KR101129314B1 - Forming method of silicon carbide coating layer on carbon reinforcement material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속기지 복합재료의 강화재로 사용되는 탄소 단섬유의 표면에 보호층인 SiC 코팅층을 간편하게 형성할 수 있는 방법과 이 방법에 의해 제조된 탄소 단섬유에 관한 것이다.
본 발명에 따른 SiC 코팅층 형성방법은, 탄소 강화재를 실리카 졸에 분산시켜 실리카 입자가 상기 탄소 강화재의 표면에 부착되도록 하고 건조한 후, 부착된 실리카 입자의 실리콘(Si)과 탄소 강화재의 탄소(C)가 열탄소환원반응을 통해 SiC 코팅층을 형성하는데 특징이 있다.The present invention relates to a method for easily forming a SiC coating layer as a protective layer on the surface of short carbon fibers used as a reinforcing material of a metal-based composite material, and to a short carbon fiber produced by the method.
In the SiC coating layer forming method according to the present invention, the carbon reinforcing material is dispersed in a silica sol so that the silica particles are attached to the surface of the carbon reinforcing material and dried, and then the silicon (Si) of the attached silica particles and carbon (C) of the carbon reinforcing material It is characterized by forming a SiC coating layer through a heating carbon reduction reaction.
Description
본 발명은 탄소 단섬유(short fiber), 탄소 입자(particulate), 탄소 휘스커(whisker)와 같이 금속기지 복합재료의 강화재로 사용할 수 있는 탄소 강화재의 표면에 금속 용탕과의 반응에 의해 탄소 강화재가 열화되지 않도록 보호하는 안정한 SiC 코팅층을 형성하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 SiC 코팅 탄소 강화재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세한 실리카 입자가 콜로이드 상태가 되어 있는 실리카 졸에 탄소 강화재를 투입하고 분산시켜 실리카 입자가 탄소 강화재의 표면에 부착되도록 한 후 열탄소환원반응을 통해 탄소 강화재의 탄소와 실리카의 실리콘이 상호 반응하여 탄소 강화재의 표면에 치밀한 SiC 코팅층이 형성되도록 하는 방법과 이 방법에 의해 제조된 탄소 강화재에 관한 것이다.The present invention deteriorates the carbon reinforcing material by reaction with a molten metal on the surface of the carbon reinforcing material that can be used as the reinforcing material of the metal base composite such as carbon short fibers, carbon particles, carbon whiskers. The present invention relates to a method of forming a stable SiC coating layer that protects against the formation of a SiC coated carbon reinforcing material, and more particularly, to a silica sol in which fine silica particles are colloidal, and to which a carbon reinforcing material is added and dispersed. After the particles are attached to the surface of the carbon reinforcing material and the carbon of the carbon reinforcing material and the silicon of the silica react with each other through a thermal carbon reduction reaction to form a dense SiC coating layer on the surface of the carbon reinforcing material and the carbon produced by the method It is about reinforcement.
알루미늄 기지에 탄소 섬유를 강화재로 사용한 복합재료는 가벼운 무게와 높은 열전도도와 같은 알루미늄 특유의 특성을 저하시키지 않으면서 재료의 강도와 강성을 증가시키기 위해 개발되어왔다.Composites using carbon fiber as the reinforcing material for aluminum bases have been developed to increase the strength and stiffness of the material without compromising the aluminum specific properties such as light weight and high thermal conductivity.
그런데 알루미늄 기지 복합재료와 같은 금속기지 복합재료(MMC, Metal Matrix Composite)의 경우, 강화재로 장섬유(long fiber)를 사용하는 것보다 단섬유(short fiber)를 사용하는 것이 형상의 자유도를 높일 수 있고 적용분야도 다양화할 수 있어 바람직하다.However, in the case of a metal matrix composite (MMC) such as an aluminum matrix composite, using short fibers rather than using long fibers as a reinforcing material can increase the degree of freedom in shape. It is desirable because it can be diversified in application fields.
