KR102215074B1 - Carbon material coated by a layer having improved oxidation stability, and a method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 폴리카보실란으로부터 SiOC 네트워크의 균질한 코팅층을 갖는 탄소재는 종래 기술의 문제점을 해결하여 표면 특성이 우수할 뿐만 아니라 산화안정성이 향상된다.According to the present invention, the carbon material having a homogeneous coating layer of SiOC network from polycarbosilane solves the problems of the prior art, so that not only excellent surface properties but also improved oxidation stability.

Description

산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재 및 그 제조 방법{Carbon material coated by a layer having improved oxidation stability, and a method therefor}Carbon material coated by a layer having improved oxidation stability, and a method therefor}

본 발명은 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon material having a coating layer with improved oxidation stability and a method of manufacturing the same.

그라파이트 재료는 비강도가 높고, 열 충격과 부식에 대단히 강하며 높은 열전도율과 전기전도율을 갖춘 소재로 가공이 용이하여 반도체, 태양전지 산업에 열처리 지그(JIG), 발열체, 단열재 등 부품으로 사용량이 증가하는 추세이다.Graphite materials have high specific strength, are very resistant to thermal shock and corrosion, and are easy to process as a material with high thermal and electrical conductivity, so the amount of use is increased as parts such as heat treatment jigs (JIG), heating elements, and insulation materials in the semiconductor and solar cell industries. It is a trend.

그러나, 그라파이트 재료는 발열체, 단열재 등으로 400℃ 이상의 고온에서 반복 사용하는 경우 산화가 진행되어 물리적 특성이 급격히 감소하는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 그라파이트의 산화방지 처리방법이 여러 가지로 검토되고 있다.However, when the graphite material is repeatedly used at a high temperature of 400° C. or higher as a heating element, a heat insulating material, etc., oxidation proceeds and physical properties are rapidly reduced. In order to compensate for these shortcomings, various methods of anti-oxidation treatment of graphite have been studied.

그라파이트의 산화방지를 위한 코팅방법으로는 화학기상증착공정(CVD)을 이용한 실리콘카바이드(SiC), 질화규소(Si3N4), 뮬라이트(Mullite) 등의 코팅 및 플라즈마 용사를 통한 마그네시아(MgO), 알루미나(Al2O3) 및 산화크롬(Cr2O3) 등의 코팅이 활발히 진행되고 있다.As a coating method for preventing the oxidation of graphite, a coating method such as silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), mullite using chemical vapor deposition (CVD), and magnesia (MgO) through plasma spraying, Coatings such as alumina (Al 2 O 3 ) and chromium oxide (Cr 2 O 3 ) are actively in progress.

그러나 상기 플라즈마 용사(Plasma spraying)에 의한 코팅 방법은 재료와의 접착이 불량하여 박리가 일어나기 쉬우므로 코팅층을 두껍게 하지 않으면 안되는 단점이 있다.However, the coating method by plasma spraying has a disadvantage in that the coating layer must be thickened because the adhesion with the material is poor and peeling is likely to occur.

한편, 실리콘카바이드가 피복된 그라파이트 표면은 실리콘과 카바이드로 강한 공유 결합을 하고 있으므로 2000℃ 이상의 온도에서도 물리적 성질이나 화학적 성분상의 변화가 없는 성분으로 기존 그라파이트에 비하여 강도, 경도, 내마모성, 내산화성이 우수하여 주된 코팅재료로 사용되고 있다.On the other hand, since the graphite surface coated with silicon carbide has a strong covalent bond with silicon and carbide, it is a component that does not change in physical or chemical composition even at temperatures above 2000℃ and has superior strength, hardness, abrasion resistance, and oxidation resistance compared to existing graphite. Therefore, it is used as the main coating material.

일반적으로 실리콘카바이드를 그라파이트 표면에 코팅하는 방법으로는 유기 규소 화합물을 이용한 화학증착법 또는 용융 규소나 규소 가스의 침투를 이용한 방법 및 일산화규소(SiO2) 가스에 의한 기체-고체 반응 방법 등이 있다.In general, a method of coating silicon carbide on the surface of graphite includes a chemical vapor deposition method using an organosilicon compound, a method using penetration of molten silicon or silicon gas, and a gas-solid reaction method using a silicon monoxide (SiO 2 ) gas.

