KR102606184B1 - Reaction bonded silicon carbide and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응소결 탄화규소(RBSC), 반응소결 탄화규소 복합체 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 종래의 제조방법에 따라 제조한 반응소결 탄화규소에 비하여 구조가 치밀하고 균열의 발생이 적으며, 고온에서의 기계적 물성이 우수한 반응소결 탄화규소 및 이를 포함하는 복합체와 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to reaction sintered silicon carbide (RBSC), reaction sintered silicon carbide composites, and their manufacturing methods. Compared to reaction sintered silicon carbide manufactured according to a conventional manufacturing method, the structure is dense and cracks are less likely to occur, It relates to reaction-sintered silicon carbide with excellent mechanical properties at high temperatures, composites containing the same, and methods for manufacturing them.

Description

반응소결 탄화규소 및 그 제조방법{Reaction bonded silicon carbide and method of preparing the same}Reaction bonded silicon carbide and method of preparing the same}

본 발명은 반응소결 탄화규소(RBSC), 반응소결 탄화규소 복합체 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 종래의 제조방법에 따라 제조한 반응소결 탄화규소에 비하여 구조가 치밀하고 균열의 발생이 적으며, 고온에서의 기계적 물성이 우수한 반응소결 탄화규소 및 이를 포함하는 복합체와 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to reaction sintered silicon carbide (RBSC), reaction sintered silicon carbide composites, and their manufacturing methods. Compared to reaction sintered silicon carbide manufactured according to a conventional manufacturing method, the structure is dense and cracks are less likely to occur, It relates to reaction-sintered silicon carbide with excellent mechanical properties at high temperatures, composites containing the same, and methods for manufacturing them.

반응소결 탄화규소(Reaction-Bonded Silicon Carbides, RBSC)는 일반적으로 탄화규소와 반응하지 못한 잔류 규소의 혼합물로 구성된다. 탄소와 규소를 고온에서 반응시켜 탄화규소를 형성시키는 방법으로, 이 과정에서 반응하지 못한 잉여 규소가 다량 발생하며, 낮은 융점의 규소가 포함된 반응소결 탄화규소의 고온 강도는 급격하게 저하된다. 조대(粗大)한 탄소 분말과 규소 분말을 고온에서 반응시켜 반응소결 탄화규소를 제조할 경우에는, 조대한 탄소 분말의 내부에 미반응 탄소가 그대로 남아 강도 및 산화 저항성이 저하된다. 반면 미세한 탄소 분말과 규소 분말을 고온에서 반응시킬 경우에는 탄소의 밀도가 너무 낮아, 미반응 규소가 다량으로 잔류하는 문제점이 발생하여, 고온 강도가 크게 저하되는 문제점이 있다. 따라서 탄소 분말과 규소 분말을 출발 물질로 사용할 경우, 탄화규소 분말을 함께 혼합하여 반응소결 탄화규소를 제조하여, 잉여 규소의 양을 줄이는 방법이 일반적으로 사용돼 왔다. 그러나 상기 기술을 통해 제조된 반응소결 탄화규소는 여전히 많은 양의 잉여 규소를 포함하고 있으며, 섬유강화 복합소재 등 복잡한 구조에는 탄소 및 규소 분말을 함침하기 어렵기 때문에 활용이 제한적이었다.Reaction-Bonded Silicon Carbides (RBSC) generally consists of a mixture of silicon carbide and unreacted residual silicon. This is a method of forming silicon carbide by reacting carbon and silicon at high temperature. During this process, a large amount of unreacted excess silicon is generated, and the high-temperature strength of reaction-sintered silicon carbide containing silicon with a low melting point is rapidly reduced. When reaction sintering silicon carbide is produced by reacting coarse carbon powder and silicon powder at high temperature, unreacted carbon remains inside the coarse carbon powder, reducing strength and oxidation resistance. On the other hand, when fine carbon powder and silicon powder are reacted at high temperature, the density of carbon is too low, and a large amount of unreacted silicon remains, resulting in a significant decrease in high-temperature strength. Therefore, when carbon powder and silicon powder are used as starting materials, a method of reducing the amount of excess silicon by mixing silicon carbide powder together to produce reaction sintered silicon carbide has been generally used. However, reaction-sintered silicon carbide manufactured through the above technology still contains a large amount of excess silicon, and its use has been limited because it is difficult to impregnate complex structures such as fiber-reinforced composite materials with carbon and silicon powder.

