KR100329471B1 - 중성자 흡수 복합재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
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Abstract

본 발명은 중성자 흡수 복합 재료 및 그의 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명에 의한 복합 재료는 예를 들어, B4C 또는 BN으로 된 균일한 세라믹 매트릭스(1)로 구성되어져 있으며, 상기 매트릭스 내에는, Mo, 몰리브덴 붕화물 및/또는 B4C와 같은 내열성 금속으로 형성되어지고 입자 크기가 100 - 500㎛인 검량되거나 비검량된 의사구형 클러스터(pseudospherical clusters)(3)들이 분산되어져 있다.
상기 클러스터들이 존재함으로써, 순수 B4C만으로 된 재료에 비해 개선된 역학적 성질을 얻을 수 있다.

Description

중성자 흡수 복합재료 및 이의 제조방법
본 발명은 중성자 흡수 복합재료(neutron-absorbing composite material)및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 상기와 같은 형태의 재료는 가압수 원자로 및 고속 중성자 원자로와 같은 원자로에서 사용되어지는 것이다.
현재에는, 탄화붕소 B4C로 된 재료가 원자로의 중성자 흡수 물질로서 가장 널리 사용되어지는데, 이는 상기 물질이 저렴하고,10B 동위원소의 함량 및 탄화붕소의 밀도를 조절함으로써 탄화붕소의 효율을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 화학적 관성(inertia)이 우수하고 고내열성을 가지고 있기 때문이다. 일반적으로, 상기 탄화붕소 B4C는 금속 외장(sheath)내에 쌓아 올려진 원통형 펠렛(pellet)형태로 사용되어져서 원자로의 제어봉을 형성한다.
그러나, 상기 탄화붕소 B4C는 불완전한 열역학적 성질(낮은 열 전도성 및 파손되기 쉬운 성질)로 인해서, 조사(irradiation)시에 적응 반응이 불량한 문제점이 있는데 이 때문에 수명이 제한된다. 따라서, 중성자(n,알파)포착으로 인한 열의 방출은 파손을 유도하기에 충분한데, 그 이유는 중성자 포착으로 인한 상당한 열 변이율(thermal gradients; 고속중성자 원자로에서 1000℃/cm 까지)로 인해 탄화붕소의 내구력을 초과하는 응력을 받게되기 때문이다. 더욱이, 생성된 대량의 헬륨이 물질의 팽창 및 현미경적 파열을 초래하게 되는데, 이것은 결국 펠렛의 완전한 붕괴를 가져오게 된다.
현재, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 가압수 원자로 내의 약한 플럭스(flux) 영역에만 탄화붕소를 제한하여 사용하거나, 고속 중성자 원자로의 경우에는 탄화붕소 B4C 펠렛과 그것을 포함하고 있는 외장 사이에 재킷(jacket)을 삽입하여서 파편들을 회수하고 있다. 따라서, 중성자 흡수능을 최대로 유지하면서 조사시에 탄화붕소보다 더욱 반응성이 우수한 재료를 개발하기 위한 연구가 행해져 왔다.
단결정(whisker), 세라믹(ceramics) 또는 금속으로부터 생성된 다량의 2차 페이즈(phase)의 삽입과 같은 여러 강화 공정을 이용함으로써, 세라믹의 열역학적 성질을 개선할 수 있음이 밝혀졌다.
단결정의 경우 파손에 대한 단결정의 높은 저항성에 의해 강화재를 얻을 수 있다. 세라믹의 경우 잔류 응력(residual stress) 영역을 재료 내에 존재시키거나 미소균열(microcrack)들을 대량 집중시켜서 강화재를 얻을 수 있는데, 이와 같이 하면 편향(deflection)이나 분산에 의해 균열의 확대를 예방할 수 있다. 금속의 경우, 금속의 가소성(plasticity) 및 열 전도성을 이용할 수 있다.
이에 따라서, R.Rh 등은 입자크기가 30㎛ 이하이고 또한 분쇄 작업을 거친 탄화붕소 B4C 분말 및 질화중소 BN 분말 혼합물을 열간 압축(hot compression)시켜 제조되어진, 탄화붕소 및 질화붕소에 기초한 복합재료에서, 질화붕소의 첨가가 탄화붕소의 열 전도성에 미치는 영향을 연구 발표하였다( J. Am Ceram. Soc., 75(4), 1992, PP.864-872 ; J. Am Ceram, Soc., 75(10), 1992, PP.2887-2890 ).
