KR102349498B1 - Hafnium Carbide Ceramic Precursor and Method for Preparing the Hafnium Carbide Ceramic - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 및 이를 이용하여 하프늄 카바이드 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것으로, 높은 세라믹 수율로 인한 우수한 치밀화를 나타내는 전구체를 이용하여 우수한 물성 및 낮은 산화불순물 함유량을 나타낼 수 있는 하프늄 카바이드 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hafnium carbide ceramic precursor and a method for manufacturing a hafnium carbide ceramic using the same. It relates to a manufacturing method.
Description
본 발명은 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 및 이를 이용하여 하프늄 카바이드 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것으로, 높은 세라믹 수율로 인한 우수한 치밀화를 나타내는 전구체를 이용하여 우수한 물성 및 낮은 산화불순물 함유량을 나타낼 수 있는 하프늄 카바이드 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hafnium carbide ceramic precursor and a method for manufacturing a hafnium carbide ceramic using the same. It relates to a manufacturing method.
일반적으로, 탄소(C)를 기반으로 하는 탄소 화합물 소재, 예를 들어 탄소-탄소(C-C) 결합으로 형성된 그라파이트 소재나 탄화규소-탄화규소(SiC-SiC) 복합재 등의 탄화물계 세라믹 소재는 화학적 및 물리적 특성 등이 우수하다. 이러한 탄소 함유 소재는, 특히 내열 특성이 우수한 고온 재료로서, 다양한 산업 분야에서 내열 소재 등으로 사용되고 있다. 그러나 대부분의 탄화물계 세라믹 1,600 ℃ 이상의 고온 환경에서 산화저항성(내산화성)이 낮은 단점이 있다.In general, carbon compound materials based on carbon (C), for example, graphite materials formed by carbon-carbon (CC) bonds, or carbide-based ceramic materials such as silicon carbide-silicon carbide (SiC-SiC) composites are chemical and It has excellent physical properties. Such carbon-containing materials are particularly high-temperature materials having excellent heat-resistance properties, and are used as heat-resistant materials and the like in various industrial fields. However, most carbide-based ceramics have a disadvantage in that oxidation resistance (oxidation resistance) is low in a high temperature environment of 1,600 °C or higher.
한편, 최근에는 용융점이 높은 초고온 세라믹(Ultra High Temperature Ceramics, UHTC)이 내열 소재로서 주목받고 있다. 초고온 세라믹은 2,000 ℃ 이상의 고온에서 열적 및 기계적 안정성 등을 가지는 초고온 재료로서, 이는 1,600 ℃ 이상에서 낮은 산화저항성을 가지는 탄소 함유 소재를 극복할 수 있는 소재이다. 이러한 초고온 세라믹은, 예를 들어 하프늄 카바이드(HfC) 및 탄탈륨 카바이드(TaC) 등을 들 수 있으며, 이들은 3,000 ℃ 이상의 높은 용융점을 가지고 있어 열적 안정성 및 화학적 안정성이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 높은 전기전도성, 열전도성 및 경도 등을 보여주어 초고온 세라믹이 활용되는 영역에서 각광을 받고 있다. 이러한 초고온 세라믹은, 예를 들어 초음속 비행체, 우주 발사체, 대륙간 탄도미사일, 로켓 터빈 및 발전소 터빈 등에서 그 활용도가 높다. On the other hand, recently, ultra high temperature ceramics (UHTC) having a high melting point are attracting attention as a heat-resistant material. Ultra-high temperature ceramic is an ultra-high temperature material having thermal and mechanical stability at high temperatures of 2,000 °C or higher, which can overcome carbon-containing materials having low oxidation resistance at 1,600 °C or higher. Such ultra-high-temperature ceramics include, for example, hafnium carbide (HfC) and tantalum carbide (TaC). and hardness. Such ultra-high temperature ceramics, for example, have high utility in supersonic vehicles, space launch vehicles, intercontinental ballistic missiles, rocket turbines, and power plant turbines.
