[논문]기공형성제 PMMA와 WO3 분말 성형체의 열처리를 이용한 W 다공체 제조

전기철; 김영도; 석명진; 오승탁

doi:10.4150/kpmi.2015.22.2.129

기공형성제 PMMA와 WO3 분말 성형체의 열처리를 이용한 W 다공체 제조
Fabrication of Porous W by Heat Treatment of Pore Forming Agent of PMMA and WO3 Powder Compacts 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.22 no.2, 2015년, pp.129 - 133

전기철 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 김영도 (한양대학교 신소재공학부) , 석명진 (강원대학교 재료금속공학과) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Porous W with controlled pore structure was fabricated by thermal decomposition and hydrogen reduction process of PMMA beads and $WO_3$ powder compacts. The PMMA sizes of 8 and $50{\mu}m$ were used as pore forming agent for fabricating the porous W. The $WO_3$ powder compacts with 20 and 70 vol% PMMA were prepared by uniaxial pressing and sintered for 2 h at $1200^{\circ}C$ in hydrogen atmosphere. TGA analysis revealed that the PMMA was decomposed at about $400^{\circ}C$ and $WO_3$ was reduced to metallic W at $800^{\circ}C$. Large pores in the sintered specimens were formed by thermal decomposition of spherical PMMA, and their size was increased with increase in PMMA size and the amount of PMMA addition. Also the pore shape was changed from spherical to irregular form with increasing PMMA contents due to the agglomeration of PMMA in the powder mixing process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

WO₃ 분말과 8 및 50 µm 크기의 PMMA(polymethylmethacrylates)를 혼합하여 성형체로 제조한 후, 열분해 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 다공성 W으로 제조하고 미세조직을 분석하였다. 또한 기공 형성제 크기 및 첨가량에 따른 기공특성 변화를 해석하여 요구되는 특성을 만족하는 다공체를 제조하기 위한 공정조건을 제시하고자 하였다.

가설 설정

C에서 30분 동안 수소 환원한 분말의 경우에서는 그림 4(b) 중간 반응상의 형성 없이 모두 순수한 W 상으로만 존재함을 알 수 있다. 따라서, 그림 3에서 보여주는 고온부위에서의 무게감소는 WO₃의 수소환원에 기인한 것으로 설명할 수 있으며, 이는 기존의 연구결과와도 일치한다[12].

제안 방법

C까지 가열하며 무게변화를 측정하여 분석하였다. PMMA가 혼합된 WO₃의 환원거동은 5%의 수소가 함유된 질소가스 분위기에서 TGA를 이용하여 분석하였다. 열처리에 따른 혼합분말의 상변화는 XRD(Rigaku DenkiCo.
PMMA의 열분해거동은 열중량분석기 (TGA, Shimadzu,Japan)을 이용하여 승온속도 5^oC/min로 아르곤 분위기에서 600^oC까지 가열하며 무게변화를 측정하여 분석하였다. PMMA가 혼합된 WO₃의 환원거동은 5%의 수소가 함유된 질소가스 분위기에서 TGA를 이용하여 분석하였다.
따라서, 그림 3에서 보여주는 고온부위에서의 무게감소는 WO₃의 수소환원에 기인한 것으로 설명할 수 있으며, 이는 기존의 연구결과와도 일치한다[12]. TGA결과로부터 본 실험에서의 PMMA 열분해는 400^oC에서 1시간동안 실시하였으며, 성형체를 수소분위기에서 1200^oC까지 가열하여 환원 및 소결이 일어나도록 하였다.
WO3 분말과 8 및 50 µm 크기의 PMMA(polymethylmethacrylates)를 혼합하여 성형체로 제조한 후, 열분해 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 다공성 W으로 제조하고 미세조직을 분석하였다.
기공 형성제의 크기와 첨가량이 기공구조에 미치는 영향을 분석하기 위하여 1200^oC에서 2시간 동안 수소분위기에서 소결한 시편의 미세조직을 관찰하였다. 그림 5는 평균크기 8 및 50 µm을 가지는 구형 PMMA를 각각 20 및 70 vol% 첨가한 소결체의 파단면을 SEM으로 관찰한 미세조직 사진이다.
기공특성이 제어된 고융점의 W 다공체를 제조하기 위하여 산화물을 원료분말로 사용하고 다양한 크기의 기공 형성제를 혼합하는 새로운 공정을 적용하였다. W 다공체는 WO₃ 분말과 8 및 50 µm 크기의 PMMA를 20~70 vol%로 혼합하여 성형체로 제조한 후, 열분해 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 제조하였다.
본 연구에서는 기공특성이 제어된 고융점의 W 다공체를 제조하기 위하여 산화물을 원료분말로 사용하고, 성형단계에서 형상을 유지하며 열처리를 통하여 완전한 제거가 가능한 다양한 크기의 기공 형성제를 혼합하는 새로운 공정을 적용하였다. WO₃ 분말과 8 및 50 µm 크기의 PMMA(polymethylmethacrylates)를 혼합하여 성형체로 제조한 후, 열분해 및 수소분위기에서의 소결을 통하여 다공성 W으로 제조하고 미세조직을 분석하였다.
PMMA가 혼합된 WO₃의 환원거동은 5%의 수소가 함유된 질소가스 분위기에서 TGA를 이용하여 분석하였다. 열처리에 따른 혼합분말의 상변화는 XRD(Rigaku DenkiCo., Japan)를 이용하여 분석하였고 SEM (JEOL Co.,Japan)을 이용하여 분말 및 소결체의 미세조직 특성을 평가하였다.
, USA)을 선택하여 WO₃ 분말과 함께 넣고 증류수 내에서 10시간 동안 볼 밀링하여 혼합하였다. 이때 PMMA는 20 및 70 vol%를 첨가하였다. 혼합분말은 프레스를 이용하여 30 MPa의 일축압력으로 직경 10 mm,높이 15 mm의 실린더 형태로 성형하였다.

