KR101225992B1 - 가스 누설 방지용 내열 복합재 - Google Patents

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박종규
이재열
이만영
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 가스 누설 방지용 내열 복합재는, 내부에 압축된 가스가 배출되는 분사실을 구비하고, 상기 분사실을 한정하며 강화 섬유들을 직조하여 형성되는 프리폼과, 상기 프리폼의 강화 섬유들 사이에 채워지는 매트릭스 및 상기 가스가 상기 프리폼 및 상기 매트릭스의 외부로 누설되지 않도록 상기 프리폼의 외주를 감싸는 제1 가스누설방지층을 포함하고, 상기 매트릭스는 탄화규소를 포함하여 형성된다.

Description

가스 누설 방지용 내열 복합재{REFRACTORY COMPOSITE FOR GAS LEAK PREVENTION}
본 발명의 일실시예들은 내부로 배출되는 가스가 외부로 누설되지 않도록 형성되는 내열 복합재에 관한 것이다.
내열 복합재는, 2000℃ 이상의 초고온에서 견딜 수 있도록 형성되는 복합재로써 초고온에서 사용되는 가스노즐이나 가스밸브에 이용된다.
내열복합재의 종류로, 탄소섬유 강화 탄화규소 복합재(Cf/SiC) 또는 탄화규소섬유 강화 탄화규소 복합재(SiCf/SiC)가 있다.
탄소섬유 강화 탄화규소 복합재 또는 탄화규소섬유 강화 탄화규소 복합재는 다음과 같은 방법으로 제조된다.
탄소섬유(Carbon Fiber, Cf) 또는 탄화규소섬유(Silicon Carbide Fiber, SiCf)를 직조하여 성형체(preform)을 만든다. 그리고, 성형체 내부 섬유들 사이 기공에 기지재(matrix)의 성분인 탄화규소(SiC)를 채운다.
탄화규소를 채우는 방법으로는 크게, 화학 증기 침투법(Chemical Vapor Infiltration, CVI), 고분자 침투 열분해법 (Polymer Infiltration Pyrolysis, PIP), 용융 금속실리콘 침투법(Liquid Silicon Infiltration, LSI)이 있다.
화학 증기 침투법은, 강화섬유를 직조하여 프리폼을 만들고. 강화섬유들 사이 공간으로 탄화규소(SiC)를 화학 증기 침투법으로 메워 매트릭스를 만든다.
이때, 강화섬유들 사이 공간으로 탄화규소를 화학 증기 침투법으로 메우더라도, 내열 복합재에는 20% 이하의 기공이 남게 된다.
이로 인해, 내열 복합재로 형성된 가스밸브나 가스노즐로 공급된 가스가, 내열 복합재의 기공을 통해 누설될 수 있다.
가스가 누설되면, 가스노즐을 통해 분사되는 가스의 양, 또는 가스밸브를 통해 공급되는 가스의 양을 누설로 인해 정확하게 계산하여 제어할 수 없으므로, 내열 복합재로 형성된 가스밸브나 가스노즐에서 가스 누설 방지를 위한 방안이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 가스의 누설이 방지된 내열 복합재를 제공하는 데 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 가스 누설 방지용 내열 복합재는, 내부에 압축된 가스가 배출되는 분사실을 구비하고, 상기 분사실을 한정하며 강화 섬유들을 직조하여 형성되는 프리폼과, 상기 프리폼의 강화 섬유들 사이에 채워지는 매트릭스 및 상기 가스가 상기 프리폼 및 상기 매트릭스의 외부로 누설되지 않도록 상기 프리폼의 외주를 감싸는 제1 가스누설방지층을 포함하고, 상기 매트릭스는 탄화규소를 포함하여 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 가스누설방지층은 탄화규소를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 가스누설방지층은 탄소를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 가스누설방지층은 상기 프리폼을 감싸며 탄소를 포함하여 형성되는 제1 층과 상기 제1 층을 덮도록 형성되고, 탄화규소를 포함하여 형성되는 제2 층을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 프리폼의 내주에 상기 가스가 상기 분사실의 외부로 누설되지 않도록 탄소 또는 탄화규소를 포함하여 형성되는 제2 가스누설방지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 매트릭스는, 상기 강화 섬유들 사이의 공간으로 수소와 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS) 또는 모노메틸실란(MonoMethylSilane, MMS)이 혼합된 가스를 950 내지 1200℃의 온도에서 5 내지 100 torr의 압력으로 반응시키는 단계를 포함하는 화학 증기 침투법을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 가스누설방지층은, 탄화 수소 가스를 960 내지 1200℃의 온도에서 5 내지 10 torr의 압력으로 반응시키는 단계를 포함하는 화학 증기 침투법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 가스 누설 방지용 내열 복합재는 기공을 통한 가스의 누설을 방지할 수 있다.