일반적으로, 초고온 세라믹은 초음속 비행체나 우주 발사체 등의 내열 소재로 적용되기 위해서는 소정 형태의 구조재로 성형 제조되어야 한다. 이때, 초고온 세라믹은 주로 소결법을 통해, 예를 들어 블록(block) 형태 등의 구조재로 제조되고 있다. In general, in order to be applied as a heat-resistant material such as a supersonic vehicle or a space launch vehicle, the ultra-high temperature ceramic must be molded and manufactured into a structural material of a predetermined shape. At this time, the ultra-high temperature ceramic is mainly manufactured through a sintering method, for example, as a structural material such as a block type.
특히, 대표적인 초고온 세라믹으로서 하프늄 카바이드(HfC) 등과 같은 고용융점을 가지는 초고온 세라믹을 소결 재료로 사용하는 경우, 하프늄 카바이드(HfC)의 강한 공유결합, 소결 과정에서의 산화불순물 함유 및 고온에서의 빠른 입자 성장 등의 이유로 치밀화가 어려워 고밀도의 구조재(소결체)를 구성하는데에 많은 비용과 자원이 소모된다. In particular, when an ultra-high-temperature ceramic having a high melting point, such as hafnium carbide (HfC) as a representative ultra-high-temperature ceramic, is used as a sintering material, the strong covalent bonding of hafnium carbide (HfC), oxidizing impurities in the sintering process, and fast particles at high temperature Because densification is difficult for reasons such as growth, a lot of cost and resources are consumed to construct a high-density structural material (sintered body).
때문에 난소결 소재인 탄화물계 세라믹을 낮은 온도에서 성형, 치밀화 하고 다양한 형상으로 구현하기 위하여 무기고분자(프리세라믹) 유래 세라믹(PDC, polymer derived ceramics) 제조기술이 적용되기도 한다. 가장 잘 알려진 프리세라믹인 폴리카보실란은, 고분자의 용융, 용해 특성을 이용하여 섬유를 제조하거나 복합체를 성형하고 코팅 소재로 사용되고 있다. HfC역시 프리세라믹 유래 섬유 제조가 개발(US7,572,881)된 바 있다. 탄화물 전구체를 설계하기 위해서는 유기금속 화합물을 기반으로 고분자화(polymerization)을 유도해야 하는데, 유기금속 화합물은 일반적으로 산화 안정성이 취약하므로 비산화분위기에서 다루어지지만, 금속(M)원소가 안정화 되도록 다양한 리간드를 설계, 적용하여 결합안정성을 확보하기도 한다. 그 중 금속과 다양한 유기 원소의 결합 안정성은 M-O > M-N > M-C와 같은데, 탄화물을 형성하기 위해서는 M-C 결합이 우선적으로 검토될 수 있으나, 불안정한 결합으로 공정 과정에서 산화 속도가 가장 빠르게 나타나며, M-O 결합은 쉽게 산화물 형태로 전환이 될 수 있다는 한계가 있다. M-N 결합은 M-C에 비하여 안정한 결합이기는 하나, 세라믹으로 전환되는 열처리 과정에서 잔존하는 질소의 함량 제어가 중요하다. For this reason, in order to form and densify carbide-based ceramics, which are non-sintering materials, at low temperatures and to implement them in various shapes, inorganic polymer (pre-ceramic)-derived ceramics (PDC) manufacturing technology is sometimes applied. Polycarbosilane, the most well-known pre-ceramic, is used as a coating material for manufacturing fibers or molding composites by using the melting and dissolving properties of polymers. HfC has also been developed to manufacture pre-ceramic-derived fibers (US7,572,881). In order to design a carbide precursor, polymerization must be induced based on an organometallic compound. Organometallic compounds are generally treated in a non-oxidizing atmosphere because of their weak oxidative stability, but various ligands are used to stabilize the metal (M) element. is designed and applied to secure bonding stability. Among them, the stability of bonding between metals and various organic elements is the same as MO > MN > MC. In order to form carbides, MC bonding can be considered preferentially. There is a limit in that it can be easily converted into an oxide form. Although M-N bonding is more stable than M-C bonding, it is important to control the content of nitrogen remaining in the heat treatment process for converting into ceramics.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 비교적 안정적인 아민계의 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 이용하여, 세라믹으로 전환시 질소 함량은 최대한 낮추고 초고온 세라믹(UHTC)으로서 우수한 물성 및 낮은 산화불순물 함유량을 나타낼 수 있는 하프늄 카바이드 세라믹을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to use a relatively stable amine-based hafnium carbide ceramic precursor, and to reduce the nitrogen content as much as possible when converting to a ceramic, and as an ultra-high temperature ceramic (UHTC), excellent physical properties and low To provide a hafnium carbide ceramic capable of exhibiting an oxide impurity content.
