KR101972350B1 - A ZrC Composites and A Manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ZrC 그레인; 및 SiC 그레인을 포함하고, 상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리는 상호 접촉하는 ZrC 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 ZrC 복합체를 제공할 수 있다.The present invention relates to a ZrC grain; And a SiC grain, wherein the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain are in contact with each other, and a method of manufacturing the ZrC composite, and can provide a ZrC composite densified at a low temperature while being densified.
Description
본 발명은 탄화 지르코늄 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄화 지르코늄(ZrC)과 탄화규소(SiC)를 통하여, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 탄화 지르코늄 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a zirconium carbide composite and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a zirconium carbide composite densified while sintering at a low temperature through zirconium carbide (ZrC) and silicon carbide (SiC) and a method for manufacturing the same.
탄화 지르코늄(ZrC)은 고융점, 고경도, 고전기 전도도 및 고내열 충격성을 가지며, 화학적으로 안정한 재료이다. 따라서, 이 특성을 고온 구조 재료, 초경 공구 재료, 전자 방출형 음극 재료 등에 사용되고 있다. Zirconium carbide (ZrC) is a chemically stable material with high melting point, high hardness, high electric conductivity and high heat shock resistance. Therefore, these characteristics are used for high temperature structural materials, hard metal tool materials, electron emission cathode materials and the like.
또한, 태양광의 근적외선을 효율적으로 열 에너지로 변환하는 동시에 원적외선을 반사하는 특성이 있기 때문에, 보온성이 높은 방한복에도 이용되는 등의 많은 가능성을 지닌 재료이다.In addition, since it has a characteristic of converting far-infrared rays of sunlight efficiently into heat energy and reflecting far-infrared rays, it is a material having many possibilities such as being used in a high-temperature-resistant winter clothes.
한편, 탄화 지르코늄 세라믹체는 당해 기술 분야에서 알려져 있는 것으로, 이들은 경도가 높고 내마모성이 우수하고, 원자핵적 성질이 양호하기 때문에 원자력 산업에서 고온 부위의 구조소재 및 피복 소재로서 특히 유용하다. On the other hand, zirconium carbide ceramic bodies are known in the art, and they are particularly useful as structural materials and coating materials for high-temperature regions in the nuclear power industry because of their high hardness, excellent abrasion resistance, and good nuclear nucleus properties.
이들의 세라믹체를 제조하기 위한 초기 방법은 탄화 지르코늄 분말을 최고 2300℃까지의 온도에서 고온/고압으로 압축하는 방법이 있으나, 이러한 종래의 방법의 경우, 탄화 지르코늄(ZrC)의 높은 융점(약 3600℃)으로 인하여, 탄화 지르코늄 세라믹체의 치밀화가 어렵다는 문제점이 있다. An initial method for producing these ceramic bodies is a method of compressing zirconium carbide powder at a high temperature / high pressure at a temperature up to 2300 ° C. However, in the case of this conventional method, a high melting point (about 3600 ° C) of zirconium carbide Deg.] C, it is difficult to densify the zirconium carbide ceramic body.
한편, 탄화규소(SiC)는 높은 인장률을 갖는 강화재료이다. 알루미나(Al2O3)가 산화물 세라믹스의 대표라면 탄화규소는 비산화물 세라믹스의 대표라고 할 수 있다.On the other hand, silicon carbide (SiC) is a reinforcing material having a high tensile strength. If alumina (Al 2 O 3 ) is a representative of oxide ceramics, silicon carbide is a representative of non-oxide ceramics.
탄화규소는 특히 내마모성을 대표로 하는 기계적물성, 고온강도 및 크립(creep) 저항성을 대표로 하는 열적 물성, 내산화성 및 내식성을 대표로 하는 내화학성 등 물성이 뛰어나 그 활용도가 매우 높으며, 현재 탄화규소는 '메카니컬 씰(mechanical seal)', '베어링', '각종 노즐', '고온 절삭공구', '내화판', '연마재', '제강용 환원재', '피뢰기' 등에 광범위하게 사용되고 있다.Silicon carbide is highly utilizable because it has excellent physical properties such as mechanical properties representative of abrasion resistance, thermal properties representing high temperature strength and creep resistance, chemical resistance typified by oxidation resistance and corrosion resistance, and silicon carbide Is widely used for 'mechanical seal', 'bearing', 'various nozzle', 'hot cutting tool', 'fireproof plate', 'abrasive material', 'steelmaking reducing material', 'arrester'.
그러나, 탄화규소 소결체를 제조하는 공정이 간단하거나 용이하지 않아 제조단가가 매우 높으며, 따라서 보다 더 활발히 이용될 수 없는 한계가 있어 이러한 제조단가 절감은 탄화규소 소결체를 제조하는데 있어 큰 과제라고 할 수 있다.However, since the process for producing the silicon carbide sintered body is not simple or easy, the manufacturing cost is very high, and therefore, there is a limitation that it can not be used more actively, and such manufacturing cost reduction is a great challenge in manufacturing the silicon carbide sintered body .
따라서, 기존 보다 낮은 온도 및 압력에서 단시간 소결된 후 치밀화될 수 있는 소결 복합체의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a sintered composite which can be densified after a short time sintering at a lower temperature and pressure.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 탄화 지르코늄(ZrC)과 탄화규소(SiC)를 통하여, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 ZrC 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a ZrC composite densified while sintering at a low temperature through zirconium carbide (ZrC) and silicon carbide (SiC) .
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 ZrC 그레인; 및 SiC 그레인을 포함하고, 상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리는 상호 접촉하는 ZrC 복합체를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a ZrC grain; And SiC grains, wherein the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain provide a ZrC composite in mutual contact.
또한, 본 발명은 상기 ZrC 그레인 및 상기 SiC의 그레인의 각각의 크기는, 50nm 내지 1000nm인 ZrC 복합체를 제공한다.Further, the present invention provides a ZrC composite wherein the size of each of the ZrC grain and the SiC grain is 50 nm to 1000 nm.
또한, 본 발명은 상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리의 사이에 불순물(raw materials) 또는 중간상(intermediate phase)이 존재하지 않는 ZrC 복합체를 제공한다.The present invention also provides a ZrC composite wherein there is no raw materials or intermediate phase between the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain.
또한, 본 발명은 상기 ZrC 복합체는 상대밀도가 95% 이상인 ZrC 복합체를 제공한다.Further, the present invention provides the ZrC composite having a relative density of 95% or more.
또한, 본 발명은 상기 ZrC 복합체는 ZrC-SiC 복합체인 ZrC 복합체를 제공한다.The present invention also provides a ZrC composite, which is a ZrC-SiC composite.
또한, 본 발명은 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 탄소원을 혼합하는 단계; 및 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: mixing a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and a carbon source; And sintering the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source.
또한, 본 발명은 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 ZrSi2이고, 상기 탄소원은 카본블랙인 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method for producing a ZrC composite in which the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is ZrSi 2 and the carbon source is carbon black.
또한, 본 발명은 상기 혼합하는 단계에서 ZrC 분말을 더 포함하며, 상기 ZrC 분말, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 ZrC 분말은 0 을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is the in the mixing step further comprises a ZrC powder, and the ZrC powder, the zirconium silicide group (Zr x Si y, Zirconium silicide) and 100 mass% of the ZrC powder of the mixture of said carbon source 0 By mass and less than 60% by mass of the ZrC composite.
또한, 본 발명은 상기 혼합하는 단계에서 SiC 분말을 더 포함하며, 상기 SiC 분말, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 SiC 분말은 0 을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention further includes SiC powder in the mixing step, wherein the SiC powder has a composition of 0% by weight, based on 100% by weight of the SiC powder, the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) By mass and less than 30% by mass of the ZrC composite.
또한, 본 발명은 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a ZrC composite having a sintering temperature in the range of 1700 to 2000 ° C.
또한, 본 발명은 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하고, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing a ZrC composite using the spark plasma sintering method and the spark plasma sintering method in the range of 30 MPa to 60 MPa.
또한, 본 발명은 상기 ZrC 복합체는 ZrC-SiC 복합체인 ZrC 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a ZrC composite, which is a ZrC-SiC composite.
상기한 바와 같은 본 발명에서는, 본 발명에서는, 탄화 지르코늄(ZrC)과 탄화규소(SiC)를 통하여, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 ZrC 복합체를 제공할 수 있다.In the present invention as described above, it is possible to provide a ZrC composite which is densified while being sintered at a low temperature through zirconium carbide (ZrC) and silicon carbide (SiC).
또한, 상기 ZrC 복합체는 높은 파괴인성 값을 가지면서, 또한, 높은 중성자 조사 손상 저항성을 가지고 있어, 원자력 산업에서 고온 부위의 구조소재 및 피복소재로서 특히 유용한 복합체를 제공할 수 있다. In addition, the ZrC composite has a high fracture toughness value and high neutron irradiation damage resistance, and thus can provide a composite particularly useful as a structural material and a coating material of a high-temperature region in the nuclear power industry.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 소결공정 동안의 반응들의 Gibbs free energy를 도시하는 그래프이다.
도 5는 온도에 따른 XRD 데이터를 도시하는 그래프이다.
도 6은 1400℃에서 열처리를 진행한 혼합물의 마이크로 구조를 도시하는 실사진이다.
도 7a는 온도조건에 따른 ZrC-SiC 복합체의 XRD 패턴을 도시하는 그래프이고, 도 7b는 도 7a의 조건에 따른 이론밀도 및 상대밀도를 도시하는 실사진이다.
도 8a는 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 EDS 분석결과를 도시하는 도면이고, 도 8b는 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 TEM 이미지이다.
도 9는 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 70 질량%로 포함한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.
도 10은 표 4의 조건에 따른 소결상태를 도시하는 실사진이다.
도 11은 표 3 및 표 4의 조건에 따른 XRD data 이다.
도 12는 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 20 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.
도 13은 표 5의 조건에 따른 XRD data 이다.
도 14a는 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 20 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.
도 14b는 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 10 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.
도 15는 표 6의 일부 조건에 따른 XRD data 이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a first embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a second embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a third embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the Gibbs free energy of reactions during the sintering process.
5 is a graph showing XRD data according to temperature.
FIG. 6 is a microscope showing the microstructure of the mixture subjected to the heat treatment at 1400.degree.
FIG. 7A is a graph showing an XRD pattern of a ZrC-SiC composite according to a temperature condition, and FIG. 7B is an actual view showing a theoretical density and a relative density according to the condition of FIG. 7A.
FIG. 8A is a diagram showing the results of the EDS analysis of the ZrC-SiC composite according to the present invention, and FIG. 8B is a TEM image of the ZrC-SiC composite according to the present invention.
9 is a view showing the sintering state when ZrC is contained in an amount of 70% by mass, based on 100% by mass of the mixture.
Fig. 10 is a view showing the sintering condition according to the conditions of Table 4. Fig.
11 is XRD data according to the conditions of Tables 3 and 4.
12 is a view showing the sintering state in the case where ZrC is contained in an amount of 20 mass% with respect to 100 mass% of the mixture and sintering is carried out at a temperature of 1750 캜 for 30 minutes.
Fig. 13 is XRD data according to the conditions of Table 5. Fig.
14A is a view showing a sintering state when sintering is carried out at a temperature of 1750 DEG C for 30 minutes, wherein SiC is contained in an amount of 20% by mass based on 100% by mass of the mixture.