화학증착법으로 실리콘카바이드를 코팅하는 경우 메틸트리클로로실란(Methyltrichrolosilane: MTS)이 주로 전구체로 사용되고 있는데, 이 때, 메틸트리클로로실란 전구체에서 염소성분을 제거하기 위하여 수소가스를 함께 흘려보내는 공정으로 인하여 고온에서 수소가스 사용시 화재 발생 등의 위험요소를 가지고 있으며 또한 부산물로 나오는 염산(HCl)가스의 부식성 때문에 장비의 부식 및 최종제품에 염소오염문제 등의 이유로 취급의 어려움이 많이 따른다.When silicon carbide is coated by chemical vapor deposition, methyltrichlorosilane (MTS) is mainly used as a precursor. In this case, high temperature due to the process of flowing hydrogen gas together to remove the chlorine component from the methyltrichlorosilane precursor. When hydrogen gas is used, it has risk factors such as fire occurrence, and due to the corrosiveness of hydrochloric acid (HCl) gas, which is a by-product, it is difficult to handle due to corrosion of equipment and chlorine contamination in the final product.

SiC는 이러한 내산화성 특성을 만족시켜 줄 만한 소재 중의 하나이지만, 비산화물 세라믹으로 용사코팅 등으로 코팅이 불가능하며 함침, 스핀 코팅에 적합한 전구체 물질이 알려지지 않았으므로 그 뛰어난 특성을 알고 있으면서도 지금까지 사용이 제한되어 왔었다. SiC is one of the materials that can satisfy these oxidation-resistance properties, but it is a non-oxide ceramic, which cannot be coated by thermal spray coating, and the precursor material suitable for impregnation and spin coating is unknown. It has been limited.

프리세라믹 폴리머 중 폴리카보실란은 염소를 함유하지 않는 환경 친화형 SiC 전구체로서 이를 불활성 분위기 하에서 600℃ 내지 800℃로 열처리 할 경우 SiC로의 전환이 이루어지고, 또한 상온에서 용재에 녹였을 경우 액상상태로의 존재가 가능하므로 액상을 함침, 스핀방법을 이용하여 그라파이트에 코팅, 열처리하는 경우 내화학성 및 내마모성이 뛰어난 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트 형성이 가능하다.Among the preceramic polymers, polycarbosilane is an environmentally friendly SiC precursor that does not contain chlorine. When it is heat-treated at 600°C to 800°C in an inert atmosphere, it is converted to SiC, and when dissolved in a solvent at room temperature, it becomes a liquid state. Since the presence of is possible, when a liquid phase is impregnated, coated on graphite using a spin method, or heat-treated, graphite coated with silicon carbide having excellent chemical resistance and abrasion resistance can be formed.

한국 등록특허공보 제10-0776252호, 제10-0951633호 및 제10-1331403호는 폴리페닐카보실란 용액을 이용하여 그라파이트 표면에 코팅 후 열처리하여 그라파이트 내산화성을 증진시키는 내용이 기술되어 있다.Korean Patent Publication Nos. 10-0776252, 10-0951633, and 10-1331403 describe the contents of improving the oxidation resistance of graphite by coating the surface of graphite using a polyphenylcarbosilane solution and then heat treatment.

그러나, 폴리페닐카보실란은 유무기 전환과정을 거쳐 세라믹으로 전환되는 과정에서 수율이 60% 정도 이하이므로 1200℃ 이상에서 열처리하는 경우 부피감소에 따른 균열을 피할 수 없게 된다. 코팅층에 균열 및 박리가 있는 경우 내산화성이 장시간 유지되기 어려운 문제점이 있다.However, since polyphenylcarbosilane has a yield of about 60% or less in the process of converting to ceramic through an organic-inorganic conversion process, cracking due to volume reduction is inevitable when heat-treated at 1200°C or higher. When there are cracks and peeling in the coating layer, there is a problem that it is difficult to maintain oxidation resistance for a long time.

한국 특허등록번호 제10-0776252호Korean Patent Registration No. 10-0776252 한국 특허등록번호 제10-0951633호Korean Patent Registration No. 10-0951633 한국 특허등록번호 제10-1331403호Korean Patent Registration No. 10-1331403

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하여 폴리카보실란의 균질한 코팅층을 형성함으로써 표면 특성이 우수할 뿐만 아니라 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a carbon material having a coating layer having improved oxidation stability as well as excellent surface properties by forming a homogeneous coating layer of polycarbosilane by solving the problems of the prior art, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재는 수평균분자량(Mn)이 800 내지 1400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매로부터 형성된 SiOC 네트워크의 균질한 코팅층을 갖는 탄소재이다.The carbon material having a coating layer having improved oxidation stability according to the present invention is a carbon material having a homogeneous coating layer of SiOC network formed from polycarbosilane and an organic solvent having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1400 g/mol.