US-A-4 661 155에는 금속, 세라믹 및 유리를 기계가공하기 위한 도구에 사용되어지는 것으로, 몰리브덴으로 구성된 페이즈(phase)와 결합된 금속 및 탄화붕소가 혼합된 복합재료에 대해 기술하고 있다. 그 재료는 몰리브덴과 탄화붕소의 균일한 분말을 고온 압축하여 만들어진다.
상기 기술된 복합재료는 미세 입자 B4C 매트릭스(matrix) 내에 미세한 질화붕소(BN) 입자나 몰리브덴(Mo) 입자를 균일하게 분산시킨 현미경 조직을 가지고 있다. 상기와 같은 구조는 B4C만을 사용하였을 때보다 파손에 대한 저항력이 우수해지지만, 응력하에서 반응시키면 여전히 파손되기 쉬운 까닭에, 원자로에 사용되는 중성자 흡수재료의 경우에는 응력하에서의 의사소성(pseudoplastic) 형태의 반응에 성공하는 것이 관심사가 되었다. 상기 복합재료는 균열될 수 있지만 그 전체형태를 유지한다.
본 발명은, 세라믹 매트릭스와 적절한 강화재의 선택을 통해, B4C에 기초한 공지된 재료에 비해 보다 개선된 성질을 가지는 중성자 흡수 복합재료에 관한 것이다.
본 발명에 의한 중성자 흡수 복합재료는, 세라믹 물질로 구성된 1차 성분의 균일한 메트릭스로 구성되어 있으며, 상기 매트릭스 내에는 내열성 금속, 몰리브덴 붕화물 및 탄화붕소 B4C로 이루어진 군에서 선택된 석어도 하나의 2차 성분 클러스터들이 균일하게 분산되어져 있고, 상기 1차 성분 및 2차 성분 중 적어도 어느 하나는 붕소를 포함하고 있다.
따라서, 본 발명에 의한 재료는, 세라믹-세라믹 형태 또는 세라믹-금속 형태의 복합재료이며, 몰리브덴 붕화물, 탄화붕소 및/또는 내열성 금속의 클러스터들에의해 강화되어진 것이다.
상기 클러스터로 인한 강화는 균열이 편향되게(비껴나가게)하는 재료내의 잔류응력 영역의 존재, 균열에 대한 바람직한 통로 또는 균열의 자유로운 확산을 방해하는 가장 큰 (연성)클러스터에 대한 균열의 가교(밀봉력)를 형성하는 클러스터와 매트릭스간의 작은 계면에 기인한 것이다.
결과적으로, 상기와 같은 결과를 얻기 위해, 클러스터들이 적적한 크기를 가지고 있는 것이 중요하다. 일반적으로, 상기 클러스터들은 크기가 100∼500㎛인 의사구면체(pseudospherical)이다. 더욱이 상기 복합재료는 반드시 적절한 양의 클러스터를 포함하고 있어야 한다.
클러스터들이 내열성 금속으로 이루어진 경우에 클러스터들은 검량(calibrate) 되어진다. 재료의 중성자 흡수율을 저하시키지 않기 위해, 클러스터의 양은 과도하지 않아야 한다. 이러한 경우, 내열성 금속의 양은 일반적으로 재료의 부피에 대해 30%를 넘지 않는다.
클러스터들이 탄화붕소인 경우, 클러스터들은 검량되어지거나 비겸량되어지며, 바람직하게는 재료의 대부분을 차지하는데, 재료부피의 60∼80%를 차지한다.
본 발명에 의한 복합재료에서 사용되어지는 내열성 금속은 용융점이 2,200℃ 이상인 금속이다. 상기와 같은 금속으로는 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr) 및 몰리브덴(Mo)이 있으며, 특히 몰리브덴은 용융점이 2,600℃이고 우수한 열전도성을 가지고 있어 많이 사용되어진다.
복합재료 매트릭스를 형성하는데 사용할 수 있는 세라믹 재료는 바람직하게는 붕소를 포함하는 세라믹 재료이며 특히, 탄화붕소 B4C 및 질화붕소 BN으로 구성된 세라믹 재료가 많이 사용되어진다.
더욱이, 본 발명의 첫 번째 실시예에 의하면, 세라믹 매트릭스는 B4C로 되어 있으며, 검량된 몰리브덴 및/또는 몰리브덴 붕화물 클러스터들이 상기 매트릭스에 대한 훌륭한 성질을 가지고 있기 때문에 사용되어진다.