이러한 문제점들을 극복하고자 출발물질을 탄소 분말이 아닌, 페놀, 푸루프릴 레진 등 다양한 고분자 원료를 이용하여 다공성 탄소를 제조하여 반응소결 탄화규소를 제조하였다. 그 방법으로서,To overcome these problems, reaction-sintered silicon carbide was manufactured by producing porous carbon using various polymer raw materials such as phenol and furupryl resin, rather than carbon powder, as the starting material. As a method,

1. 다공성 탄소를 만든 후 반응소결 탄화규소를 제조하는 대표적인 공정은 페놀 레진(phenolic resin)또는 피치(pitch)를 고온에서 열분해하여 다공성 탄소 프리폼을 만든 후 규소를 용융 함침하는 공정1. Reaction sintering after making porous carbon A typical process for manufacturing silicon carbide is the process of pyrolyzing phenolic resin or pitch at high temperature to create a porous carbon preform and then melting and impregnating silicon.

2. 탄소 원료인 푸루프릴(furfuryl) 레진과 분산제, 기공 형성 물질을 혼합하여, 고온 열분해하여 다공성 탄소 나노 입자를 만든 후 규소를 용융 함침하는 공정2. A process of mixing furfuryl resin, a carbon raw material, with a dispersant and a pore-forming material, pyrolyzing them at high temperature to create porous carbon nanoparticles, and then melting and impregnating them with silicon.

3. 솔-젤(sol-gel) 방법을 통해 다공성 탄소를 만들어 반응소결탄화규소를 제조하는 공정3. Process of producing reaction sintered silicon carbide by creating porous carbon through the sol-gel method

등이 제안되었다.etc. have been proposed.

그러나, 피치의 열분해 공정은 기공의 표면을 막아 용융 규소의 침투가 용이하지 않다. 페놀 레진 열분해 공정은 탄소와 규소가 완전히 반응하지 못하여, 다량의 미반응 규소와 탄소 덩어리인 코크스(cokes) 조각들이 남게 되는 문제가 있다. 푸루프릴 레진을 열분해하여 다공성 탄소를 만드는 경우에는 적절한 탄소의 밀도와 입자의 크기를 조절하여, 잉여 규소 및 탄소의 함량을 크게 줄일 수 있다.However, the thermal decomposition process of pitch blocks the surface of the pores, making it difficult for molten silicon to penetrate. The phenol resin thermal decomposition process has a problem in that carbon and silicon do not completely react, leaving behind large amounts of unreacted silicon and coke pieces, which are lumps of carbon. When making porous carbon by pyrolyzing furupryl resin, the content of excess silicon and carbon can be greatly reduced by adjusting the appropriate carbon density and particle size.

그러나 상기의 열분해 공정은 탄소를 만드는 공정 중 수축율이 매우 높아, 섬유강화 복합소재, 모재 위에 코팅할 경우 섬유 및 기판은 수축하지 않으나, 열분해 탄소는 형성과정에서 30~50% 정도의 수축하여, 탄소 프리폼(preform)의 균열 형성을 유발한다. 이러한 균열 부위에는 탄소가 없이 규소만 존재하게 된다. 따라서 상기의 방법으로 제조된 반응소결 탄화규소의 경우 다량의 규소 또는 탄소가 과량 포함되어, 강도, 고온 특성 등이 저하된다.However, the above pyrolysis process has a very high shrinkage rate during the process of making carbon, so when coated on a fiber-reinforced composite material or base material, the fiber and substrate do not shrink, but the pyrolysis carbon shrinks by about 30 to 50% during the formation process, resulting in carbon It causes crack formation in the preform. In these crack areas, only silicon exists without carbon. Therefore, in the case of reaction-sintered silicon carbide manufactured by the above method, a large amount of silicon or carbon is excessively contained, and strength and high temperature characteristics are deteriorated.