한편으로, 본 발명은On the one hand, the present invention
하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 제공하기 위하여 하기 화학식 1의 화합물로 표시되는 모노머(monomer)를 제시한다:To provide a hafnium carbide ceramic precursor, a monomer represented by a compound of the following formula (1) is presented:
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서, In the above formula,
R 및 R`는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.R and R` are each the same as or different from each other, hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
다른 한편으로, 본 발명은On the other hand, the present invention
(i) 하프늄(Hf) 할라이드 화합물 및 아민 함유 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 화합물로 표시되는 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 모노머를 제조하는 단계; (i) preparing a monomer of a hafnium carbide ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 by reacting a hafnium (Hf) halide compound and an amine-containing compound;
(ii) 상기 모노머로부터 새장 구조(cage structure)의 중합(polymerization) 반응에 의하여 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 제조하는 단계; (ii) preparing a hafnium carbide ceramic precursor by polymerization of a cage structure from the monomer;
(iii) 상기 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 열경화하는 단계; 및(iii) thermally curing the hafnium carbide ceramic precursor; and
(iv) 상기 열경화된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 1,400 내지 2,000 ℃에서 열처리하여 하프늄 카바이드 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 하프늄 카바이드 세라믹의 제조방법을 제공한다.(iv) converting the thermosetting hafnium carbide ceramic precursor into hafnium carbide ceramic by heat treatment at 1,400 to 2,000 °C; provides a method of manufacturing hafnium carbide ceramic comprising a.
본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 높은 세라믹 수율로 인해 우수한 치밀화를 나타내고, 이를 이용하여 제조되는 하프늄 카바이드 세라믹은 초고온 세라믹(UHTC)으로서 우수한 물성 및 낮은 산화불순물 함유량을 나타낼 수 있다.The hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention exhibits excellent densification due to a high ceramic yield, and the hafnium carbide ceramic prepared using the same is an ultra-high-temperature ceramic (UHTC) and exhibits excellent physical properties and low oxide impurity content.
또한, 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 유무기 복합 고분자로서 용해/용융이 가능하여 복잡한 형상의 세라믹 성형이 가능하다.In addition, the hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention can be dissolved/melted as an organic-inorganic composite polymer, so that it is possible to form a ceramic having a complex shape.
또한, 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 전구체는 새장 구조와 같이 복잡한 네트워크를 형성한 고분자 상태로 선형구조를 가지는 고분자에 비해 열안정성이 우수하며 높은 세라믹 수율을 가진다.In addition, the hafnium carbide precursor according to the present invention has excellent thermal stability and a high ceramic yield compared to a polymer having a linear structure in a polymer state in which a complex network such as a cage structure is formed.
도 1은 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체(a) 및 펠렛 타입의 열경화된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체(b)를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 열분해 완료된 하프늄 카바이드 세라믹 시편을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 열분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 열처리 조건에 대한 하프늄 카바이드의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.1 shows a hafnium carbide ceramic precursor (a) and a pellet-type thermoset hafnium carbide ceramic precursor (b) according to the present invention.
Figure 2 shows a hafnium carbide ceramic specimen pyrolyzed according to the present invention.
3 is a graph showing the results of FT-IR analysis of the hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention.
4 is a graph showing the results of thermal analysis of the hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention.
