WO2018062872A1 - 은-다이아몬드 복합 재료의 제조를 위한 방전플라즈마소결 방법 및 이에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료 - Google Patents

은-다이아몬드 복합 재료의 제조를 위한 방전플라즈마소결 방법 및 이에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료 Download PDF

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    • B22F2302/406—Diamond

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a silver-diamond composite material using a discharge plasma sintering process and to a silver-diamond composite material produced thereby.
  • Silver-diamond composites are diamonds that are highly conductive but have low strength and high density of silver (Ag) and diamonds, which are approximately 3.5 times lighter than silver (Ag) but have excellent abrasion resistance and hardness. It is a composite material that is strengthened by combining mechanical properties of diamond with excellent electrical properties of silver by complexing. The silver-diamond composite material not only has excellent thermal stability but also exhibits a relatively lower thermal expansion rate than that of semiconductors and ceramics. Thus, the silver-diamond composite material is used in heat control devices, microelectronic devices, or optoelectronics such as heat sinks and heat spreaders. Appropriate properties for the control unit
  • the silver-diamond composite material may be coated with molten silver nitrate on the surface of the diamond particles or coated with diamond particles on the porous silver particles.
  • the above methods are complicated by the process, such as heating the silver nitrate to the melting temperature, or to make the silver particles of the porous structure is essential, as well as the diamond has a weak bonding force with other materials uniform. It is difficult to manufacture a composite material exhibiting one characteristic, and thus, a study on how to compensate for it is necessary.
  • Patent Document 01 Korea Patent Publication No. 10-2009-0017020 (Published: 2009.02.18)
  • Patent Document 02 Korean Registered Patent No. 10-0894122 (Published: 2009.04.20)
  • Patent Document 03 Korean Registered Patent No. 10-1201259 (Published Date: 2012.11.14)
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the technical details of the method for producing a silver-diamond composite material that can be easily used in a variety of products requiring high strength and wear resistance by complexing silver and diamond Is to provide.
  • the present invention (a) ball milling the powder and diamond powder to produce a composite powder; And (b) producing a silver-diamond composite material by spark plasma sintering (SPS) of the composite powder prepared in step (a).
  • SPS spark plasma sintering
  • the composite powder is characterized in that it comprises 40 to 90% by volume silver powder and 10 to 60% by volume diamond powder.
  • the silver powder is characterized in that the particle size (D50) is 1 to 5 ⁇ m.
  • the diamond powder is characterized in that the particle size (D90) is 0.1 to 10 ⁇ m.
  • the weight ratio of the silver powder and the diamond powder to the ball (ball) is set to 10: 1 to 1: 10 characterized in that to perform a planetary ball milling process (planatary ball milling process) do.
  • the planetary ball milling process is characterized in that performed for 1 to 20 hours at 100 to 500 rpm.
  • step (c) characterized in that the discharge plasma sintering at a pressure of 30 to 100 MPa.
  • step (c) characterized in that the discharge plasma sintering at a temperature of 700 to 900 °C.
  • step (c) is characterized in that the discharge plasma sintering for 3 to 20 minutes.
  • the present invention also provides a silver-diamond composite material produced using the method described above.
  • the silver-diamond composite material comprises 70 volume percent silver and 30 volume percent diamond and is characterized by a Vickers hardness of 140 HV.
  • a silver powder and a diamond powder are ball milled to prepare a composite powder having a uniform dispersion, and the prepared composite powder is discharged by plasma plasma sintering (SPS).
  • SPS plasma plasma sintering
  • the silver-diamond composite material produced by the above-described method exhibits excellent mechanical properties and can be applied to manufacturing parts of various fields such as automobiles, trains, ships, aerospace, etc.
  • bushings requiring high strength and wear resistance It can be utilized effectively in the manufacture of a bushing (etc.).
  • FIG. 1 is a process chart showing a method for producing a silver-diamond composite material according to the present invention.
  • FIG. 2 is an electron microscope image of a composite powder prepared by performing a planetary ball milling process at 250 rpm for 10 hours according to Example 1.
  • FIG. 2 is an electron microscope image of a composite powder prepared by performing a planetary ball milling process at 250 rpm for 10 hours according to Example 1.
  • Figure 3 is an electron microscope image of the composite powder prepared by the method according to (a) Example 2-1, (b) Example 2-2 and (c) Example 2-3.
  • Figure 4 is a composite powder prepared by the method according to Example 2-3 (Ag-30vol% + D powder), silver-diamond composite material sintered body (Ag-30vol% + D composite) and pure silver powder (Ag powder) X-ray diffraction pattern (XRD diffraction pattern).
  • FIG. 5 is an electron microscope image of the composite powder prepared by the method according to Example 1.
  • Example 6 is an electron microscope image of a composite powder prepared by the method according to Example 2-3.
  • FIG. 7 is an electron microscope image of a composite powder prepared by the method according to Example 3.
  • FIG. 7 is an electron microscope image of a composite powder prepared by the method according to Example 3.
  • FIG. 8 is an actual image of a silver-diamond composite sintered body prepared by the method according to (a) Example 1, (b) Example 2-3, and (c) Example 3.
  • FIG. 8 is an actual image of a silver-diamond composite sintered body prepared by the method according to (a) Example 1, (b) Example 2-3, and (c) Example 3.
  • FIG. 8 is an actual image of a silver-diamond composite sintered body prepared by the method according to (a) Example 1, (b) Example 2-3, and (c) Example 3.
  • FIG. 9 is an actual image of the silver-diamond composite sintered body prepared by the method according to (a) Example 2-3, (b) Example 4 and (c) Example 5.
  • FIG. 9 is an actual image of the silver-diamond composite sintered body prepared by the method according to (a) Example 2-3, (b) Example 4 and (c) Example 5.
  • the present invention comprises the steps of (a) ball milling silver powder and diamond powder to produce a composite powder; And (b) preparing a silver-diamond composite material by spark plasma sintering (SPS) the composite powder prepared in step (a) to produce a silver-diamond composite material ( 1).
  • SPS spark plasma sintering
  • the step (a) is a step of ball milling silver powder and diamond powder to produce a composite powder.
  • the two powders are ball milled to have a uniform dispersion degree.
  • Composite powders can be prepared.
