KR101138440B1 - Porous body with silicon carbide enhancement layer and fabrication method thereof - Google Patents

Porous body with silicon carbide enhancement layer and fabrication method thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 모재 표면으로부터 모재 내부로 침투되어 형성된 실리콘카바이드 함침층과, 상기 모재 표면 위로 형성된 실리콘카바이드 기상증착층을 포함하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재를 제공한다. 실리콘카바이드 전구체 용액을 압력을 가하여 상기 다공성 모재 표면 내부로 침투시켜 함침층을 형성하며, 후속적으로 기상증착에 의하여 실리콘카바이드 강화층을 형성하여 크랙이나 박리를 방지할 수 있으며, 강화층의 내구성을 증진시킬 수 있다. The present invention provides a silicon carbide-reinforced porous substrate comprising a silicon carbide impregnated layer formed by penetrating into a substrate from a porous substrate surface, and a silicon carbide vapor deposition layer formed on the substrate surface. The silicon carbide precursor solution is pressurized to penetrate into the surface of the porous base material to form an impregnation layer, and subsequently to form a silicon carbide reinforcement layer by vapor deposition to prevent cracking or peeling, and to enhance the durability of the reinforcement layer. Can be promoted.

Description

실리콘카바이드 강화 다공성 모재 및 그 형성방법{POROUS BODY WITH SILICON CARBIDE ENHANCEMENT LAYER AND FABRICATION METHOD THEREOF} Silicon Carbide Reinforced Porous Substrate and Formation Method {POROUS BODY WITH SILICON CARBIDE ENHANCEMENT LAYER AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 실리콘카바이드 강화층 및 그 형성방법에 관한 것으로, 상세하게는 다공성 모재에 실리콘카바이드 함침층을 매개로 실리콘카바이드 기상증착층을 형성하여 내구성이 향상된 새로운 실리콘카바이드 강화층을 제안한다.The present invention relates to a silicon carbide reinforcement layer and a method of forming the same, and in particular, proposes a new silicon carbide reinforcement layer having improved durability by forming a silicon carbide vapor deposition layer on a porous substrate through a silicon carbide impregnation layer.

실리콘카바이드(SiC)는 내화학성, 내산화성, 내열성, 내마모성이 우수한 세라믹 재료이다. 실리콘카바이드의 우수한 물성을 이용하여 금속이나 세라믹 등의 소재에 코팅하여 내화학성, 내산화성, 내열성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다. Silicon carbide (SiC) is a ceramic material excellent in chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance, and wear resistance. By coating the material such as metal or ceramic using the excellent physical properties of silicon carbide can improve the chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance and wear resistance.

실리콘카바이드는 천연석으로도 존재하지만, 규사와 탄소를 화학반응에 의하여 합성하여 제조할 수도 있으며, 코팅이나 화학기상증착(CVD)법으로 소재 표면에 실리콘카바이드 강화층을 형성할 수 있다. Silicon carbide is also present as a natural stone, but can also be produced by synthesizing silica and carbon by chemical reaction, it is possible to form a silicon carbide reinforcement layer on the surface of the material by coating or chemical vapor deposition (CVD) method.

일반적으로, 실리콘카바이드 강화층은 기상증착 등과 같은 화학적 반응에 의해 형성한다. Si를 포함하는 기체 상태의 화합물과 C를 포함하는 기체 상태의 화합물을 반응시켜 모재 위에 고체 상태의 실리콘카바이드층을 입히는 것이다. 기상증착의 장점은 조성을 쉽게 조절할 수 있고, 증착된 재료의 세부 구조의 조절 또한 용이하다는 것이다. In general, the silicon carbide reinforcement layer is formed by a chemical reaction such as vapor deposition. The gaseous state compound containing Si and the gaseous state compound containing C are reacted to coat a solid silicon carbide layer on the base material. The advantages of vapor deposition are that the composition can be easily controlled and the detailed structure of the deposited material is also easy.

그러나 기상증착에 의해 제조된 실리콘카바이드 강화층은 모재와 계면에서의 급격한 화학 조성의 변화를 나타내므로 잔류응력이 충분히 완화되지 못하는 경향이 나타나며, 재료간의 열팽창 계수 차이 등으로 인하여 박리되거나 크랙이 발생하기 쉽다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 강화층과 모재 사이에 미리 버퍼층을 형성하거나 경사 조성의 계면 코팅을 통해 잔류 응력을 완화시켜야 하는 문제가 있다. However, the silicon carbide reinforcement layer produced by vapor deposition shows a rapid change in chemical composition at the interface with the base material, so residual stress tends not to be sufficiently relaxed, and peeling or cracking occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between materials. easy. In order to solve this drawback, there is a problem in that the residual stress must be relieved through the formation of a buffer layer in advance between the reinforcing layer and the base material or through the interfacial coating of the gradient composition.

또한, 기상증착층은 화학적 반응을 통하여 고온에서 실리콘카바이드 강화층을 형성하기 때문에 강화층을 형성할 수 있는 모재는 제한적이다. 즉, 1000℃ 이상의 공정온도를 사용하는 화학기상증착법으로 금속의 표면에 실리콘카바이드를 증착하는 과정에서 용융점이 낮은 금속은 그 금속이 용융되는 등의 문제가 발생할 수 있다.In addition, since the vapor deposition layer forms a silicon carbide reinforcement layer at a high temperature through a chemical reaction, the base material capable of forming the reinforcement layer is limited. That is, a metal having a low melting point in the process of depositing silicon carbide on the surface of the metal by chemical vapor deposition using a process temperature of 1000 ° C. or more may cause problems such as melting of the metal.

