KR101942906B1 - 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불융화된 PCS섬유를 세라믹분말과 함께 틀(몰드)에 장입과 동시에 균일하게 혼합하여 하는 단계; 및 불융화된 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 불활성분위기에서 1000~1350℃로 열처리하는 단계를 포함하는 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 마이크로웨이브를 흡수하여 주울열로 변환시켜 매우 빠른 승온속도와 높은 발열온도 그리고 청정한 발열체로 사용될 수 있는 SiC섬유와 비열이 높아서 상대적으로 열을 오래 가지고 있는 축열성능 및 복사율이 좋아서 먼 거리의 피가열체를 효과적으로 가열할 수 있는 세라믹분말이 융합되어 효과적인 승온, 축열, 파이프 내의 유체(물)를 효과적으로 가열할 수 있는 새로운 개념의 열교환기용 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합재를 쉽고 경제적으로 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 초고온에서 고강도(high strength)값을 보이는 SiC섬유와 양호한 축열기능과 우수한 복사기능을 갖는 세라믹을 융복합하여 발열체를 제조하는 것으로, 더욱 상세하게는 SiC섬유와 세라믹분말을 규칙적으로 균일하게 배열하여 융합하여 융복합재를 제조하고 제조된 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합재가 갖는 1)마이크로웨이브 흡수 및 발열특성, 2)축열하여 온도가 오래 유지되는 특성, 3)복사율이 좋아서 상대적으로 먼거리의 피가열체를 가열할 수 있는 신개념의 청정하고 고효율의 열교환기용 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조방법에 관한 것이다.
SiC섬유는 불활성분위기 1300~2000도에서 제조되는 섬유로서, 초고온 기계적물성이 뛰어나기 때문에 최근 우주항공기 엔진, 원자력발전소 내부 구조재, 화력발전소 터빈블레이드, 스포츠카 브레이크패드/디스크, 유도 무기 내장 부품, 그리고 반도체 치공구 등 여러 분야에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다.
SiC섬유가 갖는 또하나의 차별화된 특성은 마이크로웨이브를 흡수하고 흡수된 마이크로웨이브 에너지가 주울(joule)열로 변환되어 발열된다는 특성이다. SiC소재는 기존에 전기저항방식으로 주울(joule)열 발열체로 많이 사용되어 왔다. 또한 마이크로웨이브를 조사하여 발열체로 사용되어 왔으나 전체 부피가 크고 무게가 커서 피가열체를 가열하기 위한 온도로 상승하는데 시간이 많이 소모되고 정확히 원하는 온도로 승온시키가 상대적으로 어려웠다. 반면, SiC섬유는 직경이 10~15μm로 매우 작아서 부피가 극히 적고 무게가 매우 작아서 외부에서 조사되는 마이크로웨이브를 흡수하여 주울(joule)열로 변환되어 피가열체를 가열하기 위한 SiC섬유 표면의 승온속도가 무척 빠르다. 이에 따라, 마이크로웨이브에 대한 열변환 응답속도가 매우 빨라서 정확한 온도조절이 가능하다는 장점이 있다. 매우 얇은 SiC섬유는 급속승온과 동시에 급속냉각이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 열교환기 등으로 응용하기 위해서는 파이프 내부에 흐르는 유체(물)를 가열하여야 하고 오랜시간 열을 축적(축열)할 수 있어야 비로서 상업적인 가치가 있다. 이에 본발명에서는 복사율이 좋아서 파이프 내부에 흐르는 유체(물)을 효과적으로 가열할 수 있고 상대적으로 높은 비열을 가지고 있어서 오랜시간 열을 축열할 수 있는 세라믹분말을 SiC섬유와 균일하게 융복합하여 새로운 개념의 융복합 발열체를 제시하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고분자 PCS 섬유를 불융화시킨 후 불융화된 PCS섬유 다발을 세라믹분말과 균일하게 혼합하여 융복합하고 이후 원형, 선형, 판상 등 발열체형상 몰드(틀)에 넣고 열처리함으로서 1회 공정으로 용이하게 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체를 제공하며 이를 활용하여 파이프 내부의 유체(물)를 효율적으로 가열하고 온도를 오래 유지할 수 있는 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체 및 이를 이용한 열교환기 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 아이오딘가스로 PCS섬유를 불융화 및 도핑하는 단계; 및 불융화 및 도핑된 PCS로 제조된 PCS섬유와 세라믹분말을 균일하게 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 방법에 따라 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 혼합한 혼합체를 발열체 형상의 틀(몰드)에 넣고 불활성 분위기하에서 1000~1350℃로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 방법에 따라 제조시 틀(몰드)에 나노도핑 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 원하는 정도의 기공성 및 밀도를 갖추기 위해 틀(몰드)에 담긴 불융화된 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 일정한 하중으로 눌러주어 두께나 치밀도 등을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 제조된 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체는 기존의 SiC 소재(블럭) 발열체보다 100배 이상 빠른 승온속도와 1500℃ 가까운 승온을 보이며 매우 효율적인 발열거동을 보이고, 마이크로웨이브 흡수후 주울(joule)열로 변환됨에 따른 CO2가스 발생이 없어 매우 청정하다.