따라서, 고 내열성 및 우수한 열전도성 외에도, 몰리브덴은 탄화붕소 B4C에 대해 화학적 상용한도(compatibility limit)를 가지고 있으며 탄소와 우수한 화학적 상용성을 가지고 있고 B4C보다 더 높은 열팽창율을 가지고 있기 때문에, 몰리브덴은 특히 중요하다.
B4C에 대한 몰리브덴의 상용한도는, 그것이 몰리브덴으로의 붕소의 확산을 이끌기 때문에 중요하며, 강화재로는 유리한 조건 (클러스터와 매트릭스 사이의 약한 유리된 탄소(weak free carbon) 계면)이다.
탄소에 대한 몰리브덴의 우수한 화학적 상용성은, 복합재료의 생산방법으로서 B4C에 사용되었던 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있게 한다. 몰리브덴의 붕소화 속도는 다음 반응을 억제한다 : Mo + C → MoC
B4C보다 큰 몰리브덴의 열팽창율은 강화재에 적합한 잔류응력을 생성시킬 수 있게 한다.
몰리브덴에 기초한 검량된 클러스터를 함유하는 탄화붕소 B4C 매트릭스로써,매트릭스 내에 구상의 클러스터들이 균일하게 분산되어 있고 탄화붕소 매트릭스가 균일하게 분산되어있는, 입자가 미세한 복합재료가 얻어진다. 더욱이, 몰리브덴 클러스터 내에는 잉여 간극이 존재하고 몰리브덴이 부분적으로 또는 완전히 소실되면, B4C 매트릭스로부터 나온 붕소가 몰리브덴 클러스터에 분산되어져서 매트릭스와 클러스터 사이의 비정질(amorphous) 탄소계면을 생성시키므로, 상기 간극에는 Mo2B5와 같은 붕화물이 채워지게 된다.
그 후에, 균열(B4C를 Mo에 분산시켜서 생성된 약한 계면)의 편향뿐만 아니라, 클러스터의 연성에 의해 확고히 강화된다.
본 발명의 두 번째 실시예에 따르면, 세라믹 매트릭스는 질화붕소 BN으로 되어있고, 클러스터들은 검량되거나 비검량된 B4C 클러스터들이다.
상기와 같은 구조에서, 질화붕소 매트릭스가 균일하게 분포되어 있으며 탄화붕소 클러스터들이 균일하게 분산되어진, 우수한 열역학적 성질을 가진 미세 입자 재료가 얻어진다.
본 발명에 의한 복합재료는 1차 성분의 분말 및 2차 성분 또는 2차 성분들의 검량된 또는 비겸량된 클러스터들을 분말야금하여 제조되어질 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 평균 입자크기가 5㎛ 이하인 1차 성분의 분말을 2차 성분 또는 2차 성분들의 클러스터와 균일하게 혼합시킨 후에, 혼합물의 최종밀도가 적어도 이론적 밀도의 90 % 정도가 되도록 적합한 시간과 온도에서 감압하에 소결(sinter)함으로써 압축하는 것으로 구성된, 상기 중성자 흡수 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
2차 성분의 검량된 또는 비검량된 클러스터들은 매우 정밀한, 예를 들어 입자 크기가 5㎛ 이하인 2차 성분 분말을 진공 및 중성 조건, 예를 들어 1,000℃이상의 온도 하에서 베이킹(baking)시킨 후에 구워 말린 생성물을 분쇄하고 분쇄물을 선별하여 원하는 크기 예를 들어 100 ∼ 500 ㎛(검량되어진 경우)의 클러스터들만을 수거하여 제조되어질 수 있다.
차후의 분쇄작업을 용이하게 하기 위해, 베이킹(baking)시의 온도는 분말의 최초 분도(grain size)에 따라 선택한다.
1차 성분 분말에 대해, 상기 1차 성분 분말을 가능한 한 균일하게, 예를 들어 초음파 장치를 사용하여 슬로프(slop)내에 분산시키고 건조시킨 후에 분말을 선별하여 균일한 분말을 얻을 수 있다. 상기 분말을 검량된 또는 비검량된 클러스터들과 혼합하기 위해서는 통상적인 혼합방법을 사용할 수 있다.