한편, 폴리머 전구체를 이용한 실리콘카바이드 코팅이 제안된 바 있다. 예를 들어, Si-C 함유 고분자를 용액 상태에서 모재 표면에 코팅하여 실리콘카바이드 코팅층을 형성하는 것이다. 그러나, 이 경우에는 코팅층의 두께가 매우 작아 반복적인 코팅 공정이 수행되어야 할 뿐만 아니라, 코팅 후 열처리 과정에서 고온의 온도를 유지하여야 하므로 코팅 대상 모재의 종류가 제한적일 수밖에 없으며, 건조 및 열처리 과정, 코팅 용액의 농도 등의 조건에 따라 불순물이 포함되어 화학양론적인 실리콘카바이드층을 얻을 수 없거나 형성된 코팅층의 물성이 불량하여 강화층으로서 기능을 수행하지 못하는 단점이 있었다. On the other hand, silicon carbide coating using a polymer precursor has been proposed. For example, the Si-C-containing polymer is coated on the surface of the base material in a solution state to form a silicon carbide coating layer. However, in this case, the thickness of the coating layer is very small, so that the repeated coating process must be performed and the high temperature must be maintained in the heat treatment process after coating. Depending on the conditions such as the concentration of the impurity is contained in the stoichiometric silicon carbide layer can not be obtained or the physical properties of the formed coating layer has a disadvantage in that it does not function as a reinforcing layer.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 모재와의 접착성이 우수하고 내구성이 향상된 실리콘카바이드 강화층을 제공하는 것이다.The present invention has been made under the above technical background, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide reinforcement layer having excellent adhesion to a base material and improved durability.

본 발명의 다른 목적은 버퍼층이나 경사 조성층이 부가되지 않는 실리콘카바이드 기상증착층을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a silicon carbide vapor deposition layer to which no buffer layer or gradient composition layer is added.

본 발명의 또 다른 목적은 다공성 모재 표면에 내구성이 향상된 새로운 실리콘카바이드 강화층 형성방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of forming a new silicon carbide reinforcement layer having improved durability on a porous base material surface.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.Other objects and technical features of the present invention will be presented in more detail in the following detailed description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표면과 내부에 망목 구조로 열린 기공(open pore)이 분포되어 있는 다공성 모재와, 상기 열린 기공을 통해 모재 표면으로부터 모재 내부로 침투되어 형성된 실리콘카바이드 함침층과, 상기 모재 표면 위로 형성되며, 상기 모재 표면에서 상기 실리콘카바이드 함침층과 접촉하는 실리콘카바이드 기상증착층을 포함하며, 상기 실리콘카바이드 함침층은 실리콘카바이드 기상증착층 보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a porous base material having open pores in a mesh structure on the surface and inside thereof, and a silicon carbide impregnating layer formed by penetrating into the base material from the base material surface through the open pores; And a silicon carbide vapor deposition layer formed on the surface of the base material and contacting the silicon carbide impregnation layer on the base material surface, wherein the silicon carbide impregnation layer is thicker than the silicon carbide vapor deposition layer. Provide a carbide reinforced porous base material.

본 발명은 또한 다공성 모재를 준비하고, 실리콘카바이드 전구체 용액을 준비하고, 실리콘카바이드 전구체 용액이 담긴 용기 내에 상기 다공성 모재를 침지시키고, 상기 실리콘카바이드 전구체 용액이 담긴 용기 내에 압력을 가하여 상기 다공성 모재 표면 내부로 실리콘카바이드 전구체 용액을 침투시키고, 실리콘카바이드 전구체 용액이 침투된 다공성 모재를 열처리하고, 상기 다공성 모재 표면에 기상증착에 의하여 실리콘카바이드 강화층을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법을 제공한다.The present invention also provides a porous base material, preparing a silicon carbide precursor solution, immersing the porous base material in a container containing the silicon carbide precursor solution, and applying pressure in the container containing the silicon carbide precursor solution to the inside of the porous base material surface The method of forming a silicon carbide reinforcing layer comprising the step of infiltrating a silicon carbide precursor solution into a furnace, heat treating a porous base material into which the silicon carbide precursor solution has penetrated, and forming a silicon carbide reinforcement layer by vapor deposition on the surface of the porous base material. do.

본 발명은 또한 망목 구조의 열린 기공이 있는 모재의 종류에 따라 실리콘카바이드 전구체에 첨가제로서 실리콘카바이드 분말을 더 포함할 수 있다. The present invention may further include silicon carbide powder as an additive to the silicon carbide precursor, depending on the type of base material with open pores of the network structure.

본 발명에 따르면, 다양한 모재 표면에 내구성이 향상된 실리콘카바이드 강화층을 형성할 수 있다. 또한, 실리콘카바이드 층의 두께를 용이하게 조절할 수 있고, 모재와 강화층 사이에 버퍼층이나 경사 조성층이 필요 없어 공정이 단순해지며 제조 원가를 절감할 수 있다. According to the present invention, it is possible to form a silicon carbide reinforcement layer having improved durability on the surface of the various base materials. In addition, the thickness of the silicon carbide layer can be easily adjusted, and there is no need for a buffer layer or a gradient composition layer between the base material and the reinforcement layer, thereby simplifying the process and reducing the manufacturing cost.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘카바이드 강화층을 보인 단면 모식도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘카바이드 강화층을 보인 단면 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘카바이드 강화층 형성 방법을 도시한 공정도.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘카바이드 강화층 형성 시 실리콘카바이드 침투 공정을 도시한 모식도.
도 5는 함침이 완료된 모재의 단면 사진.
도 6은 발명에 따라 실리콘카바이드 강화층이 형성된 그라파이트 표면의 강화층을 보인 사진.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10:다공성 모재 12:실리콘카바이드 함침층
14:실리콘카바이드 코팅층 20:실리콘카바이드 기상증착층
1 is a schematic cross-sectional view showing a silicon carbide reinforced layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing a silicon carbide reinforced layer according to another embodiment of the present invention.
3 is a process chart showing a method for forming a silicon carbide reinforcement layer according to the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing a silicon carbide penetration process when forming a silicon carbide reinforcement layer according to the present invention.
5 is a cross-sectional photograph of the base material is complete impregnation.
Figure 6 is a photograph showing a reinforcing layer of the graphite surface formed silicon carbide reinforcing layer according to the invention.
DESCRIPTION OF THE REFERENCE SYMBOLS
10: porous base material 12: silicon carbide impregnated layer
14: silicon carbide coating layer 20: silicon carbide vapor deposition layer