5 is a graph showing the results of XRD analysis of hafnium carbide for the heat treatment conditions according to the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 실시형태에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 제조하기 위한 모노머(monomer)는,A monomer for preparing a hafnium carbide ceramic precursor according to an embodiment of the present invention is,
하기 화학식 1의 화합물로 표시되는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it is represented by the compound of Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서, In the above formula,
R 및 R`는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.R and R` are each the same as or different from each other, hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
본 명세서에서 사용되는 C1 내지 C6의 알킬기는 탄소수 1 내지 6개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 1가 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.As used herein, C 1 to C 6 Alkyl group refers to a linear or branched monovalent hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms, for example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl , n-pentyl, n-hexyl, and the like, but are not limited thereto.
본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체(또는 하프늄 복합 고분자)는 아민계 하프늄 전구체로서, 공정 과정에서 유입되는 산소로부터 안정성을 확보할 수 있고, 질소와의 결합을 쉽게 끊어내어 탄화물계 세라믹 전구체로 사용되기에 적합하다.The hafnium carbide ceramic precursor (or hafnium composite polymer) according to the present invention is an amine-based hafnium precursor, which can secure stability from oxygen introduced during the process, and easily breaks the bond with nitrogen to be used as a carbide-based ceramic precursor. suitable for
본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 축합(condensation) 반응에 의하여 새장 구조(cage structure)와 같이 복잡한 네트워크를 가지는 고분자로 성장할 수 있다. 이때, 중합(polymerization) 반응이 진행되면 금속 원소는 상당히 안정화되어 작업 안정성을 확보할 수 있고, 용융/용해가 가능하여 복잡한 형상의 하프늄 카바이드 세라믹을 성형하는데 적용 가능하다. The hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention can be grown into a polymer having a complex network such as a cage structure by a condensation reaction. At this time, when the polymerization reaction proceeds, the metal element is considerably stabilized to ensure work stability, and melting/dissolution is possible, so it can be applied to forming hafnium carbide ceramics having a complex shape.
구체적으로, 본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 상대적으로 탄소수가 많은 테트라(디이소페닐아미노)하프늄 (tetra(diisophenylamino)hafnium, TDiPS-Hf)를 사용하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention uses tetra(diisophenylamino)hafnium (TDiPS-Hf) having a relatively large number of carbon atoms, but is not limited thereto.
상기 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 분자량은 제한되지 않는다. 상기 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 아래 그림 1과 같이 축합반응에 의해 금속(M)을 포함하는 기본 유닛의 수(n)가 8 이상으로 증가할 수 있는데, 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 GPC 분석이 어려워 분자량 확인이 불가하다. 다만, 진한 오렌지 색의 액상 단량체는 중합반응에 의해 분자량이 증가하게 되면 반응물의 점도가 증가하고 갈색으로 전환되는데, 반응이 종료되고 온도가 상온으로 떨어지게 되면 분말상태의 고체로 전환된다.The molecular weight of the hafnium carbide ceramic precursor is not limited. In the hafnium carbide ceramic precursor, the number (n) of basic units containing metal (M) can be increased to 8 or more by a condensation reaction as shown in Figure 1 below. impossible However, when the molecular weight of the dark orange liquid monomer is increased by polymerization, the viscosity of the reactant increases and is converted to brown color.
[그림 1][Figure 1]
본 발명의 일 실시형태에 따른 하프늄 카바이드 세라믹의 제조방법은,A method of manufacturing a hafnium carbide ceramic according to an embodiment of the present invention,
(i) 하프늄(Hf) 할라이드 화합물 및 아민 함유 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 화합물로 표시되는 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 모노머를 제조하는 단계; (i) preparing a monomer of a hafnium carbide ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 by reacting a hafnium (Hf) halide compound and an amine-containing compound;
(ii) 상기 모노머로부터 새장 구조(cage structure)의 중합(polymerization) 반응에 의하여 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 제조하는 단계; (ii) preparing a hafnium carbide ceramic precursor by polymerization of a cage structure from the monomer;
(iii) 상기 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 열경화하는 단계; 및(iii) thermally curing the hafnium carbide ceramic precursor; and
(iv) 상기 열경화된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 1,400 내지 2,000 ℃에서 열처리하여 하프늄 카바이드 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.(iv) converting the heat-cured hafnium carbide ceramic precursor into hafnium carbide ceramic by heat treatment at 1,400 to 2,000 °C.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 (i) 단계에서 아민 함유 화합물은 리튬 디이소프로필아마이드(lithium diisopropylamide), 리튬 디메틸아미드(lithium dimethylamide), 리튬 디에틸아미드(lithium diethylamide) 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, as the amine-containing compound in step (i), lithium diisopropylamide, lithium dimethylamide, lithium diethylamide, etc. may be used, It is not limited thereto.