한편, 주조법을 이용하여 탄소 섬유를 알루미늄 기지에 복합화할 경우, 고온의 알루미늄 용탕에서 알루미늄과 탄소가 상호 반응하여 탄소 섬유가 점차 열화하는 현상이 발생하는데, 이와 같이 탄소 섬유가 열화되면 강화재로서의 기능을 하지 못해 복합재료의 물성이 크게 저하한다.On the other hand, when the carbon fiber is complexed to the aluminum base by using the casting method, a phenomenon in which the carbon fiber gradually deteriorates due to the mutual reaction of aluminum and carbon in a high temperature molten aluminum, and thus deteriorates the carbon fiber to function as a reinforcing material. If you do not do so, the physical properties of the composite material will be greatly reduced.
이와 같이 주조 과정에서 탄소 섬유가 열화하는 것을 막기 위한 방법으로, SiC와 같이 고온에 안정한 세라믹으로 탄소 섬유의 표면에 코팅층을 형성하는 방법이 제안되어 왔다.As a method for preventing carbon fiber deterioration in the casting process as described above, a method of forming a coating layer on the surface of the carbon fiber with a ceramic stable at high temperature such as SiC has been proposed.
탄소 섬유의 표면에 SiC를 코팅하는 방법으로는, 종래 탄소 장섬유를 SiC를 합성할 수 있는 원료액에 딥핑시킨 후 건조하고 열처리하는 과정을 통해 탄소 장섬유의 표면에 SiC를 코팅하는 방법이 알려져 있으나, 강화재로 활용도가 높은 탄소 단섬유의 표면에 SiC 코팅층을 저비용으로 형성할 수 있는 적절한 방법은 현재까지 알려진 바가 없다.As a method of coating SiC on the surface of the carbon fiber, a method of coating SiC on the surface of the carbon long fiber is known by dipping the carbon long fiber into a raw material solution capable of synthesizing SiC, followed by drying and heat treatment. However, a suitable method for forming a SiC coating layer at a low cost on the surface of high carbon short fibers as a reinforcing material is not known until now.
본 발명은 탄소 강화재, 특히 탄소 단섬유의 표면에 금속 용탕과의 반응으로부터 탄소 강화재를 보호할 수 있는 치밀한 SiC 코팅층을 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.An object of the present invention is to provide a method for easily forming a dense SiC coating layer capable of protecting the carbon reinforcing material from the reaction with the molten metal on the surface of the carbon reinforcing material, especially short carbon fibers.
본 발명의 다른 과제는 표면에 SiC 코팅층이 형성된 탄소 강화재를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a carbon reinforcing material having a SiC coating layer formed on the surface.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 탄소 강화재를 실리카 졸에 분산시켜 실리카 입자가 상기 탄소 강화재의 표면에 부착되도록 하고 건조한 후, 열처리를 통해 상기 실리카 입자의 실리콘(Si)과 탄소 강화재의 탄소(C)를 반응시켜 SiC층을 형성하도록 하는 방법을 제공한다.As a means for solving the problems of the present invention, the present invention, by dispersing the carbon reinforcing material in the silica sol so that the silica particles adhere to the surface of the carbon reinforcing material and dried, the silicon (Si) and carbon of the silica particles through heat treatment It provides a method for reacting the carbon (C) of the reinforcing material to form a SiC layer.
