환원법(carbothermal reduction process) 또는 증기-액체-고체 제법(vapor-liquid-solid process)에 의해 제조된다. 예컨대, SiC 휘스커의 경우 원료를 900℃에서 하소한 후 1700℃에서 열분해하여 제조한다. 이렇게 별개로 제조된 보강재와 세라믹 분말을 분산용매에서 교반 또는 초음파 처리를 통해 균일하게 분산시킨 후 항온기에서 건조한 후 하소하고 볼밀로 분쇄한다. 이 혼합체를 성형 및 소결하여 세라믹 제품이 완성된다.
그러나 상술한 것과 같은 방법에서는 세라믹 분말과 보강재와 균일한 분산을 위해 pH의 조절과 교반 또는 초음파 분산 등의 처리를 해야 하기 때문에 제조 비용이 증가하고 시간이 오래 걸리는 문제점이 있어 더욱이 코디에라이트이 제조와 복합체의 제조 공정 모두에 건조 단계가 필요하므로 긴 시간을 요하는 건조공정이 중복되어 막대한 시간과 비용이 초래되며 공정도 복잡하기 때문에 상업적인 생상방법으로는 적합하지 않다.
따라서 본 발명의 목적은 세라믹 제조와 보강재 첨가를 단일공정으로 하여 공정을 단순화하고 시간과 비용을 코디에라이트 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 알루미늄 나이트레이트(aluminium nitrate) 용액 및 마그네슘 마이트레이트(magnesium nitrate) 용액을 혼합하는 단계와, 얻어진 혼합 용액에 실리카 화합물의 졸 및 보강재의 분산액을 차례로 첨가하고 균일하게 혼합하는 단계와, 생성된 혼합물을 겔화하여 건조시킨 후 하소연 다음 분쇄하여 코디에라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 코디에라이트 기지의 세라믹 복합체의 제조방법이 제공된다. 이때 하소 온도는 300 내지 500℃이다.
본 발명에 있어서, 알루미늄 나이트레이트 용액(solution) 및 마그네슘 나이트레이트 용액(solution)은 Al(NO3)3·9H2O와 Mg(NO3)2·6H2O를 적당한 용매, 예컨데 에틸알콜에 용해시켜 제조할 수 있다. 또한 보강재의 분산액은 보강재의 종류와 그 성질에 적합한 용매와 공정을 적절하게 석택하여 제조할 수 있으며, 예컨대 SiC 휘스커의 경우 메틸 알콜 또는 에틸알콜에서 교반하거나 초음파 프로브(ultrasonic probe) 등으로 균일하게 분산시켜 제조될 수 있다.
이와 같이 제조된 알루미늄 나이트레이트 용액과 마그네슘 나이트레이트 용액을 교반하에 혼합하고 여기에 졸 상태의 실리카 화합물을 교반, 혼합한다. 이때 혼합비는 2MgO+2Al2O3+5SiO3를 형성할 수 있도록 MgO : 13.8중량%, Al2O3 : 34.9%, SiO3: 51.3중량%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 실리카 화합물로는 Si(OC2H5)4와 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate)의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이 혼합물에 보강재의 분산액을 첨가한다. 보강재의 혼합량은 보강재와 최종 제품에 요구되는 성질에 따라 그 양을 조절할 수 있으며, 필요한 범위내에서 적절히 선택될 수 있다.
이렇게 얻어진 혼합물을 약 60℃의 수욕에서 겔화하고, 겔 상태의 혼합물을 약 100℃에서 건조시킨다. 건조된 복합체를 약 400℃에서 하소한 후 볼밀(ball mill) 등의 방법으로 분쇄하여 분말을 제조한다. 얻어진 분말은 필요에 따라 성형(forming) 및 소결(sintering)의 과정을 거쳐 제품화된다.
본 발명에 따른 코디에라이트 세라믹 복합체의 제조방법은 코디에라이트 제조시와 복합체의 제조시 중복되는 교반과정 및 건조과정을 단일화함으로써 작업시간과 비용을 절감할 수 있으며, 특히 가장 긴 시간을 요하는 건조과정의 중복을 피할 수 있기 때문에 공정의 시간을 대폭 줄일 수 있다. 따라서 전체공정이 단순하고 회분(batch)식 작업에 의한 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라 이물질의 유입을 방지함으로써 제품의 품질이 향상되는 이점이 있다. 또한 보강재에 의해 취성 파괴를 지연시킬 수 있으므로 세라믹 제품의 강도와 신뢰성이 향상된다.

Claims (4)

  1. 알루미늄 나이트레이트 용액 및 마그네슘 나이트레이트 용액을 혼합하는 단계와, 얻어진 혼합 용액에 실리카 화합물의 졸 및 보강재의 분산액을 차례로 첨가하고 균일하고 혼합하는 단계와, 생성된 혼합물을 겔화하여 건조시킨 후 하소한 다음 분쇄하여 코디에라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하는 코디에라이트 기지의 세라믹 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 나이트레이트 용액 및 마그네슘 나이트레이트 용액은 Al(NO3)3·9H2O와 Mg(NO3)2·6H2O를 알콜에 용해시켜 제조함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보강재가 SiC 휘스커임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리카 화합물이 Si(OC2H5)4및 테트라에틸 오르토실리케이트의 화합물임을 특징으로 하는 방법.
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