  • the silver powder may be one having a particle size (D50) of 1 to 5 ⁇ m, the diamond powder is performed by the discharge plasma sintering process in a step to be described later using a particle size (D90) of 0.1 to 10 ⁇ m
  • D50 particle size of 1 to 5 ⁇ m
  • D90 particle size of 0.1 to 10 ⁇ m
  • the particle size (D50) of the silver powder means a 50% volume cumulative particle size measured by a laser diffraction scattering particle size distribution measurement method
  • the particle size (D90) of the diamond powder is a laser diffraction scattering equation The 90% volume cumulative particle diameter measured by the particle size distribution measurement method.
  • the particle size of the diamond powder may affect the density, mechanical properties, and the like of the composite material produced in the step described later, it is preferable to select the particle size of the diamond powder in consideration of this, in this step the diamond powder
  • the diamond may be a particle size (D90) of 0.1 to 10 ⁇ m to discharge the plasma sintering to produce a composite material.
  • the diamond powder When the average particle diameter of the diamond powder is less than 0.1 ⁇ m, the diamond powder aggregates with silver during the sintering process and is difficult to be uniformly dispersed. When the average particle diameter of the diamond powder exceeds 10 ⁇ m, the diamond particles have a high temperature. The creep properties may be reduced to form a composite material having a non-uniform structure, and it is preferable to use diamond powder having an average particle diameter in the above range, whereby a silver-diamond composite material having excellent mechanical strength can be manufactured. . More preferably, the diamond may be used having a particle size (D90) of 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the silver-diamond composite material can be affected by mechanical properties by the volume fraction of diamond, such that the composite powder comprises 40 to 90 volume percent silver powder and 10 to 60 volume percent diamond powder.
  • the volume fraction of the diamond powder is less than 10% by volume, the mechanical properties are lowered, and when the volume fraction of the diamond powder exceeds 60% by volume, it is difficult to form a composite particle having a homogeneous size and a decrease in electrical properties.
  • the composite powder may include a diamond at a volume fraction of 30% by volume to prepare a composite material having excellent mechanical and electrical properties.
  • the conductivity of the composite material can be controlled by adjusting the volume fraction of silver.
  • the homogeneous composite powder may be prepared by mixing the silver powder and the diamond powder through various types of ball milling processes such as electric ball milling, stirring ball milling, and planetary ball milling.
  • a composite powder may be prepared by performing a planetary ball milling process, and the weight ratio (BPR) of the silver powder and the diamond powder to the ball is 10: 1 to 1 It is possible to perform the planetary ball milling process by setting to 1:10, and preferably, by performing the planetary ball milling process by setting the BPR to 6: 1, a homogeneous composite powder may be prepared.
  • BPR weight ratio
  • the planetary ball milling process may be performed at 100 to 500 rpm for 1 to 20 hours, and when the time of performing the planetary ball milling process is less than 1 hour, silver powder and diamond powder form coarse particles. There may be a problem that the physical properties of the composite material is poor when manufacturing the composite material through the discharge plasma sintering in a step to be described later. More preferably, the planetary ball milling process may be performed at 250 rpm for 5 to 10 hours to prepare a homogeneous composite powder.
  • a release agent is additionally supplied to the mixed powder of the silver powder and the diamond powder to prevent sticking phenomenon that may occur during the ball milling process.
  • the release agent may be stearic acid (stearic acid) as a representative example.
  • the release agent may be added to the mixed powder of the silver powder and the diamond powder in a range that does not harm the physical properties.
  • the method may further include the step of preparing a molded body by preparing the composite powder prepared as described above, the composite material may be prepared by discharge plasma sintering the molded body as described above.
  • the molded article can be used without limitation as long as it is a method of forming a conventional molded article using powder, and a typical example may be a method of preparing a preform by supplying a composite powder to a mold.
  • the preform may be manufactured by filling the composite powder in a mold provided in a chamber of a spark plasma sintering apparatus.
  • the mold may be provided in various shapes of rod or plate, and a mold made of a material that is stable even at high temperature may not be used as an impurity in a discharge plasma sintering process to be described later.
  • Step (b) is a step of producing a silver-diamond composite material by spark plasma sintering (SPS) of the prepared composite powder.
  • SPS spark plasma sintering
  • a spark discharge phenomenon is generated by a pulsed direct current flowing between particles of the composite powder by applying a direct current to the composite powder under a pressure applied condition, whereby high energy of the discharge plasma is generated instantaneously.
  • the composite powder is sintered by the thermal diffusion and electric field diffusion and the heat generated by the electrical resistance of the mold and the applied pressure and the electrical energy, thereby compacting the composite powder in a short time to produce a composite material.
  • the upper electrode and the lower electrode is provided with a current supplying a current to generate a discharge plasma to form a chamber for accommodating the mold for sintering the composite powder, cooling water Cooling unit for cooling the chamber by passing through, a current supply unit for supplying current to the upper electrode and the lower electrode, a temperature sensing unit for detecting the temperature in the chamber, discharge the bet inside the chamber to the outside Discharge plasma sintering apparatus having a pump capable of supplying a pressure, a pressure supply unit capable of supplying pressure into the chamber, a control unit controlling a temperature of the discharge plasma sintering process according to a temperature detected by the temperature sensing unit, and an operation unit controlling the control unit.
  • a current supplying a current to generate a discharge plasma to form a chamber for accommodating the mold for sintering the composite powder cooling water Cooling unit for cooling the chamber by passing through
  • a current supply unit for supplying current to the upper electrode and the lower electrode
  • a temperature sensing unit for detecting the temperature in the chamber
  • the inside of the chamber is evacuated and depressurized until the inside of the chamber is in a vacuum state, thereby removing impurities in the gas phase present in the chamber.
  • the discharge plasma sintering process may be performed.
  • the composite powder may be heated to a sintering temperature at a temperature rising rate of 100 ° C./min to preheat the composite powder, and then discharge plasma sintering may be performed.
  • the uniform temperature is supplied to the inside and the outside of the composite powder through the plasma sintering process, thereby forming a silver-diamond composite material having a uniform structure.
  • the discharge plasma sintering process may suppress the growth of the silver-diamond composite material particles by controlling the temperature increase rate, thereby controlling the size of the silver-diamond composite material to be manufactured.