본 발명에 있어서, '실리카 졸'이란 미세한 실리카(SiO2) 입자가 용매 내에서 콜로이드 상태를 포함하여 분산되어 있는 물질을 의미한다.In the present invention, 'silica sol' refers to a material in which fine silica (SiO 2 ) particles are dispersed including a colloidal state in a solvent.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 열처리는 1480 ~ 1900℃의 온도에서 30분 ~ 12시간 수행하는 것이 바람직한데, 열처리 온도가 1480℃ 미만일 경우 열탄소환원반응이 충분하게 이루어지지 못해 완전한 SiC 코팅층을 얻기 어렵고, 1900℃를 초과할 경우 에너지와 탄소의 손실이 크기 때문이다. 또한 열처리 시간도 30분 미만일 경우 반응이 충분하게 완성되지 못하고, 12시간을 초과할 경우 에너지 비용이 과다하게 소요되고 탄소 강화재의 탄소 손실이 많아질 수 있기 때문이다.In addition, in the method according to the present invention, the heat treatment is preferably carried out for 30 minutes to 12 hours at a temperature of 1480 ~ 1900 ℃, when the heat treatment temperature is less than 1480 ℃ thermal carbon reduction reaction is not enough to complete SiC This is because a coating layer is difficult to obtain and a loss of energy and carbon is large when it exceeds 1900 ° C. Also, if the heat treatment time is less than 30 minutes, the reaction may not be completed sufficiently, and if it exceeds 12 hours, the energy cost may be excessively increased and the carbon loss of the carbon reinforcing material may increase.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 탄소 강화재는 탄소 단섬유, 탄소 입자 또는 탄소 휘스커인 것을 특징으로 한다.In the method according to the invention, the carbon reinforcing material is characterized in that the short carbon fibers, carbon particles or carbon whiskers.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 건조 공정 전에 추가로 탄소 강화재의 표면에 부착된 바인더를 제거하기 위한 열처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method according to the invention is characterized in that a heat treatment for removing the binder attached to the surface of the carbon reinforcement is further performed before the drying process.
본 발명의 상기 다른 과제를 해결하기 위해 본 발명은 탄소 강화재의 표면에 부착된 실리카 입자의 실리콘과 상기 탄소 강화재의 탄소가 열탄소환원반응(carbothermal reduction)에 의해 SiC 코팅층을 형성한 탄소 강화재를 제공한다.The present invention provides a carbon reinforcing material in which the silicon of the silica particles attached to the surface of the carbon reinforcing material and the carbon of the carbon reinforcing material to form a SiC coating layer by the thermal carbon reduction (carbothermal reduction) do.
본 발명에 따른 방법은 실리카 졸에 탄소 단섬유를 침지하고 건조하여 열처리하는 단순한 방법을 통해 SiC 코팅층을 형성하기 때문에 다른 방법에 비해 SiC 코팅 비용을 줄일 수 있다.The method according to the present invention can reduce the cost of SiC coating compared to other methods because the SiC coating layer is formed through a simple method of dipping, drying and heat treating short carbon fibers in a silica sol.
또한, 본 발명에 따른 방법은 금속 기지 복합재료의 형상 자유도를 높이는 탄소 단섬유를 코팅하는데 적합하다.The method according to the invention is also suitable for coating short carbon fibers which increases the shape freedom of the metal matrix composite.
또한, 본 발명은 고온의 알루미늄 용탕과 탄소 강화재 간의 반응을 효과적으로 차단할 수 있도록 치밀한 SiC 코팅층이 형성된 탄소 강화재를 제공한다.In addition, the present invention provides a carbon reinforcing material formed with a dense SiC coating layer to effectively block the reaction between the hot aluminum molten metal and the carbon reinforcing material.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 탄소 단섬유 번들의 SEM 사진이다.
도 2는 도 1의 탄소 단섬유 번들을 분산시킨 후의 광학사진이다.
도 3a는 탄소 단섬유의 표면에 실리카 졸을 이용하여 실리카 입자를 코팅한 후의 사진이다.
도 3b는 도 3a의 확대 사진이다.
도 4a는 실리카 입자를 코팅한 탄소 단섬유의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4b는 실리카 입자를 코팅한 탄소 단섬유를 열탄소환원반응시킨 후의 XRD분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅된 탄소 단섬유의 SEM 사진이다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅된 탄소 단섬유의 TEM 사진이다.
도 5c는 도 5b의 TEM 사진의 'A'부분의 확대 사진이다.
도 5d는 도 5c의 '(1)' 및 '(2)' 부분의 전자회절 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅된 탄소 단섬유와 SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유의 TGA 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄 용탕 온도가 700℃가 될 때까지 가열하고 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 7b는 SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유를 용탕온도 700℃가 될 때까지 가열하고 180분간 유지한 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 7c는 SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 7d는 SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 180분간 유지한 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 SiC가 코팅된 탄소 단섬유를 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따라 SiC가 코팅된 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 30분간 유지한 후의 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 8c는 본 발명의 실시예에 따라 SiC가 코팅된 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 60분간 유지한 후의 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.