특히, 가스누설방지층의 성분이 탄소인 경우, 탄소가 기공으로 침투하여 기공을 메울 수 있다. 따라서, 가스누설방지층의 성분이 탄화규소인 경우보다, 7배 이상의 가스누설방지성능을 가질 수 있다.
특히, 가스누설방지층이 열분해탄소층과 탄화규소층으로 구성된 경우, 열분해탄소층의 성분인 탄소가 기공으로 침투하여 기공을 메울 뿐만 아니라, 열분해탄소층과 탄화규소층이 이중으로 가스 누설을 막을 수 있다. 따라서, 가스누설방지층의 성분이 탄소인 경우보다, 더 우수한 가스누설방지성능을 가질 수 있다.
또한, 가스누설방지층이 열분해탄소층과 탄화규소층으로 구성된 경우, 열분해탄소층이 매트릭스와 탄화규소층 사이에 위치하게 된다. 이로 인해, 열분해탄소층이 중간에서 매트릭스와 탄화규소층의 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 탄화규소층의 균열 발생을 억제할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 내열 복합재로 제조된, 가스밸브를 나타낸 도면이다.
도 2는, 도 1에 도시된 A부분을 확대한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 제2실시예에 따른 내열 복합재의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제3실시예에 따른 내열 복합재의 일부를 나타낸 도면이다.
도 5는, 내열 복합재의 표면에 가스누설방지층이 형성되지 않은 경우, 내열 복합재의 표면에 제1실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 내열 복합재의 표면에 제2실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 내열 복합재의 표면에 제3실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 각각에 대해서 진행된 누설테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 가스 누설 방지용 내열 복합재에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 내열 복합재를 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스 누설 방지용 내열 복합재를 도시한 것이다. 보다 자세하게는 가스 누설 방지용 내열 복합재로 제조된 가스노즐을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 실선화살표는 가스공급공을 통해 분사실로 공급되는 가스를 나타낸다. 도 1에 도시된 점선화살표는 가스누설방지층으로 인해 가로 막힌 가스를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스노즐은, 내열 복합재(10), 가스누설방지층(C_sic)로 구성된다. 매트릭스(M)와 가스누설방지층(C_sic)의 성분은 탄화규소이다.
내열 복합재(10)의 중심부에 후측이 개방된 분사실(S)이 기계가공으로 형성된다.
내열 복합재(10)의 전면에 분사실(S)과 연통되는 가스공급공(10a)이 기계가공으로 형성된다. 물론, 가스공급공(10a)은 내열 복합재(10)의 측면에도 형성될 수 있다.
도 2는, 도 1에 도시된 A부분을 확대한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 내열 복합재(10)는, 강화섬유(F), 매트릭스(M)로 구성된다.
내열 복합재(10)는, 다음과 같은 방법으로 제조된다.
강화섬유를 직조하여 프리폼을 만든다. 강화섬유들 사이 공간으로 탄화규소(SiC)를 화학 증기 침투법으로 메워 매트릭스를 만든다.
화학 증기 침투법은, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS)과 수소가 혼합된 가스를 온도 950~1200℃ 압력 5~100torr에서 반응시켜, 강화섬유들 사이 공간으로 탄화규소를 생성시킨다.
물론, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS) 대신에 모노메틸실란(MonoMethylSilane, MMS)이 사용될 수도 있다.
강화섬유의 종류에는, 탄소섬유 또는 탄화규소섬유 등이 있다.
직조방법으로는, 바느질(stitching), 니들펀칭(needle punching), 짜기(weaving)등이 있다.
가스누설방지층(C_sic)은, 화학 증기 증착법으로 내열 복합재(10)의 표면에 형성된다. 화학 증기 침투법은, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS)과 수소가 혼합된 가스를 온도 950~1200℃ 압력 5~100torr에서 반응시켜, 내열 복합재(10)의 표면에 탄화규소를 증착시킨다. 물론, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS) 대신에 모노메틸실란(MonoMethylSilane, MMS)이 사용될 수도 있다.
이하, 도 3을 참고하여 본 발명의 제2실시예에 따른 내열 복합재를 상세히 설명한다.
