KR101338256B1

KR101338256B1 - 내열 브레이징에 의한 탄소 부분의 조립 방법

Info

Publication number: KR101338256B1
Application number: KR1020117007355A
Authority: KR
Inventors: 쟝-폴 가란데트; 데니스 카멜; 베아트리체 드레베트; 니콜라스 에우스타토포우로스; 라나 이스라엘
Original assignee: 엥스띠뛰나쇼날뽈리떼끄니끄드그르노블; 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2013-12-06
Also published as: WO2010026341A3; RU2011112045A; CN102143926B; WO2010026341A2; ES2730075T3; JP5654993B2; FR2935622A1; EP2326606B1; BRPI0919146A2; EP2326606A2; KR20110066925A; RU2480434C2; JP2012501851A; CN102143926A; FR2935622B1; US20110229711A1; US8956481B2

Abstract

본 발명은 실리콘 카바이드계 브레이즈를 이용하여 탄소 부분들을 조립하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 방법을 이용하여 조립된 부분들에 관한 것이다.

Description

내열 브레이징에 의한 탄소 부분의 조립 방법 {METHOD OF ASSEMBLING CARBON PARTS BY REFRACTORY BRAZING}

본 발명은 내열 브레이징에 의해 탄소 부분들을 실리콘 카바이드계 브레이즈와 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 그러한 방법으로 얻은 복합 부분들은 초소형 전자공학 및 태양 광전지 분야에서 특히 유용하다.

탄소 물질은 많은 산업 분야에서 널리 사용된다. 그러나, 복합 형태의 부분들을 제조하는 것은 일반적으로 쉽지 않다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여, 단순한 구조를 갖는 기본 요소들을 제조한 다음 접합하여 원하는 복합 구조를 형성하는 것이 종종 바람직하다. 현재, 그러한 조립체를 제조하는데 일반적으로 사용되는 기술로 브레이징이 있다.

흑연 브레이징은 종종 흑연과 다양한 금속들[1, 2]의 접합 및 그 자체[3]를 조사한 많은 연구들에 이미 기술되어 있다. 그러나, 오늘날 실행가능한 브레이즈는 모두 금속 원소들을 포함하므로, 초소형 전자공학과 태양 광전지와 같이 매우 순수한 실리콘의 사용을 요구하는 환경에서는 허용가능하지 않다.

본 발명의 목적은 이러한 순도 요건을 만족하는 신규 브레이징 기술을 제안하는 것이다.

특히, 본 발명은 형성된 브레이즈의 순도 면에서 특히 유리한, 탄소 부분들을 브레이징하기 위한 기술을 제안한다.

특히, 본 발명은 브레이징 물질로 실리콘을 사용함으로써 탄소 부분들을 브레이징하기 위한 기술을 제안한다.

본 발명은 특히, 탄소와 실리콘 이외의 다른 원소를 요구하지 않으므로 초소형 전자공학과 태양 광전지 분야에서 사용하기 위한 부분들의 형성에 특히 적합한 접합 방법을 제안한다.

본 발명은 특히, 액체 실리콘이 탄소 물질과 접촉할 때 계면[4]에서의 반응에 의해 실리콘 카바이드층이 형성되는 사실을 활용한다. 이러한 반응은 일반적으로 10 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 층이 형성될 때까지 계속될 수 있으며, 그러한 층의 성장은 탄소가 그 층의 두께로 확산되는 것으로 한정된다. 탄소 매트릭스로 실리콘의 침투 두께는 주로 매트릭스의 기공성 및 두 물질의 접촉 온도에 따른 것으로 알려져 있다. 압출 흑연과 같은 물질에서는 센티미터 규모의 두께가 종종 도달되는 반면, 미세립 흑연의 두께는 1 밀리미터 미만이다. 유리 탄소는 의미있는 침투가 관찰되지 않으며 실리콘 카바이드층만이 계면에 형성된다.

본 발명의 다른 목적은 접합되어야 하는 탄소 부분들로 액체 실리콘의 침투에 대해 정확한 제어를 제공하는 브레이징 기술을 제안하는 것이다.