도 8d는 본 발명의 실시예에 따라 SiC가 코팅된 탄소 단섬유를 포함하는 알루미늄의 용탕 온도가 800℃가 될 때까지 가열하고 180분간 유지한 후의 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.1 is a SEM photograph of the short carbon fiber bundle used in the embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an optical photograph after dispersing the short carbon fiber bundle of FIG. 1.
3A is a photograph after coating silica particles using a silica sol on the surface of short carbon fibers.
3B is an enlarged photograph of FIG. 3A.
Figure 4a shows the XRD analysis of the short carbon fibers coated with silica particles.
Figure 4b shows the XRD analysis result after the thermal carbon reduction reaction of the short carbon fibers coated with silica particles.
5A is a SEM photograph of SiC coated short carbon fibers according to an embodiment of the present invention.
5B is a TEM photograph of SiC coated short carbon fiber according to an embodiment of the present invention.
5C is an enlarged photograph of portion 'A' of the TEM photograph of FIG. 5B.
FIG. 5D illustrates an electron diffraction state of '(1)' and '(2)' parts of FIG. 5C.
6 is a graph showing the results of TGA analysis of SiC-coated short fibers and SiC-coated short fibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7A shows SEM images and mapping results of the short carbon fibers heated and cooled until the molten aluminum temperature including the short carbon fibers not coated with SiC was 700 ° C. FIG.
FIG. 7B shows SEM images and mapping results of short carbon fibers not coated with SiC and heated to a melt temperature of 700 ° C. and maintained for 180 minutes.
FIG. 7C shows SEM images and mapping results of the short carbon fibers heated and cooled until the melt temperature of aluminum including short carbon fibers not coated with SiC was 800 ° C. FIG.
FIG. 7d illustrates SEM images and mapping results of the short carbon fibers heated until the molten metal temperature of the aluminum including short carbon fibers not coated with SiC was 800 ° C. and maintained for 180 minutes.
FIG. 8A illustrates SEM images and mapping results of short carbon fibers heated and cooled to SiC-coated short carbon fibers according to an embodiment of the present invention until the molten aluminum temperature is 800 ° C. FIG.
Figure 8b shows the SEM image and mapping results of the short carbon fibers after heating and holding for 30 minutes until the melt temperature of aluminum containing SiC-coated short carbon fibers to 800 ℃ according to an embodiment of the present invention .
Figure 8c shows the SEM image and the mapping results of the short carbon fibers after heating and holding for 60 minutes the molten aluminum of aluminum containing SiC-coated short carbon fibers according to an embodiment of the present invention to 800 ℃ .
FIG. 8D shows SEM images and mapping results of short carbon fibers after heating and maintaining for 180 minutes until the molten metal temperature of aluminum including SiC-coated short carbon fibers is 800 ° C. according to an embodiment of the present invention. .
이하 첨부한 도면을 참조하여 탄소 단섬유의 표면에 SiC 코팅층을 형성하는 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention for forming a SiC coating layer on the surface of short carbon fibers will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
탄소 carbon 단섬유에In short fibers SiCSiC 코팅 coating
본 발명의 실시예에서는 탄소 단섬유로 도 1에 보이는 바와 같은 토호 테낙스 아메리카사(TENAX 201-pelletized chopped product)의 탄소 단섬유 번들(bundle)을 출발 물질로 사용하였는데, 탄소 단섬유의 평균 직경과 길이는 각각 8㎛와 3㎜였다. In an embodiment of the present invention, a short carbon bundle of Toho Tenax America Inc. (TENAX 201-pelletized chopped product) as a starting material was used as a starting material, and the average diameter of the short carbon fibers was used. And length were 8 micrometers and 3 mm, respectively.