상기 탄소재가 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인 것이 바람직하다.It is preferable that the carbon material is a graphitized carbon foam, mat or felt.

상기 폴리카보실란은 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리비닐카보실란 및 폴리메틸실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.The polycarbosilane preferably contains at least one selected from the group consisting of polymethylcarbosilane, polymethylphenylcarbosilane, polyvinylcarbosilane, and polymethylsilane.

상기 유기용매가 사이클로헥산, 노말헥산, 톨루엔, 벤젠 또는 테트라하이드로퓨란로부터 선택되는 것이 바람직하다.It is preferable that the organic solvent is selected from cyclohexane, normal hexane, toluene, benzene or tetrahydrofuran.

상기 폴리카보실란 용액은 유기용매 중의 폴리카보실란의 농도가 5 내지 10 중량%인 것이 바람직하다.It is preferable that the polycarbosilane solution has a concentration of 5 to 10% by weight of the polycarbosilane in the organic solvent.

본 발명에 따른 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재의 제조방법은 수평균분자량(Mn)이 800 내지 1400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매로부터 5 내지 10 중량%인 용액을 제조하는 단계;The manufacturing method of a carbon material having a coating layer having improved oxidation stability according to the present invention comprises the steps of preparing a 5 to 10% by weight solution from polycarbosilane and an organic solvent having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1400 g/mol;

상기 폴리카보실란 용액에 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인 탄소재를 도포시키는 단계;Applying a carbon material such as a foam, mat or felt of graphitized carbon to the polycarbosilane solution;

폴리카보실란이 도포된 탄소재가 SiOC 네트워크를 형성하도록 경화시키는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include the step of curing the carbon material coated with the polycarbosilane to form a SiOC network and heat treatment.

상기 경화시키는 단계는 150 내지 250℃에서 1 내지 7시간 동안 처리되는 것이 바람직하다.The curing step is preferably treated at 150 to 250 °C for 1 to 7 hours.

상기 열처리하는 단계는 불활성 기체 분위기 하에, 800 내지 1200℃에서 1~2시간 동안 처리되는 것이 바람직하다.The heat treatment step is preferably carried out for 1 to 2 hours at 800 to 1200 ℃ under an inert gas atmosphere.

본 발명에 따라 폴리카보실란으로부터 SiOC 네트워크의 균질한 코팅층을 갖는 탄소재는 종래 기술의 문제점을 해결하여 표면 특성이 우수할 뿐만 아니라 산화안정성이 향상된다.According to the present invention, the carbon material having a homogeneous coating layer of SiOC network from polycarbosilane solves the problems of the prior art, so that not only excellent surface properties but also improved oxidation stability.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 탄소재의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따라 코팅된 탄소재의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따라 코팅된 탄소재의 두께를 추정하기 위한 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따라 코팅된 탄소재의 산화에 의한 무게감량을 시간별로 확인하여 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 비교예 1에 따라 폴리카보실란의 농도가 20중량% 및 30중량%인 경우의 SEM 사진이다.
도 6은 비교예 1의 표면 박리 상태의 SEM 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 폴리카보실란이 30 중량%인 경우 탄소재 내부 및 표면 상태에 대한 SEM 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 비교예 2에 따라 열처리온도를 1400℃ 및 1800℃로 하였을 때의 SEM 사진이다.
1 is an SEM photograph of a carbon material according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM photograph of a carbon material coated according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM photograph for estimating the thickness of a carbon material coated according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the weight loss due to oxidation of the coated carbon material according to an embodiment of the present invention by time.
5A and 5B are SEM photographs when the concentration of polycarbosilane is 20% by weight and 30% by weight according to Comparative Example 1.
6 is an SEM photograph of a surface peeling state of Comparative Example 1. FIG.
7A and 7B are SEM photographs of the interior and surface conditions of a carbon material when polycarbosilane is 30% by weight.
8A and 8B are SEM photographs when the heat treatment temperatures are 1400°C and 1800°C according to Comparative Example 2.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.In describing the present embodiments, the same names and symbols are used for the same configuration, and therefore, redundant additional descriptions are omitted below. In the drawings referred to below, the accumulation ratio is not applied.