그리고 융합된 세라믹분말의 비열에 의한 축열특성으로 상대적으로 오랜시간 열을 유지할 수 있으며, 세라믹분말이 가지고 있는 우수한 복사특성으로 인해 파이프 내부의 유체(물)를 효과적으로 가열할 수 있는 새로운 개념의 발열체를 제시할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 출발원료 PCS섬유를 불융화 후 세라믹분말과 혼합하여 발열체 형상의 틀(몰드)에 장입한 후 일정한 하중으로 눌러주면서 열처리하는 방식으로 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체를 제조하는 것으로 매우 간단하고 편리한 공정으로 열교환기용 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체를 제조할 수 있게 해주고 동시에 열처리시 사용하는 틀(몰드)의 형상을 다양하게 적용하여 요구되는 발열체 형상에 보다 빠르게 대응할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조공정도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합 발열체 모식도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노도핑 SiC 섬유/세라믹분말 융복합발열체 제조방법은 아이오딘가스로 PCS섬유를 불융화 및 도핑하는 단계; 및 불융화 및 도핑된 PCS로 제조된 PCS섬유와 세라믹분말을 균일하게 혼합하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 나노도핑 SiC섬유/세라믹분말 융복합발열체 제조방법은 상기 방법에 따라 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 혼합한 혼합체를 발열체 형상의 틀(몰드)에 넣고 불활성 분위기하에서 1000~1350℃로 열처리하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 나노도핑 SiC 섬유/세라믹분말 융복합발열체 제조방법은 상기 방법에 따라 제조시 틀(몰드)에 나노도핑 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 원하는 정도의 기공성 및 밀도를 갖추기 위해 틀(몰드)에 담긴 불융화된 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 일정한 하중으로 눌러주어 두께나 치밀도 등을 조절하는 단계를 포함한다.
상기와 같이 기술한 본 발명에 따른 나노도핑 SiC 섬유/세라믹분말 융복합 발열체 제조방법에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면, 먼저 고분자인 PCS(분자량 Mw=3000~4000)을 통상의 방법으로 용융방사하여 PCS섬유를 제조한다. 제조된 PCS섬유는 질소분위기에서 200~300℃부근으로 열을 가하기 위해 일정한 가열실(heating chamber)에 장입한다. 이때 고체상태의 아이오딘을 일정량 같이 넣고 질소분위기에서 200~300℃부근으로 가열한다. 온도가 200~300℃ 부근으로 가열되면 아이오딘은 가스화되어 PCS섬유 내로 반응하여 들어가고 PCS 섬유의 불융화를 유도하고 결국, 열처리후에 도핑하여 남게 된다.
상기의 공정후 불융화된 PCS섬유를 일정한 형상의 틀(몰드)에 넣고 불활성분위기에서 1000~1350℃에서 열처리하여 열분해과정을 거치면서 고분자 PCS섬유에서 SiC섬유로 전환하도록 하는데 이때 일정한 형상의 틀(몰드)에 PCS섬유를 장입할 때 세라믹분말을 동시에 균일하게 혼합하도록 장입하여 불융화 PCS섬유와 세라믹분말 혼합체를 형성하도록 한다.
상기 틀(몰드)은 다양한 원통형 등 열교환기에 적합한 발열체 형상을 갖도록 틀(몰드)을 다양하게 사용할 수 있으며, 상기 불융화된 PCS섬유와 세라믹분말을 틀(몰드)에 장입 및 혼합하는 단계에서 불융화된 PCS섬유와 세라믹분말의 무게비는 90:10에서 10:90까지 다양하게 조절 할 수 있다. 또한, 상기 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 틀(몰드)에 장입 및 혼합하는 단계에서 사용되는 세라믹분말의 종류는 원적외선 방사 효과가 우수한 감람석, 황토, 맥반석 등 다양한 세라믹분말을 사용할 수 있다.
이후, 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체를 원하는 미세조직, 치밀한 정도, 무게, 형상, 두께 등으로 제조하기 위해 틀(몰드)에 장입된 불융화 PCS섬유와 세라믹 혼합체에 대하여 몰드의 상측에서 하측으로의 하중을 조절하면서 열처리하여 원하는 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체 형상을 얻게 한다. 예를 들면, 상측이 개방된 몰드의 내부 공간에 불융화 PCS 섬유와 세라믹 혼합체를 장입한 후, 몰드의 개방된 상측에 상부틀을 올려놓은 후, 상측에서 하측으로의 상부틀에 인가되는 압축 하중을 인가하거나 조절하여 불융화 PCS 섬유와 세라믹 혼합체에 도달하는 압축 강도를 조절한다.
상기에서 기술한 바와 같이 제조된 나노도핑 SiC섬유/세라믹 융복합 발열체는 열교환기를 제조하기 적합한 형상 즉, 다양한 원통형 형태 등으로 제조하여 급속한 승온, 청정한 열교환, 우수한 복사가열, 상대적으로 오랜 축열 기능을 갖춘 열교환기에 최적화된 나노도핑 SiC섬유/세라믹융복합 발열체를 제조할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (7)
- 아이오딘가스로 PCS섬유를 불융화 및 도핑하는 단계; 및
불융화 및 도핑된 PCS 섬유와 세라믹분말을 균일하게 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 혼합 단계에서, 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 열교환기용 발열체 형상의 틀(몰드)에 장입하여 혼합하면서 혼합체에 대하여 압축 하중을 인가하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 혼합 단계는 상기 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 혼합한 혼합체를 발열체 형상의 틀(몰드)에 넣고 불활성 분위기하에서 1000~1350℃로 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법 - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 세라믹분말의 종류는 감람석, 황토, 맥반석 중 적어도 하나의 세라믹분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
불융화된 PCS섬유와 세라믹분말의 무게비는 90:10에서 10:90까지 범위에서 조절하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제조방법은 상기 불융화된 PCS 섬유와 세라믹분말을 혼합한 혼합체에 대하여 압축 하중을 인가하면서, 불활성 분위기 하에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 틀(몰드)은 적어도 하나의 원통형 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노도핑 SiC섬유 및 세라믹분말 융복합 발열체 제조방법.
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