상기 탄소 단섬유 번들은 분산을 위해 아세톤에 침지시켜 약 5시간 동안 초음파 처리를 한 후, 진공 오븐을 사용하여 70℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 한편, 탄소 단섬유 번들의 표면에 바인더 물질이 많이 있는 경우에는 상기 건조 공정 전에 400℃ 정도의 온도에서 수 시간 동안 가열하여 바인더 물질을 열분해하여 제거하는 것이 바람직하다.The short carbon fiber bundle was soaked in acetone for dispersion and sonicated for about 5 hours, and then dried at 70 ° C. for 24 hours using a vacuum oven. On the other hand, if there is a lot of binder material on the surface of the short carbon fiber bundle, it is preferable to remove the binder material by pyrolysis by heating at a temperature of about 400 ° C. for several hours before the drying process.
이와 같은 과정을 통해, 도 2에 보이는 바와 같이 도 1의 번들 상태에서 잘 분산되고 바인더 물질이 제거된 탄소 단섬유를 얻었다.Through this process, as shown in FIG. 2, the short carbon fibers dispersed in the bundle state of FIG. 1 and the binder material was removed were obtained.
이와 같이 분산된 탄소 단섬유를 실리카 졸에 침지시킨 후 고/액 분리과정을 거져 건조시킴으로써 탄소 단섬유 표면에 실리카 졸의 미세한 실리카 입자가 부착되도록 하였다. 이때 사용한 실리카 졸은 수(水) 분산 콜로이드실리카로서 실리카(SiO2)의 함량이 40중량%이고, 입자크기는 10nm, 20℃에서 비중은 1200, pH는 9.5 ~ 10.5이며, 점도는 20℃에서 40cps 이하이며 외관상 투명한 상태를 나타내는 것을 사용하였다.The short carbon fibers thus dispersed were immersed in a silica sol and dried through a solid / liquid separation process so that the fine silica particles of the silica sol adhere to the short carbon fibers. The silica sol used was water dispersed colloidal silica containing 40% by weight of silica (SiO 2 ), particle size at 10 nm and 20 ° C., specific gravity at 1200, pH at 9.5 to 10.5, and viscosity at 20 ° C. It was 40 cps or less and used the thing which shows an apparent transparent state.
도 3a 및 3b는 탄소 단섬유의 표면에 실리카(SiO2) 입자를 부착시킨 후의 탄소 단섬유의 주사전자현미경 이미지이다. 도 3a 및 3b에서 확인되는 바와 같이, 상기한 방법을 통해 탄소 단섬유의 표면에 흰색의 미립자가 매끈하게 부착되어 있는 것을 알 수 있다. 3A and 3B are scanning electron microscope images of short carbon fibers after silica (SiO 2 ) particles are attached to the surface of short carbon fibers. As can be seen in Figures 3a and 3b, it can be seen through the above method that the white fine particles are smoothly attached to the surface of the short carbon fiber.
또한, 탄소 단섬유 전체의 실리카 입자의 코팅 여부를 확인하기 위하여, 실리카 전코팅(pre-coating) 처리를 한 탄소 단섬유를 XRD를 사용하여 분석하였다. 그 결과 도 4a의 도면상 'o'로 표시되어 있는 실리카 피크로부터 실리카 입자가 탄소 단섬유 전체에 골고루 부착되어 있음을 확인하였다.In addition, in order to confirm the coating of the silica particles on the whole short carbon fibers, the short carbon fibers subjected to the silica pre-coating treatment were analyzed using XRD. As a result, it was confirmed that the silica particles were evenly attached to the entire short carbon fiber from the silica peak indicated by 'o' on the drawing of FIG. 4A.
실리카 입자가 부착된 탄소 단섬유는 아르곤 가스 분위기의 소성로를 사용하여 각각 1460℃ 및 1500℃에서 1시간 동안 가열하여 열탄소환원반응(carbothermal reduction)을 통해, 탄소 단섬유를 구성하는 탄소(C)와 실리카를 구성하는 실리콘(Si) 성분이 반응하여 SiC를 생성하였다.The short carbon fibers having silica particles attached thereon are heated at 1460 ° C. and 1500 ° C. for 1 hour using an argon gas atmosphere kiln, and through carbon thermal reduction, carbon constituting the short carbon fibers (C) And Si (Si) components constituting the silica react to generate SiC.