본 발명에 따른 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 세라믹 수율은 60 내지 80 wt%이며, 열처리 초기의 용매 휘발 및 열분해로 인한 중량 감소가 최소화된 것을 특징으로 한다. 따라서, 세라믹 수율이 높은 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 이용하여 제조되는 세라믹은 열처리 단계에서 중량감소에 의한 손실이 적으므로 높은 치밀화에 유리하므로 초고온 세라믹으로서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.The ceramic yield of the hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention is 60 to 80 wt%, and the weight reduction due to solvent volatilization and thermal decomposition in the initial stage of heat treatment is minimized. Therefore, a ceramic manufactured using a hafnium carbide ceramic precursor having a high ceramic yield has little loss due to weight reduction in the heat treatment step, and thus is advantageous for high densification, and thus can exhibit excellent effects as an ultra-high temperature ceramic.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열처리 반응은 1,400 내지 2,000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 1,200 ℃보다 낮은 온도에서 열처리를 수행하는 경우 결정화되지 않은 비정질 상태의 하프늄 카바이드의 하프늄 원자 상태가 불안정하여 대기에 노출이 되는 순간 산화가 된다. 이에 결정화가 시작되는 1,200 ℃이상의 열처리 온도가 필요하며, 바람직하게는 1,400 ℃이상의 온도가 요구된다. 열처리 온도가 2,000 ℃를 초과하는 경우 결정 성장이 급속하게 진행되어 국부적인 조대입자가 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment reaction is preferably carried out at 1,400 to 2,000 ° C., when the heat treatment is performed at a temperature lower than 1,200 ° C. The hafnium atomic state of hafnium carbide in an amorphous state that is not crystallized is unstable, so atmospheric It oxidizes when exposed to Accordingly, a heat treatment temperature of 1,200 °C or higher is required to start crystallization, and preferably a temperature of 1,400 °C or higher is required. When the heat treatment temperature exceeds 2,000 °C, crystal growth proceeds rapidly, and local coarse grains may be formed.
상기 열처리 반응은 열분해와 결정화로 나누어 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 열분해 공정은 800 내지 1,000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 상기 결정화 공정은 1,200 내지 2,000 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열분해 공정은 중량감소가 가장 크게 일어나는 구간으로 중량 감소에 의한 수축변형으로부터 성형물을 안정하게 유지하기 위해서는 열분해 공정에서의 승온과 유지시간이 중요하다. 상기 열처리 반응은 1회 이상 반복 수행될 수 있다.The heat treatment reaction may be performed by dividing it into thermal decomposition and crystallization. Specifically, the thermal decomposition process is preferably performed at 800 to 1,000 °C, and the crystallization process is preferably performed at 1,200 to 2,000 °C. The thermal decomposition process is a section in which the weight reduction occurs the most, and in order to stably maintain the molded article from shrinkage deformation due to the weight reduction, the temperature increase and the holding time in the pyrolysis process are important. The heat treatment reaction may be repeated one or more times.
