표면개질에 의한 다공성 Al-Cu 소결체의 기공구조 제어

Abstract

금속 필터는 다른 재료에 비해 우수한 기계적 특성 및 가공성을 가지고 있고, 높은 온도에서 사용 가능하고, 공정비용이 저렴한 장점이 있다. 하지만 현재까지 금속필터재로 사용되는 Ni-based superalloy 및 stainless steel 등은 최종 제품의 무게가 무겁고 제조 공정 중 소결온도가 높은 편이다. 이를 보완하고자 경량화된 금속 필터로써 소결온도가 낮고, 비강도가 좋은 Al-Cu 합금을 이용한 다공성 소결체를 제조하였다. Al과 Cu 상용 분말을 저에너지 볼밀링을 통해 구형화시켜 100~500 ㎛의 크기를 갖는 구형 혼합 분말을 제조하였고, 20, 50, 100 MPa의 압력으로 일축 성형한 후 10℃/min의 승온속도로 605℃에서 10~240 분의 유지시간을 주어 소결을 진행하였다. 이렇게 제조된 다공성 소결체 기공내의 여과특성 향상을 위하여 NaOH 수용액을 이용한 알칼리 표면개질을 실시하였으며 porosimeter와 BET 분석을 통해 기공율 및 기공 크기 분포를 확인하였다. 표면개질을 통해 다공성 소결체의 비표면적이 0.7 m²/g에서 7.3 m²/g으로 증가되었고, 기공 구조 또한 10~100 nm의 기공이 형성된 것을 BET 분석을 통해 알 수 있었다. 이렇게 기공 구조를 개선한 시편을 제조한 후 젖음성 테스트를 실시해 표면개질 전 83° 의 젖음각에서 표면개질 후 젖음각이 9o 로 젖음 특성이 크게 향상됨을 확인하였다. 이후 투과특성을 측정하여 투과성이 크게 증가하는 것이 확인되었는데, 이는 표면개질 후의 시편 표면에서의 친수성이 높아졌기 때문으로 판단된다. 또한, 이온 여과시험은 환경문제에 악영향을 주고 있는 물질인 암모니아 (ammonia)와 인산염 (phosphate)을 여과시켜 수행하였다. 암모니아와 인산염 이온을 여과한 결과 표면개질을 함으로써 특히 인산염 (phosphate) 이온 여과의 큰 향상을 보였는데, 이는 알루미늄 수산화물과 인산염 이온들이 서로 이온 교환 기구를 통해 여과된 것으로 여겨진다.; Highly microporous materials have paid enormous attention due to their low densities with interesting physical, thermal, electrical, acoustic and mechanical properties, such as high stiffness, high gas permeability and high thermal conductivity. So, the developments of various filters have been required to reduce environmental pollution. Therefore, the metal porous filter which enables to filtrate and separate various impurities of exhausted gas has been expected to be applied to dust removal device. In this study, sintered porous Al having pore structure was fabricated by powder metallurgical technique. The fabricated spherical particle has 100~500 ㎛ in diameter after ball-milling process with the composition of Al-4wt.% Cu. Subsequently, the powder mixtures were classified and the green body which has the porosity of about 32~45% through control of compacting pressure. Then, it was sintered at 605 ℃ for 1h on N₂ atmosphere. The formation of microporous surface on the macropore structure was performed in chemical solution for appropriate time with the sintered porous body. The microporous surface could be controlled through the surface modification to improve the ions removal characteristic of the metal filter.