더욱 상세하게, 본 발명은 10 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는 적어도 2개의 탄소 부분들을 접합하기 위한 유용한 방법에 관한 것으로, 적어도

a) 접합되어야 하는 탄소 부분들, 및 탄소 부분들 사이에 삽입되는, 특히 실리콘 스트립 형태의 실리콘 요소를 배치하는 단계, 및

b) 압력의 작용하에서 접착 조립체를 유지하고 비활성 분위기에서 1410 ℃ 이상의 온도에서 가열하여 실리콘을 용융하고 탄소 부분들의 계면에 적어도 하나의 실리콘 카바이드 브릿지를 포함한 접합부를 형성하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에서, b)단계 후 얻은 조립체는 연속 단계인 c)단계를 통해, b)단계에서 고려된 온도보다 더 높은 온도에 노출되어 용융 실리콘을 모두 소비하고 탄소 부분들의 계면 전체 표면에 실리콘 카바이드 접합부를 형성할 수 있다.

이에 따라, 본 신규한 발명은 제1 실시예에서 처음 2개의 단계만 실행을 포함하고, 제2 실시예에서는 적어도 a), b), c) 3 단계의 실행을 포함한다.

따라서, 브레이징을 위해 고려된 통상적인 조건(특히, 열주기 및/또는 응력거동에 대한 규정)에 따라, 본 발명은 분리된 SiC 브릿지들에 의해 조립체의 기계적 강도가 얻어지는 제1 실시예, 또는 연장된 고온 어닐링으로 실리콘이 SiC로 완전히 전환되는 제2 실시예 중의 하나로 유리하게 변형될 수 있다.

유리하게, b)단계 후 얻은 접합부는 계면의 표면에 불연속적으로 분포될 수 있는 다수 개의 실리콘 카바이드 브릿지들을 포함한다.

유리하게, c)단계 후 얻은 실리콘 카바이드 접합부는 연속적이다.

제1 실시예에 따라, 본 신규한 발명에 의해 2개의 탄소 부분들 사이에 제조된 브레이즈는 SiC 접합점이라고도 불리는 실리콘 카바이드 브릿지를 적어도 하나 포함한 복합 영역으로 형성된다.

본 발명과 관련하여, 복합 영역은 적어도 2개의 상들(phases)인 흑연과 실리콘 카바이드로 형성되고, 가능하면 (미반응) 실리콘을 포함한 구조를 의미한다.

본 발명과 관련하여, SiC 접합점은 접합되어야 하는 2개의 부분들 사이의 물리적 경로(path)를 의미한다. 유리하게, 그러한 접합점은 예를 들면, 적어도 1 ㎛의 직경과 30 ㎛의 길이를 가질 수 있다. 이러한 접합점은 도 2에 도시된다.

대안적으로, 실리콘은 초기에 모두 소비되지 않는다. 일반적으로, 초과 실리콘이 본질적으로 브레이즈의 양단에 위치되고, 필요하면 공지된 기술에 의해 그로부터 제거될 수 있다.

본 신규한 방법에서 c)단계의 의무적인 실행을 수반하는 제2 실시예에 따라, 브레이즈는 2개의 부분들의 계면에 계면 전체 길이에 형성된 실리콘 카바이드 접합부를 포함한 복합 영역으로 형성된다. 이러한 제2 실시예에서, 브레이즈는 유리하게 5% 미만의 잔류 고체 실리콘을 포함하며, 더욱 상세하게는, 잔류 고체 실리콘을 포함하지 않는다. 접합되어야 하는 탄소 부분들이 개방-셀 기공성을 갖는 경우, 브레이즈에 있는 SiC 접합부는 복합 영역들에 의해 측면으로 경계를 이룬다. 용융 실리콘은 흑연의 기공들에 미반응 실리콘을 남기지 않으면서 접합부와 복합 영역 모두에서 SiC로 완전히 전환된다.

유리하게, 브레이징 물질로 실리콘을 사용함으로써, 탄소 부분들을 한편으로는 순도 면에서 만족스러운, 그에 따라 가장 가혹한 환경에 적합한 복합 형태로 제조할 수 있다.

전술한 제2 실시예에 따라 형성된 브레이즈는 실리콘이 완전히 없으므로 실리콘 용융점보다 더 높은 온도, 심지어 2000 ℃까지의 온도에서 사용하기에 적합한 것을 증명한다.

실리콘 요소

본 방법은 출발 물질로 접합되어야 하는 탄소 부분들 뿐만 아니라 적어도 하나의 실리콘 요소를 사용한다.