열탄소환원반응은 실리카와 탄소 단섬유의 탄소가 반응하여 기체상의 SiO를 형성하는 반응(1)과 형성된 기체상의 SiO와 탄소 단섬유의 탄소가 반응하여 SiC를 형성하는 반응(2)의 연속적인 반응에 의해 일어난다.
The thermal carbon reduction reaction is a continuous reaction of silica and carbon of short carbon fiber reacting to form gaseous SiO (1) and gaseous SiO and carbon of short carbon fiber reacting to form SiC (2). Caused by the reaction.
SiO2 + C → SiO(gas) + CO(gas) --------------- (1)SiO 2 + C → SiO (gas) + CO (gas) --------------- (1)
SiO(gas) + 2C → SiC + CO(gas) ---------------- (2)
SiO (gas) + 2C → SiC + CO (gas) ---------------- (2)
상기 반응을 통해 탄소 단섬유를 구성하는 일부 탄소가 제거되기 때문에, 열탄소환원반응 후, 탄소 단섬유의 직경은 약 8㎛에서 약 6㎛로 감소하였다.Since the partial carbon constituting the short carbon fibers is removed through the reaction, the diameter of the short carbon fibers decreased from about 8 μm to about 6 μm after the thermal carbon reduction reaction.
하기 표 1은 각각 1460℃ 및 1500℃에서 1시간 동안 가열하여 열탄소환원반응(carbothermal reduction)을 통해, 탄소 단섬유의 표면에 형성된 SiC 코팅층의 화학조성을 EDS로 분석한 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the results of analyzing the chemical composition of the SiC coating layer formed on the surface of the short carbon fiber by EDS by heating at 1460 ° C. and 1500 ° C. for 1 hour through thermal carbon reduction (carbothermal reduction).
EDS 분석 결과, 1460℃에서 열탄소환원반응을 수행한 경우에는 형성된 코팅층에 약간의 산소가 잔류하고 있으므로, 이 온도에서는 열탄소환원반응이 완전하게 이루어지지 않았음을 알 수 있다. 이에 비해 1500℃에서 열탄소환원반응을 수행한 경우에는 완전한 열탄소환원반응이 이루어졌다.As a result of the EDS analysis, when the thermal carbon reduction reaction was performed at 1460 ° C., since some oxygen remained in the formed coating layer, it was found that the thermal carbon reduction reaction was not completed at this temperature. In comparison, when the thermal carbon reduction reaction was performed at 1500 ° C., the complete thermal carbon reduction reaction was performed.
이에 따라, 아래의 SiC 코팅층 분석 및 보호 특성 분석은 1500℃에서 열탄소환원반응을 행하여 완전하게 SiC 형성 반응이 이루어진 SiC 코팅 탄소 단섬유를 사용하였다.
Accordingly, the following SiC coating layer analysis and protection characteristics analysis was performed using a SiC-coated short carbon fiber that was subjected to a thermal carbon reduction reaction at 1500 ℃ completely made a SiC formation reaction.