  • the discharge plasma sintering process may be configured to be performed at a temperature of 700 to 900 ° C. for 3 to 20 minutes to prepare a silver-diamond composite material.
  • the discharge plasma sintering temperature is less than 700 °C, a sintered compact having a low density is produced, when the discharge plasma sintering temperature exceeds 900 °C crystal grains of the silver-diamond composite material may rapidly grow and mechanical properties may be lowered.
  • the discharge plasma sintering process is configured to perform at a pressure of 30 to 100 MPa to pressurize the composite powder to produce a silver-diamond composite material, the density of the silver-diamond composite material is lowered under a pressure of less than 30 MPa In the case of exceeding 100 MPa, a high pressure may cause cracks in the silver-diamond composite material, so that the discharge plasma sintering process may be performed under the above conditions. More preferably, the discharge plasma sintering process may be performed at a temperature of 850 ° C. and a pressure of 50 MPa for 5 minutes to prepare a silver-diamond composite material having excellent mechanical properties, and the silver produced through the discharge plasma sintering process as described above.
  • the diamond composite material does not generate secondary phases or oxides formed by the combination of silver and diamond, and forms a composite material containing pure silver and diamond, and thus has excellent mechanical properties. .
  • the silver-diamond composite material may be further cooled, thereby obtaining a silver-diamond composite material having excellent mechanical properties. Can be.
  • the silver-diamond composite material may be cooled under a condition of maintaining a pressure of 10 to 100 MPa to suppress the formation of voids and the like formed on the surface and inside of the silver-diamond composite material.
  • the manufacturing method of the silver-diamond composite material according to the present invention by ball milling silver powder and diamond powder to produce a composite powder having a uniform dispersion degree, the composite powder is produced by discharge plasma sintering (spark) By complexing in a short time using plasma sintering (SPS) process, it is possible to easily manufacture high density homogeneous silver-diamond composites, and the conductivity of the composites can be controlled as needed by controlling the content of silver powder. It is possible to manufacture materials that can be used in various fields.
  • SPS plasma sintering
  • the present invention also provides a silver-diamond composite material produced using the method described above.
  • the silver-diamond composite material may include 70% by volume of silver and 30% by volume of diamond, and the silver-diamond composite including silver and diamond in the volume fraction is lower in density than pure silver, Vickers hardness is 140 HV, showing excellent mechanical properties.
  • the silver-diamond composite material exhibits excellent mechanical properties (density, Vickers hardness, etc.), and thus can be applied to manufacturing parts of various fields such as automobiles, trains, ships, aerospace, etc., in particular, high strength and wear resistance are required. It can be effectively used in the manufacture of the bushing (bushing) or the like.
  • the ball and the weight ratio of the composite powder were set to 6: 1, respectively, and the balls were put therein, and a composite ball milling process was performed at 250 rpm for 10 hours to produce a composite powder (FIG. 2).
  • the atmosphere ball milling process was carried out by setting the interval (10 minutes: 10 minutes) in the air atmosphere.
  • the prepared composite powder was charged into a mold (graphite material), and the mold was mounted in a chamber of a discharge plasma sintering apparatus.
  • the pressure in the chamber was adjusted to a vacuum state, and current was applied to the upper electrode and the lower electrode to perform a discharge plasma sintering process for 5 minutes at a temperature of 850 ° C. and a pressure condition of 50 MPa, as shown in FIG. 8 (a).
  • a silver-nano diamond composite sintered body (Ag-10 vol% + 125 nm D composite) was prepared.
  • Example 2 The same method as in Example 1 was used except that 30 vol.% Of nanodiamond powder was supplied, and a composite powder (5h ball milled Ag-30vol% 125 nm D powder) was prepared by performing a planetary ball milling process for 1 hour. Thus, a silver-nano diamond composite material sintered body (1h ball milled, Ag-30vol% 125nm D composite) was manufactured.
  • Example 2 The same method as in Example 1 was used except that 30 vol.% Of nanodiamond powder was supplied and a composite powder (5h ball milled Ag-30vol% 125 nm D powder) was prepared by performing a planetary ball milling process for 5 hours. Thus, a silver-nano diamond composite material sintered body (5h ball milled, Ag-30vol% 125nm D composite) was manufactured.
  • Example 2 Using the same method as in Example 1, except that 30 vol.% Of nanodiamond powder was supplied and a planetary ball milling process was performed for 10 hours to produce a composite powder (10h ball milled Ag-30vol% 125 nm D powder).
  • the silver-nano diamond composite material sintered body (Ag-30vol% 125 nm D composite) was produced, as shown to FIG. 8 (b) and FIG. 9 (a).
  • Fig. 8 (c) using the same method as in Example 1, except that 60 vol% of the nanodiamond powder was supplied to produce a composite powder (Ag-60vol% 125 nm D powder).
  • a nanodiamond composite sintered body (Ag-60 vol% 125 nm D composite) was prepared.
  • the composite powder of FIG. 2-1 prepared by performing a ball milling process for 1 hour (FIG. 3 (a)) is formed by cold welding of particles, thereby assembling the composite powder ( It was confirmed that agglomeration) formed some coarse particles, thereby forming a composite powder having non-uniform particles.
  • the composite powder of Example 2-2 prepared by performing the ball milling process for 5 hours (Fig. 3 (b)) and the composite powder of Example 2-3 prepared by performing the ball milling process for 10 hours ( 3 (c)) it can be seen that coarse particles are destroyed so that the particles of the composite powder are purified and saturated with the purified particles.
  • Example 2-3 the composite powder of Example 2-3 (Ag-30vol% D powder) and the silver-nano diamond composite of Example 2-3
  • An XRD diffraction pattern of the material sintered compact (Ag-30vol% D composite) and pure silver powder (Ag powder) was performed, and the results are shown in FIG. 4.
  • the silver-nano diamond composite material sintered body of Example 2-3 was confirmed to have the same XRD pattern as that of pure silver powder, and thus, no phase change was generated by the spark plasma discharge sintering process. It was confirmed that the change of the component according to the process does not occur.
  • Example 1 In order to analyze the effect of the inclusion content of diamond on the silver-diamond composite material, the scanning electron microscope of Example 1 (FIG. 5), Example 2-3 (FIG. 6) and Example 3 (FIG. 7) were used. Morphological characteristics of the composite powder were analyzed.