그 이후에, 열간 일축 압축(hot uniaxial compression)이나 열간 평형 압축(hot isoststic compression)에 의해 혼합물을 강화(고밀도화)시킬 수 있는데, 전자의 경우 흑연 매트릭스를 사용하고, 후자의 경우 내열성 금속, 예를 들어 티타늄으로 된 덮개(envelop)를 사용한다. 소결(sintering)작업 동안의 응력, 온도 및 지속시간은 적어도 이론적 밀도의 90%가 되는 최종 밀도를 얻기 위해, 사용되는 세라믹 재료의 기능에 따라 선택되어진다.
세라믹 재료가 탄화붕소로 되어있을 때, 소결 압력은 일반적으로 20 ∼ 200mPa이고 소결 온도는 일반적으로 1,800 ∼ 2,200℃ 이고 소결 시간은 15 ∼ 60분이다.
세라믹 재료가 질화붕소 BN으로 되어있을 때, 소결 압력은 20∼200 mFa 이며, 소결 온도는 1,800∼2,200℃ 이고 소결 시간은 15∼60 분일 수 있다.
하기하는 비 제한적 실시예 및 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예 1: 검량된 Mo 클러스터들에 의해 강화된 B4C 매트릭스로 구성된 복합재료의 제조
입자크기가 5㎛ 이하인 B4C 분말을 출발물질로 하여, 상기 분말을 가능한한 균일하게, 예를 들어 초음파 장치를 사용하여 알코올 슬로프(slop)내에 분산시키고 건조시킨 후에 선별하였다.
이후에, 입자 크기가 5㎛이하인 Mo 분말로부터 검량된 Mo 클러스터들을 제조하였다. 상기 Mo 분말을 흑연 몰드(mold)에 넣고, 진공상태 1,200℃에서 1시간동안 열기 건조시켰다(구워졌다). 구워진 생성물을 분쇄하고 선별하여 입자 크기가 100 ∼ 500 ㎛ 인 클러스터들을 회수하였다. 그 후에, 탄화붕소 분말을, 상기와 같이 하여 제조된 검량된 Mo 클러스터들과 혼합하여서 Mo의 양이 혼합물의 부피의 20%를 차지하게 하였다.
상기 혼합물을 흑연 몰드에 넣고, 60mPa, 2,100℃에서 1시간 동안 용광로에서 일축 압축(uniaxial compression)시켜서 직경이 17mm 이고 높이가 30mm인 펠렛을 제조하였다. 이것은 검량된 Mo 클러스터들에 의해 강화된 탄화붕소 메트릭스를포함하는 복합재료 펠렛이며, 적어도 그 일부가 소결작업 동안 몰리브덴 붕화물로 전환된 것이다.
제 1도는 20배 확대하여 얻은 재료의 현미경 사진이다. 제 1도는 몰리브덴 붕화물로부터 생성된 검량된 Mo 클러스터들이 균일하게 분산되어 있는 B4C 매트릭스 1을 보여준다. 상기 클러스터 둘레의 검은 선은 약하거나 작은 탄소의 계면을 나타낸다. 재료에 남아있는 잔류 응력은 미세 균열 4를 생성시킨다.
실시예 2: 비검량된 B4C 클러스터(집성체)에 의해 강화된 질화붕소(BN) 매트릭스로 구성된 복합재료의 제조.
입자 크기가 5㎛ 이하인 BN 분말 및 B4C 분말을 출발물질로 하였다. 상기 B4C 및 BN 분말들을 약 150㎛(100 ∼ 300 ㎛)로 선별한 후에 혼합하고, BN의 양은 부피비 30%가 되게 한다.
상기 혼합물을 2,100℃, 60mPa에서 1시간 동안 하중(load)하에서 소결하여 강화시켜서( 일축 또는 평형축 ) 최종밀도가 이론적 밀도의 90%를 넘도록 하였다.
제 2도는 20배 확대하여 얻은 재료의 현미경 구조를 보여준다. 제 2도를 통해, 질화붕소 매트릭스 5로 구성되어져 있는 복합재료를 볼 수 있는데, 상기 매트릭스에는 다양한 크기의 B4C 집성체들이 분포되어져 있고 본 실시예에서는 선별에 의해 자연적인 방법으로 얻을 수 있다.
실시예 3: 검량된 B4C 클러스터들이 균일하게 분산되어져 있는 BN 매트릭스를 포함하고 있는 복합재료의 제조
실시예 1과 비교할 때 이 경우에는 의사구형체의 클러스터들은 B4C 분말로 부터 제조되고, 입자크기가 5㎛ 이하인 BN 분말이 실시예 1에서의 B4C 분말처럼 처리되는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
그 후에, BN 분말을 검량된 B4C 클러스터들과 혼합하여 BN의 양이 혼합물부피의 20%가 되도록 하였다.