SiCSiC 코팅층의 분석 Analysis of the coating layer
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해 SiC 코팅층이 탄소 단섬유 전체에 형성되어 있는지 여부를 확인하기 위하여 XRD 분석을 하였다. 그 결과 도 4a 및 4b로부터 알 수 있는 바와 같이, 탄소 단섬유에 전코팅된 실리카 입자가 반응을 통해 모두 SiC로 되었다.First, XRD analysis was performed to determine whether the SiC coating layer was formed on the entire short carbon fiber through the method according to the embodiment of the present invention. As a result, as can be seen from Figures 4a and 4b, all of the silica particles pre-coated to the short carbon fibers became SiC through the reaction.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅층을 형성한 탄소 단섬유의 표면과 그 단면을 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 5a에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 열탄소환원방법을 통해, 탄소 단섬유의 표면에 요철이 있는 코팅층이 형성되며, 도 5b에서 확인되는 바와 같이, 코팅층은 두께의 차이는 있으나, 연속적으로 형성되어 있다. 도 5c는 도 5b에서 'A'로 표시된 부분의 확대사진이며, 도 5d는 코팅층(도면상 (1)로 표시된 부분)이 SiC로 이루어져 있음을 나타낸다.5A and 5B are photographs of the surface and the cross-section of the short carbon fibers on which the SiC coating layer is formed according to the embodiment of the present invention, respectively, by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. As shown in Figure 5a, according to the embodiment of the present invention through the thermal carbon reduction method, a coating layer having irregularities on the surface of the short carbon fibers is formed, as shown in Figure 5b, although the coating layer has a difference in thickness It is formed continuously. FIG. 5C is an enlarged photograph of the portion indicated by 'A' in FIG. 5B, and FIG. 5D shows that the coating layer (the portion indicated by (1) on the drawing) is made of SiC.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 SiC 코팅층이 치밀하고 연속적으로 형성되어 있는지 여부를 확인하기 위하여 TGA 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 6과 같다.On the other hand, TGA analysis was performed to determine whether the SiC coating layer prepared according to the embodiment of the present invention is dense and continuously formed, the results are shown in FIG.
도 6에 나타난 바와 같이, SiC를 코팅하지 않은 탄소 단섬유의 경우, 탄소와 산소의 반응에 의해 400℃부터 중량 감소가 시작되어 약 760℃에서 중량 감소가 종료된다. 이에 비해 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅된 탄소 단섬유의 경우, 720℃까지 중량 감소가 전혀 일어나지 않고 있다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따라 형성된 SiC 코팅층이 내부의 탄소 단섬유를 효과적으로 보호할 수 있을 정도로 치밀하고 연속적으로 형성되어 있음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 6, in the case of short carbon fibers not coated with SiC, the weight reduction starts from 400 ° C. by the reaction of carbon and oxygen, and the weight reduction ends at about 760 ° C. FIG. In contrast, in the case of SiC-coated short carbon fibers according to an embodiment of the present invention, no weight loss occurs up to 720 ° C. From this it can be seen that the SiC coating layer formed according to the embodiment of the present invention is dense and continuous enough to effectively protect the short carbon inside.
SiCSiC 코팅층의 보호 특성 분석 Protective characterization of coating layer
본 발명의 실시예에 따라 형성된 SiC 코팅층의 알루미늄 용탕내 보호 효과를 확인하기 위하여, SiC가 코팅되지 않은 탄소 단섬유와 본 발명의 실시예에 따라 SiC 코팅된 탄소 단섬유와 알루미늄 용탕과의 반응 시험을 수행하였다.In order to confirm the protective effect in the molten aluminum of the SiC coating layer formed in accordance with an embodiment of the present invention, the reaction test between the short carbon fiber without SiC and the short carbon fiber and SiC coated carbon in accordance with an embodiment of the present invention Was performed.
도 7a는 알루미늄 용탕 온도가 700℃에 도달하자마자 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이며, 도 7b는 알루미늄 용탕 온도 700℃에서 180분간 유지한 후 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.Figure 7a shows the SEM image and the mapping results of the carbon short fibers cooled as soon as the aluminum melt temperature reaches 700 ℃, Figure 7b is a SEM image of the carbon short fibers cooled after maintaining for 180 minutes at an aluminum melt temperature of 700 ℃ It shows the mapping result.
상기 도 7a 및 7b에서 확인되는 바와 같이, 700℃ 시험에서는 곧바로 냉각시킨 것이나 180분 유지한 후 냉각시킨 탄소 단섬유에 차이가 없었다. 즉 700℃ 환경에서는 탄소 단섬유의 열화가 거의 일어나지 않음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7A and 7B, in the 700 ° C. test, there was no difference in the immediately cooled carbon short fibers cooled after being maintained for 180 minutes. That is, it can be seen that deterioration of short carbon fibers hardly occurs in an environment of 700 ° C.