  • the composite powder of Example 1 comprising 10% by volume of nanodiamond powder and the composite powder of Example 3 comprising 60% by volume of nanodiamond powder exhibited non-homogeneous particle size.
  • the composite powder of Example 2-3 containing 30% by volume nanodiamond powder can be confirmed that the particles having a uniform size is formed, diamond It was confirmed that the volume fraction of s affected the homogenization of the composite powder sintered body.
  • the silver-nano diamond composite material sintered bodies of Examples 1, 2-3 and 3 were all harder in terms of hardness than the silver Ag sample of the comparative example. Was found to be significantly higher, and the density tended to decrease as the diamond volume fraction increased, indicating that the diamond volume fraction affected the properties of the composite material. there was.
  • Example 2-3 having a volume fraction of diamond of 30% by volume, it was confirmed that hardness was the best, and Vickers hardness was increased up to 30% by volume of diamond, but the volume fraction of diamond was increased. It was confirmed that the decrease according to, it was confirmed that the silver-nano diamond composite material sintered body of Example 2-3 has the best mechanical strength, through which it was possible to specify the optimum volume fraction of the diamond.
  • the silver-nano diamond composite material and the silver prepared by the method according to Examples 2-3, 4 and 5 and Comparative Examples The density and Vickers hardness of the diamond composite material sintered body were measured, and the results are shown in Table 2 below.
  • the diameter of the diamond powder did not affect the density of the composite material, but the smaller the particle size of the diamond powder was confirmed that the hardness of the composite material was better, the silver according to Example 2
  • the Vickers hardness of the nanodiamond composite sintered body is about 6 times higher than the silver specimen of the comparative example, but the Vickers hardness is about 6 times higher. It can be confirmed that it can be applied to the manufacture of parts in various fields such as ships, aerospace, etc., and in particular, it can be effectively used in the manufacture of bushings requiring high strength and wear resistance.
  • the present invention is to produce a composite powder having a uniform dispersion by ball milling silver powder and diamond powder, and to easily and densely homogeneous by complexing the prepared composite powder in a short time using a spark plasma sintering (SPS) process
  • SPS spark plasma sintering
  • One silver-diamond composite material may be prepared, and the conductivity of the composite material may be controlled as needed through a method of controlling the content of silver powder, and thus may be utilized in various fields.
  • the silver-diamond composite material produced by the present invention exhibits excellent mechanical properties and can be applied to manufacturing parts in various fields such as automobiles, trains, ships, aerospace, etc. In particular, bushings requiring high strength and wear resistance are required. ) Can be effectively utilized in the manufacture of.

Abstract

본 발명은, (a) 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 복합 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 단계를 포함하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법에 따르면, 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합 분말을 제조하고, 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 공정을 이용해 단시간에 복합화함으로써 손쉽게 고밀도의 균질한 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있으며, 은 분말의 함량을 조절하는 방법을 통해 필요에 따라 복합 재료의 전도성을 제어할 수 있어 다양한 분야에 활용가능한 소재를 제조할 수 있다. 또한, 상기한 방법에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료는 우수한 기계적 특성(밀도, 비커스 경도 등)을 나타내어 자동차, 열차, 선박, 우주항공 등의 다양한 분야의 부품제조에 적용이 가능하며, 특히, 고강도 및 내마모성이 요구되는 부싱류(bushing) 등의 제조에 효과적으로 활용될 수 있다.

Description

은-다이아몬드 복합 재료의 제조를 위한 방전플라즈마소결 방법 및 이에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료
본 발명은 방전 플라즈마 소결 공정을 이용하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 방법과 이에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료에 관한 것이다.
은-다이아몬드 복합 재료(silver-diamond composite)는, 전도성이 뛰어나지만 강도가 약하고 밀도가 높은 은(Ag)과 내마모성과 경도는 매우 우수하지만 은(Ag) 비해 대략 3.5배 정도 가볍고 절연성을 나타내는 다이아몬드를 복합화하여 은이 갖는 우수한 전기적 특성에 다이아몬드가 갖는 기계적 특성이 복합화되어 강화된 복합소재이다. 상기한 은-다이아몬드 복합 재료는 뛰어난 열안정성을 가질 뿐만 아니라 반도체 및 세라믹보다 상대적으로 낮은 열팽창률을 나타내어 은-다이아몬드 복합 재료는 열제어 장치, 미세 전자 기기 또는 광전자 등에서 히트 싱크 및 히트 스프레더 등과 같은 열제어 장치에 적합한 특성을 보인다.
종래에는 상기와 같은 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하기 위해서, 용융된 질산은(silver nitrate)을 다이아몬드 입자의 표면에 코팅하거나, 다공성 은 입자(porous silver particles)에 다이아몬드 입자를 코팅하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하여 왔으나, 상기한 방법들은 질산은을 용융온도까지 가열하거나, 다공성 구조의 은 입자를 만드는 등의 공정이 필수적으로 수반되어 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라, 다이아몬드가 다른 물질과의 결합력이 약해 균일한 특성을 나타내는 복합 재료의 제조가 어려운 문제점이 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
(특허문헌 01) 한국공개특허 제10-2009-0017020호 (공개일 : 2009.02.18)
(특허문헌 02) 한국등록특허 제10-0894122호 (공개일 : 2009.04.20)
(특허문헌 03) 한국등록특허 제10-1201259호 (공개일 : 2012.11.14)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 은과 다이아몬드를 손쉽게 복합화하여 고강도 및 내마모성이 요구되는 다양한 제품에 활용이 가능한 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 복합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 단계를 포함하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 복합 분말은 40 내지 90 부피%의 은 분말 및 10 내지 60 부피%의 다이아몬드 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 은 분말은 입자의 크기(D50)가 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 분말은 입자의 크기(D90)가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (a)에서는, 볼(ball)에 대한 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말의 중량비를 10 : 1 내지 1 : 10으로 설정하여 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유성 볼밀링 공정은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (c)는, 30 내지 100 MPa의 압력으로 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (c)는, 700 내지 900 ℃의 온도로 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (c)는, 3 내지 20분 동안 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법을 이용해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료를 제공한다.