Z. Luo et. al., Influence of Phenolic Resin Impregnation on the Properties of Reaction-Bonded Silicon Carbide, International Journal of Applied Ceramic Technology, 10(3) (2013) 519-526. Z. Luo et. al., Influence of Phenolic Resin Impregnation on the Properties of Reaction-Bonded Silicon Carbide, International Journal of Applied Ceramic Technology, 10(3) (2013) 519-526.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 미반응 잔류 규소 또는 탄소의 함량이 적고, 구조가 치밀한 반응소결 탄화규소를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the above-mentioned problems, and the object to be solved by the present invention is to provide a method for producing reaction-sintered silicon carbide with a small content of unreacted residual silicon or carbon and a dense structure.

다른 과제는 이에 의하여 제조된 것으로서 고온에서의 기계적 물성이 우수한 반응소결 탄화규소를 제공하는 것이다.Another task is to provide reaction-sintered silicon carbide manufactured thereby, which has excellent mechanical properties at high temperatures.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 1) 아세틸렌(C2H2) 기체를 포함하는 혼합 기체를 기판 상에 화학기상증착(CVD)하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체를 형성하는 단계; 및In order to solve the above-described problem, the present invention includes the steps of 1) forming a porous carbon nanoparticle structure by chemical vapor deposition (CVD) of a mixed gas containing acetylene (C 2 H 2 ) gas on a substrate; and

2) 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소(Si)를 침투 및 반응시키는 단계;를 포함하되,2) infiltrating and reacting molten silicon (Si) into the porous carbon nanoparticle structure;

상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소(RBSC)의 제조 방법을 제공한다.The porous carbon nanoparticle structure provides a method of manufacturing reaction sintered silicon carbide (RBSC), characterized in that the volume of closed pores disconnected from the outside is 1% or less compared to the total volume.

본 발명은 또한, 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 기공 내에 침투한 규소(Si)를 포함하되, 상기 규소의 잔류함량은 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소를 제공한다.The present invention also provides reaction-sintered silicon carbide, which contains silicon (Si) that has penetrated into the pores of the porous carbon nanoparticle structure, and the residual content of the silicon is 10% by weight or less.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 반응소결 탄화규소 또는 그 복합체는 다공성 탄소 나노입자 구조체 내로 용융 규소가 내부까지 치밀하게 침투가 가능하고, 탄소 나노입자의 크기가 미세하여 소결 후의 미반응 잔류 탄소 및 규소의 양이 현저하게 적어 고온에서의 기계적 물성이 우수하고 산화에 대한 저항성이 개선된다.The reaction-sintered silicon carbide or its composite produced according to the manufacturing method of the present invention allows molten silicon to penetrate densely into the porous carbon nanoparticle structure, and the carbon nanoparticles have a fine size, so that unreacted residual carbon and Because the amount of silicon is significantly small, mechanical properties at high temperatures are excellent and resistance to oxidation is improved.

또한, 구조가 치밀한 반응소결 탄화규소를 제조할 수 있어 수축 시 균열의 발생 등이 적어 기계적 물성이 더욱 향상되는 장점이 있다.In addition, reaction sintering silicon carbide with a dense structure can be manufactured, which has the advantage of further improving mechanical properties by reducing the occurrence of cracks during shrinkage.