본 발명에 따른 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재는 수평균분자량(Mn)이 800 내지 1400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매로부터 형성된 SiOC 네트워크의 균질한 코팅층을 갖는 탄소재이다.The carbon material having a coating layer having improved oxidation stability according to the present invention is a carbon material having a homogeneous coating layer of SiOC network formed from polycarbosilane and an organic solvent having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1400 g/mol.

상기 폴리카보실란은 수평균분자량이 800 내지 1400 g/mol인 것이 바람직하다. 폴리카보실란의 분자량이 클수록 열처리 후 두꺼운 실리콘카바이드 코팅막을 얻을 수 있으나 분자량이 1400을 초과하면 폴리카보실란이 유기용매에 완전히 용해되지 않는 문제가 있을 뿐만 아니라 용액의 점도가 높아 불균질한 코팅이 형성된다. 반대로 분자량이 800 미만인 경우는 코팅층의 두께가 얇고 열처리 과정에서 잔존하는 무기물의 양을 확보하기 어려우므로 원하는 산화방지효과를 만족하는 코팅층을 얻지 못하게 된다.It is preferable that the polycarbosilane has a number average molecular weight of 800 to 1400 g/mol. The higher the molecular weight of the polycarbosilane, the thicker the silicon carbide coating film can be obtained after heat treatment, but if the molecular weight exceeds 1400, polycarbosilane is not completely dissolved in the organic solvent, and the viscosity of the solution is high, forming a heterogeneous coating. do. Conversely, when the molecular weight is less than 800, the thickness of the coating layer is thin and it is difficult to secure the amount of inorganic matter remaining in the heat treatment process, so that a coating layer that satisfies the desired antioxidant effect cannot be obtained.

상기와 같이 폴리카보실란을 전구체로 사용하여 제조된 실리콘카바이드 코팅층의 두께는 1 ~ 300 nm가 바람직하다. 코팅층의 두께가 1 nm 미만인 경우 너무 얇아서 내산화성을 확보하기 곤란하고, 300 nm을 초과하면 코팅층의 균열을 피할 수 없다.The thickness of the silicon carbide coating layer prepared by using polycarbosilane as a precursor as described above is preferably 1 to 300 nm. When the thickness of the coating layer is less than 1 nm, it is too thin to secure oxidation resistance, and when it exceeds 300 nm, cracks in the coating layer cannot be avoided.

상기 탄소재가 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인 것이 바람직하지만, 당업자에게 자명한 범위내에서, 이에 제한되지 않는다.It is preferable that the carbon material is a graphitized carbon foam, mat, or felt, but is not limited thereto within the range apparent to those skilled in the art.

상기 폴리카보실란은 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리비닐카보실란 및 폴리메틸실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.The polycarbosilane preferably contains at least one selected from the group consisting of polymethylcarbosilane, polymethylphenylcarbosilane, polyvinylcarbosilane, and polymethylsilane.

본 발명에서 폴리페닐카보실란의 용매로 사용되는 유기용매로는 특별히 한정되지는 않으며, 노멀헥산, 싸이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 벤젠 등을 들 수 있다.The organic solvent used as the solvent of the polyphenylcarbosilane in the present invention is not particularly limited, and may include normal hexane, cyclohexane, tetrahydrofuran, and benzene.

상기 폴리카보실란 용액은 유기용매 중의 폴리카보실란의 농도가 5 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 코팅용액의 농도가 5 중량% 미만일 경우 1회에 가능한 코팅막의 두께가 너무 얇으며 10 중량%를 초과하면 코팅용액의 표면장력에 의해 불균질한 코팅이 형성되고, 코팅에 의해 형성된 막이 탄소재의 공극을 메울뿐 아니라, 열처리 후 코팅막의 박리 또는 균열을 피할 수 없다.It is preferable that the polycarbosilane solution has a concentration of 5 to 10% by weight of the polycarbosilane in the organic solvent. When the concentration of the coating solution is less than 5% by weight, the thickness of the coating film available at one time is too thin, and when it exceeds 10% by weight, a heterogeneous coating is formed by the surface tension of the coating solution, and the film formed by the coating is formed by the carbon material. In addition to filling the voids, peeling or cracking of the coating film after heat treatment cannot be avoided.