또한, 상기 은-다이아몬드 복합 재료는 70 부피%의 은 및 30 부피%의 다이아몬드를 포함하며, 비커스 경도가 140 HV인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법에 따르면, 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합 분말을 제조하고, 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 공정을 이용해 단시간에 복합화함으로써 손쉽게 고밀도의 균질한 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있으며, 은 분말의 함량을 조절하는 방법을 통해 필요에 따라 복합 재료의 전도성을 제어할 수 있어 다양한 분야에 활용가능한 소재를 제조할 수 있다.
또한, 상기한 방법에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료는 우수한 기계적 특성을 나타내어 자동차, 열차, 선박, 우주항공 등의 다양한 분야의 부품제조에 적용이 가능하며, 특히, 고강도 및 내마모성이 요구되는 부싱류(bushing) 등의 제조에 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 250 rpm으로 10시간 동안 유성 볼밀링 공정을 수행하여 제조한 복합 분말을 촬영한 전자현미경 이미지이다.
도 3은 (a) 실시예 2-1, (b) 실시예 2-2 및 (c) 실시예 2-3에 따른 방법에 의해 제조한 복합 분말을 촬영한 전자현미경 이미지이다.
도 4는 실시예 2-3에 따른 방법에 의해 제조한 복합 분말(Ag-30vol% + D powder), 은-다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-30vol% + D composite) 및 순수한 은 분말(Ag powder)의 X선 회절 분석 결과(XRD diffraction pattern)이다.
도 5는 실시예 1에 따른 방법에 의해 제조한 복합 분말을 촬영한 전자현미경 이미지이다.
도 6은 실시예 2-3에 따른 방법에 의해 제조한 복합 분말을 촬영한 전자현미경 이미지이다.
도 7은 실시예 3에 따른 방법에 의해 제조한 복합 분말을 촬영한 전자현미경 이미지이다.
도 8은 (a) 실시예 1, (b) 실시예 2-3 및 (c) 실시예 3에 따른 방법에 의해 제조한 은-다이아몬드 복합 재료 소결체를 촬영한 실제 이미지이다.
도 9는 (a) 실시예 2-3, (b) 실시예 4 및 (c) 실시예 5에 따른 방법에 의해 제조한 은-다이아몬드 복합 재료 소결체를 촬영한 실제 이미지이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은, (a) 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 복합 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 단계를 포함하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법을 제공한다(도 1).
상기 단계 (a)는, 은 분말(silver powder) 및 다이아몬드 분말(diamond powder)을 볼밀링하여 복합 분말을 제조하는 단계로서, 본 단계에서는 상기 2종의 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합 분말을 제조할 수 있다.
상기 은 분말은 입자의 크기(D50)가 1 내지 5 ㎛인 것을 사용할 수 있으며, 상기 다이아몬드 분말은 입자의 크기(D90)가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 사용하여 후술할 단계에서 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 물성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다.
참고로, 상기 은 분말의 입자 크기(D50)는, 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정법에 의해 측정된 50% 체적 누적 입경을 의미하는 것이고, 상기 다이아몬드 분말의 입자 크기(D90)는, 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정법에 의해 측정된 90% 체적 누적 입경을 의미하는 것이다.
특히, 상기 다이아몬드 분말의 입자 크기는 후술할 단계에서 제조되는 복합 재료의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미칠 수 있어, 이를 고려하여 다이아몬드 분말의 입자 크기를 선택하는 것이 바람직하며, 본 단계에서는 상기 다이아몬드 분말을 방전 플라즈마 소결하여 복합 재료를 제조할 수 있도록 상기 다이아몬드는 입자의 크기(D90)가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 다이아몬드 분말의 평균입경이 0.1 ㎛ 미만인 경우에는, 상기 다이아몬드 분말이 소결 공정 중에 은과 함께 응집되어 균일하게 분산되기 어렵고, 상기 다이아몬드 분말의 평균입경이 10 ㎛를 초과하는 경우에는, 다이아몬드 입자의 고온 크립특성이 저하되어 불균일한 구조의 복합 재료가 형성될 수 있어, 상기의 범위로 평균입경을 가지는 다이아몬드 분말을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 의해 기계적 강도가 우수한 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 다이아몬드는 입자의 크기(D90)가 0.1 내지 2 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 은-다이아몬드 복합 재료는 다이아몬드의 부피분율(volume fraction)에 의해 기계적 특성이 영향을 받을 수 있어, 상기 복합 분말은 40 내지 90 부피%의 은 분말 및 10 내지 60 부피%의 다이아몬드 분말을 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 다이아몬드 분말의 부피분율이 10 부피% 미만인 경우, 기계적 특성이 떨어지며, 60 부피%를 초과하는 경우에는 전기적 특성의 저하 및 균질한 크기의 복합 재료 입자가 형성되기 어렵다. 바람직하게는, 상기 복합 분말은 30 부피%의 부피분율로 다이아몬드를 포함하여 기계적 특성과 전기적 특성이 우수한 복합 재료를 제조할 수 있다. 나아가, 은의 부피분율을 조절하는 방법을 통해 복합 재료의 전도성을 제어할 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 전동 볼밀링, 교반 볼밀링, 유성 볼밀링 등의 다양한 형태의 볼밀링 공정을 통해 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말을 혼합하여 균질한 복합 분말을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 본 단계에서는 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 복합 분말을 제조할 수 있으며, 볼(ball)에 대한 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말의 중량비(BPR)를 10 : 1 내지 1 :10으로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 BPR을 6 : 1로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행함으로써, 균질한 복합 분말을 제조할 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, 은 분말 및 다이아몬드 분말이 조대한 입자를 형성하여 후술할 단계에서 방전 플라즈마 소결을 통해 복합 재료를 제조시 복합 재료의 물성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 유성 볼밀링 공정을 250 rpm으로 5 내지 10시간 동안 수행하도록 구성하여 균질한 복합 분말을 제조할 수 있다.
아울러, 본 단계에서는 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하기 위해서, 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말의 혼합 분말에 이형제를 추가로 공급하여 볼밀링 공정 중에 발생할 수 있는 스티킹(sticking) 현상 등을 방지하도록 구성할 수 있으며, 상기 이형제로는 스테아릭산(stearic acid)을 대표적인 예로 들 수 있다. 이때, 상기 이형제는 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말의 혼합 분말에 물성을 해치지 않는 범위로 첨가할 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 상기와 같이 제조한 복합 분말을 예비하여 성형체를 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기와 같은 성형체를 방전 플라즈마 소결하여 복합 재료를 제조할 수 있다. 상기 성형체는 분말을 이용한 통상적인 성형체의 형성방법이라면 제한받지 않고 사용할 수 있으며, 몰드에 복합 분말을 공급하여 예비 성형체를 제조하는 방법을 대표적인 예로 들 수 있다.