상기한 바와 같이, 실리콘 요소는 실리콘 용융점 이상의 온도까지 가열시 용융 실리콘으로 전환된다. 용융 실리콘은 인접한 탄소 표면들과 상호반응함으로써 하나 또는 그 이상의 SiC 브릿지들을 접합되어야 하는 2개의 부분들 사이에 형성하거나 계면의 전체 길이에 SiC 접합부를 형성하고, 또한 탄소 물질이 다공성인 경우, 2개의 부분들의 계면에 복합 영역을 형성한다.

본 발명의 제1 대안적인 실시예에서는 c)단계를 포함하지 않는다. 즉, 용융 실리콘이 모두 소비되지는 않는다. 제2 대안적인 실시예에서는 완전히 소비된다.

유리하게, 이러한 실리콘 요소는 접합되어야 하는 2개의 탄소 부분들의 표면적에 따른 크기, 특히 표면적을 갖는다.

유리하게, 실리콘 요소는 실리콘 플레이트 또는 스트립이다. 그 두께는 50 ㎛ 내지 800 ㎛, 특히 300 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다.

실리콘 요소로 표시되는 실리콘의 양은 원하는 브레이즈 타입, 접합되어야 하는 탄소 부분들의 타입, 특히 기공성 정도, 및 b)단계를 실행하기 위해 선택된 온도, 또는 c)단계가 고려될 경우, c)단계를 실행하기 위해 선택된 온도에 따라 조절되어야 한다.

사실, 접합되어야 하는 2개의 탄소 부분들의 기공도에 따라, b)단계에 고려된 반응으로 용융 실리콘이 탄소 부분들의 계면의 양측에 깊숙히 침투하여 유리 탄소처럼 개방-셀 기공성이 결여된 탄소 부분들로 수득된 것보다 더 두꺼운 복합 영역을 형성할 수 있다.

당업자는 일반적인 지식을 통해, 원하는 브레이즈 타입에 대한 실리콘 양을 조절할 수 있다.

예를 들면, b)단계의 용융 상태에서 0.2 bar 내지 3 bar의 압력하에, 용융 실리콘은 0% 내지 40%의 개방-셀 기공도와 1 ㎛ 내지 5 ㎛의 입도분포를 갖는 접합되어야 하는 2개의 부분들의 계면에 10 ㎛ 내지 40 ㎛, 특히 20 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께를 갖는 액체 접합부를 형성할 수 있도록, 실리콘 스트립의 두께를 300 ㎛ 내지 500 ㎛로 조절할 수 있다.

탄소 부분들

특히, 본 발명과 관련하여, 탄소 물질계 층은 실질적으로 탄소 원소로 형성된 물질로 표시된다.

더욱 정확하게, 본 발명과 관련하여, 탄소 물질은 총중량을 기준으로 95 중량% 초과, 특히 99 중량%를 초과하는 탄소 원소 함량을 갖는 물질이다.

탄소 물질은 특히, 흑연이다.

본 신규한 방법은 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 유리하게는 1 ㎛ 내지 5 ㎛의 입자크기를 갖는 탄소 물질에 대해 특히 유리하다.

또한, 본 방법은 유리 탄소와 같은 물질에 대해 실행가능하다. 이러한 경우, 복합 영역의 두께는 실질적으로 0이고, 모든 공정은 2개의 부분들 사이 계면에서만 실시된다.

탄소 물질의 기공도는 0 부피%(유리 탄소의 경우) 내지 40 부피%일 수 있다.

이러한 기공도는 수은 기공도 측정법에 의해 기술될 수 있다.

접합되어야 하는 표면이 평탄도(planeity) 및/또는 조도(roughness) 결함을 가질 경우, 이러한 결함은 접합부의 원하는 두께보다 작아야 한다. 그렇지 않을 경우, 표면은 연마되어야 한다.

전술한 바와 같이, 선택된 흑연 등급에 따라, 용융 실리콘의 기공(0 내지 1 mm의 투과도) 침투 속도에 따라 가변하는 크기의 접합부, 및 선택적으로 복합 영역을 형성하는 것이 가능할 수 있다.

본 방법은 넓은 크기 범위를 갖는 부분들의 브레이징에 적용가능하며, 일반적으로 부분들의 자릿수는 1 밀리미터 내지 1 미터이다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 본 방법에 의해 접합된 부분들에 관한 것이다.