본 발명에 따른 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재의 제조방법은 수평균분자량(Mn)이 800 내지 1,400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매로부터 5 내지 10 중량%인 용액을 제조하는 단계;The method of manufacturing a carbon material having a coating layer having improved oxidation stability according to the present invention comprises the steps of preparing a 5 to 10% by weight solution from polycarbosilane and an organic solvent having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1,400 g/mol;

상기 폴리카보실란 용액에 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인 탄소재를 도포시키는 단계;Applying a carbon material such as a foam, mat or felt of graphitized carbon to the polycarbosilane solution;

폴리카보실란이 도포된 탄소재가 SiOC 네트워크를 형성하도록 경화시키는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include the step of curing the carbon material coated with the polycarbosilane to form a SiOC network and heat treatment.

일반적으로 탄소재에 폴리카보실란 용액을 도포할 때에는 함침법, 스프레이 코팅법, 스핀코팅법 등 공지된 코팅방법을 이용할 수 있다. 본 발명에서는 함침법이 바람직하다.In general, when applying a polycarbosilane solution to a carbon material, a known coating method such as an impregnation method, a spray coating method, or a spin coating method may be used. In the present invention, an impregnation method is preferred.

폴리카보실란을 탄소재에 도포한 후, 필요에 따라 초음파 처리 또는 진공하에서 탈포과정을 거칠 수 있다.After the polycarbosilane is applied to the carbon material, it may be subjected to an ultrasonic treatment or a degassing process under vacuum, if necessary.

또한, 폴리카보실란이 도포된 탄소재는 후속 경화단계 전에 건조단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 건조는 탄소재에 스며있는 코팅제의 유기용매를 제거하기 위한 것으로, 100℃ 이하에서 12-24시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 15 ~ 80℃에서 수행한다.In addition, the carbon material coated with polycarbosilane may further include a drying step before the subsequent curing step. The drying is to remove the organic solvent of the coating agent impregnated with the carbon material, and may be performed at 100° C. or less for 12 to 24 hours. It is preferably carried out at 15 ~ 80 ℃.

본 발명에서 폴리카보실란을 탄소재에 코팅한 뒤 경화시키는 공정을 거치게 되는데, 이때 경화온도는 150 내지 250℃가 바람직하다. 상기 경화 공정은 공기 분위기에서 1 내지 7시간 동안 처리되는 것이 바람직하다. 이때, 폴리카보실란은 탄소재와의 반응으로 SiOC 네트워크를 형성한다.In the present invention, a polycarbosilane is coated on a carbon material and then cured. In this case, the curing temperature is preferably 150 to 250°C. The curing process is preferably carried out for 1 to 7 hours in an air atmosphere. At this time, the polycarbosilane reacts with the carbon material to form a SiOC network.

상기 열처리하는 단계는 불활성 기체 분위기 하에, 800 내지 1200℃에서 1~2시간 동안 처리되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 경화된 코팅층이 열처리를 통해 비정질상태의 균질한 코팅상태를 유지한다.The heat treatment step is preferably carried out for 1 to 2 hours at 800 to 1200 ℃ under an inert gas atmosphere. In this case, the cured coating layer maintains a homogeneous coating state in an amorphous state through heat treatment.

상기 열처리 온도가 800℃ 미만이면 유·무기전환 반응이 완결되지 않으며 1200℃를 초과하면 코팅층의 분해거동에 의해 섬유상에 변형이 발생하거나 SiC 결정상이 비대하게 발달하는 현상이 발생하여 바람직하지 않다.If the heat treatment temperature is less than 800°C, the organic/inorganic conversion reaction is not completed, and if it exceeds 1200°C, deformation occurs on the fiber due to the decomposition behavior of the coating layer or the SiC crystal phase develops largely, which is not preferable.

상기 열처리는 불활성 기체 또는 진공 분위기에서 수행하며, 상기 불활성 기체는 아르곤, 헬륨, 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.The heat treatment is performed in an inert gas or vacuum atmosphere, and the inert gas may be any one selected from the group consisting of argon, helium, and nitrogen.

<실시예><Example>

가. 용매를 사이클로핵산으로 하고 수평균분자량(Mn)이 1,200 g/mol인 폴리메틸카보실란을 첨가하여 10% 용액을 제조하였다end. A 10% solution was prepared by using a solvent as cyclonucleic acid and adding polymethylcarbosilane having a number average molecular weight (Mn) of 1,200 g/mol.