예를 들면, 상기 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 장치의 챔버에 구비되는 몰드에 복합 분말을 충진하는 과정을 통해 예비 성형체를 제조할 수 있다. 상기 몰드는 봉상 또는 판상의 다양한 형상으로 구비될 수 있으며, 후술할 방전 플라즈마 소결 공정에서 불순물로 작용될 수 없도록, 고온에서도 안정한 소재로 이루어진 몰드를 사용할 수 있다.
상기 단계 (b)는, 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 단계이다.
상기 방전 플라즈마 소결은, 압력이 가해지는 조건에서 상기 복합 분말에 직류 전류를 가해 복합 분말의 입자 사이로 흐르는 펄스상의 직류 전류에 의해 불꽃방전 현상이 발생되고, 이에 의해 순간적으로 발생하는 방전 플라즈마의 높은 에너지에 의한 열확산 및 전계 확산과 몰드의 전기저항에 의한 발열 및 가해지는 압력과 전기에너지에 의해 복합 분말이 소결되어 단시간에 복합 분말을 복합화하여 치밀화를 이루어 복합 재료를 제조할 수 있으며, 이러한 소결능을 통해 복합 재료의 결정립 성장의 효과적인 제어를 달성할 수 있고, 균일한 미세구조를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기 방전 플라즈마 소결 공정을 위해, 예를 들어, 상부전극 및 하부전극이 구비되어 전류를 공급하여 방전 플라즈마를 발생시켜 복합 분말을 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 방전 플라즈마 소결 공정의 온도를 제어하는 제어부 및 상기 제어부를 조절할 수 있는 조작부를 구비한 방전 플라즈마 소결장치를 이용하여 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
본 단계에서는 상기 복합 분말을 방전 플라즈마 소결하기 위해서, 상기 방전 플라즈마 장치에 구비된 펌프를 이용하여 챔버의 내부가 진공 상태가 될 때까지, 배기하여 감압시킴으로써, 챔버 내에 존재하는 가스 상의 불순물을 제거하고, 산화를 방지하도록 구성하여 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 복합 분말을 100 ℃/분의 승온 속도로 소결 온도까지 가열하여 상기 복합 분말을 선예열한 후, 방전 플라즈마 소결을 수행할 수 있고, 상기와 같은 승온속도로 복합 분말을 선예열하여, 방전 플라즈마 소결 공정을 통해 복합 분말의 내부 및 외부에 균일한 온도가 공급됨으로 인해 균일한 구조의 은-다이아몬드 복합 재료를 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 승온 속도를 조절하여 은-다이아몬드 복합 재료 입자의 성장을 억제할 수 있어 제조되는 은-다이아몬드 복합 재료의 크기를 제어할 수 있다.
상기한 방전 플라즈마 소결 공정은 바람직하게는, 700 내지 900 ℃의 온도에서 3 내지 20분 동안 수행하도록 구성하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있다. 이때, 방전 플라즈마 소결온도가 700 ℃ 미만일 경우, 저밀도를 가지는 소결체가 제조되며, 방전 플라즈마 소결 온도가 900 ℃를 초과하는 경우 은-다이아몬드 복합 재료의 결정립이 급성장하여 기계적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 3분 미만으로 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 경우, 불완전한 소결로 인해 충분한 소결 효과를 기대하기 어렵고, 소결 시간이 20분을 초과하는 경우, 에너지의 소모가 증가해 비경제적일 뿐만 아니라, 소결에 의한 치밀화 효과를 더 이상 기대하기 어렵다.
아울러, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 30 내지 100 MPa의 압력하에서 수행하도록 구성하여 복합 분말을 가압하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있으며, 30 MPa 미만의 압력하에서는 은-다이아몬드 복합 재료의 밀도가 저하되는 단점이 있고, 100 MPa를 초과하는 경우에서는 압력이 높아 은-다이아몬드 복합 재료에 균열이 발생할 수 있어 상기한 조건으로 방전 플라즈마 소결 공정을 수행할 수 있다. 보다 바람직하게는 850 ℃의 온도 및 50 MPa의 압력하에서 5분 동안 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 기계적 특성이 우수한 은-다이아몬드 복합 재료을 제조할 수 있으며, 상기와 같은 방전 플라즈마 소결공정을 통해 제조한 은-다이아몬드 복합 재료는 은과 다이아몬드의 결합으로 인해 형성되는 이차상(secondary phase) 또는 산화물 등이 생성되지 않고, 순수하게 은 및 다이아몬드 만을 포함하는 복합재료를 형성하여 복합재료의 기계적 특성이 매우 우수하다.
또한, 본 단계에서는 상기와 같은 은-다이아몬드 복합 재료를 소결한 후, 상기 은-다이아몬드 복합 재료를 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해 기계적 특성이 우수한 은-다이아몬드 복합 재료를 수득할 수 있다.
본 단계에서는 10 내지 100 MPa의 압력을 유지하는 조건에서 상기 은-다이아몬드 복합 재료를 냉각하도록 구성하여 상기 은-다이아몬드 복합 재료의 표면 및 내부에 형성되는 보이드 등의 형성을 억제할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법에 따르면, 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합 분말을 제조하고, 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 공정을 이용해 단시간에 복합화함으로써 손쉽게 고밀도의 균질한 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있으며, 은 분말의 함량을 조절하는 방법을 통해 필요에 따라 복합 재료의 전도성을 제어할 수 있어 다양한 분야에 활용가능한 소재를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법을 이용해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료를 제공한다.
특히, 상기 은-다이아몬드 복합 재료는 70부피%의 은 및 30 부피%의 다이아몬드를 포함할 수 있으며, 상기 부피분율로 은 및 다이아몬드를 포함하는 은-다이아몬드 복합재료는 순수한 은에 비해 밀도가 낮으나, 비커스 경도가 140 HV으로 우수한 기계적 특성을 나타낸다.