이하 예증을 위해 제공되는 비제한적인 설명과 함께 첨부한 도면을 참조하면, 본 발명의 다른 특징 및 장점들이 더욱 분명해질 것이며, 도면에서는 명료성을 위해 눈에 보이는 구조의 다양한 물질층들을 일정한 비율로 도시하지 않았으며 특정 부분의 수치는 과장될 수 있음을 주지하여야 한다.
도 1은 그 사이에 실리카 스트립이 삽입된 접합되어야 하는 2개의 부분들의 간략도이다.
도 2는 b)단계의 가열 조건에 노출되었던 도 1의 조립체의 간략도이다.
도 3은 c)단계의 조건에 노출되었던 도 2의 조립체의 간략도이다.

b)단계

b)단계시, 브레이징되어야 하는 탄소 부분들 및 실리콘 부분은 제어된 비활성 가스 분위기 하에 1410 ℃(실리콘의 용융점) 내지 1600 ℃, 유리하게는 1450 ℃ 내지 1550 ℃의 온도에서 가열될 수 있다.

이러한 열처리는 10분 내지 1시간, 유리하게는 20분 내지 40분 동안 실행될 수 있다.

이러한 온도 및 가열 시간의 규정은 연속 단계인 c)단계의 실행 여부에 따라 최적화될 수 있다.

따라서, 본 신규한 방법이 c)단계 없이 실행되는 경우, 10분 동안, 또는 심지어 20분 내지 40분 동안, 1450 ℃ 내지 1550 ℃의 온도로 유리하게 조절될 수 있다.

한편, 본 신규한 방법이 c)단계를 반드시 포함하는 경우, b)단계에서 실행되는 열처리의 온도는, 10분 내지 1시간, 또는 심지어 10분 내지 40분 동안, 1410 ℃ 내지 1500 ℃, 특히 1430 ℃ 내지 1500 ℃일 수 있다.

적용되어야 하는 압력은 접합되어야 하는 2개의 부분들 사이에 위치된 용융 실리콘의 액체 흐름의 두께가 형성되어야 하는 실리콘 카바이드 접합부의 원하는 두께와 동일하도록 유리하게 조절된다.

또한, 이러한 압력으로 계면의 양단에서 접합체의 외부에 액체 Si 돌출부가 형성된다(도 2 참조).

b)단계시,

- 접합되어야 하는 부분들의 조도가 부분들 사이의 최소 거리를 의미하는 위치에서의 반응에 의한 실리콘 카바이드 브릿지들의 형성 공정, 및

- 부분(들)이 다공성 흑연 구조를 갖는 경우, 계면에 있는 기공들이 실리콘카바이드의 반응 및 형성에 의해 차단되어 침투 영역의 공급이 중지될 때까지의 용융 실리콘의 침투 공정을 포함하는 다수의 공정이 병행된다. 이러한 침투 공정의 종반에 최대 투과 깊이가 도달되고(도 2 참조), 미반응 실리콘이 기공에 남아 있는데, 이 영역이 복합 영역이다.

결론적으로, b)단계 후, 국소적인 SiC 브릿지들이 계면에 형성되고, 2개의 부분들의 탄소 매트릭스에 최대 투과 깊이가 도달되며, 압력의 작용 하에서 계면의 양단에서 부분들의 측벽들에 액체 돌출부들이 형성된다.

초과 액체 부피를 조절하고 실리콘이 흑연 부분들의 외부를 습윤시키는 것을 방지하기 위하여, 종래에 브레이징 공정에서 실시되었듯이 접합부의 양측에 확장 하우징이 배치될 수 있다.

c)단계

b)단계 후 실행될 수 있는 이 c)단계는 SiC 브릿지들의 수 증가 및/또는 존재하는 브릿지들의 두께 증가에 의하여 계면에 접합부를 형성시키는 제2 어닐링 수준과 유사하다.

이러한 제2 수준은 1500 ℃ 내지 1750 ℃, 유리하게는 1600 ℃ 내지 1700 ℃의 온도에서 얻을 수 있다.

그리고, 측면 돌출부에 있는 실리콘은 모세관 현상에 의해 미반응 영역들로 이동된다. 동시에, 침투 영역의 복합 구조의 숙성이 관찰된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 접합부가 형성되고 모든 실리콘이 소비될 때, 이 c)단계는 완료된다.

제2 수준의 어닐링 시간은 3 내지 8시간, 바람직하게는 3 내지 6시간일 수 있다.

b)단계 후, 적용가능한 경우, 확장 하우징에서 재생되는, 탄소 부분들의 측벽들에 돌출부를 형성하는 실리콘이 접합부에서 여전히 미반응인 영역으로 완전히 돌아올 수 있도록 실리콘을 이동시키기 위하여 브레이징되어야 하는 탄소 부분들의 표면 채널들을 에칭할 수 있다.