나. 상기 용액에 그라파이트 펠트(도 1 참조)를 침지하여 폴리카보실란을 도포하였다.I. A graphite felt (see FIG. 1) was immersed in the solution to apply polycarbosilane.

다. 용액에 침지된 그라파이트 펠트를 1 mm/sec 속도로 꺼내어 상온에서 12시간 이상 건조시켰다.All. The graphite felt immersed in the solution was taken out at a rate of 1 mm/sec and dried at room temperature for 12 hours or longer.

라. 상기 그라파이트 펠트를 200℃로 맞춰진 오븐내에서 5시간 경화시켰다.la. The graphite felt was cured for 5 hours in an oven set at 200°C.

마. 이어서 경화된 그라파이트 펠트를 질소 또는 아르곤 분위기 하에서 1000℃에서 1시간 동안 열처리하였다.hemp. Subsequently, the cured graphite felt was heat-treated at 1000° C. for 1 hour under a nitrogen or argon atmosphere.

상기 실시예에 따라 제조된 코팅된 그라파이트 펠트는 도 2에 도시된 바와 같이 균질한 코팅층을 가졌다.The coated graphite felt prepared according to the above example had a homogeneous coating layer as shown in FIG. 2.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 코팅층의 두께는 300 nm 미만이었다.In addition, as shown in Figure 3, the thickness of the coating layer was less than 300 nm.

<코팅층 산화시험><Coating layer oxidation test>

상기 실시예에 따라 제조된 코팅된 그라파이트 펠트를 400℃로 대기 중에 노출시켰으며, 산화에 따른 무게 감량을 시간별로 측정하여 도 4에 제시하였다. The coated graphite felt prepared according to the above example was exposed to the atmosphere at 400° C., and the weight loss due to oxidation was measured by time and presented in FIG. 4.

코팅이 없는 그라파이트 펠트(bare)는 산화시험과 동시에 무게 감량이 발생하며, 100시간 경과 후 약 10%의 무게 감량을 보이고 있다. 그러나, 10% 폴리카보실란을 이용하여 균질한 박막을 형성한 경우에는 100시간 노출에도 1% 무게감량을 나타내었다.The graphite felt (bare) without coating has a weight loss at the same time as the oxidation test, and shows a weight loss of about 10% after 100 hours. However, when a homogeneous thin film was formed using 10% polycarbosilane, it showed a 1% weight loss even after exposure for 100 hours.

<비교예 1><Comparative Example 1>

폴리카보실란 코팅액의 농도를 20 중량% 및 30 중량%로 변경한 것을 제외 본 발명의 실시예와 동일하게 실험하였다. The experiment was performed in the same manner as in Examples of the present invention except that the concentration of the polycarbosilane coating solution was changed to 20% by weight and 30% by weight.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 코팅 용액의 농도가 높을수록 고점도 코팅용액의 표면장력에 의해 불균질한 코팅이 형성되고, 코팅에 의해 형성된 막이 섬유간의 공극을 메우고 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 코팅층의 균열 및 박리 현상이 두드러지게 관찰되었다.5A and 5B, as the concentration of the coating solution increases, a heterogeneous coating is formed by the surface tension of the high viscosity coating solution, and the film formed by the coating fills the voids between fibers, which is not preferable. In addition, as shown in Figure 6, cracking and peeling of the coating layer was observed prominently.

한편, 폴리카보실란의 농도가 30 중량%인 경우에, 도 7a 및 도 7b에서 보이는 바와 같이, 그라파이트 펠트의 내부 및 표면에 불균질 코팅과 함께 폴리카보실란이 펠트의 공극을 메우고 있는 것이 관찰되었다.On the other hand, when the concentration of the polycarbosilane is 30% by weight, as shown in Figs. 7A and 7B, it was observed that the polycarbosilane fills the voids of the felt with a heterogeneous coating on the inside and the surface of the graphite felt. .

<비교예 2><Comparative Example 2>

열처리 온도를 1400℃ 및 1800℃로 변경한 것을 제외 본 발명의 실시예와 동일하게 실험하였다.Experiments were performed in the same manner as in the examples of the present invention except that the heat treatment temperature was changed to 1400°C and 1800°C.