본 발명은 다공성 모재에 실리콘카바이드 강화층을 형성하여, 모재의 내화학성, 내산화성, 내열성, 내마모성을 증진시킬 뿐만 아니라 모재로부터 발생되는 불필요한 입자(particle)를 방지한다.The present invention forms a silicon carbide reinforcing layer on the porous base material, thereby improving chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance, and abrasion resistance of the base material, as well as preventing unnecessary particles generated from the base material.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘카바이드 강화층이 형성된 다공성 모재를 보인 단면도로서, 다공성 모재(10) 표면으로부터 내부로 소정 깊이의 실리콘카바이드 함침층(12)이 형성되어 있고, 다공성 모재(10) 표면에서 상기 함침층 상부면과 경계를 이루면서 실리콘카바이드 기상증착층(20)이 형성되어 있는 것을 보이고 있다.1 is a cross-sectional view of a porous silicon substrate on which a silicon carbide reinforcement layer is formed in accordance with an embodiment of the present invention. A silicon carbide impregnated layer 12 having a predetermined depth is formed from a surface of the porous matrix 10 and a porous matrix (10) It is shown that the silicon carbide vapor deposition layer 20 is formed on the surface while bordering the upper surface of the impregnation layer.

상기 다공성 모재는 표면과 내부에 망목 구조로 열린 기공(open pore)이 분포되어 있는 금속, 세라믹, 그라파이트, 기타 복합 소재 등이 포함될 수 있다. 다공성 모재에 분포되어 있는 기공은 소재의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 수 마이크로미터 ~ 수 밀리미터 수준으로 다양한 기공 크기를 가질 수 있고, 기공의 크기에는 제한을 두지 않는다. 또한, 모재 특성상 기공이 자연적으로 분포되어 있는 경우 뿐만 아니라, 제조 과정에서 의도적으로 다공성 구조로 형성된 복합 소재도 본 발명의 다공성 모재에 포함될 수 있다. 다공성 모재의 형태는 예를 들어 디스크형, 육면체, 각기둥 등 다양한 구조를 가질 수 있으며, 본 발명에서는 다공성 모재의 형태에 제한을 두지 않는다.The porous base material may include metals, ceramics, graphite, and other composite materials having open pores distributed in a mesh structure on the surface and the inside thereof. The pores distributed in the porous base material may vary depending on the type of material, and may have various pore sizes ranging from several micrometers to several millimeters, and the pore size is not limited. In addition, not only the pores are naturally distributed in the nature of the base material, but also a composite material intentionally formed in a porous structure in the manufacturing process may be included in the porous base material of the present invention. The shape of the porous base material may have a variety of structures, for example, disk-shaped, hexahedral, prismatic, etc., the present invention is not limited to the shape of the porous base material.

다공성 모재의 열린 기공을 통해 모재 표면으로부터 모재 내부로 침투되어 형성된 실리콘카바이드 함침층(12)은, 모재 표면 위로 형성되어 모재 표면에서 실리콘카바이드 함침층과 접촉하는 실리콘카바이드 기상증착층(20)의 완충부 역할을 한다. 실리콘카바이드 기상증착층과 모재는 상호 이질적인 재료 특성상 열팽창계수의 차이나 화학 조성의 차이 등에 의하여 접착성이 좋지 못하며, 실리콘카바이드 강화층 형성 과정에서 또는 강화층이 형성된 모재의 사용 중에 접착 내구성이 열화되어 접착 계면에서 박리나 크랙이 발생되기 쉽다. 실리콘카바이드 함침층은 다공성 모재 표면 부근에서 모재를 지지체로 하면서 모재의 기공 내에 분포되어 모재의 화학적 성분을 실리콘카바이드와 유사하게 변경시킴으로써 실리콘카바이드 기상증착증의 계면 접착 특성을 향상시킨다. 그 결과, 별도의 실리콘카바이드 기상증착층과 모재 사이에 완충부나 경사 조성층을 형성할 필요가 없어 제조 상의 이점을 제공하고, 완성된 실리콘카바이드 강화층의 내구성도 크게 증진시킨다.The silicon carbide impregnated layer 12 formed by penetrating into the base material from the base material surface through the open pores of the porous base material is a buffer of the silicon carbide vapor deposition layer 20 formed on the base material surface and in contact with the silicon carbide impregnated layer on the base material surface. Play a role. The silicon carbide vapor deposition layer and the base material have poor adhesion due to heterogeneous material properties due to differences in coefficient of thermal expansion or difference in chemical composition. Peeling and cracking are likely to occur at the interface. The silicon carbide impregnated layer improves the interfacial adhesion characteristics of silicon carbide vapor deposition by changing the chemical composition of the base material similarly to the silicon carbide while being distributed within the pores of the base material as the support material near the surface of the porous base material. As a result, there is no need to form a buffer portion or a gradient composition layer between the separate silicon carbide vapor deposition layer and the base material, providing manufacturing advantages and greatly improving the durability of the finished silicon carbide reinforcement layer.

상기 실리콘카바이드 기상증착층의 두께는 다공성 모재의 종류, 용도, 형태 등에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 500 ㎛의 범위로 형성한다.The thickness of the silicon carbide vapor deposition layer may vary depending on the type, use, shape, etc. of the porous base material, and preferably in the range of 10 to 500 μm.