도 7c는 용탕 온도가 800℃에 도달하자마자 냉각시킨 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이며, 도 7d는 용탕 온도 800℃에서 180분간 유지한 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이다.Figure 7c shows the SEM image and the mapping results of the short carbon fibers cooled as soon as the melt temperature reaches 800 ℃, Figure 7d shows the SEM image and mapping results of the short carbon fibers maintained for 180 minutes at 800 ℃ melt temperature. .
도 7c에서 확인되는 바와 같이, 800℃에 도달하자마자 냉각시킨 탄소 단섬유의 경우에도 부분적인 열화가 일어나고 있으며, EDS 분석 결과 탄소 단섬유 근방의 알루미늄 기지 내에서 탄소가 검출될 뿐 아니라, 탄소 단섬유 내의 알루미늄 함량이 약 21wt%인 것으로 나타났는데, 이는 800℃에 도달하자마자 냉각시킨 탄소 단섬유가 알루미늄 기지와 상당한 반응을 일으켰음을 의미한다.As shown in FIG. 7C, partial degradation occurs even in the case of the short carbon fiber cooled as soon as 800 ° C. is reached. As a result of EDS analysis, not only carbon is detected in the aluminum base near the short carbon fiber, but also the short carbon fiber The aluminum content in it was found to be about 21 wt%, which means that as soon as 800 ° C. was reached, the short carbon fibers cooled had a significant reaction with the aluminum matrix.
한편, 도 7d에서 알 수 있는 바와 같이, 800℃에서 180분간 유지한 탄소 단섬유의 경우, SEM 이미지 상으로도 심하게 열화되었음을 알 수 있으며, 맵핑결과에서도 탄소 단섬유의 대부분이 알루미늄과 반응하고 있음을 나타낸다.On the other hand, as can be seen in Figure 7d, in the case of the short carbon fibers maintained at 800 ℃ for 180 minutes, it can be seen that also severely degraded on the SEM image, most of the short carbon fibers are reacted with aluminum in the mapping results. Indicates.
이상과 같은 결과로부터, 용탕 온도가 800℃에 가까울 경우에는 탄소 단섬유를 그대로 사용하여서는 강화재로서의 역할을 기대할 수 없음을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that when the molten metal temperature is close to 800 ° C, the role of the reinforcing material cannot be expected by using the short carbon fiber as it is.
도 8a는 알루미늄 용탕 온도가 800℃에 도달하자마자 냉각시킨 본 발명의 SiC 코팅 탄소 단섬유의 SEM 이미지와 맵핑 결과를 나타낸 것이며, 도 8b 내지 8d는 각각 알루미늄 용탕 온도 800℃에서 30분, 60분 및 180분간 유지한 후 냉각시킨 SiC 코팅 탄소 단섬유의 SEM 이미지 및 맵핑 결과를 나타낸 것이다.8A shows SEM images and mapping results of the SiC-coated short carbon fibers of the present invention cooled as soon as the aluminum melt temperature reaches 800 ° C., and FIGS. 8B to
도 8a 및 8b에서 확인되는 바와 같이, SiC 코팅층은 800℃ 용탕에서 30분이 지날 때까지 원래의 형상을 유지한다. 그리고 Si 맵핑결과에서 알 수 있듯이 유지시간이 증가할수록 SiC 코팅층은 점차적으로 열화되어 180분이 경과하였을 때에는 탄소 단섬유의 표면에 약간의 SiC 코팅층만이 남게 된다. 그러나 탄소 단섬유의 조성 및 형상의 변화는 전혀 일어나지 않는다.As can be seen in Figures 8a and 8b, the SiC coating layer retains its original shape until after 30 minutes at 800 ° C melt. As can be seen from the result of Si mapping, as the holding time increases, the SiC coating layer gradually degrades, and when only 180 minutes have elapsed, only a slight SiC coating layer remains on the surface of the short carbon fiber. However, no change in the composition and shape of the short carbon fibers occurs.
이상과 같은 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 SiC 코팅층이 탄소 단섬유가 고온의 알루미늄 용탕 내에서 알루미늄과 반응하는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the SiC coating layer formed according to the embodiment of the present invention can effectively suppress the reaction of the short carbon fibers with aluminum in the molten aluminum of high temperature.
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