도 1은 레진 열분해 공정을 통한 종래의 제조방법에 따라 제조한 탄화규소의 미세구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 화학기상증착법을 통하여 제조한 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 미세구조를 촬영한 사진이다.
도 3은 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 미세구조를 촬영한 사진이다.
도 4는 종래의 공정에 의하여 제조한 다공성 탄소 프리폼의 미세구조를 촬영한 사진이다.
도 5는 종래의 공정에 의하여 제조한 다공성 탄소 프리폼의 미세구조를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 제조방법에서, 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하였을 때 생성된 탄소 나노입자 구조체의 기공 크기의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 제조방법에서, 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하였을 때 생성된 탄소 나노입자 구조체의 결정입도(grain size)를 나타낸 점 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 제조방법에서, 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하였을 때 생성된 탄소 나노입자 구조체의 기공률(porosity)을 나타낸 점 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 제조방법에서, 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하여 제조된 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소를 침투 및 반응시켜 제조된 반응소결 탄화규소의 미세 구조를 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 제조방법에서, 화학기상증착 시 온도 조건을 달리 하여 제조된 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소를 침투 및 반응시켜 제조된 반응소결 탄화규소의 미세 구조의 EDS 원소 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 반응소결 탄화규소의 미세 구조를 이미지 분석을 통해 평가한 화학기상 증착 온도 조건에 따른 잔류 실리콘을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예의 제조방법 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절 패턴이며, 잔류 규소의 상과 탄화규소의 상이 나타내는 회절 피크를 표시한 것이다.
도 13은 본 발명의 다른 일실시예의 제조방법에 따라서 제조된 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절 패턴이며, 잔류 규소의 상과 탄화규소의 상이 나타내는 회절 피크를 표시한 것이다.
도 14는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 반응소결 탄화규소 내 잔류 규소의 함량을 화학기상증착 시의 온도 조건에 따라서 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 비커스 경도(Vicker's hardness)를 화학기상증착 온도 조건에 따라서 나타낸 도면이다.
도 16은 종래 기술에 따라 제조된 다공성 탄소지지체의 미세구조를 촬영한 사진이다.
Figure 1 is a diagram showing the microstructure of silicon carbide manufactured according to a conventional manufacturing method through a resin pyrolysis process.
Figure 2 is a photograph of the microstructure of a porous carbon nanoparticle structure manufactured through chemical vapor deposition.
Figure 3 is a photograph of the microstructure of a porous carbon nanoparticle structure under different temperature conditions during chemical vapor deposition.
Figure 4 is a photograph of the microstructure of a porous carbon preform manufactured by a conventional process.
Figure 5 is a photograph of the microstructure of a porous carbon preform manufactured by a conventional process.
Figure 6 is a graph showing the distribution of pore sizes of the carbon nanoparticle structure produced when the temperature conditions during chemical vapor deposition are changed in the manufacturing method according to the present invention.
Figure 7 is a dot graph showing the grain size of the carbon nanoparticle structure produced when temperature conditions were changed during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
Figure 8 is a dot graph showing the porosity of the carbon nanoparticle structure produced when temperature conditions were changed during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
Figure 9 is a photograph of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide manufactured by infiltrating and reacting molten silicon into a carbon nanoparticle structure manufactured under different temperature conditions during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
Figure 10 shows the results of EDS elemental analysis of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide manufactured by infiltrating and reacting molten silicon into a carbon nanoparticle structure manufactured under different temperature conditions during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention. It's a photo.
Figure 11 is a diagram showing residual silicon according to chemical vapor deposition temperature conditions evaluated through image analysis of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide manufactured by the manufacturing method according to the present invention.
Figure 12 is an
Figure 13 is an
Figure 14 is a diagram showing the content of residual silicon in reaction-sintered silicon carbide manufactured according to the manufacturing method of the present invention according to temperature conditions during chemical vapor deposition.
Figure 15 is a diagram showing the Vickers hardness of reaction-sintered silicon carbide manufactured according to the manufacturing method of the present invention according to chemical vapor deposition temperature conditions.
Figure 16 is a photograph of the microstructure of a porous carbon support manufactured according to the prior art.

본 발명의 상세한 설명에 앞서서, 본 명세서에서 사용된 용어의 의미를 정의한다.Prior to a detailed description of the present invention, the meaning of terms used in this specification is defined.