도 3은, 본 발명의 제2실시예에 따른 내열 복합재의 일부를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 내열 복합재의 구성은, 본 발명의 제1실시예에 따른 내열 복합재의 구성과, 가스누설방지층을 제외하고는 동일하다.
본 발명의 제2실시예에 따른 내열 복합재의 가스누설방지층(C_pyc)의 성분은, 탄소이다.
가스누설방지층(C_pyc)은, 화학 증기 증착법으로 내열 복합재(10)의 표면에 형성된다. 화학 증기 증착법은, 탄화수소가스를 온도 960~1100℃ 압력 5~10torr에서 반응시켜, 내열 복합재(10)의 표면에 탄소를 증착시킨다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 내열 복합재를 상세히 설명한다.
도 4를 참고하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 내열 복합재의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 내열 복합재의 구성은, 본 발명의 제1실시예에 따른 내열 복합재의 구성과, 가스누설방지층을 제외하고는 동일하다.
본 발명의 제3실시예에 따른 내열 복합재의 가스누설방지층(C_pyc+sic)은, 내열 복합재(10)의 표면에 형성된 열분해탄소층(C_pyc, 제1 층)과 열분해탄소층(C_pyc)의 표면에 형성된 탄화규소층(C_sic, 제2 층)으로 구성된다.
열분해탄소층(C_pyc)의 성분은 탄소이다. 탄화규소층(C_sic)의 성분은 탄화규소이다.
열분해탄소층(C_pyc)은 화학 증기 증착법으로 내열 복합재(10)의 표면에 형성된다. 화학 증기 증착법은, 탄화수소가스를 온도 960~1100℃ 압력 5~10torr에서 반응시켜, 내열 복합재(10)의 표면에 탄소를 증착시킨다.
탄화규소층(C_sic)은 화학 증기 증착법으로 열분해탄소층(C_pyc)의 표면에 형성된다. 화학 증기 침투법은, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS)과 수소가 혼합된 가스를 온도 950~1200℃ 압력 5~100torr에서 반응시켜, 열분해탄소층(C_pyc)의 표면에 탄화규소를 증착시킨다. 물론, 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS) 대신에 모노메틸실란(MonoMethylSilane, MMS)이 사용될 수도 있다.
도 5는, 내열 복합재의 표면에 가스누설방지층이 형성되지 않은 경우, 내열 복합재의 표면에 제1실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 내열 복합재의 표면에 제2실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 내열 복합재의 표면에 제3실시예에 따른 가스누설방지층이 형성된 경우, 각각에 대해서 진행된 누설테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
누설테스트는, 분사실(S)의 후측을 막고 분사실(S)에 질소 또는 아르곤 같은 가스를 채운 상태에서 진행된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가스누설방지층이 없는 경우, 300초가 지나면 분사실(S)내 압력이 최초의 100% 에서 0% 로 떨어진다. 따라서, 가스누설방지층이 없는 경우, 300초가 지나면 기공을 통해 가스가 모두 누설되는 것을 알 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내열 복합재(10)의 표면에 제1실시예에 따른 가스누설방지층(C_sic)이 형성된 경우, 500초가 지나면 분사실(S)내 압력이 최초의 100% 에서 0% 로 떨어진다. 따라서, 제1실시예에 따른 가스누설방지층(C_sic)이 있으면, 가스누설방지층이 없는 경우보다 200초 정도 더 지나야, 기공(P, 도 2참조)을 통해 가스가 모두 누설되는 것을 알 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내열 복합재(10)의 표면에 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc)이 형성된 경우, 1500초가 지나면 분사실(S)내 압력이 최초의 100% 에서 15% 로 떨어진다. 따라서, 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc)이 있으면, 1500초가 지나도, 기공(P, 도 3참조)을 통해 가스가 모두 누설되지 않는 것을 알 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내열 복합재(10)의 표면에 제3실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc+sic)이 형성된 경우, 1500초가 지나면 분사실(S)내 압력이 최초의 100% 에서 35% 로 떨어진다. 따라서, 제3실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc+sic)이 있으면, 1500초가 지나도, 기공(P, 도 4참조)을 통해 가스가 모두 누설되지 않는 것을 알 수 있다.
누설테스트 결과,
내열 복합재(10)에 제1실시예에 따른 가스누설방지층(C_sic)이 형성된 경우, 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc)이 형성된 경우, 제3실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc+sic)이 형성된 경우 모두 다, 가스 누설방지 역할을 하는 것을 알 수 있다.