대상 데이터

기공 형성제로는 각각 평균크기 8 및 50 µm을 가지는 구형 PMMA(Poly(methyl methacrylate-co-ethylene glycol dimethacrylate),Sigma-Aldrich Inc., USA)을 선택하여 WO3 분말과 함께 넣고 증류수 내에서 10시간 동안 볼 밀링하여 혼합하였다.
출발원료로 순도 99.9%, 평균 입자크기 0.2 µm의 WO3 분말(Kojundo Chemical Lab. Co., Japan)을 사용하였으며, 그림 1에 분말의 입도 및 형상을 나타내었다.

성능/효과

8 µm 크기의 PMMA를 20 vol% 첨가하여 제조한 경우가 70 vol% 첨가한 시편보다 상대적으로 균일한 분말 혼합체를 나타내었으며, PMMA의 크기가 50 µm로 증가할 경우에는 균일도가 감소하였다. TGA 및 XRD를 이용한 분석결과 PMMA는 400^oC이상의 온도에서 분해되며, WO₃는 약 800^oC에서 수소분위기 열처리를 통하여 순수한 W으로의 환원이 가능함을 확인하였다. PMMA를 20 vol% 첨가하여 1200^oC에서 2시간 동안 수소분위기에서 소결한 시편의 경우 PMMA가 제거된 자리에 초기의 크기와 형상을 유지하며 기공으로 존재하였다.
PMMA의 경우 약 260^oC에서 main chain의 분해가 발생하여 340^oC 이상에서는 depolymerization되어 최종적으로 420^oC 이상에서는 모두 분해됨을 알 수 있다[10]. 한편, WO₃ 분말에 20 vol%의 PMMA가 혼합된 분말을 5%의 수소가 함유된 질소가스 분위기에서 TGA분석을 한 결과, 약 250^oC부터 400^oC까지 무게감소를 보여주며, 다시 약 550^oC부터 710^oC까지 무게감소가 일어남을 알 수 있다. 순수한 PMMA의 TGA분석결과를 고려할 때 첫 번째의 무게감소는 PMMA의 분해에 기인한 것이며, 두 번째의 무게감소는 WO₃ 분말의 환원에 의한 것으로 해석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sacrificial fugitives란?	부분소결(partial sintering)은 소결과정 중의 조밀화 정도를 제어하여 기공이 잔류하게 하는 분말소재 공정으로 다공체 제조에 가장 일반적으로 사용되는 방법이나 정밀한 기공특성의 제어에는 어려움이 있다[6]. Sacrificial fugitives는 고분자 미세구 및 파라핀 등의 기공 형성제를 고체분말과 혼합하여 성형체로 제조한 후, 소결 중에 증발 또는 분해하여 기공을 형성하는 방법이다[7]. 복제(replica template)는 sacrificial fugitives와 유사한 공정으로, 고분자 소재의 preform을 이용하여 고체 입자 슬러리를 코팅한 후 건조 및 열처리하여 preform이 열분해된 자리에 반대되는 형태의 기공이 형성되게 하는 공정이다[8].
	WO3 분말에 20 vol%의 PMMA가 혼합된 분말에서 온도가 상승할수록 무게감소가 나타나는 이유는?	한편, WO3 분말에 20 vol%의 PMMA가 혼합된 분말을 5%의 수소가 함유된 질소가스 분위기에서 TGA분석을 한 결과, 약 250oC부터 400oC까지 무게감소를 보여주며, 다시 약 550oC부터 710oC까지 무게감소가 일어남을 알 수 있다. 순수한 PMMA의 TGA분석결과를 고려할 때 첫 번째의 무게감소는 PMMA의 분해에 기인한 것이며, 두 번째의 무게감소는 WO3 분말의 환원에 의한 것으로 해석된다.
	고융점 다공체에는 어떤 공정들이 적용되는가?	일반적인 금속 계 다공체의 제조에서는 주조과정 중 TiH2와 같은 발포제를 이용하여 기공을 형성시키는 대량생산 공정이 있으나 고융점 금속 계의 적용에는 한계가 있다[4]. 따라서 세라믹을 포함한 고융점 다공체의 경우에는 부분소결, sacrificial fugitives 및 복제 등을 사용하는 공정이 적용되고 있다[5]. 부분소결(partial sintering)은 소결과정 중의 조밀화 정도를 제어하여 기공이 잔류하게 하는 분말소재 공정으로 다공체 제조에 가장 일반적으로 사용되는 방법이나 정밀한 기공특성의 제어에는 어려움이 있다[6].

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