본 명세서에서, "폐기공"이란, 고상의 물체 내에 존재하는 기공으로서, 기체상이 외부로 연결되어 있지 않은 기공을 의미한다.In this specification, “closed pores” refer to pores existing in a solid object and in which the gas phase is not connected to the outside.

본 명세서에서, "다공성의 탄소 나노입자 구조체"는 탄소 나노입자의 집합으로 형성된 구조체로서, 그 구조체가 복수의 기공을 갖고 있어 다공성인 것임을 의미한다.In this specification, “porous carbon nanoparticle structure” means a structure formed from a collection of carbon nanoparticles, and the structure has a plurality of pores and is therefore porous.

본 명세서에 있어서, "아세틸렌 분해억제기체"란, 화학기상증착의 전구체인 아세틸렌의 분해 반응을 억제하기 위하여 투입되는 기체를 의미한다.As used herein, “acetylene decomposition inhibitor gas” refers to a gas introduced to suppress the decomposition reaction of acetylene, a precursor for chemical vapor deposition.

본 명세서에서, "몰수 기준 과량"이라는 것은 반응하는 두 물질 간에 한 물질이 당량을 초과한다는 것을 의미한다. 즉, 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소를 침투시키는 경우, 규소가 과량이라는 것은 규소의 몰수가 탄소의 몰수보다 크다는 것을 의미한다.As used herein, “excess by mole” means that there is an excess of equivalent weight of one substance between the two reacting substances. That is, when molten silicon is infiltrated into the carbon nanoparticle structure, an excess amount of silicon means that the number of moles of silicon is greater than the number of moles of carbon.

이하, 본 발명의 구성 및 효과에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail.

상술한 바와 같이, 종래 기술에 따라 반응소결 탄화규소를 제조하는 경우, 탄소 프리폼(preform)의 입자가 지나치게 커 용융규소가 탄소 내부까지 반응하지 못하여 미반응 탄소가 많이 남거나, 기공이 작아 용융규소가 탄소 프리폼 내에 충분히 침투하지 못하여 탄소와 반응하지 못한 잔류 규소가 많이 남거나, 소결 후 수축 과정에서 탄화규소 구조에 균열이 발생하는 등 균질한 탄화규소 소재를 제조하는 데 어려움이 있었다.As described above, when reaction-sintered silicon carbide is manufactured according to the prior art, the particles of the carbon preform are too large and the molten silicon cannot react to the inside of the carbon, resulting in a lot of unreacted carbon remaining, or the pores are small and the molten silicon is There were difficulties in manufacturing a homogeneous silicon carbide material, such as not sufficiently penetrating into the carbon preform, leaving a lot of residual silicon that did not react with carbon, or cracks occurring in the silicon carbide structure during the shrinkage process after sintering.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 1) 아세틸렌(C2H2) 기체를 포함하는 혼합 기체를 기판 상에 화학기상증착(CVD)하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체를 형성하는 단계; 및In order to solve this problem, the present invention includes the following steps: 1) forming a porous carbon nanoparticle structure by chemical vapor deposition (CVD) of a mixed gas containing acetylene (C 2 H 2 ) gas on a substrate; and

2) 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소(Si)를 침투 및 반응시키는 단계;를 포함하되,2) infiltrating and reacting molten silicon (Si) into the porous carbon nanoparticle structure;

상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소(RBSC)의 제조 방법을 제공하여, 이러한 문제점을 해결하였다.The porous carbon nanoparticle structure solves this problem by providing a method for manufacturing reaction sintered silicon carbide (RBSC), which is characterized in that the volume of closed pores disconnected from the outside is less than 1% compared to the total volume.

화학기상증착 공정을 사용함으로써, 종래의 수지 함침 및 열분해 공정으로 이루어진 투스텝(two-step) 공정을 단일 공정으로 줄여 생산 효율을 향상시킬 수 있으며, 화학기상증착은 기체 공정이기 때문에 더욱 다양하고 복잡한 구조나 형상에도 적용이 용이한 장점이 있다.By using the chemical vapor deposition process, production efficiency can be improved by reducing the conventional two-step process consisting of resin impregnation and thermal decomposition process into a single process. Since chemical vapor deposition is a gas process, it has a more diverse and complex structure. It has the advantage of being easy to apply to shapes.