그리고, 상기 혼합물을 흑연 몰드에 넣고 2,100℃, 600mPa에서 1시간 동안 용광로에서 일축 압축하여 직경이 17mm이고 높이가 25mm인 펠렛 혼합물을 제조하였다.
제 3도는 얻어진 재료의 현미경 구조를 나타낸다. 제 3도에서, 검량된 B4C 클러스터 11들이 분산되어진 BN 매트릭스 선을 볼 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 3에 의한 복합 재료는 열 충격에 의한 균열에 있어서, 동일한 밀도를 가진 순수 탄화붕소 복합재료보다 2배 더 강한 저항력을 보여 주었다. 또한, 본 발명에 의한 복합 재료의 열확산율도 탄화붕소보다 더 높았다. 마지막으로, 제 4도 및 제 5도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 복합 재료는 겉보기 탄성률(apparent modulus of elasticity)이 2배 낮고 응력하의 반응이 보다 우수하기 때문에, 그 역학적 성질이 B4C에 비해 매우 유리하다.
제 4도는 제 1도의 복합 재료의 변형 작용 즉, 적용된 응력(mPa)에 대한 변형(㎛)을 나타낸다. 본 발명에 의한 복합재료(곡선 21)는 균열이 없는 의사소성(pseudoplastic) 형태를 보여줌을 알 수 있다. 그러나, 동일한 조건에서 테스트한 순수 재료에 대한 곡선 23은 350mPa에서 균열이 일어나며, 곡선 25는 입자 크기가 매우 작은 B4C 및 Mo분말로부터 제조된 균일한 B4C-Mo재료의 균열되기 쉬운 성질을 보여준다.
제 5도는 실시예 2와 3에서 얻은 복합 재료의 응력하에서의 작용을 보여준다. 곡선 27은 실시예 3에서 얻은 재료에 대한 것이고, 곡선 29는 실시예 2에서 얻은 것에 대한 것이며, 곡선 31은 입자 크기가 매우 작고 실제적으로 동일한 B4C와 BN의 균일 혼합물을 분말야금하여 생성된 재료에 대한 것이다.
균일한 B4C-BN재료의 경우에 파손되기 쉬우며, 실시예 2, 3의 재료는 의사소성 형태를 보여줌을 제 5도로부터 명확히 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 복합 재료는 선행 기술에 의한, 순수 B4C 재료 및 B4C-Mo 또는 B4C-BN 복합 재료보다 매우 우수한 성질을 가지고 있다.
제 1 도는 검량된 Mo 클러스터들에 의해 강화된 B4C 메트릭스를 가지고 있는 흡수성 복합재료의 구조를 나타내는 현미경 사진이다.
제 2 도는 비검량된 B4C 클러스터들에 의해 강화된 BN 매트릭스를 가지고 있는 흡수성 복합재료의 구조를 나타내는 현미경 사진이다.
제 3 도는 검량된 B4C 클러스터들에 의해 강화된 BN 매트릭스를 가지고 있는 복합재료의 구조를 보여주는 현미경 사진이다.
제 4 도는 본 발명에 의한 복합재료의 응력-변형 관계를 보여주는 그래프이다.
제 5 도는 종래 기술에 의한 복합재료의 응력-변형 관계를 보여주는 그래프이다.

Claims (15)

  1. 세라믹(ceramics) 물질로 구성된 1차 성분의 균일한 매트릭스(matrix)를 포함하고 있으며, 상기 매트릭스 내에는 내열성 금속, 몰리브덴 붕화물 및 B4C로 이루어진 군에서 선택된 2차 성분을 적어도 하나 포함하고 있는 클러스터들이 균일하게 분포되어 있고, 상기 1차 성분과 2차 성분 중 적어도 하나는 붕소를 포함하고 있음을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 클러스터들은 크기가 100∼500㎛임을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 내열성 금속은 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 2차 성분은 내열성 금속 및/또는 몰리브덴 붕화물이고, 클러스터들은 검량된 클러스터이며, 상기 2차 성분이 재료 부피의 30%를 차지함을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 세라믹은 탄화 붕소이고, 검량된 클러스터들은 Mo및/또는 몰리브덴 붕화물로 된 클러스터임을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 클러스터들은 B4C로 되어 있으며 재료 부피의 60 ∼ 80%를 차지함을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 세라믹은 질화붕소이고 클러스터들은 검량된 또는 비검량된 B4C 클러스터들임을 특징으로 하는 중성자 흡수 복합 재료.