본 발명에 따른 새장 구조의 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 아래 화학식 2 내지 4의 화합물과 같이 입체구조로 표시되는 고분자로 성장할 수 있다.The hafnium carbide ceramic precursor having a cage structure according to the present invention can be grown into a polymer represented by a three-dimensional structure as shown in the compounds of Chemical Formulas 2 to 4 below.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
상기 식에서, In the above formula,
M은 Hf이고,M is Hf,
R 및 R`는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.R and R` are each the same as or different from each other, hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
본 발명에 따른 벌크 타입 하프늄 카바이드 세라믹 전구체는 고온가압 반응에 의하여 경화가 가능한데, 본 발명에 따른 고온가압에 의해 경화된 벌크 타입 하프늄 카바이드 세라믹은 열처리 단계에서 융융되지 않아 성형물이 무너질 염려가 없으며 이로 인해 산화현상을 최소화하여 산소의 유입을 차단할 수 있고 세라믹으로의 전환율을 높일 수 있다. The bulk-type hafnium carbide ceramic precursor according to the present invention can be cured by a high-temperature pressurization reaction, and the bulk-type hafnium carbide ceramic cured by high-temperature pressure according to the present invention does not melt in the heat treatment step, so there is no fear that the molding may collapse. By minimizing oxidation, the inflow of oxygen can be blocked and the conversion rate to ceramic can be increased.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.
실시예 1 : 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 제조Example 1: Preparation of Hafnium Carbide Ceramic Precursors
60ml의 디에틸에테르(diethylether)에 1M의 리튬 디이소프로필아마이드(lithium diisopropylamide)용액 25ml를 첨가하여 용액을 준비하였다. 그리고, HfCl4 2g을 ice bath에서 상기 용액에 천천히 적하하고 혼합된 혼합물을 교반시키며 환류관을 장착하고 12시간 동안 환류시켰다. 반응시간 경과에 따라 오렌지 색으로 전환된 반응물에서 부산물인 LiCl을 걸러낸 후 증류하여 용매로부터 반응물을 분리하여 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 모노머인 테트라(디이소페닐아미노)하프늄 (tetra(diisophenylamino)hafnium, TDiPS-Hf)를 수득하였다(도 1(a) 참조).A solution was prepared by adding 25 ml of a 1M lithium diisopropylamide solution to 60 ml of diethylether. Then, 2 g of HfCl 4 was slowly added dropwise to the solution in an ice bath, the mixed mixture was stirred, a reflux tube was installed, and the mixture was refluxed for 12 hours. LiCl, a by-product, is filtered from the reactant that has turned orange over the reaction time, and the reactant is separated from the solvent by distillation, which is a monomer of the hafnium carbide ceramic precursor. Tetra (diisophenylamino) hafnium (tetra (diisophenylamino) hafnium, TDiPS-Hf) was obtained (see Fig. 1 (a)).
그런 다음, 액상의 반응물의 반응 온도를 150 ℃로 상승시키고 추가 반응하여 진한 갈색의 분말의 고분자 상태의 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 수득하였다. Then, the reaction temperature of the liquid reactant was raised to 150° C. and further reacted to obtain a dark brown powdery hafnium carbide ceramic precursor in a polymer state.
실시예 2 : 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 성형물의 제조Example 2: Preparation of hafnium carbide ceramic precursor moldings
상기 실시예 1에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 1g을 10mm 직경의 장축성형몰드에 충진하고 몰드 바깥 부위에 heating jacket을 씌운 후 250 ℃로 반응 온도를 올리되 1 torr 압력을 가하여 경화가 완료된 펠렛 타입의 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 성형물을 수득하였다(도 1(b) 참조).1 g of the hafnium carbide ceramic precursor prepared in Example 1 was filled in a 10 mm diameter long-axis molding mold, a heating jacket was placed on the outside of the mold, and the reaction temperature was raised to 250 ° C., but the curing was completed by applying 1 torr pressure. A hafnium carbide ceramic precursor molding was obtained (see Fig. 1(b)).
실시예 3 : 하프늄 카바이드 세라믹(HfC)의 제조Example 3: Preparation of hafnium carbide ceramic (HfC)
상기 실시예 1에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 분말을 Ar 분위기 튜브로에 장착하였다. HfC의 전환을 위하여 열처리 단계는 열분해와 결정화로 나누어 수행하였다. 1,000 ℃에서 1시간 유지하여 열분해하고, 다시 1,800 ℃에서 1시간 유지하여 결정화시켜 HfC를 제조하였다.The hafnium carbide ceramic precursor powder prepared in Example 1 was mounted in an Ar atmosphere tube furnace. For the conversion of HfC, the heat treatment step was divided into thermal decomposition and crystallization. HfC was prepared by pyrolysis by holding at 1,000 ° C. for 1 hour, and crystallization by maintaining at 1,800 ° C. for 1 hour.