14B is a view showing a sintering state in which sintering is carried out for 30 minutes at a temperature of 1750 DEG C and 10% by mass of SiC based on 100% by mass of the mixture.
15 is XRD data according to the partial conditions of Table 6. < tb >< TABLE >
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. &Quot; and / or " include each and every combination of one or more of the mentioned items. ≪ RTI ID = 0.0 >
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various components, it goes without saying that these components are not limited by these terms. These terms are used only to distinguish one component from another. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical scope of the present invention.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises " and / or " comprising " used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 원료분말 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함한다.(S110)1, a method of manufacturing a ZrC composite according to a first embodiment of the present invention includes mixing a raw material powder and a carbon source (S110)
이때, 상기 원료분말은 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 하며, 상기 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 Zr과 Si의 비율에 따라 ZrSi2, ZrSi, Zr5Si4, Zr5Si3, Zr3Si2, Zr2Si 및 Zr3Si 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 상기 원료분말은 ZrSi2인 것이 바람직하다.In this case, the raw material powder is zirconium silicide group, and characterized by using a (Zr x Si y, Zirconium silicide), zirconium silicide group (Zr x Si y, Zirconium silicide) is ZrSi 2 according to the ratio of Zr and Si, ZrSi, Zr 5 Si 4, Zr 5
상기 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 녹는점이 1620 내지 2500℃로 넓은 범위에 걸쳐 존재하며, Zr과 Si가 분자수준에서 균일하게 섞여 있기 때문에, 상기 탄소원과 반응시에 나노 미터 크기의 ZrC와 SiC가 동시에 형성될 수 있다.The zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) has a melting point ranging from 1620 to 2500 ° C. over a wide range, and since Zr and Si are uniformly mixed at the molecular level, ZrC and SiC can be simultaneously formed.
즉, 본 발명에서는 Zr 과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써, 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 기존보다 미세한 grain 크기를 가지며 SiC가 균일하게 분포된 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by using a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) in which Zr and Si are uniformly mixed at a molecular unit level, local concentration of chemical composition is prevented, Uniformly distributed ZrC composite can be produced.
상기 탄소원은 그라파이트, 카본블랙, 활성탄 등과 같은 고상의 탄소류 및 페놀레진, 피치, sucrose 등 열분해 후 탄소화하는 유기물 중에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 탄소원의 종류를 제한하는 것은 아니나, 본 발명에서 상기 탄소원은 카본블랙인 것이 바람직하다.The carbon source may be at least one selected from solid carbon materials such as graphite, carbon black and activated carbon, and organic materials which are carbonized after pyrolysis such as phenol resin, pitch and sucrose. However, in the present invention, However, in the present invention, the carbon source is preferably carbon black.
상기 원료분말 및 상기 탄소원을 혼합하는 것은 planetary mill, attrition mill, 스펙스 밀(Spex mill) 및 이와 유사한 원리로 작동하는 high energy ball mill을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 스펙스 밀을 사용하는 경우, 건식법으로 0.1 내지 3시간 동안 혼합할 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 원료분말 및 상기 탄소원의 혼합방법을 제한하는 것은 아니다.The raw material powder and the carbon source may be mixed using a planetary mill, an attrition mill, a Spex mill, or a high energy ball mill operating on a similar principle. For example, Drying may be carried out for 0.1 to 3 hours. However, the mixing method of the raw material powder and the carbon source is not limited in the present invention.
한편, 상기 원료분말 및 상기 탄소원을 스펙스 밀(Spex mill)을 사용하여 혼합하는 경우, 다른 혼합방법에 비하여, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조에 있어서 야기되는 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.On the other hand, when the raw material powder and the carbon source are mixed by using a Spex mill, the mixing of impurities caused in the production of the ZrC composite according to the present invention can be prevented as compared with other mixing methods.
즉, attrition mill 및 planetary mill 등의 경우, 분쇄 시, 분쇄용 볼 및 분쇄용기로부터 오염물질이 대량 유입되는 문제점이 발생할 수 있으나, 상기 스펙스 밀의 경우, 이러한 문제점을 최소화 할 수 있어 바람직하다.That is, in the case of the attrition mill and the planetary mill, a large amount of contaminants may be introduced from the crushing ball and the crushing vessel upon crushing. However, in the case of the specs mill, such problems can be minimized.
다음으로, 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 상기 원료분말 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다(S120).Next, a method of manufacturing a ZrC composite according to a first embodiment of the present invention includes a step of sintering the raw material powder and a mixture containing the carbon source (S120).
일반적으로, 상기 소결(Sintering)이란 분말을 원료로 사용해 만들어진 성형체를 고온에서 치밀화시키는 과정을 의미하는 것으로, 치밀화와 입자성장은 대표적인 소결현상이라고 할 수 있다. Generally, the term "sintering" refers to a process of densifying a formed body made of a powder as a raw material at a high temperature. Densification and grain growth are typical sintering phenomena.
상기 소결(Sintering)은 치밀화가 이루어지는 기술적인 방법에 따라 상압소결(Normal Sintering), 가압소결(Pressure Sintering), 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering) 등으로 분류될 수 있다.The sintering may be classified into normal sintering, pressure sintering, spark plasma sintering, and the like according to a technical method of densification.
상압소결은 통상의 소결공정으로 성형체를 대기압의 공기 혹은 불활성 분위기의 고온에서 열처리해 치밀화하는 방법이고, 가압소결은 소결체의 외부에서 압력을 가해 치밀화하는 방법이며, 스파크 플라즈마소결은 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 함으로써 저온에서 치밀화하는 방법을 의미한다.Atmospheric pressure sintering is a method of densifying a compact by heat treatment at a high temperature of atmospheric pressure or an inert atmosphere in a normal sintering process. Pressure sintering is a method of densifying by applying pressure from the outside of the sintered body. Spark plasma sintering applies pressure to the sintered body And at the same time, a high current pulse is caused to flow to densify at a low temperature.
본 발명에서 상기 합성 분말을 소결하는 단계는 상압소결(Normal Sintering)법, 가압소결(Pressure Sintering)법, 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 이용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 합성 분말을 소결하는 것은, 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 하는 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the sintering of the synthetic powder may be performed by a normal sintering method, a pressure sintering method, or a spark plasma sintering method. However, in the present invention, In sintering, it is preferable to use a spark plasma sintering method in which a pressure is applied to the sintered body while a pulse of a high current flows.
또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1750 내지 2000℃일 수 있고, 소결 분위기는 진공, 아르곤(Ar) 및 질소 분위기일 수 있으며, 또한, 예를 들어, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 5 ~ 120분간 유지함으로써 반응을 진행할 수 있다. In the present invention, the sintering temperature may be in the range of 1750 to 2000 ° C, and the sintering atmosphere may be a vacuum, an argon (Ar) atmosphere, a nitrogen atmosphere, or a spark plasma sintering ) Method for 5 to 120 minutes.
이때, 상기 소결온도가 1700℃ 미만인 경우는, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC 복합체를 형성하는 것이 어려우며, 상기 소결온도가 2000℃를 초과하는 경우 치밀화는 가능하나 형성된 탄화규소의 입성장이 크게 일어나서 본 발명의 목적인 미세한 grain 크기를 갖는 복합재료를 제조할 수 없고, 또한, 저온공정에서의 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하며, 또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1750 내지 2000℃인 것이 더욱 바람직하다.If the sintering temperature is less than 1,700 캜, it is difficult to form a ZrC composite having a high relative density, and if the sintering temperature exceeds 2000 캜, densification can be performed, The sintering temperature in the sintering step of the present invention is in the range of 1700 to 2000 ° C since the composite material having a fine grain size for the purpose of the present invention can not be produced and the sintering in the low- It is more preferable that the sintering temperature of the sintering step in the present invention is 1750 to 2000 ° C.
한편, 상기 소결 단계에서, 상기 원료분말 및 상기 탄소원의 대표적인 반응식은 다음과 같다. Meanwhile, in the sintering step, typical reaction formulas of the raw material powder and the carbon source are as follows.
Zirconium silicides + C → ZrC + SiC (반응식1)Zirconium silicides + C? ZrC + SiC (Scheme 1)
상기 반응식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 소결 단계에서, 상기 원료분말 및 상기 탄소원의 반응을 통해, ZrC와 SiC가 형성될 수 있다. As shown in
즉, 본 발명에서는 Zr 및 Si 소스로서의 지르코늄 실리사이드군을 탄소의 공급원과 혼합함으로써, 저온에서 열처리함에도 불구하고, 미세한 grain 크기를 갖으며 균일한 미세구조를 갖는 고순도의 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by mixing the zirconium silicide group as the source of Zr and Si with the source of carbon, it is possible to produce a high-purity ZrC composite having a fine grain size and a uniform microstructure despite heat treatment at a low temperature.
다만, 상술한 바와 같은 반응식 1에서의 반응은 ZrSi2의 액상형성 온도인 1620℃ 내지 1680℃ 이전에 완결되기 때문에, 상압 소결법으로는 ZrC를 완전하게 치밀화시킬 수 없는 경우가 발생할 수 있다. However, since the reaction in
즉, 지르코늄 실리사이드만을 사용하는 경우, ZrSi2는 녹는점이 1650℃ 부근이므로, 1650℃에서 액상이 형성되나, 본 발명에서는 지르코늄 실리사이드군과 함께 상기 탄소원을 포함하는 것이므로, 승온 도중 및 상기 ZrSi2가 녹는점에 도달하기 전에 ZrSi2가 이들 탄소원과 반응하여 ZrC + SiC가 되기 때문에, 결국 ZrSi2에 의한 액상이 형성되지 않고, 따라서 치밀화가 미진한 문제점이 발생될 수도 있다.That is, when only zirconium silicide is used, since the melting point of ZrSi 2 is around 1650 ° C., a liquid phase is formed at 1650 ° C. In the present invention, the ZrSi 2 contains the carbon source together with the zirconium suicide group. The ZrSi 2 reacts with these carbon sources to form ZrC + SiC before reaching the point, so that a liquid phase due to ZrSi 2 can not be formed and thus the problem of densification can not be obtained.
따라서, 본 발명에서 상기 소결은, 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 하는 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법은 치밀화를 촉진할 수 있는 장점이 있다. Therefore, in the present invention, it is preferable to use a spark plasma sintering method which applies a pressure to the sintered body while allowing a pulse of a high current to flow therethrough. In the spark plasma sintering method, There is an advantage that it can promote.
일반적으로 용융온도의 2/3 정도의 온도영역에서 재료는 가압에 의한 변형이 발생하기 시작하는 것으로 알려져 있다.Generally, it is known that the material starts to deform due to the pressure at a temperature range of about 2/3 of the melting temperature.
지르코늄 실리사이드군, 예를 들어, ZrSi2의 경우 이 온도 영역은 1100℃ 부근에 해당하며, 또한, 1400℃에서는 ZrSi2의 압력에 의한 변형이 크게 일어나는 것으로 보고되고 있다. In the case of the zirconium silicide group, for example, ZrSi 2 , this temperature range corresponds to about 1100 ° C., and at 1400 ° C., it is reported that deformation due to the pressure of ZrSi 2 occurs to a large extent.