실리콘카바이드 함침층은 모재의 두께, 크기, 형태에 따라 달라질 수 있지만 실리콘카바이드 기상증착층 보다 두껍게 형성하는 것이 강화층의 내구성을 향상시키는 측면에서 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 상온 보다 높은 온도에서 압력을 가하여 모재 표면으로 실리콘카바이드를 함침시킨다. The silicon carbide impregnated layer may vary depending on the thickness, size, and shape of the base material, but it is preferable to form a thicker than the silicon carbide vapor deposition layer in terms of improving durability of the reinforcing layer. To this end, in the present invention, as described below, the silicon carbide is impregnated to the surface of the base material by applying a pressure at a temperature higher than room temperature.

실리콘카바이드 함침층의 깊이는 기상증착층의 두께에 따라 달라질 수 있으며, 0.3 mm 이상인 것이 바람직하다. The depth of the silicon carbide impregnated layer may vary depending on the thickness of the vapor deposition layer, preferably 0.3 mm or more.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 보인 부분 단면도로서, 다공성 모재(10)의 실리콘카바이드 함침층(12)과 경계를 이루면서 다공성 모재 표면에 실리콘카바이드 코팅층(14)이 더 형성되어 있다. 이 실리콘카바이드 코팅층(14)은 실리콘카바이드 기상증착층(20)과 계면 접촉을 이루며 실리콘카바이드 강화층을 구성하고 있다. 실리콘카바이드 코팅층의 존재로 인하여 다공성 모재와 실리콘카바이드 기상증착층의 계면 접착 특성이 더욱 향상된다. 실리콘카바이드 코팅층은 후술하는 바와 같이 실리콘카바이드 함침층 형성과 동시에 형성될 수도 있고, 함침층 형성 후 순차적으로 반복적인 코팅 과정을 통해 형성할 수도 있다. 2 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the present invention, the silicon carbide coating layer 14 is further formed on the surface of the porous base material while forming a boundary with the silicon carbide impregnated layer 12 of the porous base material 10. The silicon carbide coating layer 14 makes interfacial contact with the silicon carbide vapor deposition layer 20 and constitutes a silicon carbide reinforcement layer. Due to the presence of the silicon carbide coating layer, the interfacial adhesion characteristics between the porous base material and the silicon carbide vapor deposition layer are further improved. The silicon carbide coating layer may be formed at the same time as the silicon carbide impregnated layer is formed as described below, or may be formed through a repeated coating process sequentially after the impregnated layer is formed.

본 발명에 따른 실리콘카바이드 강화 다공성 모재는 실리콘카바이드를 모재 내부로 함침시키거나 모재 표면에 실리콘카바이드 코팅층의 형성을 용이하게 하고, 함침층과 기상증착층, 코팅층과 기상증착층, 또는 기상증착층과 모재 표면의 접착 특성을 개선하기 위하여 다공성 모재의 표면에 거칠기(roughness) 층을 형성할 수도 있다. 상기 거칠기 층은 예를 들어 모재 형성 시 모재 표면에 표면 조도가 존재하도록 형성할 수도 있고, 사후적으로 모재 표면을 거친 연마재로 표면 처리하여 거칠기를 부여할 수도 있을 것이다.The silicon carbide-reinforced porous base material according to the present invention facilitates the formation of a silicon carbide coating layer on the surface of the base material by impregnating silicon carbide into the base material, and impregnating layer and vapor deposition layer, coating layer and vapor deposition layer, or vapor deposition layer and A roughness layer may be formed on the surface of the porous base material to improve the adhesion property of the base material surface. For example, the roughness layer may be formed such that surface roughness exists on the surface of the base material when the base material is formed, and may be imparted to the surface by treating the surface of the base material with a rough abrasive.

도 3은 본 발명에 따른 실리콘카바이드 강화층 형성 방법을 도시한 공정도이다. 먼저, 다공성 모재를 준비한다(단계 S10). 다공성 모재는 전술한 바와 같이, 소재 자체의 특성상 기공이 존재하는 경우도 있지만, 의도적으로 기공을 분포시킨 복합 소재도 가능하다. 다공성 모재는 강화층 형성 전에 표면에 거칠기 층을 먼저 형성할 수 있다. 다공성 모재 표면에 의도적인 거칠기 층을 형성하여 실리콘카바이드 함침이 용이하게 하거나 실리콘카바이드 코팅층 또는 기상증착층 형성을 원활하게 할 수 있다. 또한, 거칠기 층은 모재 내부에 기공이 작거나 기공의 연결 상태가 좋지 않은 경우에 함침층 형성을 유리하게 할 수 있다. 3 is a process chart showing a method for forming a silicon carbide reinforcement layer according to the present invention. First, prepare a porous base material (step S10). As described above, the porous base material may have pores due to the characteristics of the material itself, but a composite material in which pores are intentionally distributed is also possible. The porous base material may first form a roughness layer on the surface before forming the reinforcing layer. An intentional roughness layer may be formed on the surface of the porous base material to facilitate silicon carbide impregnation, or to facilitate formation of a silicon carbide coating layer or vapor deposition layer. In addition, the roughness layer may advantageously form the impregnation layer in the case where the pores are small in the base metal or the connection state of the pores is poor.

다음으로, 실리콘카바이드 전구체 용액을 준비한다(단계 S20). 실리콘카바이드 전구체로 사용되는 물질에는 특별한 제한이 없으며, 실리콘과 탄소를 포함하는 고분자 물질로서 예를 들어 폴리카보실란(POLYCARBOSILANE), 폴리페닐카보실란(POLYPHENYLCARBOSILANE), 아릴페닐카르보실란(ALLYLPHENYCARBOSILANE) 등이 사용될 수 있다. 실리콘카바이드 전구체 용액에 사용되는 용매는 특별한 제한이 없이 유기 용매 또는 무기 용매 등이 사용될 수 있고, 모재 내부의 기공 크기와 관련하여 함침이 용이할 수 있도록 전구체 용액의 점도를 조절하는 것이 바람직하다.Next, to prepare a silicon carbide precursor solution (step S20). The material used as the silicon carbide precursor is not particularly limited, and as the polymer material containing silicon and carbon, for example, polycarbosilane (POLYCARBOSILANE), polyphenylcarbosilane (POLYPHENYLCARBOSILANE), arylphenylcarbosilane (ALLYLPHENYCARBOSILANE) and the like are used. Can be. The solvent used in the silicon carbide precursor solution may be an organic solvent, an inorganic solvent, or the like without particular limitation, and it is preferable to adjust the viscosity of the precursor solution to facilitate the impregnation with respect to the pore size inside the base material.