실시예 4 : 벌크 타입 하프늄 카바이드 세라믹(Bulk type HfC)의 제조Example 4: Preparation of bulk type hafnium carbide ceramic (Bulk type HfC)
상기 실시예 2에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 성형물을 Ar 분위기 튜브로에 장착시킨 후, 1 C ℃/min 속도로 승온하되 400 ℃, 1,000 ℃에서 각각 1시간씩 유지하여 열분해시키고, 2 ℃/min 속도로 1,800 ℃까지 승온 후 결정화시키고 1시간 동안 유지하여 벌크 타입 HfC를 제조하였다(도 2 참조).After the hafnium carbide ceramic precursor molded product prepared in Example 2 was mounted in an Ar atmosphere tube furnace, the temperature was raised at a rate of 1 C ℃/min, and pyrolyzed by maintaining at 400 °C and 1,000 °C for 1 hour, respectively, 2 °C/min After the temperature was raised to 1800 ° C. at a rate, crystallized and maintained for 1 hour to prepare bulk type HfC (see FIG. 2).
제조된 HfC는 열분해를 거치는 단계에서도 boiling에 의한 변형이 나타나지 않았고 이동 등의 핸들링이 가능할 정도의 형상을 유지하는 것으로 보아, 압력 조건 하에서의 polymerization 후에는 경화 단계를 필요로 하지 않는 것으로 보인다. The prepared HfC did not show any deformation due to boiling even in the stage of thermal decomposition, and it was seen that the shape was maintained enough to handle movement, etc., so it appears that a curing step is not required after polymerization under pressure conditions.
도 2를 참조로, 시편의 표면에 약간의 크랙(crack)들이 관찰되었는데, 이는 일부 휘발성 잔여물들 또는 열분해 과정에서 발생하는 수축 등에 의해 발생되는 것으로 추측된다.Referring to FIG. 2 , some cracks were observed on the surface of the specimen, which is presumed to be caused by some volatile residues or shrinkage occurring during thermal decomposition.
실험예 1 : 반응성 여부 확인Experimental Example 1: Confirmation of reactivity
상기 실시예 1에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 반응성 여부를 확인하기 위하여 FT-IR 분석을 실시하였으며, wavenumber 1,263 cm-1 위치의 Hf-N-C bending vibration이 확인되는 것으로 보아, Hf계 프리세라믹 원료인 Hf-아미노 복합 고분자가 형성되었음을 확인하였다(도 3 참조).FT-IR analysis was performed to confirm the reactivity of the hafnium carbide ceramic precursor prepared in Example 1, and Hf-NC bending vibration at the position of wave number 1,263 cm -1 was confirmed. It was confirmed that an Hf-amino complex polymer was formed (see FIG. 3 ).
실험예 2 : 유무기 전환 및 세라믹 수율 평가Experimental Example 2: Evaluation of organic-inorganic conversion and ceramic yield
하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 유무기 전환 및 세라믹 수율을 평가하기 위해, 상기 실시예 2에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체 펠렛을 N2 조건에서 열중량 분석을 수행하였다.To evaluate the organic-inorganic conversion and ceramic yield of the hafnium carbide ceramic precursor, the hafnium carbide ceramic precursor pellets prepared in Example 2 were subjected to thermogravimetric analysis under N 2 conditions.
프리세라믹 고분자의 고온 열처리시 Hf-C-N 등으로 이루어진 back-bone 구조가 HfC로 전환되는 유무기 전환(Organic-inorganic conversion)을 거치게 되며 이 과정에서 최종 세라믹의 고온물성을 결정짓게 된다.During high-temperature heat treatment of pre-ceramic polymers, the back-bone structure made of Hf-C-N, etc. is converted to HfC through organic-inorganic conversion, which determines the high-temperature properties of the final ceramic.