따라서 ZrSi2의 반응이 완결되지 않는 비교적 저온의 영역이라도 가압에 의한 ZrSi2의 변형이 유발될 수 있으므로, 이를 통하여 ZrC의 치밀화가 더 촉진될 수 있으며, 이후 더 고온에서는 열처리 과정에서 잔류 ZrSi2가 소멸되므로 제조된 ZrC 복합체의 고온물성 감소를 억제할 수 있다.Therefore, even in a relatively low temperature region where the reaction of ZrSi 2 is not completed, deformation of ZrSi 2 by pressurization can be induced, and thereby the densification of ZrC can be further accelerated. Thereafter, at a higher temperature, residual ZrSi 2 It is possible to suppress the decrease in the physical properties of the produced ZrC composite at high temperature.
이때, 본 발명의 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위에서 수행될 수 있다.At this time, the range of the pressing in the spark plasma sintering method of the present invention can be performed in the range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
상기 가압력이 10MPa 미만인 경우, 저온에서 지르코늄 실리사이드들의 가압 변형에 의한 치밀화 효과가 뚜렷히 나타나지 않고, 상기 가압력이 120MPa을 초과하는 경우, 장비의 한계 때문에 산업적으로 제조가 어려우므로, 본 발명에서 상기 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위인 것이 바람직하다.When the pressing force is less than 10 MPa, the effect of densification due to pressure deformation of zirconium silicides at low temperature is not apparent, and when the pressing force exceeds 120 MPa, it is difficult to industrially manufacture due to limitations of equipment. Is preferably in the range of a pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
이때, 본 발명에서, 본 발명의 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하며, 상기 가압력이 60MPa을 초과하는 경우는 저압공정에서 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계에서의 압력조건은 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.At this time, in the present invention, the spark plasma sintering method of the present invention preferably has a pressing range of 30 MPa to 60 MPa, and when the pressing force exceeds 60 MPa, sintering is achieved in a low pressure process Therefore, it is more preferable that the pressure condition in the sintering step in the present invention is 30 MPa to 60 MPa.
즉, 본 발명에서는 상압 소결법 대신 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하여 소결 단계를 진행함으로써, 고온에서 발생하는 입자의 조대화 현상을 방지하고, 지르코늄 실리사이드군의 저온 변형을 이용한 소결과정이 충실히 수행될 수 있도록 하며, 이로 인하여 ZrC 복합체의 형성과정이 기존의 결과에 비하여 극히 저온에서 완료되도록 하므로, 입성장의 최소화와 치밀화의 극대화를 이루는 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, the sintering step is carried out by using the spark plasma sintering method instead of the atmospheric pressure sintering method to prevent the coarsening phenomenon occurring at a high temperature and the sintering process using the low temperature deformation of the zirconium suicide group So that the ZrC composite can be completed at an extremely low temperature compared to the conventional results. Thus, a ZrC composite can be produced which minimizes grain growth and maximizes densification.
이로써, ZrC 복합체, 즉, ZrC-SiC 복합체를 제조할 수 있다(S130).Thereby, a ZrC composite, that is, a ZrC-SiC composite can be produced (S130).
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예를 참조할 수 있다.The method of manufacturing the ZrC composite according to the second embodiment of the present invention can be referred to the first embodiment described above, except as described below.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 ZrC, 소결조제 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함한다.(S210)2, a method of manufacturing a ZrC composite according to a second embodiment of the present invention includes mixing ZrC, a sintering aid, and a carbon source (S210)
이때, 본 발명에서 상기 소결조제는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 하며, 상기 지르코늄실리이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 Zr과 Si의 비율에 따라 ZrSi2, ZrSi, Zr5Si4, Zr5Si3, Zr3Si2, Zr2Si 및 Zr3Si 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 상기 소결조제는 ZrSi2인 것이 바람직하다.At this time, in the present invention, the sintering aid is characterized by using a zirconium silicide group (Zr x Si y ), and the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) It may contain at least one selected from the group consisting of ZrSi 2 , ZrSi, Zr 5 Si 4 , Zr 5 Si 3 , Zr 3 Si 2 , Zr 2 Si and Zr 3 Si. In the present invention, ZrSi 2 is preferable.
상기 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 녹는점이 1620 내지 2500℃로 넓은 범위에 걸쳐 존재하며, Zr과 Si가 분자수준에서 균일하게 섞여 있기 때문에, 상기 탄소원과 반응시에 나노 미터 크기의 ZrC와 SiC가 동시에 형성될 수 있다.The zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) has a melting point ranging from 1620 to 2500 ° C. over a wide range, and since Zr and Si are uniformly mixed at the molecular level, ZrC and SiC can be simultaneously formed.
즉, 본 발명에서는 소결조제로서 Zr 과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써, 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 기존보다 미세한 grain 크기를 가지며 SiC가 균일하게 분포된 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by using the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) in which Zr and Si are uniformly mixed at the molecular unit level as a sintering aid, local concentration of chemical composition is prevented, And ZrC composites having SiC uniformly distributed can be produced.
상기 탄소원은 그라파이트, 카본블랙, 활성탄 등과 같은 고상의 탄소류 및 페놀레진, 피치, sucrose 등 열분해 후 탄소화하는 유기물 중에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 탄소원의 종류를 제한하는 것은 아니나, 본 발명에서 상기 탄소원은 카본블랙인 것이 바람직하다.The carbon source may be at least one selected from solid carbon materials such as graphite, carbon black and activated carbon, and organic materials which are carbonized after pyrolysis such as phenol resin, pitch and sucrose. However, in the present invention, However, in the present invention, the carbon source is preferably carbon black.
상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원을 혼합하는 것은 planetary mill, attrition mill, 스펙스 밀(Spex mill) 및 이와 유사한 원리로 작동하는 high energy ball mill을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 스펙스 밀을 사용하는 경우, 건식법으로 0.1 내지 3시간 동안 혼합할 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 혼합방법을 제한하는 것은 아니다.The ZrC, the sintering assistant and the carbon source may be mixed with a high energy ball mill operating with a planetary mill, an attrition mill, a Spex mill, or the like. For example, , It may be mixed for 0.1 to 3 hours by a dry method. However, the present invention does not limit the mixing method of the ZrC, the sintering aid, and the carbon source.
한편, 상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원을 스펙스 밀(Spex mill)을 사용하는 경우, 다른 혼합방법에 비하여, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조에 있어서 야기되는 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.On the other hand, when the ZrC, the sintering aid, and the carbon source are used as Spex mill, it is possible to prevent incorporation of impurities caused in the production of the ZrC composite according to the present invention, as compared with other mixing methods.
즉, attrition mill 및 planetary mill 등의 경우, 분쇄 시, 분쇄용 볼 및 분쇄용기로부터 오염물질이 대량 유입되는 문제점이 발생할 수 있으나, 상기 스펙스 밀의 경우, 이러한 문제점을 최소화 할 수 있어 바람직하다.That is, in the case of the attrition mill and the planetary mill, a large amount of contaminants may be introduced from the crushing ball and the crushing vessel upon crushing. However, in the case of the specs mill, such problems can be minimized.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다(S220).Next, a method of manufacturing a ZrC composite according to a second embodiment of the present invention includes a step of sintering the mixture containing ZrC, the sintering aid, and the carbon source (S220).
본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 17500 내지 2000℃일 수 있고, 소결 분위기는 진공, 아르곤(Ar) 및 질소 분위기일 수 있으며, 또한, 예를 들어, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 5 ~ 120분간 유지함으로써 반응을 진행할 수 있다. In the present invention, the sintering temperature in the sintering step may be in the range of 17500 to 2000 ° C, and the sintering atmosphere may be vacuum, argon (Ar), nitrogen atmosphere, or by spark plasma sintering For 5 to 120 minutes.
이때, 상기 소결온도가 1700℃ 미만인 경우는, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC 복합체를 형성하는 것이 어려우며, 상기 소결온도가 2000℃를 초과하는 경우 치밀화는 가능하나 형성된 탄화규소의 입성장이 크게 일어나서 본 발명의 목적인 미세한 grain 크기를 갖는 복합재료를 제조할 수 없고, 또한, 저온공정에서의 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하고, 또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1750 내지 2000℃인 것이 더욱 바람직하다.If the sintering temperature is less than 1,700 캜, it is difficult to form a ZrC composite having a high relative density, and if the sintering temperature exceeds 2000 캜, densification can be performed, The sintering temperature in the sintering step of the present invention is in the range of 1700 to 2000 ° C since the composite material having a fine grain size for the purpose of the present invention can not be produced and the sintering in the low- It is more preferable that the sintering temperature in the sintering step in the present invention is 1750 to 2000 ° C.
한편, 상기 소결 단계에서, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 화학반응식은 다음과 같다. Meanwhile, in the sintering step, the chemical reaction formula of the sintering aid and the carbon source is as follows.
Zirconium silicides + C → ZrC + SiC (반응식2)Zirconium silicides + C? ZrC + SiC (Reaction Scheme 2)
상기 반응식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 소결 단계에서, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 반응을 통해, ZrC와 SiC가 형성될 수 있다. As shown in
즉, 본 발명에서는 Si 소스로서의 지르코늄 실리사이드군을 탄소의 공급원과 혼합함으로써, 저온에서 열처리함에도 불구하고, 미세한 grain 크기를 갖으며 균일한 미세구조를 갖는 고순도의 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by mixing the zirconium silicide group as the Si source with the source of carbon, it is possible to produce a high purity ZrC composite having a fine grain size and a uniform microstructure despite heat treatment at a low temperature.
이때, 상술한 소결조제 및 상기 탄소원의 반응에 의해 형성된 ZrC와 SiC는, 상기 소결조제 및 상기 탄소원과는 별도로 혼합된 ZrC와 함께 ZrC-SiC 복합체를 형성하게 된다.At this time, ZrC and SiC formed by the reaction of the above-described sintering assistant and the carbon source form a ZrC-SiC composite together with ZrC mixed separately from the sintering additive and the carbon source.
즉, 본 발명의 제2실시예에서는, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 혼합물에 별도의 ZrC를 첨가할 수 있으며, 이를 통해, 상기 소결조제량의 조절, 원가 절감 및 소결 촉진 등의 특성 개선을 기대할 수 있다. In other words, in the second embodiment of the present invention, a separate ZrC can be added to the mixture of the sintering aid and the carbon source, thereby improving the properties such as the control of the sintering amount, cost reduction and sintering promotion .
이때, 본 발명에서, 상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물 전체 100 질량% 대비, 상기 ZrC는 60 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.At this time, in the present invention, it is preferable that ZrC is contained in an amount of less than 60 mass% with respect to 100 mass% of the entire mixture including ZrC, the sintering assistant and the carbon source.
보다 구체적으로, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 원료분말 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 원료분말은 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the method of manufacturing the ZrC composite according to the first embodiment of the present invention includes mixing a raw material powder and a carbon source, wherein the raw material powder is a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide ) Is used.
또한, 상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, ZrC, 소결조제 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 소결조제는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 한다.The method of manufacturing a ZrC composite according to the second embodiment of the present invention includes a step of mixing ZrC, a sintering aid, and a carbon source, wherein the sintering auxiliary is a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is used.
즉, 제1실시예에서는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)이 원료분말로 사용되고, 제2실시예에서는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)이 소결조제로 사용되기는 하나, 이들은 동일한 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 물질에 해당한다.That is, in the first embodiment, the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is used as the raw material powder, while the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is used as the sintering auxiliary agent in the second embodiment, These correspond to the same group of Zr x Si y , Zirconium silicide materials.