따라서, 상기한 은-다이아몬드 복합 재료는 우수한 기계적 특성(밀도, 비커스 경도 등)을 나타내어 자동차, 열차, 선박, 우주항공 등의 다양한 분야의 부품제조에 적용이 가능하며, 특히, 고강도 및 내마모성이 요구되는 부싱류(bushing) 등의 제조에 효과적으로 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
전체 입자 분포중 50%의 위치를 차지하고 있는 입자의 크기(D50)가 2 ㎛인 은 분말(D50 = 2 ㎛)과, 전체 입자 분포중 90%의 위치를 차지하고 있는 입자의 크기(D90)가 125 nm인 단결정 나노 다이아몬드 분말(D90 = 125 nm) 10 부피%를 유성볼 밀링 장치에 공급하고, 1g의 스테아릭산(strearic acid)을 투입하였다. 볼(ball)과 복합 분말의 중량비를 각각 6 : 1로 설정하여 볼을 투입하고, 250 rpm으로 10시간 동안 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하여 복합 분말(도 2)을 제조하였으며, 대기 분위기 하에서 간격(interval)을 10분:10분으로 설정하여 유성 볼밀링 공정을 수행하였다.
제조한 복합 분말을 몰드(graphite 재질)에 장입하고, 몰드를 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 장착하였다. 챔버에 압력을 진공상태가 되도록 조절하고, 상부 전극 및 하부 전극에 전류를 인가하여 850 ℃의 온도 및 50 MPa의 압력조건하에서 5분 동안 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여, 도 8(a)에 나타낸 바와 같은, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-10vol% + 125nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 2-1>
나노 다이아몬드 분말 30 부피%를 공급하고, 1시간 동안 유성 볼밀링 공정을 수행하여 복합 분말(5h ball milled Ag-30vol% 125nm D powder)을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(1h ball milled, Ag-30vol% 125nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 2-2>
나노 다이아몬드 분말 30 부피%를 공급하고, 5시간 동안 유성 볼밀링 공정을 수행하여 복합 분말(5h ball milled Ag-30vol% 125nm D powder)을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(5h ball milled, Ag-30vol% 125nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 2-3>
나노 다이아몬드 분말 30 부피%를 공급하고 10시간 동안 유성 볼밀링 공정을 수행하여 복합 분말(10h ball milled Ag-30vol% 125nm D powder)을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 도 8(b) 및 도 9(a)에 나타낸 바와 같은, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-30vol% 125nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 3>
나노 다이아몬드 분말 60 부피%를 공급하여 복합 분말(Ag-60vol% 125nm D powder)을 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 도 8(c)에 나타낸 바와 같은, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-60vol% 125nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 4>
입자의 크기(D90)가 250 nm인 나노 다이아몬드 분말(D90 = 250 nm)을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 2-3과 동일한 방법을 이용하여, 도 9(b)에 나타낸 바와 같은, 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-30vol% 250nm D composite)를 제조하였다.
<실시예 5>
입자의 크기(D90)가 2 ㎛인 다이아몬드 분말(D90 = 2 ㎛)을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 2-3과 동일한 방법을 이용하여, 도 9(c)에 나타낸 바와 같은, 은-다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-30vol% 2 ㎛ D composite)를 제조하였다.
<비교예>
은 분말(D50 = 2 ㎛) 만을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 유성 볼밀링 공정 및 스파크 방전 플라즈마 공정을 수행하여 은 시편(pure Ag bulk)을 제조하였다.
<실험예 1> 볼밀링 공정의 수행시간이 미치는 영향 분석
복합 재료 소결체의 제조에서, 볼밀링 공정의 수행시간이 복합재료의 물성에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 주사전자현미경을 이용해 실시예 2-1 내지 2-3에 따른 방법에 의해 제조된 복합 분말의 표면을 전자현미경을 이용해 촬영하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 볼밀링 공정을 1시간 동안 수행하여 제조한 실시예 2-1의 복합 분말(도 3(a))은 입자가 냉간압접(cold welding)이 유도돼 복합 분말이 조립(agglomeration)되어 조대한 입자가 일부 형성되어 불균일한 입자를 갖는 복합 분말이 형성된다는 사실을 확인할 수 있었다. 반면에, 볼밀링 공정을 5시간 동안 수행하여 제조한 실시예 2-2의 복합 분말(도 3(b)) 및 볼밀링 공정을 10시간 동안 수행하여 제조한 실시예 2-3의 복합 분말(도 3(c))은 조대한 입자가 파괴되어 복합 분말의 입자가 정제되어 정제된 입자들로 포화를 이룬다는 사실을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 볼밀링 공정을 5시간 이상 수행하여 복합 분말을 제조하는 것이 바람직하며, 볼밀링 공정을 5시간 이상 수행하여 복합 분말에 정제된 입자들이 포화를 이루어 각각의 입자들이 균질하게 분산됨에 따라, 스파크 플라즈마 방전 소결공정을 수행시 균질한 복합 재료를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 제조한 은-다이아몬드 복합 재료 소결체의 상변화 분석
실시예에 따른 방법에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료의 상변화를 분석하기 위해서, 실시예 2-3의 복합 분말(Ag-30vol% D powder) 및 실시예 2-3의 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체(Ag-30vol% D composite)와 순수한 은 분말(Ag powder)의 X선 회절 분석(XRD diffraction pattern)을 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 2-3의 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체는 순수한 은 분말이 갖는 것과 동일한 XRD 패턴이 확인되었으며, 이를 통해, 스파크 플라즈마 방전 소결 공정에 의한 상변화가 발생되지 않아, 공정에 따른 성분의 변화가 발생되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> 다이아몬드의 포함함량이 미치는 영향 분석
다이아몬드의 포함함량이 은-다이아몬드 복합 재료에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 주사전자현미경을 이용하여 실시예 1(도 5), 실시예 2-3(도 6) 및 실시예 3(도 7)의 복합 분말의 형태학적 특성을 분석하였다.