전구체 용액 준비 단계에서, 모재의 종류나 기공 사이즈에 따라 실리콘카바이드 전구체에 실리콘카바이드 분말을 첨가제로 더 포함할 수 있다. 실리콘카바이드 분말은 함침 효과를 증진시킬 뿐만 아니라 전구체 용액의 점도를 조절하는데 효과적이다.In the precursor solution preparation step, the silicon carbide powder may be further included as an additive in the silicon carbide precursor according to the type or pore size of the base material. Silicon carbide powder not only enhances the impregnation effect but is also effective in controlling the viscosity of the precursor solution.

다음으로, 준비된 실리콘카바이드 전구체 용액을 다공성 모재 내부로 함침시킨다(단계 S30). 이 과정을 도 4를 참조하여 설명한다. 밀폐 용기(100) 내에 실리콘카바이드 전구체 용액(112)이 담겨 있고, 전구체 용액에 다공성 모재(110)를 침지시킨다. 통상적인 디핑(deeping)만으로는 전구체 용액을 모재에 함침시킬 수 없기 때문에 본 발명에서는 밀폐 용기에 압력을 가할 수 있도록 질소가스(120)를 밀폐 용기에 공급하여 마치 정수압 가압성형과 유사한 방식으로 전구체 용액이 다공성 모재에 압력이 가해지도록 한다. 이를 통하여 균일하게 모재 내부로 전구체 용액이 함침될 수 있다. 함침 압력은 유량조절장치(140)를 통해 5기압 ~ 100기압의 범위로 제어한다. Next, the prepared silicon carbide precursor solution is impregnated into the porous base material (step S30). This process will be described with reference to FIG. 4. The silicon carbide precursor solution 112 is contained in the sealed container 100, and the porous base material 110 is immersed in the precursor solution. In the present invention, since the precursor solution cannot be impregnated into the base material only by the conventional deeping, nitrogen gas 120 is supplied to the sealed container so as to apply pressure to the sealed container. Apply pressure to the porous substrate. Through this, the precursor solution may be uniformly impregnated into the base material. Impregnation pressure is controlled in the range of 5 atm ~ 100 atm through the flow regulator 140.

함침 과정을 용이하게 하고 불순물이 침투되는 것을 방지하기 위하여 용기 내부를 진공으로 유지하기 위한 진공펌프(170)가 용기에 연결될 수 있고, 용기 주변으로는 히터(130)가 설치되어 전구체 용액의 온도를 상온 보다 높게 유지한다. 온도조절장치(150)를 통해 용기 내부의 전구체 용액은 50 ~ 100℃의 온도로 제어한다. In order to facilitate the impregnation process and to prevent infiltration of impurities, a vacuum pump 170 for maintaining the inside of the container in a vacuum may be connected to the container, and a heater 130 is installed around the container to adjust the temperature of the precursor solution. Maintain higher than room temperature. Through the temperature controller 150, the precursor solution in the vessel is controlled to a temperature of 50 ~ 100 ℃.

전구체 용액을 상온 보다 높게 유지하는 것은 실리콘카바이드 전구체가 용매에 쉽게 녹고 분산성을 좋게 하여 다공성 모재 표면 내부로 실리콘카바이드 전구체 용액이 침투시키는 것을 용이하게 할 뿐만 아니라, 실리콘카바이드 코팅층의 형성도 용이하게 한다. 따라서, 함침층 형성과 동시에 모재 표면으로 코팅층이 형성되도록 할 수도 있다. 이와 달리, 먼저 함침층을 형성한 후 압력을 제거한 상태에서 후속적으로 코팅층을 형성할 수도 있을 것이다.Maintaining the precursor solution above room temperature not only facilitates the penetration of the silicon carbide precursor solution into the porous matrix surface, but also facilitates the formation of the silicon carbide coating layer by allowing the silicon carbide precursor to dissolve easily in the solvent and have good dispersibility. . Therefore, the coating layer may be formed on the surface of the base material simultaneously with the formation of the impregnation layer. Alternatively, the impregnation layer may be formed first, and then the coating layer may be subsequently formed while the pressure is removed.

실리콘카바이드 전구체 용액이 침투된 다공성 모재는 밀폐 용기에서 꺼내어 건조 과정을 거친 후, 열처리를 통해 침투된 전구체 용액의 용매를 제거하고, 실리콘카바이드가 소결되어 모재 표면 내부에서 모재 재질과 복합되도록 한다(단계 S40). 다공성 모재의 열처리는 250 ~ 1500℃의 온도로 수행하는 것이 바람직하다. 실리콘카바이드 전구체 용액에서 용매를 제거하고 실리콘카바이드를 열경화시키기 위하여 열처리 온도는 200℃ 이상으로 유지되어야 하며, 열팽창 계수가 크거나 용융점이 낮은 다공성 모재는 변형을 주지않도록 낮은 온도에서 열처리하여 비정질 상태로, 열팽창 계수가 작거나 용융점이 높은 모재는 높은 온도에서 결정질 상태로 함침층이 모재의 기공 분포에 균일하게 형성되도록 한다. 형성된 함침층은 비정질 상태(및/또는 결정질 상태)의 실리콘카바이드와 모재 성분이 망목 구조로 복합된 층을 구성하게 된다. The porous base material impregnated with the silicon carbide precursor solution is taken out of a closed container, dried, and then the solvent of the precursor solution impregnated through heat treatment is removed, and the silicon carbide is sintered to be mixed with the base material inside the base material surface (step S40). Heat treatment of the porous base material is preferably carried out at a temperature of 250 ~ 1500 ℃. In order to remove the solvent from the silicon carbide precursor solution and thermally harden the silicon carbide, the heat treatment temperature must be maintained at 200 ° C. or higher, and the porous base material having a large coefficient of thermal expansion or low melting point is heat-treated at low temperature in an amorphous state to prevent deformation. In addition, the base material having a low coefficient of thermal expansion or high melting point allows the impregnated layer to be uniformly formed in the pore distribution of the base material in a crystalline state at a high temperature. The formed impregnation layer constitutes a layer in which the silicon carbide in the amorphous state (and / or the crystalline state) and the base material component are combined into a mesh structure.