결국, 제2실시예의 경우, 제1실시예와 비교하여, 별도의 ZrC를 첨가하는 것을 특징으로 하는 것으로, 제1실시예의 경우, 원료분말 및 탄소원을 포함하는 혼합물 100 질량% 대비, 상기 ZrC의 함량이 0 질량% 라고 이해될 수 있다.As a result, in the case of the second embodiment, a separate ZrC is added as compared with the first embodiment. In the case of the first embodiment, the ratio of the ZrC of the mixture of the raw material powders and the carbon source to 100 mass% It can be understood that the content is 0 mass%.
하지만, 제2실시예의 경우, 상기 ZrC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물 전체 100 질량% 대비, 상기 ZrC는 60 질량% 미만으로 포함되는 것이므로, 본 발명에서 별도의 ZrC가 포함되는 경우, 상기 ZrC는 0을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 것이다.However, in the case of the second embodiment, ZrC is contained in an amount of less than 60% by mass based on 100% by mass of the entire mixture including ZrC, the sintering assistant and the carbon source. Therefore, ZrC is greater than 0 and less than 60 mass%.
결국, 본 발명에 따른 제1실시예 및 제2실시예를 종합하여 정리하면, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 탄소원을 혼합하는 단계; 및 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.As a result, according to the first and second embodiments of the present invention, the method of manufacturing a ZrC composite according to the present invention includes the steps of mixing a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) ; And sintering the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source.
이때, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함하지 않거나, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함할 수 있으며, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 ZrC는 0 을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 ZrC는 0을 초과하고, 50 질량% 이하로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.At this time, the method of manufacturing a ZrC composite according to the present invention may include ZrC in the mixing step, or may include ZrC in the mixing step, and when the mixing step includes ZrC, the zirconium suicide group exceeds a (Zr x Si y, Zirconium silicide) and 100 mass% of the ZrC is 0 a mixture of said carbon source, and preferably comprises less than 60% by mass, and the ZrC is more than 0 and 50 parts by mass % Or less.
한편, 본 발명의 제2실시예에서도, 상술한 제1실시예와 동일하게, 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하는 것이 바람직하며, 이때, 본 발명의 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위에서 수행될 수 있다.In the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment described above, the sintering is preferably performed using a spark plasma sintering method. At this time, the spark plasma sintering Spark Plasma Sintering) method can be performed in the range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
즉, 상기 가압력이 10MPa 미만인 경우, 저온에서 지르코늄 실리사이드들의 가압 변형에 의한 치밀화 효과가 뚜렷히 나타나지 않고, 상기 가압력이 120MPa을 초과하는 경우, 장비의 한계 때문에 산업적으로 제조가 어려우므로, 본 발명에서 상기 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위인 것이 바람직하다.That is, when the pressing force is less than 10 MPa, the densification effect due to the pressing deformation of the zirconium silicides at low temperatures is not apparent, and when the pressing force exceeds 120 MPa, the manufacturing is difficult industrially due to the limitations of the equipment. Is preferably in the range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
이때, 본 발명에서, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하며, 상기 가압력이 60MPa을 초과하는 경우는 저압공정에서 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계에서의 압력조건은 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.At this time, in the present invention, the spark plasma sintering method is more preferably in the range of 30 MPa to 60 MPa, and when the pressing force exceeds 60 MPa, there is no meaning of achieving sintering in the low pressure process Therefore, in the present invention, the pressure condition in the sintering step is more preferably 30 MPa to 60 MPa.
즉, 본 발명에서는 상압 소결법 대신 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하여 소결 단계를 진행함으로써, 고온에서 발생하는 입자의 조대화 현상을 방지하고, 지르코늄 실리사이드군의 저온 변형을 이용한 소결과정이 충실히 수행될 수 있도록 하며, 이로 인하여 ZrC 복합체의 형성과정이 기존의 결과에 비하여 극히 저온에서 완료되도록 하므로, 입성장의 최소화와 치밀화의 극대화를 이루는 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, the sintering step is carried out by using the spark plasma sintering method instead of the atmospheric pressure sintering method to prevent the coarsening phenomenon occurring at a high temperature and the sintering process using the low temperature deformation of the zirconium suicide group So that the ZrC composite can be completed at an extremely low temperature compared to the conventional results. Thus, a ZrC composite can be produced which minimizes grain growth and maximizes densification.
이로써, ZrC 복합체, 즉, ZrC-SiC 복합체를 제조할 수 있다(S230).Thus, a ZrC composite, that is, a ZrC-SiC composite can be produced (S230).
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ZrC composite according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예 및 제2실시예를 참조할 수 있다.The method of manufacturing the ZrC composite according to the third embodiment of the present invention may refer to the first and second embodiments described above, except as described below.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 SiC, 소결조제 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함한다.(S310)Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a ZrC composite according to a third embodiment of the present invention includes a step of mixing SiC, a sintering aid, and a carbon source (S310)
이때, 본 발명에서 상기 소결조제는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 하며, 상기 지르코늄실리이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 Zr과 Si의 비율에 따라 ZrSi2, ZrSi, Zr5Si4, Zr5Si3, Zr3Si2, Zr2Si 및 Zr3Si 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 본 발명에서 상기 소결조제는 ZrSi2인 것이 바람직하다.At this time, in the present invention, the sintering aid is characterized by using a zirconium silicide group (Zr x Si y ), and the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) It may contain at least one selected from the group consisting of ZrSi 2 , ZrSi, Zr 5 Si 4 , Zr 5 Si 3 , Zr 3 Si 2 , Zr 2 Si and Zr 3 Si. In the present invention, ZrSi 2 is preferable.
상기 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 녹는점이 1620 내지 2500℃로 넓은 범위에 걸쳐 존재하며, Zr과 Si가 분자수준에서 균일하게 섞여 있기 때문에, 상기 탄소원과 반응시에 나노 미터 크기의 ZrC와 SiC가 동시에 형성될 수 있다.The zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) has a melting point ranging from 1620 to 2500 ° C. over a wide range, and since Zr and Si are uniformly mixed at the molecular level, ZrC and SiC can be simultaneously formed.
즉, 본 발명에서는 소결조제로서 Zr 과 Si가 분자단위 수준에서 균일하게 혼합된 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)을 사용함으로써, 화학적 조성의 국부적 집중을 방지하여 기존보다 미세한 grain 크기를 가지며 SiC가 균일하게 분포된 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by using the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicides) in which Zr and Si are uniformly mixed at the molecular unit level as a sintering aid, local concentration of chemical composition is prevented, And ZrC composites having SiC uniformly distributed can be produced.
상기 탄소원은 그라파이트, 카본블랙, 활성탄 등과 같은 고상의 탄소류 중에서 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 탄소원의 종류를 제한하는 것은 아니나, 본 발명에서 상기 탄소원은 카본블랙인 것이 바람직하다.The carbon source may be at least one selected from among solid carbon species such as graphite, carbon black, and activated carbon. However, the present invention does not limit the kind of the carbon source, but the carbon source in the present invention is carbon black desirable.
상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원을 혼합하는 것은 planetary mill, attrition mill, 스펙스 밀(Spex mill) 및 이와 유사한 원리로 작동하는 high energy ball mill을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 스펙스 밀을 사용하는 경우, 건식법으로 0.1 내지 3시간 동안 혼합할 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 혼합방법을 제한하는 것은 아니다.The SiC, the sintering assistant and the carbon source may be mixed using a planetary mill, an attrition mill, a Spex mill, or a high energy ball mill operating on a similar principle. For example, , It may be mixed for 0.1 to 3 hours by a dry method. However, the present invention does not limit the mixing method of the SiC, the sintering aid, and the carbon source.
한편, 상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원을 스펙스 밀(Spex mill)을 사용하는 경우, 다른 혼합방법에 비하여, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조에 있어서 야기되는 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.On the other hand, when the SiC, the sintering aid, and the carbon source are used as Spex mill, it is possible to prevent incorporation of impurities caused in the production of the ZrC composite according to the present invention, as compared with other mixing methods.
즉, attrition mill 및 planetary mill 등의 경우, 분쇄 시, 분쇄용 볼 및 분쇄용기로부터 오염물질이 대량 유입되는 문제점이 발생할 수 있으나, 상기 스펙스 밀의 경우, 이러한 문제점을 최소화 할 수 있어 바람직하다.That is, in the case of the attrition mill and the planetary mill, a large amount of contaminants may be introduced from the crushing ball and the crushing vessel upon crushing. However, in the case of the specs mill, such problems can be minimized.
다음으로, 본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다(S320).Next, a method of manufacturing a ZrC composite according to a third embodiment of the present invention includes a step of sintering the mixture containing SiC, the sintering aid, and the carbon source (S320).
본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃일 수 있고, 소결 분위기는 진공, 아르곤(Ar) 및 질소 분위기일 수 있으며, 또한, 예를 들어, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 5 ~ 120분간 유지함으로써 반응을 진행할 수 있다. In the present invention, the sintering temperature in the sintering step may be in the range of 1700 to 2000 ° C, and the sintering atmosphere may be vacuum, argon (Ar), nitrogen atmosphere, or spark plasma sintering For 5 to 120 minutes.
이때, 상기 소결온도가 1700℃ 미만인 경우는, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC 복합체를 형성하는 것이 어려우며, 상기 소결온도가 2000℃를 초과하는 경우 치밀화는 가능하나 형성된 탄화규소의 입성장이 크게 일어나서 본 발명의 목적인 미세한 grain 크기를 갖는 복합재료를 제조할 수 없고, 또한, 저온공정에서의 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하고, 또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1750 내지 2000℃인 것이 더욱 바람직하다.If the sintering temperature is less than 1,700 캜, it is difficult to form a ZrC composite having a high relative density, and if the sintering temperature exceeds 2000 캜, densification can be performed, The sintering temperature in the sintering step of the present invention is in the range of 1700 to 2000 ° C since the composite material having a fine grain size for the purpose of the present invention can not be produced and the sintering in the low- It is more preferable that the sintering temperature in the sintering step in the present invention is 1750 to 2000 ° C.
한편, 상기 소결 단계에서, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 화학반응식은 다음과 같다. Meanwhile, in the sintering step, the chemical reaction formula of the sintering aid and the carbon source is as follows.
Zirconium silicides + C → ZrC + SiC (반응식3)Zirconium silicides + C? ZrC + SiC (scheme 3)
상기 반응식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 소결 단계에서, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 반응을 통해, ZrC와 SiC가 형성될 수 있다. As shown in
즉, 본 발명에서는 Si 소스로서의 지르코늄 실리사이드군을 탄소의 공급원과 혼합함으로써, 저온에서 열처리함에도 불구하고, 미세한 grain 크기를 갖으며 균일한 미세구조를 갖는 고순도의 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by mixing the zirconium silicide group as the Si source with the source of carbon, it is possible to produce a high purity ZrC composite having a fine grain size and a uniform microstructure despite heat treatment at a low temperature.
이때, 상술한 소결조제 및 상기 탄소원의 반응에 의해 형성된 ZrC와 SiC는, 상기 소결조제 및 상기 탄소원과는 별도로 혼합된 SiC와 함께 ZrC-SiC 복합체를 형성하게 된다.At this time, the ZrC and SiC formed by the reaction of the sintering assistant and the carbon source form a ZrC-SiC composite together with the sintering additive and SiC mixed separately from the carbon source.