도 8a 및 도 8b에서 관찰되는 바와 같이, 1400℃ 열처리 조건에서는 코팅층의 분해거동에 의해 섬유상에 변형이 발생하며, 1800℃ 열처리 조건에서는 SiC 결정상이 비대하게 발달하는 현상을 발생하여 바람직하지 않은 결과였다.As observed in FIGS. 8A and 8B, deformation occurs in the fiber phase due to the decomposition behavior of the coating layer under 1400°C heat treatment conditions, and the phenomenon that the SiC crystal phase develops largely under the 1800°C heat treatment condition was an undesirable result. .

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and variations are possible without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be obvious to those of ordinary skill in the field.

Claims (10)

수평균분자량(Mn)이 800 내지 1,400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매를 포함하는 폴리카보실란의 농도가 5 내지 10 중량%인 용액으로부터 형성된 1~300 nm 두께의 SiOC 네트워크의 균질한 코팅층을 갖는 탄소재로서, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재.Homogeneous coating layer of SiOC network with a thickness of 1 to 300 nm formed from a solution having a polycarbosilane having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1,400 g/mol and a polycarbosilane concentration of 5 to 10% by weight containing an organic solvent A carbon material having a coating layer having improved oxidation stability. 제 1 항에 있어서, 탄소재가 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재.The carbon material according to claim 1, wherein the carbon material is a graphitized carbon foam, mat, or felt. 제 1 항에 있어서, 폴리카보실란은 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리비닐카보실란 및 폴리메틸실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재.The carbon material according to claim 1, wherein the polycarbosilane comprises at least one selected from the group consisting of polymethylcarbosilane, polymethylphenylcarbosilane, polyvinylcarbosilane, and polymethylsilane. 제 1 항에 있어서, 유기용매가 사이클로헥산, 노말헥산, 톨루엔, 벤젠 또는 테트라하이드로퓨란로부터 선택되는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재.The carbon material according to claim 1, wherein the organic solvent is selected from cyclohexane, normal hexane, toluene, benzene or tetrahydrofuran. 삭제delete 수평균분자량(Mn)이 800 내지 1,400 g/mol인 폴리카보실란 및 유기용매로부터 5 내지 10 중량%인 용액을 제조하는 단계;
상기 폴리카보실란 용액에 흑연화탄소의 폼, 매트 또는 펠트인 탄소재를 도포시키는 단계;
폴리카보실란이 도포된 탄소재가 SiOC 네트워크를 형성하도록 경화시키는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는, 1~300 nm 두께의 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재의 제조방법.
Preparing a solution having a number average molecular weight (Mn) of 5 to 10% by weight from a polycarbosilane having a number average molecular weight (Mn) of 800 to 1,400 g/mol and an organic solvent;
Applying a carbon material such as foam, mat or felt of graphitized carbon to the polycarbosilane solution;
A method of manufacturing a carbon material having a coating layer having improved oxidation stability of 1 to 300 nm in thickness, comprising curing and heat treating the carbon material coated with polycarbosilane to form a SiOC network.
제 6 항에 있어서, 경화시키는 단계가 150 내지 250℃에서 1 내지 7시간 동안 처리되는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재의 제조방법.The method of claim 6, wherein the curing is performed at 150 to 250° C. for 1 to 7 hours. The method of manufacturing a carbon material having a coating layer having improved oxidation stability. 제 6 항에 있어서, 열처리하는 단계가 불활성 기체 분위기 하에, 800 내지 1200℃에서 1~2시간 동안 처리되는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재의 제조방법.The method of claim 6, wherein the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at 800 to 1200° C. for 1 to 2 hours, with improved oxidation stability. 제 6 항에 있어서, 폴리카보실란은 폴리메틸카보실란, 폴리메틸페닐카보실란, 폴리비닐카보실란 및 폴리메틸실란으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종을 포함하는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재 의 제조방법.The method of claim 6, wherein the polycarbosilane comprises at least one selected from the group consisting of polymethylcarbosilane, polymethylphenylcarbosilane, polyvinylcarbosilane, and polymethylsilane. Manufacturing method. 제 6 항에 있어서, 유기용매가 사이클로헥산, 노말헥산, 톨루엔, 벤젠 또는 테트라하이드로퓨란로부터 선택되는, 산화안정성이 향상된 코팅층을 가진 탄소재 의 제조방법.
The method according to claim 6, wherein the organic solvent is selected from cyclohexane, normal hexane, toluene, benzene or tetrahydrofuran.
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KR101110351B1 (en) * 2008-10-14 2012-03-14 한국세라믹기술원 Structures of the graphite foam
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