이러한 채널들 자체는 Si + C → SiC 반응에 의해 채워지므로, 유리하게 채널들의 직경은 접합부의 두께 보다 조금 더 클 수 있다. 가공된 물질의 경우, 표면 조도는 실리콘을 이동시키기에 충분할 수 있다.

이하, 본 발명은 명백히 설명을 위해 제공되는 아래의 비제한적인 실시예에 의해 기술될 것이다.

출발 물질

접합되어야 하는 부분들은 15 부피%의 기공도, 5 ㎛의 입자 크기를 갖는 Carbone Lorraine 2020 흑연 부분들이다.

실리콘 플레이트는 500 ㎛ 두께에 10×10 cm²이다.

실시예 1:

그 사이에 실리콘 스트립이 삽입된 2개의 탄소 부분들을 2.5 bar의 압력으로 접착시킨다. 조립체를 비활성 가스 분위기(아르곤 U)에서 1500 ℃까지 30분 동안 가열한다. 가열을 중지한 후, 조립체를 900 ℃까지 5 ℃/min의 감온 속도로 주변 온도까지 냉각한 다음 자연 냉각한다.

이로써 얻은 브레이즈는 실리콘 카바이드 브릿지들을 포함한 복합 영역으로 형성된다.

실시예 2:

그 사이에 실리콘 스트립이 삽입되는 2개의 탄소 부분들을 2.5 bar의 압력으로 접착시킨다. 조립체를 비활성 가스 분위기(아르곤 U)에서 1460 ℃까지 10분 동안 가열한 다음, 1600 ℃의 온도까지 5시간 동안 가열한다. 그리고, 가열을 중지한 다음, 조립체를 900 ℃까지 5 ℃/min의 감온 속도로 주변 온도까지 냉각한 다음 자연 냉각한다.

실시예 1에서 얻은 브레이즈와 달리, 이 브레이즈는 실리콘이 없다. 침투 영역의 깊이는 400 내지 600 마이크론(microns)이고, 형성된 SiC 접합부의 두께는 10 내지 20 마이크론이다.

인용문헌

[1] L. Yinquan, Z. Zhengde, D. Chaoquan and S. Yusheng, Materials Characterization 44 (2000) 425

[2] US 6,877,651,

[3] US 3,946,932,

[4] A. Favre, H. Fuzellier and J. Suptil, Ceramics International 29 (2003) 235

Claims

10 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는 적어도 2개의 탄소 부분들을 접합하기 위한 유용한 방법에 있어서,
a) 접합되어야 하는 탄소 부분들, 및 상기 부분들 사이에 삽입되는 실리콘 요소를 배치하는 단계;
b) 압력의 작용하에서 조립체의 접합을 유지하고 비활성 분위기에서 1410℃ 내지 1500℃의 온도에서 가열하여 실리콘을 용융하고 상기 부분들의 계면에 적어도 하나의 실리콘 카바이드 브릿지(bridge)를 포함한 접합부를 형성하는 단계; 및
c) 상기 b)단계 후 얻은 조립체를 상기 b)단계의 온도보다 더 높은 1500℃ 내지 1750℃의 온도에 노출시켜 상기 용융 실리콘을 모두 소비하고 상기 탄소 부분들의 계면의 전체 표면에 실리콘 카바이드 접합부를 형성하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 a)단계에서 상기 실리콘 요소는 실리콘 스트립 형태인 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 c)단계 후 얻은 브레이즈는 잔류 고체 실리콘이 완전히 없는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 탄소 부분들은 0 부피% 내지 40 부피%의 개방-셀 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 탄소 물질은 1 ㎛ 내지 5 ㎛의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 2개의 접합된 부분들의 계면에 형성된 상기 접합부는 10 ㎛ 내지 40 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 2개의 접합된 부분들의 계면에 형성된 상기 접합부는 20 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

삭제

제1항에 있어서,
상기 b)단계는 비활성 분위기에서 10분 내지 1시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 b)단계는 비활성 분위기에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

삭제

제1항에 있어서,
상기 b)단계는 1430℃ 내지 1500℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 b)단계는 10분 내지 1시간 동안 실행되는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 c)단계는 1600℃ 내지 1700℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

제1항에 있어서,
상기 c)단계는 3시간 내지 8시간 동안 실행되는 것을 특징으로 하는 탄소 부분의 접합 방법.

삭제