즉, 본 발명의 제3실시예에서는, 상기 소결조제 및 상기 탄소원의 혼합물에 별도의 SiC를 첨가할 수 있으며, 이를 통해, 상기 소결조제량의 조절, 원가 절감 및 소결 촉진 등의 특성 개선을 기대할 수 있다. That is, in the third embodiment of the present invention, a separate SiC can be added to the mixture of the sintering auxiliary agent and the carbon source, thereby improving the characteristics such as the control of the sintering auxiliary amount, cost reduction, and sintering promotion .
이때, 본 발명에서, 상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물 전체 100 질량% 대비, 상기 SiC는 30질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.At this time, in the present invention, it is preferable that the content of SiC is less than 30% by mass based on 100% by mass of the total mixture including the SiC, the sintering assistant and the carbon source.
보다 구체적으로, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은 원료분말 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 원료분말은 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the method of manufacturing the ZrC composite according to the first embodiment of the present invention includes mixing a raw material powder and a carbon source, wherein the raw material powder is a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide ) Is used.
또한, 상술한 본 발명의 제3실시예에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, SiC, 소결조제 및 탄소원을 혼합하는 단계를 포함하며, 이때, 상기 소결조제는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)을 사용하는 것을 특징으로 한다.The method of manufacturing a ZrC composite according to the third embodiment of the present invention includes a step of mixing SiC, a sintering aid, and a carbon source, wherein the sintering assistant is a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is used.
즉, 제1실시예에서는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)이 원료분말로 사용되고, 제3실시예에서는 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)이 소결조제로 사용되기는 하나, 이들은 동일한 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 물질에 해당한다.That is, in the first embodiment, the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is used as the raw material powder, and in the third embodiment, the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) These correspond to the same group of Zr x Si y , Zirconium silicide materials.
결국, 제3실시예의 경우, 제1실시예와 비교하여, 별도의 SiC를 첨가하는 것을 특징으로 하는 것으로, 제1실시예의 경우, 원료분말 및 탄소원을 포함하는 혼합물 100 질량% 대비, 상기 SiC의 함량이 0 질량% 라고 이해될 수 있다.As a result, in the case of the third embodiment, a separate SiC is added as compared with the first embodiment. In the case of the first embodiment, compared to 100% by mass of the mixture containing the raw material powder and the carbon source, It can be understood that the content is 0 mass%.
하지만, 제3실시예의 경우, 상기 SiC, 상기 소결조제 및 상기 탄소원 포함하는 혼합물 전체 100 질량% 대비, 상기 SiC는 30 질량% 미만으로 포함되는 것이므로, 본 발명에서 별도의 SiC가 포함되는 경우, 상기 SiC는 0을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 것이다.However, in the case of the third embodiment, the content of SiC is less than 30% by mass based on 100% by mass of the entire mixture including the SiC, the sintering assistant and the carbon source. Therefore, SiC is more than 0 and less than 30 mass%.
결국, 본 발명에 따른 제1실시예 및 제3실시예를 종합하여 정리하면, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 탄소원을 혼합하는 단계; 및 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.In summary, the first and third embodiments of the present invention will be summarized as follows. The method for producing a ZrC composite according to the present invention comprises the steps of mixing a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) ; And sintering the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source.
이때, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함하지 않거나, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함할 수 있으며, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 SiC는 0 을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 SiC는 0 을 초과하고, 20 질량% 이하로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.At this time, the method of producing a ZrC composite according to the present invention may include SiC in the mixing step, or may include SiC in the mixing step, and in the case where SiC is included in the mixing step, the zirconium suicide (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source, the SiC is preferably more than 0 and less than 30 mass%, more preferably more than 0 and not more than 20 mass% % Or less.
한편, 본 발명의 제3실시예에서도, 상술한 제1실시예와 동일하게, 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하는 것이 바람직하며, 이때, 본 발명의 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위에서 수행될 수 있다.In the third embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the sintering is preferably performed using a spark plasma sintering method. At this time, the spark plasma sintering Spark Plasma Sintering) method can be performed in the range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
즉, 상기 가압력이 10MPa 미만인 경우, 저온에서 지르코늄 실리사이드들의 가압 변형에 의한 치밀화 효과가 뚜렷히 나타나지 않고, 상기 가압력이 120MPa을 초과하는 경우, 장비의 한계 때문에 산업적으로 제조가 어려우므로, 본 발명에서 상기 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위인 것이 바람직하다.That is, when the pressing force is less than 10 MPa, the densification effect due to the pressing deformation of the zirconium silicides at low temperatures is not apparent, and when the pressing force exceeds 120 MPa, the manufacturing is difficult industrially due to the limitations of the equipment. Is preferably in the range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa.
이때, 본 발명에서, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하며, 상기 가압력이 60MPa을 초과하는 경우는 저압공정에서 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계에서의 압력조건은 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.At this time, in the present invention, the spark plasma sintering method is more preferably in the range of 30 MPa to 60 MPa, and when the pressing force exceeds 60 MPa, there is no meaning of achieving sintering in the low pressure process Therefore, in the present invention, the pressure condition in the sintering step is more preferably 30 MPa to 60 MPa.
즉, 본 발명에서는 상압 소결법 대신 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하여 소결 단계를 진행함으로써, 고온에서 발생하는 입자의 조대화 현상을 방지하고, 지르코늄 실리사이드군의 저온 변형을 이용한 소결과정이 충실히 수행될 수 있도록 하며, 이로 인하여 ZrC 복합체의 형성과정이 기존의 결과에 비하여 극히 저온에서 완료되도록 하므로, 입성장의 최소화와 치밀화의 극대화를 이루는 ZrC 복합체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, the sintering step is carried out by using the spark plasma sintering method instead of the atmospheric pressure sintering method to prevent the coarsening phenomenon occurring at a high temperature and the sintering process using the low temperature deformation of the zirconium suicide group So that the ZrC composite can be completed at an extremely low temperature compared to the conventional results. Thus, a ZrC composite can be produced which minimizes grain growth and maximizes densification.
이로써, ZrC 복합체, 즉, ZrC-SiC 복합체를 제조할 수 있다(S330).Thereby, a ZrC composite, that is, a ZrC-SiC composite can be produced (S330).
이상과 같은 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법을 정리하면 다음과 같다.The manufacturing method of the ZrC composite according to the present invention is summarized as follows.
즉, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 탄소원을 혼합하는 단계; 및 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.That is, the method for producing a ZrC composite according to the present invention comprises: mixing a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and a carbon source; And sintering the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source.
이때, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함하지 않거나, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함할 수 있으며, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 ZrC는 0 을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 ZrC는 0 을 초과하고, 50 질량% 이하로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.At this time, the method of manufacturing a ZrC composite according to the present invention may include ZrC in the mixing step, or may include ZrC in the mixing step, and when the mixing step includes ZrC, the zirconium suicide group exceeds a (Zr x Si y, Zirconium silicide) and 100 mass% of the ZrC is 0 a mixture of said carbon source, and preferably comprises less than 60% by mass, and the ZrC is more than 0 and 50 parts by mass % Or less.
또한, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함하지 않거나, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함할 수 있으며, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 SiC는 0 을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 SiC는 0 을 초과하고, 20 질량% 이하로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.In addition, the method of producing a ZrC composite according to the present invention may include SiC in the mixing step, or may include SiC in the mixing step, and when the mixing step includes SiC, the zirconium suicide (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source, the SiC is preferably more than 0 and less than 30 mass%, more preferably more than 0 and not more than 20 mass% % Or less.
한편, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하며, 또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1750 내지 2000℃인 것이 더욱 바람직하다.Meanwhile, in the present invention, the sintering temperature in the sintering step is preferably 1700 to 2000 ° C, and more preferably, the sintering temperature in the sintering step is 1750 to 2000 ° C.
또한, 본 발명에서 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하는 것이 바람직하며, 이때, 본 발명의 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 10MPa 내지 120MPa의 가압력의 범위인 것이 바람직하고, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.In the present invention, it is preferable to use the spark plasma sintering method. At this time, the spark plasma sintering method of the present invention may be applied in a range of the pressing force of 10 MPa to 120 MPa , And it is more preferable that the pressing force in the spark plasma sintering method is 30 MPa to 60 MPa.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 기재하기로 하며, 다만, 본 발명에서 상기 실험예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples according to the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
[실험예 1][Experimental Example 1]
먼저, 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)으로 ZrSi2 분말(파티클 사이즈 1~2㎛, 순도 99% 이상)을 준비하였고, 탄소원으로 카본블랙 분말(S.A. : 60~80㎡/g, 순도 99.5% 이상)을 준비하였다.First, a ZrSi 2 powder (
상기 ZrSi2 분말과 상기 카본 블랙의 하기 반응식 (1)에 기초하여 결정될 수 있다.Can be determined based on the following reaction formula (1) of the ZrSi 2 powder and the carbon black.
ZrSi2 +3C = ZrC + 2SiC (1)ZrSi 2 + 3C = ZrC + 2SiC (1)
상기의 분말을 혼합하고, 이후, 혼합된 분말을 소결하였다.The above powders were mixed and then the mixed powder was sintered.
보다 구체적으로, N2 분위기의 WC pot 내에서 HEBM(High Energy Ball Milling) 방법에 의해 상기 분말을 혼합하였으며, 이후, 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)법(승온 속도 100℃/min)을 이용하여 40MPa의 압력하에 서 일정 온도에서 소결하였다. More specifically, the powders were mixed by a HEBM (High Energy Ball Milling) method in a WC pot with an N 2 atmosphere. Thereafter, the powder was mixed using a Spark Plasma Sintering method (heating rate: 100 ° C / min) And sintered at a constant temperature under a pressure of 40 MPa.
상술한 소결 공정 동안, 하기와 같은 다양한 반응이 발생될 수 있다.During the sintering process described above, various reactions may occur as follows.
ZrSi2 + C = ZrSi + SiC (2)ZrSi 2 + C = ZrSi + SiC (2)
5 ZrSi2 + 7 C = Zr5Si3 + 7 SiC (3)5 ZrSi 2 + 7 C = Zr 5 Si 3 + 7 SiC (3)
2 ZrSi2 + 3 C = Zr2Si + 3 SiC (4)2 ZrSi 2 + 3 C = Zr 2 Si + 3 SiC (4)
Zr5Si3 + 8 C = 5 ZrC + 3 SiC (5)Zr 5 Si 3 + 8 C = 5 ZrC + 3 SiC (5)
ZrSi2 + C = 2 Si + ZrC (6)ZrSi 2 + C = 2 Si + ZrC (6)
Si + C = SiC (7)Si + C = SiC (7)
상기 반응 (2), (3) 및 (4)에서와 같이 다양한 Zr-Si 상이 존재할 수 있으며, 이러한 중간반응은 하기의 반응 (8)로 표현될 수 있다.Various Zr-Si phases may exist as in the above reactions (2), (3) and (4), and this intermediate reaction can be represented by the following reaction (8).
ZrSi2 + x C → ZrSi2 - x + x SiC (8)ZrSi 2 + x C? ZrSi 2 - x + x SiC (8)
도 4는 소결공정 동안의 반응들의 Gibbs free energy를 도시하는 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the Gibbs free energy of reactions during the sintering process.
도 4를 참조하면, (1)의 반응의 Gibbs free energy는 20 내지 1750℃의 범위에서 음(negative)의 영역에 해당하며, 이는 상기 (1)의 반응이 자발적으로 일어남을 의미한다.Referring to FIG. 4, the Gibbs free energy of reaction (1) corresponds to a negative region in the range of 20 to 1750 ° C, which means that the reaction of (1) occurs spontaneously.