도 4를 참조로, TGA (Netzsh STA449 F3 Jupiter)를 이용하여 승온 중 무게변화를 관찰한 결과에 의하면 2번의 중량감소가 발생하는 것이 확인되었다. 먼저, (I) 100 ℃ 미만 조건에서 발생하는 중량감소 (stage A) 구간은 일반적으로 용매 휘발구간에 해당하며, 이는 polymerization에서 재생산되는 amine계 부산물로 후공정에서 제거되지 않고 시료 내에 남아있는 것으로 추정된다. (II) 100 내지 600 ℃ 구간(stage B)에서 발생되는 20%의 중량감소는 유기물의 열분해에 의한 것이다. Referring to FIG. 4 , according to the result of observing the weight change during temperature increase using TGA (Netzsh STA449 F3 Jupiter), it was confirmed that the weight loss occurred twice. First, (I) the weight loss (stage A) section that occurs under the condition of less than 100 °C generally corresponds to the solvent volatilization section, which is an amine-based by-product reproduced in polymerization and is not removed in the post-process and is estimated to remain in the sample. do. (II) 20% weight loss occurring in the 100 to 600 ℃ section (stage B) is due to thermal decomposition of organic matter.
따라서, 상기 실시예 2에서 제조된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체의 세라믹 수율(ceramic yield)은 약 64 wt% 임을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the ceramic yield of the hafnium carbide ceramic precursor prepared in Example 2 was about 64 wt%.
실험예 3 : XRD 측정Experimental Example 3: XRD measurement
상기 실시예 4에서 제조된 HfC의 XRD 분석 결과, HfC 결정 외에 HfO2가 형성된 것을 확인하였다(도 5 참조). 이는 산화반응에 예민한 유기금속 화합물의 특징으로, 공정과정에서 유입된 산화물이 열처리 과정 중에 남아 있는 것임을 알 수 있었다. As a result of XRD analysis of HfC prepared in Example 4, it was confirmed that HfO 2 was formed in addition to HfC crystals (see FIG. 5 ). This is a characteristic of organometallic compounds that are sensitive to oxidation, and it can be seen that oxides introduced during the process remain during the heat treatment process.
그러나, 질소 화합물을 형성하지 않은 것으로 보아 아민계 화합물을 탄화물 전구체로 적용하는데 적절한 것을 알 수 있었다.However, it was found that the amine-based compound was suitable for application as a carbide precursor as it did not form a nitrogen compound.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.As the specific part of the present invention has been described in detail above, for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, it is clear that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. do. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (7)
(ii) 상기 모노머로부터 새장 구조(cage structure)의 중합(polymerization) 반응에 의하여 하기 화학식 2 내지 4의 화합물과 같은 입체구조의 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 제조하는 단계;
(iii) 상기 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 열경화하는 단계; 및
(iv) 상기 열경화된 하프늄 카바이드 세라믹 전구체를 1,400 내지 2,000 ℃에서 열처리하여 하프늄 카바이드 세라믹으로 전환하는 단계;를 포함하는 하프늄 카바이드 세라믹의 제조방법:
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 식에서,
M은 Hf이고,
R 및 R`는 각각 서로 같거나 다른 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이다.(i) reacting a hafnium (Hf) halide compound and an amine-containing compound to prepare a monomer of a hafnium carbide ceramic precursor represented by the compound of Formula 1 below;
(ii) preparing a hafnium carbide ceramic precursor having the same three-dimensional structure as the compounds of Chemical Formulas 2 to 4 by polymerization of a cage structure from the monomer;
(iii) thermally curing the hafnium carbide ceramic precursor; and
(iv) converting the heat-cured hafnium carbide ceramic precursor into hafnium carbide ceramic by heat treatment at 1,400 to 2,000 ° C. Method for producing hafnium carbide ceramic comprising:
[Formula 1]
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
In the above formula,
M is Hf,
R and R` are each the same as or different from each other, hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group.
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