실리콘카바이드 코팅층을 추가적으로 형성한 경우, 열처리는 함침층과 코팅층을 동시에 실시할 수 있으며, 함침층에 대한 열처리를 수행한 후 실리콘카바이드 코팅층을 형성하고 후속적으로 코팅층에 대한 열처리를 진행할 수도 있다.In the case where the silicon carbide coating layer is additionally formed, the heat treatment may be performed simultaneously with the impregnation layer and the coating layer, and after performing the heat treatment on the impregnation layer, the silicon carbide coating layer may be formed and subsequently the heat treatment on the coating layer may be performed.

마지막으로, 다공성 모재 표면에 기상증착에 의하여 실리콘카바이드 강화층을 형성한다(단계 S50). 실리콘카바이드 기상증착층은 진공 챔버 내에서 원료 소스와 함께 고온의 열을 가하여 다공성 모재 표면의 함침층 또는 코팅층 위에 형성되며, 이 과정에서 함침층(및/또는 코팅층)이 모재와 기상증착층 사이에서 열팽창계수의 변화를 완화시키는 완충층 역할을 하며, 모재의 성분과 기상증착층이 직접 접촉하는 것을 방지하여 화학적으로 안정적인 결합을 하게 된다.
Finally, the silicon carbide reinforcement layer is formed by vapor deposition on the surface of the porous base material (step S50). The silicon carbide vapor deposition layer is formed on the impregnation layer or the coating layer on the surface of the porous base material by applying high temperature heat together with the raw material source in the vacuum chamber, in which an impregnation layer (and / or coating layer) is formed between the base material and the vapor deposition layer. It acts as a buffer layer to mitigate the change in the coefficient of thermal expansion, and prevents direct contact between the components of the base material and the vapor phase deposition layer is chemically stable.

실시예Example 1 One

다공성 모재로서 그라파이트 시료를 준비하였다. 그라파이트 시료의 밀도는 1.85g/㎤ 이고, 열팽창계수는 5.5×10-6/℃, 고유저항 11.0 μΩm 이었다. 용매에 실리콘카바이드 전구체로서 20wt%의 폴리페닐카보실란을 혼합하고 첨가제로서 실리콘카바이드 분말(size : 20nm)을 10wt% 첨가하여 실리콘카바이드 전구체 용액을 준비하였고, 도 4에 도시한 장치에서 모재에 실리콘카바이드 전구체 용액을 함침시켰다. Graphite samples were prepared as the porous base material. The graphite sample had a density of 1.85 g / cm 3, a thermal expansion coefficient of 5.5 × 10 −6 / ° C., and a specific resistance of 11.0 μm. A silicon carbide precursor solution was prepared by mixing 20 wt% of polyphenylcarbosilane as a silicon carbide precursor and 10 wt% of silicon carbide powder (size: 20 nm) as an additive, and preparing silicon carbide precursor solution in the apparatus shown in FIG. 4. The precursor solution was impregnated.

본 실시예에서는 히터로 용기에 열을 가하여 전구체 용액을 70℃의 온도를 유지하면서 10기압으로 30분간 모재에 전구체 용액을 함침시켰다. 함침 후, 건조 과정으로서 분당 3℃로 200℃까지 승온하여 2시간 유지한 후 서서히 냉각하였다. 그 다음, 열처리 단계로서 Ar 분위기에서 분당 3℃로 1400℃까지 승온하여 2시간 유지한 후 서서히 냉각하였다. In the present embodiment, the precursor solution was impregnated with the base material by heating to the container with a heater for 30 minutes at 10 atm while maintaining the temperature of the precursor solution at 70 ℃. After impregnation, the temperature was raised to 200 ° C. at 3 ° C. per minute and maintained for 2 hours as a drying process, and then gradually cooled. Then, as a heat treatment step, the temperature was raised to 1400 ° C. at 3 ° C. per minute in an Ar atmosphere and maintained for 2 hours, and then gradually cooled.

다공성 모재 함침 시 온도와 압력의 관계를 조사하기 위하여 비교예로서 동일한 모재의 표면에 상온의 전구체 용액을 압력을 가하지 않은 채 30분간 디핑하였다. In order to investigate the relationship between temperature and pressure during the impregnation of the porous base material, the precursor solution at room temperature was dipped for 30 minutes without applying pressure to the surface of the same base material as a comparative example.

함침이 완료된 모재의 단면 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 모재 표면으로부터 내부로 상층부(3), 중증부(2), 심층부(1)를 기준으로 함침 온도와 압력에 따른 실리콘카바이드 함침 정도를 확인하기 위하여 모재 표면으로부터 내부로 내려가면서 모재의 구성 원소별 함량을 조사하여 표 1에 나타내었다.
A cross-sectional photograph of the base material having been impregnated is shown in FIG. 5. From the base material surface shown in Figure 5 from the base material surface to the inside to check the degree of silicon carbide impregnation according to the impregnation temperature and pressure based on the upper layer (3), the middle portion (2), the deep layer (1). Table 1 shows the contents of the constituent elements.