도 5는 온도에 따른 XRD 데이터를 도시하는 그래프이다.5 is a graph showing XRD data according to temperature.
도 5를 참조하면, ZrC 상은 600℃의 온도에서 나타나기 시작하였으며, 1000℃까지 가열되었을 때, ZrSi, Sr2Si, Zr5Si3등과 같은 Zr-Si 상이 형성되었다.Referring to FIG. 5, the ZrC phase started to appear at a temperature of 600 ° C, and when heated to 1000 ° C, a Zr-Si phase such as ZrSi, Sr 2 Si, Zr 5 Si 3 or the like was formed.
또한, 1250℃까지 온도가 상승함에 따라, SiC 및 ZrC 상의 형성이 촉진되어, 1300℃까지 온도가 상승함에 따라, SiC 및 ZrC 상의 형성이 완성되었다.Further, as the temperature increased to 1250 占 폚, the formation of SiC and ZrC phases was promoted, and the formation of SiC and ZrC phases was completed as the temperature rises to 1300 占 폚.
이러한 결과에 기초하여, ZrC-SiC 복합체의 반응 경로는 다음과 같이 정리될 수 있다.Based on these results, the reaction path of the ZrC-SiC composite can be summarized as follows.
ZrSi2 + 3 C → SiC + ZrC + Zr-Si phases + C + ZrSi2 → SiC + ZrC + Zr-Si phases + C → SiC + ZrC (9) ZrSi 2 + 3 C → SiC + ZrC + ZrSi phases + C +
도 6은 1400℃에서 열처리를 진행한 혼합물의 마이크로 구조를 도시하는 실사진이다.FIG. 6 is a microscope showing the microstructure of the mixture subjected to the heat treatment at 1400.degree.
도 6에 도시된 바와 같이, 혼합물은 SiC 및 ZrC 로 이루어져 있으며, 이는 최종 ZrC 복합체의 green body 에 해당한다.As shown in FIG. 6, the mixture consists of SiC and ZrC, which corresponds to the green body of the final ZrC composite.
상술한 바와 같이, 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)법(승온 속도 100℃/min)을 통해 1300℃까지 온도가 상승함에 따라, SiC 및 ZrC 상의 형성이 완성되었다.As described above, the formation of the SiC and ZrC phases was completed as the temperature rises to 1300 ° C through the spark plasma sintering method (
이후, 온도를 점차적으로 상승함에 따라, SiC 및 ZrC의 그레인이 성장하기 시작하여 ZrC-SiC 복합체가 형성되었다.Thereafter, as the temperature gradually increased, the grains of SiC and ZrC began to grow and a ZrC-SiC composite was formed.
도 7a는 온도조건에 따른 ZrC-SiC 복합체의 XRD 패턴을 도시하는 그래프이고, 도 7b는 도 7a의 조건에 따른 이론밀도 및 상대밀도를 도시하는 실사진이다.FIG. 7A is a graph showing an XRD pattern of a ZrC-SiC composite according to a temperature condition, and FIG. 7B is an actual view showing a theoretical density and a relative density according to the condition of FIG. 7A.
먼저, 도 7a를 참조하면, 1650℃, 1700℃ 및 1750℃의 온도에서 소결을 진행한 경우, 불순물(raw materials), 중간상(intermediate phase) 등이 탐지되지 않음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7A, raw materials, intermediate phases, and the like are not detected when sintering is performed at temperatures of 1650 ° C., 1700 ° C., and 1750 ° C.
또한, 도 7b를 참조하면, 1650℃에서 1750℃로 온도가 상승하는 동안, 상대밀도는 88.05% 에서 99.78%로 증가함을 알 수 있다.Referring to FIG. 7B, the relative density increases from 88.05% to 99.78% while the temperature rises from 1650 ° C to 1750 ° C.
또한, 1700℃ 에서의 소결 유지시간은 1시간에서 5시간으로 증가시킬 경우 상대밀도 99.2%의 치밀체를 얻을 수 있었다.In addition, when the sintering holding time at 1700 ℃ was increased from 1 hour to 5 hours, a dense body with a relative density of 99.2% was obtained.
이때, 본 발명에서는 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 1700℃ 이상으로 소결을 진행하는 경우에, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC-SiC 복합체를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.At this time, in the present invention, it can be confirmed that when the sintering is carried out at 1700 ° C. or more by using the spark plasma sintering method, the ZrC-SiC composite having a high relative density can be formed by sintering densely.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하며, 상기 소결온도가 1700 미만인 경우는, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC 복합체를 형성하는 것이 어려우며, 상기 소결온도가 2000℃를 초과하는 경우 치밀화는 가능하나 형성된 탄화규소의 입성장이 크게 일어나서 본 발명의 목적인 미세한 grain 크기를 갖는 복합재료를 제조할 수 없고, 또한, 저온공정에서의 소결을 달성하는 의미가 없으므로, 따라서, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하다.Therefore, as described above, in the present invention, the sintering temperature in the sintering step is preferably 1700 to 2000 ° C, and when the sintering temperature is less than 1700, the ZrC composite is densely sintered to have a high relative density If the sintering temperature is higher than 2000 ° C., densification can be performed, but the formed grain boundary of the formed silicon carbide largely occurs, so that it is impossible to produce a composite material having a fine grain size for the purpose of the present invention. Further, Therefore, the sintering temperature in the sintering step in the present invention is preferably 1700 to 2000 ° C.
도 8a는 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 EDS 분석결과를 도시하는 도면이고, 도 8b는 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 TEM 이미지이다.FIG. 8A is a diagram showing the results of the EDS analysis of the ZrC-SiC composite according to the present invention, and FIG. 8B is a TEM image of the ZrC-SiC composite according to the present invention.
도 8a를 참조하면, 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체는 ZrC 및 SiC의 그레인이 ZrC-SiC 복합체 내에서 매우 미세(fine)하고 균일(homogenously)하게 분포되어 있음을 확인할 수 있고, 이때, ZrC 및 SiC의 그레인의 각각의 크기는 약 50nm 내지 1000nm에 해당하였다.Referring to FIG. 8A, it can be seen that the ZrC-SiC composite according to the present invention is very fine and uniformly distributed in the ZrC-SiC composite, wherein ZrC and SiC grains are homogeneously distributed. Each size of the grain of SiC corresponded to about 50 nm to 1000 nm.
이때, SiC 그레인의 평균 크기는 약 260nm에 해당하고, ZrC의 그레인의 평균 크기는 360nm에 해당하였으며, ZrC의 그레인이 SiC의 그레인의 사이에 내재(embed)되어 있음을 확인할 수 있다.At this time, the average size of the SiC grains corresponds to about 260 nm, the average size of the ZrC grains corresponds to 360 nm, and the grain of the ZrC grains are embedded between the grains of the SiC grains.
또한, 도 8b를 참조하면, ZrC 그레인 바운더리와 SiC 그레인 바운더리는 상호 접촉하며, 따라서, ZrC 그레인 바운더리와 SiC 그레인 바운더리의 사이에는, 불순물(raw materials) 또는 중간상(intermediate phase)이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.8B, the ZrC grain boundaries and the SiC grain boundaries are in mutual contact, and therefore, it is confirmed that there is no raw materials or intermediate phase between the ZrC grain boundary and the SiC grain boundary. .
이때, 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 영률(Young's modulus)값은 319GPa이고, 비커경도(Vicker hardness)값은 23.3 GPa(ZrC 및 SiC의 각각의 분말의 경우 약 25GPa에 해당)에 해당하였다.At this time, the Young's modulus value of the ZrC-SiC composite according to the present invention was 319 GPa and the Vicker hardness value was 23.3 GPa (corresponding to about 25 GPa for each powder of ZrC and SiC).
또한, 본 발명에 따른 ZrC-SiC 복합체의 파괴인성(fracture toughness)값은 2.87 MPa·m 1/2 으로, ZrC 분말의 파괴인성(fracture toughness)값(1.7 MPa·m 1/2) 보다 69% 향상된 결과를 나타내었다.The fracture toughness value of the ZrC-SiC composite according to the present invention was 2.87 MPa · m 1/2, which was 69% higher than the fracture toughness value (1.7 MPa · m 1/2 ) of the ZrC powder. And improved results.
하기 표 1은 순수한 ZrC 분말의 소결시의 상대밀도를 도시하는 표이다.Table 1 below shows the relative density at the time of sintering pure ZrC powder.
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 순수한 ZrC 분말의 경우, 95% 이상의 상대밀도를 얻기 위해서는 2100℃의 온도에서 80MPa의 가압력이 필요하며, 따라서, 순수한 ZrC 분말의 경우 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 고온과 고압의 조건이 필요하다.As shown in Table 1, pure ZrC powder requires a pressing force of 80 MPa at a temperature of 2100 ° C in order to obtain a relative density of 95% or higher. Therefore, in order to obtain a dense sintered body of pure ZrC powder, Is required.
하기 표 2는 순수한 SiC 분말의 소결시의 상대밀도를 도시하는 표이다.Table 2 below shows the relative density of pure SiC powder during sintering.
상기 표 2를 참조하면, 순수한 SiC 분말의 경우, 소결을 통한 치밀화가 매우 어려우며, 2400℃의 온도 및 40MPa의 가압력의 조건에서도 상대밀도는 85% 정도에 지나지 않음을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that, in the case of pure SiC powder, it is very difficult to densify through sintering, and the relative density is only about 85% even at a temperature of 2400 캜 and a pressing force of 40 MPa.
하지만, 본 발명에서는, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 1700℃ 이상으로 소결을 진행하는 경우에, 치밀하게 소결되어 상대밀도가 높은 ZrC-SiC 복합체를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.However, in the present invention, it can be confirmed that when the sintering is carried out at 1700 ° C. or more by using the spark plasma sintering method, the ZrC-SiC composite having a high relative density can be formed by sintering densely .
즉, 본 발명에서는, 탄화 지르코늄(ZrC)과 탄화규소(SiC)를 통하여, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 ZrC 복합체를 제공할 수 있다.That is, in the present invention, it is possible to provide a ZrC composite densified while sintering at a low temperature through zirconium carbide (ZrC) and silicon carbide (SiC).
이때, 상기 ZrC 복합체는 높은 파괴인성 값을 가지면서, 또한, 높은 중성자 조사 손상 저항성을 가지고 있어, 원자력 산업에서 고온부위의 구조소재 및 피복소재로서 특히 유용한 복합체를 제공할 수 있다. At this time, the ZrC composite has a high fracture toughness value and high neutron irradiation damage resistance, so that it is possible to provide a composite particularly useful as a structural material and a coating material of a high-temperature region in the nuclear power industry.
[실험예 2][Experimental Example 2]
먼저, 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)으로 ZrSi2 분말(파티클 사이즈 1~2㎛, 순도 99% 이상)을 준비하였고, 탄소원으로 카본블랙 분말(S.A. : 60~80㎡/g, 순도 99.5% 이상)을 준비하였으며, 이와는 별도로 ZrC 분말을 준비하였다.First, a ZrSi 2 powder (
상기의 분말, 즉, ZrC 분말, ZrSi2 분말 및 카본블랙 분말을 혼합하고, 이후, 혼합된 분말을 소결하였다.The above powders, i.e., ZrC powder, ZrSi 2 powder and carbon black powder were mixed, and then the mixed powder was sintered.