특히, 내열 복합재(10)에 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc)이 형성된 경우는, 탄소가 기공(P, 도 3참조)으로 침투하여 기공(P, 도 3참조)을 메울 수도 있다.
그 이유는, 탄소를 만드는 탄화수소가스(예를 들어 메탄)의 분자량이, 탄화규소를 만드는 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS)의 분자량보다 작아, 탄화수소가스가 탄화규소보다 기공으로 용이하게 침투할 수 있기 때문이다. 따라서, 제1실시예에 따른 가스누설방지층(C_sic) 보다, 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc)이, 7배 이상의 가스누설방지성능을 가진다.
한편, 내열 복합재(10)에 제3실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc+sic)이 형성된 경우는, 탄소가 기공(P, 도 4참조)으로 침투하여 기공(P, 도 4참조)을 메우고, 열분해탄소층(C_pyc)과 탄화규소층(C_sic)이 이중으로 가스 누설을 막아줌으로써, 제2실시예에 따른 가스누설방지층(C_pyc) 보다, 더 우수한 가스누설방지성능을 가진다.
또한, 열분해탄소층(C_pyc)이 매트릭스(M)와 탄화규소층(C_sic)사이에 위치하므로, 열분해탄소층(C_pyc)이 중간에서 매트릭스(M)와 탄화규소층(C_sic)의 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 탄화규소층(C_sic)의 균열 발생을 억제할 수 있다.
앞서 설명한 가스 누설 방지용 내열 복합재로 형성되는 가스노즐이나 가스 밸브는 유도탄이나 항공기에 있어서, 추진력을 위해 가스가 배출되는 노즐이나 밸브에 적용될 수 있다. 즉, 유도탄이나 항공기와 같은 고속 이동체에 있어서 가스가 기설정된 방향 이외에 다른 방향으로 누설되면 비행에 있어서 요구되는 추진력을 얻을 수 없으므로, 가스노즐이나 가스 밸브의 가스 누설 방안이 고려된 것이다.
즉, 이동체는 가스를 배출하여 추진력을 얻도록 형성되고, 가스 노즐은 상기 이동체에 장착되고, 제1 방향으로 가스가 분사되도록 개구부가 형성된다. 이러한 가스 노즐은 내부에 압축된 가스가 배출되는 분사실을 구비하고, 상기 분사실을 한정하며 강화 섬들이 직조하여 형성되는 프리폼과, 상기 프리폼의 강화 섬유들 사이에 채워지는 매트릭스 및 상기 가스가 상기 프리폼 및 상기 매트릭스의 외부로 누설되지 않도록 상기 제1 방향을 제외한 프리폼의 외주를 감싸는 제1 가스누설방지층을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 매트릭스는 탄화규소를 포함하여 형성될 수 있다.
이와 같이, 가스 누설 방지용 내열 복합재로 가스 노즐을 형성하면 비행체가 기설정된 추진력을 유지할 수 있다.
상기와 같이 설명된 가스 누설 방지용 내열 복합재는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 내부에 압축된 가스가 배출되는 분사실을 구비하고, 상기 분사실을 한정하며 강화 섬유들을 직조하여 형성되는 프리폼;
    상기 프리폼의 강화 섬유들 사이에 채워지는 매트릭스; 및
    상기 가스가 상기 프리폼 및 상기 매트릭스의 외부로 누설되지 않도록 상기 프리폼의 외주를 감싸는 제1 가스누설방지층을 포함하고,
    상기 매트릭스는 탄화규소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스누설방지층은 탄화규소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스누설방지층은 탄소를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스누설방지층은 상기 프리폼을 감싸며 탄소를 포함하여 형성되는 제1 층과 상기 제1 층을 덮도록 형성되고,
    탄화규소를 포함하여 형성되는 제2 층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리폼의 내주에 상기 가스가 상기 분사실의 외부로 누설되지 않도록 탄소 또는 탄화규소를 포함하여 형성되는 제2 가스누설방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는,
    상기 강화 섬유들 사이의 공간으로 수소와 메틸트리클로로실란(MethylTrichloroSilane, MTS) 또는 모노메틸실란(MonoMethylSilane, MMS)이 혼합된 가스를 950 내지 1200℃의 온도에서 5 내지 100 torr의 압력으로 반응시키는 단계를 포함하는 화학 증기 침투법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 가스누설방지층은,
    탄화 수소 가스를 960 내지 1200℃의 온도에서 5 내지 10 torr의 압력으로 반응시키는 단계를 포함하는 화학 증기 침투법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 누설 방지용 내열 복합재.






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