도 5 및 도 7에 나타난 바와 같이, 10 부피%의 나노 다이아몬드 분말을 포함하는 실시예 1의 복합 분말 및 60 부피%의 나노 다이아몬드 분말을 포함하는 실시예 3의 복합 분말은 균질하지 않은 입자 크기를 갖는 것을 확인할 수 있는 반면에, 도 6에 나타난 바와 같이, 30 부피%의 나노 다이아몬드 분말을 포함하는 실시예 2-3의 복합 분말은 균질한 크기를 갖는 입자가 형성되어 있음을 확인할 수 있어, 다이아몬드의 부피분율이 복합 분말 소결체의 균질화에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다.
또한, 다이아몬드의 포함함량이 복합 재료에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 방법에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료 소결체의 밀도(density, g/cm) 및 비커스 경도(hardness, HV)를 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
시료 밀도(g/cm) 경도( HV)
비교예 10.49 (100%) 25 HV
실시예 1 9.79 (93%) 96 HV
실시예 2-3 8.39 (87%) 140 HV
실시예 3 6.29 (83%) 104 HV
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 실시예 2-3 및 실시예 3의 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체는, 모두 비교예의 은 시편(pure Ag bulk)에 비해 밀도가 낮은대도 불구하고, 경도가 현저히 높은것을 확인할 수 있었고, 다이아몬드의 부피분율(volume fraction)이 증가함에 따라 밀도가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있어, 다이아몬드의 부피 분율이 복합 재료의 특성에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 다이아몬드의 부피분율이 30부피%인 실시예 2-3의 경우, 경도가 가장 우수한 것을 확인할 수 있었고, 비커스 경도는 다이아몬드의 부피분율이 30부피%까지는 증가하였으나, 다이아몬드의 부피분율이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있어, 실시예 2-3의 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체가 가장 우수한 기계적 강도를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었고, 이를 통해, 다이아몬드의 최적 부피분율을 특정지을 수 있었다.
<실험예 4> 다이아몬드 분말의 입자 크기가 미치는 영향을 분석
다이아몬드 분말의 입자크기가 은-다이아몬드 복합 재료에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 실시예 2-3, 실시예 4 및 실시예 5와 비교예에 따른 방법에 의해 제조된 은-나노 다이아몬드 복합 재료와 은-다이아몬드 복합 재료 소결체의 밀도 및 비커스 경도를 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
시료 밀도(g/cm) 경도(HV)
비교예 10.49 (100%) 25 HV
실시예 2-3 8.39 (87%) 140 HV
실시예 4 8.39 (91%) 124 HV
실시예 5 8.39 (91%) 111 HV
표 2에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 분말의 직경은 복합 재료의 밀도에 영향을 주지 않았으나, 다이아몬드 분말의 입자 크기가 작을수록 복합 재료의 경도가 더욱 우수하다는 사실을 확인할 수 있었고, 실시예 2에 따른 은-나노 다이아몬드 복합 재료 소결체의 비커스 경도는 비교예의 은 시편에 비해 밀도가 낮은대도 불구하고, 대략 6배 정도로 비커스 경도가 높아, 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료는 자동차, 열차, 선박, 우주항공 등의 다양한 분야의 부품제조에 적용이 가능하며, 특히, 고강도 및 내마모성이 요구되는 부싱류(bushing) 등의 제조에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명은 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 균일한 분산도를 갖는 복합 분말을 제조하고, 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 공정을 이용해 단시간에 복합화함으로써 손쉽게 고밀도의 균질한 은-다이아몬드 복합 재료를 제조할 수 있으며, 은 분말의 함량을 조절하는 방법을 통해 필요에 따라 복합 재료의 전도성을 제어할 수 있어 다양한 분야에 활용 가능할 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료는 우수한 기계적 특성을 나타내어 자동차, 열차, 선박, 우주항공 등의 다양한 분야의 부품제조에 적용이 가능하며, 특히, 고강도 및 내마모성이 요구되는 부싱류(bushing) 등의 제조에 효과적으로 활용될 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 은 분말 및 다이아몬드 분말을 볼밀링하여 복합 분말을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 복합 분말을 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)하여 은-다이아몬드 복합 재료를 제조하는 단계를 포함하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 분말은 40 내지 90 부피%의 은 분말 및 10 내지 60 부피%의 다이아몬드 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 은 분말은 입자의 크기(D50)가 1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 분말은 입자의 크기(D90)가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서는, 볼(ball)에 대한 상기 은 분말 및 다이아몬드 분말의 중량비를 10 : 1 내지 1 : 10으로 설정하여 유성 볼밀링 공정(planatary ball milling process)을 수행하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유성 볼밀링 공정은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 20시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 30 내지 100 MPa의 압력으로 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 700 내지 900 ℃의 온도로 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 3 내지 20분 동안 방전 플라즈마 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용해 제조된 은-다이아몬드 복합 재료.
  11. 제10항에 있어서,
    70부피%의 은 및 30 부피%의 다이아몬드를 포함하며, 비커스 경도가 140 HV인 것을 특징으로 하는 은-다이아몬드 복합 재료.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0762187B2 (ja) * 1986-06-02 1995-07-05 住友電気工業株式会社 電気接点材料及びその製造方法
JPH08239724A (ja) * 1995-02-01 1996-09-17 Degussa Ag 電気接点のための材料
JP2012507623A (ja) * 2008-11-06 2012-03-29 ドデュコ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテルハフツング 電気接点用半完成品の製造方法、及び、電気接点用半完成品、及び、電気接点部材
KR20150063272A (ko) * 2013-11-29 2015-06-09 엘에스산전 주식회사 전기접점재료 및 이의 제조방법
KR20150103569A (ko) * 2014-03-03 2015-09-11 희성금속 주식회사 차단기용 은-카본계 전기접점재료 및 이의 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0762187B2 (ja) * 1986-06-02 1995-07-05 住友電気工業株式会社 電気接点材料及びその製造方法
JPH08239724A (ja) * 1995-02-01 1996-09-17 Degussa Ag 電気接点のための材料
JP2012507623A (ja) * 2008-11-06 2012-03-29 ドデュコ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテルハフツング 電気接点用半完成品の製造方法、及び、電気接点用半完成品、及び、電気接点部材
KR20150063272A (ko) * 2013-11-29 2015-06-09 엘에스산전 주식회사 전기접점재료 및 이의 제조방법
KR20150103569A (ko) * 2014-03-03 2015-09-11 희성금속 주식회사 차단기용 은-카본계 전기접점재료 및 이의 제조방법

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