그라파이트 내 실리콘카바이드 침투량 비교(weight %)Comparison of Silicon Carbide Penetration in Graphite (weight%) ElementElement 가열, 가압 함침(실시예)Heating, Pressure Impregnation (Examples) 상온, 상압 함침(비교예)Room temperature, atmospheric impregnation (comparative example) 상층부Upper part 중층부Mezzanine 심층부Deep 상층부Upper part 중층부Mezzanine 심층부Deep CC 93.9793.97 95.2895.28 96.2796.27 96.896.8 96.9896.98 97.5897.58 OO 2.652.65 4.204.20 3.333.33 2.912.91 2.792.79 2.162.16 SiSi 3.383.38 0.520.52 0.400.40 0.290.29 0.230.23 0.260.26 TotalTotal 100.00100.00 100.00100.00 100.00100.00 100.00100.00 100.00100.00 100.00100.00

표 1로부터 실시예와 비교예의 함침 수준을 비교하면, 70℃의 전구체 용액에서 10기압의 압력을 가한 경우에 실리콘의 함량이 비교예에 비하여 상층부에서는 10배 이상 중층부에서는 2배 이상 심층부에서는 1.5배 이상인 것을 확인할 수 있고, 이로부터 상온 용액에서 압력을 가하지 않은 경우 보다 함침 정도가 매우 우수한 것을 알 수 있다.
Comparing the impregnation levels of Examples and Comparative Examples from Table 1, when the pressure of 10 atm was applied in the precursor solution at 70 ° C., the silicon content was 10 times higher in the upper layer and 2 times higher in the middle layer than in the comparative example. It can be confirmed that it is twice or more, and from this, it can be seen that the degree of impregnation is much better than when no pressure is applied in a room temperature solution.

실시예Example 2 2

다공성 모재로서 그라파이트 시료를 준비하였다. 그라파이트 시료의 밀도는 1.84g/㎤ 이고, 기공율은 약 18% 이었다. 용매에 실리콘카바이드 전구체로서 20wt%의 폴리카보실란을 혼합하여 전구체 용액을 준비하고, 도 4에 도시한 장치에서 모재에 실리콘카바이드 전구체 용액을 함침시켰다. Graphite samples were prepared as the porous base material. The graphite sample had a density of 1.84 g / cm 3 and a porosity of about 18%. A precursor solution was prepared by mixing 20 wt% of polycarbosilane as a silicon carbide precursor in a solvent, and the silicon carbide precursor solution was impregnated into the base material in the apparatus shown in FIG. 4.

본 실시예에서는 히터로 용기에 열을 가하여 전구체 용액을 70℃의 온도를 유지하면서 10기압으로 60분간 모재에 전구체 용액을 함침시켰다. 함침 시 온도와 압력의 관계를 조사하기 위하여 비교예로서 동일한 모재의 표면에 상온의 전구체 용액을 압력을 가하지 않은 채 60분간 디핑하였다. 각 샘플에 대하여 건조 공정으로 분당 3℃로 200℃까지 승온하여 2시간 유지 후 서서히 냉각시켰고, 열처리 공정으로 N2 분위기에서 분당 4℃로 800℃까지 승온하여 2시간 유지 후 서서히 냉각하였다.In this example, the precursor solution was impregnated with the base material by heating the container with a heater for 60 minutes at 10 atm while maintaining the temperature of the precursor solution at 70 ° C. In order to investigate the relationship between temperature and pressure during impregnation, the precursor solution at room temperature was dipped for 60 minutes without applying pressure to the surface of the same base material as a comparative example. Each sample was heated to 3 ° C. per minute to 200 ° C. in a drying step, and then cooled slowly, and then gradually cooled to 4 ° C. per minute in an N 2 atmosphere at 800 ° C. in a heat treatment step, and then slowly cooled.

함침 온도와 압력에 따른 실리콘카바이드 함침 정도를 확인하기 위하여 모재 표면으로부터 내부로 5mm 되는 지점에서의 모재의 구성 원소별 함량을 조사하여 표 2에 나타내었다.
In order to confirm the silicon carbide impregnation degree according to the impregnation temperature and pressure, the content of each element of the base material at the point 5mm from the surface of the base material was investigated and shown in Table 2.

그라파이트 내 실리콘카바이드 침투량 비교(weight %)Comparison of Silicon Carbide Penetration in Graphite (weight%) elementelement 가열, 가압 함침 (실시예)Heating, pressure impregnation (example) 상온, 상압 함침 (비교예)Room temperature, atmospheric impregnation (comparative example) CC 94.2794.27 94.3794.37 OO 5.555.55 5.575.57 SiSi 0.180.18 0.060.06 TotalTotal 100100 100100

표 2로부터 실시예와 비교예의 함침 수준을 비교하면, 70℃의 전구체 용액에서 10기압의 압력을 가한 경우에 실리콘의 함량이 비교예에 비하여 3배 이상인 것을 확인할 수 있고, 이로부터 상온 용액에서 압력을 가하지 않은 경우 보다 함침 정도가 매우 우수한 것을 알 수 있다. Comparing the impregnation levels of the Examples and Comparative Examples from Table 2, when the pressure of 10 atm in a precursor solution of 70 ℃ is confirmed that the content of silicon is more than three times compared to the Comparative Example, from this pressure in a room temperature solution It can be seen that the degree of impregnation is very excellent than when not added.

도 6은 실시예 2에 따른 다공성 모재 표면에 형성된 실리콘카바이드 함침층을 보인 사진으로 실리콘이 다량으로 분포되어 있는 것을 확인하였다 6 is a photograph showing a silicon carbide impregnated layer formed on the surface of the porous base material according to Example 2 confirmed that a large amount of silicon is distributed

그 다음, 다공성 모재 표면에 CVD 법으로 실리콘카바이드 기상증착층을 100㎛ 두께로 형성하였다. 형성된 기상증착층은 함침층과 더불어 모재 표면의 강화층으로 내구성이 우수하였고, 모재인 그라파이트로부터 파티클이 발생되지 않았다.Next, a silicon carbide vapor deposition layer was formed on the surface of the porous base material by CVD to a thickness of 100 μm. The vapor deposition layer formed was excellent in durability as the reinforcement layer on the surface of the base material together with the impregnation layer, and particles were not generated from graphite as the base material.

