고령토 광물을 활용한 저 열팽창 코디어라이트 세라믹스 합성에 관한 연구
Synthesis of Low-Thermal-Expansion Cordierite Ceramics Using Kaolin-Group Minerals
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초록
MAS(MgO‧Al 2 O 3 ‧SiO 2 )계 재료중에 코디어라이트 (2MgO‧2Al 2 O 3 ‧5SiO 2 )의 경우 낮은 열팽창 계수, 내열 충격성, 낮은 유전율, 높은 전기 절연성 등의 특징을 나타낸다. 그러나 코디어라이트는 소결온도 범위가 좁아서 온도가낮으면 결정이 충분히 형성되지 않고 약간 높으면 cordierite가 다시 postelite, spinel과 mullite로 분해됨에 따라재료의 열팽창 계수가 크게 증가한다. 이 문제를 해결하기 위해 코디어라이트 조성을 카올린 광물의 혼합범위를 조정하여 소성한 결과 1340℃에서 물리적인 특성인 부피비중, 흡수율 기공율을 만족한 결과를 얻었다. 최적 혼합조건은 MgO/Al 2 O 3 ‧몰 비가 1.006이고 SiO 2 /Al 2 O 3 ‧몰 비가 2.4277인 것으로 나타났다. 이때 800℃에서 2.20×10 -6 /℃, 1,000℃에서 2.57×10 -6 /℃의 저 열팽창 계수와 물리적인 특성 및 수축을 고려하여 코디어라이트 산업을 위해 최적의 조건에서 차세대 이차전지 양극재 소결용 kiln furniture 소재 연구개발을 진행하였다.
Abstract
Cordierite (2MgO·2Al 2 O 3· 5SiO 2 ) in the MgO·Al 2 O 3 ·SiO 2 system exhibits a low thermal expansion coefficient, high thermal shock resistance, low dielectric constant, and excellent electrical insulation properties. However, the material has a narrow sintering-temperature range. If the sintering temperature is too low, the crystal structure of cordierite does not form sufficiently; conversely, if it is slightly higher than ideal, the material decomposes into postelite, spinel, and mullite, leading to a significant increase in its thermal expansion coefficient. To overcome this problem, we adjusted the composition of cordierite by mixing it with predetermined amounts of kaolin minerals. After sintering at 1340℃, the resulting ceramic showed satisfactory physical properties, such as bulk density, absorption rate, and porosity. The optimal mixing conditions included a MgO/Al 2 O 3 molar ratio of 1.006 and SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 2.4277. Given its low thermal expansion coefficient(2.20 × 10 −6 /℃ at 800℃ and 2.57 × 10 −6 /℃ at 1000℃) and favorable physical and shrinkage properties, the cordierite prepared in this work may have potential applications in the development of kiln furniture materials for sintering next-generation secondary battery cathode materials.
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