보다 구체적으로, N2 분위기의 WC pot 내에서 HEBM(High Energy Ball Milling) 방법에 의해 상기 분말을 혼합하였으며, 이후, 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)법(승온 속도 100℃/min)을 이용하여 일정 압력하에서 일정 온도에서 소결하였다. More specifically, the powders were mixed by a HEBM (High Energy Ball Milling) method in a WC pot with an N 2 atmosphere. Thereafter, the powder was mixed using a Spark Plasma Sintering method (heating rate: 100 ° C / min) And sintered at a constant temperature under a constant pressure.
하기의 표 3의 실험은, 상술한 제2실시예에서와 같이, 별도의 ZrC를 포함하는 경우로, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)인 ZrSi2 분말, 탄소원인 카본 블랙 및 별도의 ZrC를 혼합하되, 이때, 상기 ZrC는 상기 혼합물 100 질량% 대비, 70 질량%(ZCZSC3(30%))로 포함한 경우이다.The experiment shown in the following Table 3 is a case where ZrSi 2 powder as a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide), carbon black as a carbon source and the like are separately prepared as in the second embodiment Of ZrC, wherein ZrC is contained in an amount of 70 mass% (ZCZSC3 (30%)) based on 100 mass% of the mixture.
각 실험의 이론밀도, 소결 조건 및 소결조건에 따른 상대밀도를 하기 표 3에 도시하였다.The relative density according to the theoretical density, sintering condition and sintering condition of each experiment is shown in Table 3 below.
상기 표 3을 참조하면, 별도의 ZrC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 70 질량%로 포함한 경우, 1800℃의 온도 조건에서 소결하더라도, 상대밀도는 92.4% 정도에 지나지 않음을 확인할 수 있다. Referring to Table 3, it can be seen that the relative density is only about 92.4% when ZrC is contained in an amount of 70% by mass relative to 100% by mass of the mixture, even when sintering is performed at a temperature of 1800 ° C.
도 9는 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 70 질량%로 포함한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.9 is a view showing the sintering state when ZrC is contained in an amount of 70% by mass, based on 100% by mass of the mixture.
도 9를 참조하면, 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 70 질량%로 포함한 경우, ZrC의 함량이 과다하여, 1800℃의 온도 조건에서도 상대밀도가 92.4% 정도에 지나지 않아, 치밀화가 크게 일어나지 않음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, when ZrC is contained in an amount of 70% by mass relative to 100% by mass of the mixture, the content of ZrC is excessive and the relative density is only about 92.4% even at a temperature of 1800 ° C, Can be confirmed.
하기의 표 4의 실험은, 상술한 제2실시예에서와 같이, 별도의 ZrC를 포함하는 경우로, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)인 ZrSi2 분말, 탄소원인 카본 블랙 및 별도의 ZrC를 혼합하되, 이때, 상기 ZrC는 상기 혼합물 100 질량% 대비, 60 질량%(ZCZSC4(40%)) 및 50 질량%(ZCZSC5(50%))로 포함한 경우이다.The experiment shown in the following Table 4 shows the case where ZrSi 2 powder (Zr x Si y , Zirconium silicide), carbon black as a carbon source, and ZrSi 2 powder as a zirconium silicide group (ZCZSC4 (40%)) and 50% (ZCZSC5 (50%)) based on 100% by mass of the mixture.
각 실험의 이론밀도, 소결 조건 및 소결조건에 따른 상대밀도를 하기 표 4에 도시하였다.The relative density according to the theoretical density, sintering condition and sintering condition of each experiment are shown in Table 4 below.
상기 표 4를 참조하면, 별도의 ZrC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 60 질량%로 포함한 경우(ZCZSC4(40%)), 1750℃의 온도 조건에서 소결하더라도, 상대밀도는 94.63% 정도에 해당함을 확인할 수 있다.Referring to Table 4, even when ZrC is separately sintered at a temperature of 1750 ° C (ZCZSC4 (40%)), the relative density is about 94.63% when ZrC is contained in an amount of 60 mass% Can be confirmed.
하지만, 별도의 ZrC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 50 질량%로 포함한 경우(ZCZSC5(50%)), 1750℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 95.15%에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.However, when ZrC is separately contained in an amount of 50 mass% (ZCZSC5 (50%)) relative to 100 mass% of the mixture, when sintering is carried out at a temperature of 1750 ° C, the relative density corresponds to 95.15% Is 95% or more, indicating that densification is achieved.
도 10은 표 4의 조건에 따른 소결상태를 도시하는 실사진이다.Fig. 10 is a view showing the sintering condition according to the conditions of Table 4. Fig.
도 10을 참조하면, 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 60 질량%로 포함한 경우, ZrC의 함량이 과다하여, 1750℃의 온도 조건에서도 상대밀도가 94.63% 정도에 지나지 않아, 즉, 상대밀도가 95% 미만에 해당하여, 달성하고자 하는 목표치의 치밀화가 일어나지 않음을 확인할 수 있다. 10, when ZrC is contained in an amount of 60% by mass with respect to 100% by mass of the mixture, the relative density is not more than 94.63% even at a temperature of 1750 ° C, %, It can be confirmed that the densification of the target value to be achieved does not occur.
하지만, 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 40 질량%로 포함한 경우, 1750℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 95.15%에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.However, when ZrC is contained in an amount of 40 mass% with respect to 100 mass% of the mixture and sintered at a temperature of 1750 ° C, the relative density corresponds to 95.15%, that is, the relative density corresponds to 95% Can be confirmed.
한편, 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 40 질량%로 포함한 경우라도, 1700℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 94.22%에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 미만에 해당하여, 달성하고자 하는 목표치의 치밀화가 일어나지 않음을 확인할 수 있다.On the other hand, even when ZrC is contained in an amount of 40% by mass as compared with 100% by mass of the mixture, when sintering is carried out at a temperature of 1700 캜, the relative density corresponds to 94.22%, that is, the relative density is less than 95% It can be confirmed that the target value to be densified does not occur.
도 11은 표 3 및 표 4의 조건에 따른 XRD data 이다. 11 is XRD data according to the conditions of Tables 3 and 4.
도 11을 참조하면, 달성하고자 하는 목표치의 치밀화(상대밀도 95% 이상)가 일어났는지 여부와는 무관하게, 별도의 ZrC를 50 내지 70 질량%로 첨가한 경우, ZrSi2 등 잔류상이나 이차상 형성 없이 ZrC와 SiC 상만 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 또한, ZrC의 함량의 감소에 따라 SiC 상의 크기가 증가함을 확인할 수 있다.11, irrespective of whether or not densification (relative density 95% or more) of the target value to be achieved has occurred, when ZrC is added in an amount of 50 to 70 mass%, residual ZrSi 2 or the like, It can be seen that only the ZrC and SiC phases are formed without the ZrC phase, and that the size of the SiC phase increases with the decrease of the ZrC content.
하기의 표 5의 실험은, 상술한 제2실시예에서와 같이, 별도의 ZrC를 포함하는 경우로, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)인 ZrSi2 분말, 탄소원인 카본 블랙 및 별도의 ZrC를 혼합하되, 이때, 상기 ZrC는 상기 혼합물 100 질량% 대비, 20 질량%(ZCZSC8(80%))로 포함한 경우이다.The experiment shown in the following Table 5 is a case in which ZrSi 2 powder (Zr x Si y , Zirconium silicide), carbon black as a carbon source, and ZrSi 2 powder as a zirconium silicide group Of ZrC is mixed with 20 mass% (ZCZSC8 (80%)) based on 100 mass% of the mixture.
각 실험의 이론밀도, 소결 조건 및 소결조건에 따른 상대밀도를 하기 표 5에 도시하였다.The relative density according to the theoretical density, sintering condition and sintering condition of each experiment is shown in Table 5 below.
상기 표 5를 참조하면, 별도의 ZrC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 20 질량%로 포함한 경우(ZCZSC8(80%)), 1750℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 소결시간에 따라 상이하기는 하였으나, 상대밀도는 96.58%(10분) 및 99.9%(30분)에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.Referring to Table 5, when ZrC was separately contained in an amount of 20 mass% (ZCZSC8 (80%)) relative to 100 mass% of the mixture, sintering at a temperature of 1750 ° C varied depending on the sintering time , The relative density corresponds to 96.58% (10 minutes) and 99.9% (30 minutes), that is, the relative density corresponds to 95% or more.
특히, 별도의 ZrC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 20 질량%로 포함한 경우(ZCZSC8(80%)), 1800℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 10분 동안의 소결시간에 의해서도, 상대밀도는 99.5%에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.Particularly, when ZrC is separately contained in an amount of 20% by mass (ZCZSC8 (80%)) relative to 100% by mass of the above mixture, sintering at a temperature of 1800 ° C and a sintering time of 10 minutes also have a relative density of 99.5 %, That is, the relative density corresponds to 95% or more, so that the densification can be confirmed.
도 12는 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 20 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.12 is a view showing the sintering state in the case where ZrC is contained in an amount of 20 mass% with respect to 100 mass% of the mixture and sintering is carried out at a temperature of 1750 캜 for 30 minutes.
도 12를 참조하면, 혼합물 100 질량% 대비, ZrC를 20 질량%로 포함한 경우, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결하는 경우, 상대밀도는 99.9%에 해당하여, 매우 우수한 치밀화가 이루어졌음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, when the ZrC was contained in an amount of 20% by mass with respect to 100% by mass of the mixture, when the sintering was performed at a temperature of 1750 ° C. for 30 minutes, the relative density was 99.9% Can be confirmed.
도 13은 표 5의 조건에 따른 XRD data 이다. Fig. 13 is XRD data according to the conditions of Table 5. Fig.
도 13을 참조하면, 치밀화(상대밀도 95% 이상) 정도에 무관하게, 별도의 ZrC를 20 질량%로 첨가한 경우, ZrSi2 등 잔류상이나 이차상 형성 없이 ZrC와 SiC 상만 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 또한, ZrC의 함량의 감소에 따라 SiC 상의 크기가 증가함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be confirmed that when ZrC is added at 20 mass%, regardless of the degree of densification (relative density is 95% or more), only ZrC and SiC phases are formed without forming a residual phase such as ZrSi 2 or a secondary phase , And that the size of the SiC phase increases with decreasing ZrC content.
또한, 동일함량(ZrC 20 질량%)에서는 소결온도와 소결시간의 증가에 따라 SiC의 입성장이 증가하여 피크의 강도가 증가함을 확인할 수 있다.In addition, at the same content (
이상과 같은 결과에 따라, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 ZrC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 ZrC는 0 을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.According to the above results, the method of producing a ZrC composite according to the present invention is characterized in that, when the ZrC composite is included in the mixing step, 100 mass parts of the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) %, The ZrC is preferably more than 0 and less than 60 mass%.
또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하며, 또한, 본 발명에서 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.Also, in the present invention, the sintering temperature in the sintering step is preferably 1700 to 2000 ° C. In the present invention, the sintering is preferably a spark plasma sintering method, and the spark plasma sintering (Spark Plasma Sintering) method is more preferably 30 MPa to 60 MPa.