이러한 실시예로부터 균일하고 안정적인 함침층의 형성은 후속적으로 형성되는 기상증착층의 계면 접착력 및 내구성에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. It was confirmed from this example that the formation of a uniform and stable impregnation layer greatly influences the interfacial adhesion and durability of the vapor deposition layer that is subsequently formed.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
The present invention has been exemplarily described through the preferred embodiments, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various forms within the scope of the technical idea presented in the present invention, specifically, the claims. May be modified, changed, or improved.

Claims (11)

표면과 내부에 망목 구조로 열린 기공(open pore)이 분포되어 있는 다공성 모재와,
상기 열린 기공을 통해 모재 표면으로부터 모재 내부로 침투되어 형성된 실리콘카바이드 함침층과,
상기 모재 표면 위로 형성되며, 상기 모재 표면에서 상기 실리콘카바이드 함침층과 접촉하는 실리콘카바이드 기상증착층을 포함하며,
상기 실리콘카바이드 함침층은 실리콘카바이드 기상증착층 보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
실리콘카바이드 강화 다공성 모재.
Porous base material with open pores in the mesh structure on the surface and inside,
A silicon carbide impregnating layer formed by penetrating into the base material from the base material surface through the open pores;
A silicon carbide vapor deposition layer formed over the base material surface and in contact with the silicon carbide impregnation layer on the base material surface;
The silicon carbide impregnation layer is formed thicker than the silicon carbide vapor deposition layer, characterized in that
Silicon carbide reinforced porous base material.
제1항에 있어서, 상기 실리콘카바이드 기상증착층의 두께는 10 ~ 500 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재.The silicon carbide-reinforced porous substrate of claim 1, wherein the silicon carbide vapor deposition layer has a thickness in the range of 10 μm to 500 μm. 제1항에 있어서, 상기 실리콘카바이드 함침층의 깊이는 0.3 mm 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재.The silicon carbide reinforced porous base material according to claim 1, wherein the silicon carbide impregnated layer has a depth of 0.3 mm or more. 제1항에 있어서, 상기 다공성 모재의 실리콘카바이드 함침층과 경계를 이루면서 다공성 모재 표면에 형성된 실리콘카바이드 코팅층을 더 포함하며, 상기 실리콘카바이드 기상증착층은 실리콘카바이드 코팅층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재.The silicon carbide coating layer of claim 1, further comprising a silicon carbide coating layer formed on the surface of the porous base material while forming a boundary with the silicon carbide impregnated layer of the porous base material, wherein the silicon carbide vapor deposition layer is formed on the silicon carbide coating layer. Reinforced porous base material. 제1항에 있어서, 상기 다공성 모재의 표면은 거칠기 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화 다공성 모재.The silicon carbide reinforced porous base material according to claim 1, wherein the surface of the porous base material has a roughness layer formed thereon. 다공성 모재를 준비하고,
실리콘카바이드 전구체 용액을 준비하고,
실리콘카바이드 전구체 용액이 담긴 용기 내에 상기 다공성 모재를 침지시키고,
상기 실리콘카바이드 전구체 용액이 담긴 용기 내에 압력을 가하여 상기 다공성 모재 표면 내부로 실리콘카바이드 전구체 용액을 침투시키고,
실리콘카바이드 전구체 용액이 침투된 다공성 모재를 열처리하고,
상기 다공성 모재 표면에 기상증착에 의하여 실리콘카바이드 강화층을 형성하는 단계를 포함하는
실리콘카바이드 강화층 형성 방법.
Prepare a porous base material,
Preparing a silicon carbide precursor solution,
The porous base material is immersed in a container containing a silicon carbide precursor solution,
Applying pressure to a container containing the silicon carbide precursor solution to infiltrate the silicon carbide precursor solution into the porous base material surface;
Heat-treating the porous base material impregnated with the silicon carbide precursor solution,
Forming a silicon carbide reinforcement layer by vapor deposition on the surface of the porous base material;
Silicon carbide reinforcement layer forming method.
제6항에 있어서, 상기 실리콘카바이드 전구체 용액을 50 ~ 100℃의 온도로 유지한 상태에서 상기 다공성 모재 표면 내부로 실리콘카바이드 전구체 용액을 침투시키는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법.The method of claim 6, wherein the silicon carbide precursor solution is infiltrated into the surface of the porous base material while maintaining the silicon carbide precursor solution at a temperature of 50 to 100 ° C. 7. 제6항에 있어서, 상기 실리콘카바이드 전구체 용액이 담긴 용기 내에 5 기압 ~ 100의 압력을 가하여 상기 다공성 모재 표면 내부로 실리콘카바이드 전구체 용액을 침투시키는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법.The method of claim 6, wherein the silicon carbide precursor solution is penetrated into the surface of the porous base material by applying a pressure of 5 atm to 100 in the container containing the silicon carbide precursor solution. 제6항에 있어서, 상기 다공성 모재의 열처리는 250 ~ 1500℃의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법.The method of claim 6, wherein the heat treatment of the porous base material is silicon carbide reinforcement layer forming method, characterized in that performed at a temperature of 250 ~ 1500 ℃. 제6항에 있어서, 상기 다공성 모재의 표면에 실리콘카바이드 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법.The method of claim 6, further comprising forming a silicon carbide coating layer on the surface of the porous base material. 제6항에 있어서, 상기 실리콘카바이드 전구체 용액에 첨가제로서 실리콘카바이드 분말을 포함하는 실리콘카바이드 강화층 형성 방법.

The method of claim 6, wherein the silicon carbide precursor solution comprises silicon carbide powder as an additive.

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