  8. 평균 입자 크기가 5㎛ 이하인 1차 성분 분말을 2차 성분 또는 2차 성분들의 클러스터들과 균일하게 혼합시킨 후에 최종 밀도가 이론상 밀도의 적어도 90%가 될 수 있도록 적절한 온도 및 시간 동안 가압하에 소결(sintering)하여 강화시키는 것으로 구성됨을 특징으로 하는, 제 1항에 의한 복합 재료의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 2차 성분의 검량된 또는 비검량된 클러스터들은 2차 성분의 미세한 분말을 진공 또는 중성 조건하에서 베이킹(baking)하고 분쇄한 후에 크기가 100∼500㎛인 클러스터들을 선별하여 제조됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 소결은 열간 일축 압축(hot uniaxialcompression)에 의해 실시됨을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 소결은 열간 평형축 압축(hot isostatic compression)에 의해 실시됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 1차 성분은 B4C이고 상기 2차 성분은 Mo임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 1차 성분은 BN이고 상기 2차 성분은 B4C임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 소결 압력은 20-200mPa이고 소결온도는 800∼ 2,200℃이며 소결 시간은 15∼60분임을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 소결 압력은 20∼200 mPa이고, 소결 온도는 800~2,200℃이며 소결 시간은 15∼60분임을 특징으로 하는 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101637509B1 (ko) 2014-12-31 2016-07-08 한국생산기술연구원 가돌리늄을 함유한 철합금의 제조 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3069519B2 (ja) * 1996-02-21 2000-07-24 核燃料サイクル開発機構 高性能中性子吸収材料
KR101123391B1 (ko) * 2009-08-19 2012-03-23 한국세라믹기술원 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법
KR101123392B1 (ko) * 2009-08-19 2012-03-23 한국세라믹기술원 초음파를 이용한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법
JP6197264B2 (ja) * 2012-02-16 2017-09-20 日立化成株式会社 中性子吸収材およびその製造方法ならびに溶融燃料の処理方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60170800A (ja) * 1984-01-31 1985-09-04 エレクトロシユメルツヴエルク・ケンプテン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング 炭化ホウ素と遊離炭素から成るセラミツク結合中性子吸収板およびその製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1106291A (en) * 1963-11-25 1968-03-13 Nat Res Dev Boron-containing materials
FR1530462A (fr) * 1967-03-24 1968-06-28 Commissariat Energie Atomique Procédé de fabrication de produits graphitiques absorbant les neutrons et produits conformes à ceux obtenus par application du procédé
GB1283159A (en) * 1970-05-21 1972-07-26 Atomic Energy Authority Uk Improvements in neutron absorbers
US4027377A (en) * 1975-06-25 1977-06-07 Brooks & Perkins, Incorporated Production of neutron shielding material
DE2752040C3 (de) * 1977-11-22 1981-10-08 Elektroschmelzwerk Kempten GmbH, 8000 München Neutronenabsorberplatten auf Grundlage von Borcarbid und Kohlenstoff und Verfahren zu ihrer Herstellung
US4213883A (en) * 1977-12-30 1980-07-22 The Carborundum Company Method for manufacture of neutron absorbing articles
US4826630A (en) * 1981-12-28 1989-05-02 Westinghouse Electric Corp. Burnable neutron absorbers
US4522744A (en) * 1982-09-10 1985-06-11 Westinghouse Electric Corp. Burnable neutron absorbers
US5242622A (en) * 1988-09-15 1993-09-07 Compagnie Europeenne Du Zirconium Cezus Process for the production of a neutron absorbing pellet, the pellet obtained and the use thereof
FR2646007B1 (fr) * 1989-04-18 1994-04-01 Tecphy Procede de realisation d'un produit d'absorption du rayonnement neutronique, produit ainsi realise et ses applications
US5156804A (en) * 1990-10-01 1992-10-20 Thermal Technology, Inc. High neutron-absorbing refractory compositions of matter and methods for their manufacture

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60170800A (ja) * 1984-01-31 1985-09-04 エレクトロシユメルツヴエルク・ケンプテン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング 炭化ホウ素と遊離炭素から成るセラミツク結合中性子吸収板およびその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101637509B1 (ko) 2014-12-31 2016-07-08 한국생산기술연구원 가돌리늄을 함유한 철합금의 제조 방법

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