[실험예 3][Experimental Example 3]
먼저, 지르코늄 실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicides)으로 ZrSi2 분말(파티클 사이즈 1~2㎛, 순도 99% 이상)을 준비하였고, 탄소원으로 카본블랙 분말(S.A. : 60~80㎡/g, 순도 99.5% 이상)을 준비하였으며, 이와는 별도로 SiC 분말을 준비하였다.First, a ZrSi 2 powder (
상기의 분말, 즉, SiC 분말, ZrSi2 분말 및 카본블랙 분말을 혼합하고, 이후, 혼합된 분말을 소결하였다.The above powder, i.e., SiC powder, ZrSi 2 powder and carbon black powder were mixed, and then the mixed powder was sintered.
보다 구체적으로, N2 분위기의 WC pot 내에서 HEBM(High Energy Ball Milling) 방법에 의해 상기 분말을 혼합하였으며, 이후, 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering)법(승온 속도 100℃/min)을 이용하여 일정 압력하에서 일정 온도에서 소결하였다. More specifically, the powders were mixed by a HEBM (High Energy Ball Milling) method in a WC pot with an N 2 atmosphere. Thereafter, the powder was mixed using a Spark Plasma Sintering method (heating rate: 100 ° C / min) And sintered at a constant temperature under a constant pressure.
하기의 표 6의 실험은, 상술한 제3실시예에서와 같이, 별도의 SiC를 포함하는 경우로, 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)인 ZrSi2 분말, 탄소원인 카본 블랙 및 별도의 SiC를 혼합하되, 이때, 상기 SiC는 상기 혼합물 100 질량% 대비, 10 질량%(SCZSC9), 20 질량%(SCZSC8), 30 질량%(SCZSC7), 40 질량%(SCZSC6)로 포함한 경우이다.The experiment shown in the following Table 6 is a case in which another ZrSi 2 powder (Zr x Si y , Zirconium silicide), carbon black as a carbon source, and a zirconium silicide group SiC is mixed with 10 mass% (SCZSC9), 20 mass% (SCZSC8), 30 mass% (SCZSC7) and 40 mass% (SCZSC6) based on 100 mass% of the mixture.
각 실험의 이론밀도, 소결 조건 및 소결조건에 따른 상대밀도를 하기 표 6에 도시하였다.The relative density according to the theoretical density, sintering condition and sintering condition of each experiment is shown in Table 6 below.
상기 표 6을 참조하면, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 30 질량%로 포함한 경우(SCZSC7), 1750℃의 온도 조건에서 소결하더라도, 상대밀도는 82.36% 정도에 해당함을 확인할 수 있다.Referring to Table 6, it can be confirmed that the relative density is about 82.36% even when the SiC is separately sintered at a temperature of 1750 ° C in the case of containing 30% by mass (SCZSC7) relative to 100% by mass of the mixture.
또한, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 40 질량%로 포함한 경우(SCZSC6), 1750℃의 온도 조건에서 소결하더라도, 상대밀도는 76.6% 정도에 해당함을 확인할 수 있다.Also, it can be confirmed that the relative density is about 76.6% even when the SiC is separately sintered at a temperature of 1750 DEG C (SCZSC6) when 40 mass% of the SiC is added to 100 mass% of the mixture.
하지만, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 20 질량%로 포함한 경우(SCZSC8), 1750℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 99.6%에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.However, when a separate SiC is contained in an amount of 20 mass% (SCZSC8) relative to 100 mass% of the mixture, when sintering is carried out at a temperature of 1750 ° C, the relative density corresponds to 99.6% , It can be confirmed that the densification is performed.
또한, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 10 질량%로 포함한 경우(SCZSC9), 소결시간에 따라 차이가 있기는 하나, 1750℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 96.04%(10분) 및 98.81%(30분)에 해당하여, 즉, 상대밀도가 95% 이상에 해당하여, 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있다.The relative density is 96.04% (10%) when sintering is carried out at a temperature of 1750 ° C, although the difference is dependent on the sintering time when separate SiC is contained at 10 mass% (SCZSC9) relative to 100 mass% Minute) and 98.81% (30 minutes), that is, the relative density corresponds to 95% or more, so that the densification can be confirmed.
한편, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 20 질량%로 포함한 경우(SCZSC8)라도, 1700℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 84.4% 정도에 해당함을 확인할 수 있으며, 또한, 별도의 SiC를 상기 혼합물 100 질량% 대비, 10 질량%로 포함한 경우(SCZSC9)라도, 1700℃의 온도 조건에서 소결하는 경우, 상대밀도는 85.7% 정도에 해당함을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that the relative density is about 84.4% when the SiC is separately sintered at a temperature of 1700 ° C in the case of containing 20 mass% (SCZSC8) of the above mixture as 100 mass% (SCZSC9) relative to 100 mass% of the above mixture, the relative density is about 85.7% when sintering is carried out at a temperature of 1700 ° C.
도 14a는 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 20 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.14A is a view showing a sintering state when sintering is carried out at a temperature of 1750 DEG C for 30 minutes, wherein SiC is contained in an amount of 20% by mass based on 100% by mass of the mixture.
도 14a를 참조하면, 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 20 질량%로 포함한 경우, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결하는 경우, 상대밀도는 99.6%에 해당하여, 매우 우수한 치밀화가 이루어졌음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14A, when 20% by mass of SiC is contained as compared with 100% by mass of the mixture, when the sintering is performed at a temperature of 1750 ° C for 30 minutes, the relative density is 99.6% Can be confirmed.
도 14b는 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 10 질량%로 포함하고, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결을 진행한 경우의 소결상태를 도시하는 실사진이다.14B is a view showing a sintering state in which sintering is carried out for 30 minutes at a temperature of 1750 DEG C and 10% by mass of SiC based on 100% by mass of the mixture.
도 14b를 참조하면, 혼합물 100 질량% 대비, SiC를 10 질량%로 포함한 경우, 1750℃의 온도 조건에서 30분 동안 소결하는 경우, 상대밀도는 98.81%에 해당하여, 매우 우수한 치밀화가 이루어졌음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14B, when the SiC was contained in an amount of 10% by mass based on 100% by mass of the mixture and sintered at a temperature of 1750 ° C for 30 minutes, the relative density was 98.81% Can be confirmed.
도 15는 표 6의 일부 조건에 따른 XRD data 이다. 15 is XRD data according to the partial conditions of Table 6. < tb > < TABLE >
도 15를 참조하면, 치밀화(상대밀도 95% 이상) 정도에 무관하게, 별도의 SiC를 10 질량% 및 20 질량%로 첨가한 경우, ZrSi2 등 잔류상이나 이차상 형성 없이 ZrC와 SiC 상만 형성되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, when additional SiC is added at 10 mass% and 20 mass% regardless of the degree of densification (relative density is 95% or more), only ZrC and SiC phases are formed without residual phase such as ZrSi 2 or secondary phase .
이상과 같은 결과에 따라, 본 발명에 따른 ZrC 복합체의 제조방법은, 상기 혼합하는 단계에서 SiC를 포함하는 경우, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 SiC는 0 을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.According to the above results, the method of producing a ZrC composite according to the present invention is characterized in that when the SiC is included in the mixing step, 100 mass% of the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) %, The SiC is preferably more than 0 and less than 30 mass%.
또한, 본 발명에서 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 것이 바람직하며, 또한, 본 발명에서 상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 것이 더욱 바람직하다.Also, in the present invention, the sintering temperature in the sintering step is preferably 1700 to 2000 ° C. In the present invention, the sintering is preferably a spark plasma sintering method, and the spark plasma sintering (Spark Plasma Sintering) method is more preferably 30 MPa to 60 MPa.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
Claims (12)
SiC 그레인을 포함하고,
상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리는 상호 접촉하고, 상기 ZrC의 그레인이 상기 SiC의 그레인 사이에 내재되어 있는 것을 특징으로 하고,
상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리의 사이에 불순물(raw materials) 또는 중간상(intermediate phase)이 존재하지 않는 ZrC 복합체.ZrC grain; And
SiC grain,
Characterized in that the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain are in contact with each other and the grain of the ZrC is present between the grains of the SiC,
Wherein there is no raw materials or intermediate phase between the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain.
상기 ZrC 그레인 및 상기 SiC의 그레인의 각각의 크기는, 50nm 내지 1000nm인 ZrC 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the ZrC grain and the SiC grain each have a size of 50 nm to 1000 nm.
상기 ZrC 복합체는 상대밀도가 95% 이상인 ZrC 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the ZrC composite has a relative density of 95% or more.
상기 ZrC 복합체는 ZrC-SiC 복합체인 ZrC 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the ZrC composite is a ZrC-SiC composite.
지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 탄소원을 혼합하는 단계; 및
상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물을 소결하는 단계를 포함하고,
상기 ZrC 복합체는, ZrC 그레인; 및 SiC 그레인을 포함하고, 상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리는 상호 접촉하고, 상기 ZrC의 그레인이 상기 SiC의 그레인 사이에 내재되어 있는 것을 특징으로 하고,
상기 ZrC 그레인의 그레인 바운더리와 상기 SiC 그레인의 그레인 바운더리의 사이에 불순물(raw materials) 또는 중간상(intermediate phase)이 존재하지 않는 ZrC 복합체의 제조방법.In the method for producing a ZrC composite,
Mixing a zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and a carbon source; And
Sintering the mixture of the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) and the carbon source,
The ZrC composite may include ZrC grain; And a SiC grain, wherein the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain are in mutual contact, and the grain of the ZrC is contained between the grains of the SiC,
Wherein no raw materials or intermediate phases are present between the grain boundary of the ZrC grain and the grain boundary of the SiC grain.
상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide)은 ZrSi2이고, 상기 탄소원은 카본블랙인 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the zirconium silicide group (Zr x Si y , Zirconium silicide) is ZrSi 2 , and the carbon source is carbon black.
상기 혼합하는 단계에서 ZrC 분말을 더 포함하며,
상기 ZrC 분말, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 ZrC 분말은 0 을 초과하고, 60 질량% 미만으로 포함되는 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Further comprising a ZrC powder in the mixing step,
Wherein the ZrC powder is contained in an amount of more than 0 and less than 60 mass% based on 100 mass% of the mixture of the ZrC powder, the zirconium silicide group (Zr x Si y ), and the carbon source.
상기 혼합하는 단계에서 SiC 분말을 더 포함하며,
상기 SiC 분말, 상기 지르코늄실리사이드군(ZrxSiy, Zirconium silicide) 및 상기 탄소원의 혼합물의 100 질량% 대비, 상기 SiC 분말은 0 을 초과하고, 30 질량% 미만으로 포함되는 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Further comprising a SiC powder in the mixing step,
Wherein the SiC powder is contained in an amount of more than 0 and less than 30% by mass based on 100% by mass of the SiC powder, the zirconium silicide group (Zr x Si y ), and the carbon source.
상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1700 내지 2000℃인 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the sintering temperature in the sintering step is 1700 to 2000 占 폚.
상기 소결은 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 사용하고, 상기 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법에서의 가압의 범위는 30MPa 내지 60MPa인 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the sintering is performed using a spark plasma sintering method and the sprue plasma sintering method is applied in a range of 30 MPa to 60 MPa.
상기 ZrC 복합체는 ZrC-SiC 복합체인 ZrC 복합체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the ZrC composite is a ZrC-SiC composite.
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| CN114853479A (en) * | 2022-05-19 | 2022-08-05 | 浙江立泰复合材料股份有限公司 | Method for preparing silicon carbide or boron carbide ceramic plate based on reaction sintering |
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