탄소 나노입자의 전구체로 아세틸렌 기체를 사용하여 화학기상증착을 수행하는 경우 제조된 탄소 프리폼의 입자 크기를 나노 단위로 미세하게 조절할 수 있어 탄소 나노입자의 구조체로 형성할 수 있고, 상기 탄소 나노입자 구조체는 내부에 미세한 기공을 다수 갖는 다공성 구조를 지녀, 용융 규소와 반응시키는 경우 용융 규소가 내부까지 깊숙히 침투할 수 있고, 탄소 나노입자의 미세한 입자 크기로 인하여 잔류 탄소 및 규소의 함량을 현저히 감소시킬 수 있었다.When chemical vapor deposition is performed using acetylene gas as a precursor for carbon nanoparticles, the particle size of the manufactured carbon preform can be finely controlled in nanoscale, so that it can be formed into a structure of carbon nanoparticles, and the carbon nanoparticle structure can be formed. It has a porous structure with many fine pores on the inside, so when reacted with molten silicon, the molten silicon can penetrate deep into the interior, and the content of residual carbon and silicon can be significantly reduced due to the fine particle size of carbon nanoparticles. there was.

또한, 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 외부와 단절되어 있는 폐기공의 부피가 전체 구조체의 부피 대비하여 0.1% 이하로 매우 작음으로써 반응 이후에 균열이 거의 발생하지 않고, 제조된 반응소결 탄화규소는 매우 치밀한 구조를 가질 수 있었다.In addition, in the porous carbon nanoparticle structure, the volume of closed pores cut off from the outside is very small, less than 0.1% of the volume of the entire structure, so cracks rarely occur after reaction, and the produced reaction-sintered silicon carbide It was able to have a very dense structure.

이와 같은 방법에 의하여 제조된 반응소결 탄화규소는 잔류 규소가 거의 없는 균질하고 치밀한 구조의 탄화규소로서 고온에서의 물성이 뚜렷이 개선되는 장점이 있다.The reaction-sintered silicon carbide produced by this method is a silicon carbide with a homogeneous and dense structure with almost no residual silicon, and has the advantage of markedly improved physical properties at high temperatures.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 탄소 나노입자는 100㎚~5㎛의 결정입도(grain size)를 갖는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the carbon nanoparticles may have a grain size of 100 nm to 5 μm.

이와 같이 탄소 나노입자의 결정입도는 화학기상증착의 조건을 조절함으로써 제어할 수 있으며, 이는 화학기상증착 공정의 장점이다. 결정입도가 100 nm 미만인 경우, 입자가 지나치게 미세해짐으로써 내부 기공이 크게 작아져 용융 규소가 탄소 나노입자 구조체의 내부까지 침투하지 못하는 문제점이 있다. 그 결과로 내부 폐기공의 함량이 증가하고, 미반응 잔류 규소의 함량이 증가하게 된다. 따라서 제조된 반응소결 탄화규소의 고온에서의 기계적 물성이 약화되고, 균열이 발생하는 등의 문제가 있을 수 있다. 반대로, 결정입도가 5㎛를 초과하는 경우, 탄소 입자의 크기가 지나치게 커지므로 각 입자의 내부에 반응하지 못하는 잔류 탄소가 발생하게 되고, 잔류 탄소의 함량이 증가하는 경우, 강도가 약화되는 문제점이 있다. 바람직하게는 상기 탄소 나노입자의 결정입도는 100㎚~500㎚일 수 있다.In this way, the crystal grain size of carbon nanoparticles can be controlled by adjusting the conditions of chemical vapor deposition, which is an advantage of the chemical vapor deposition process. When the crystal grain size is less than 100 nm, there is a problem in that the particles become too fine and the internal pores are greatly reduced, preventing molten silicon from penetrating into the interior of the carbon nanoparticle structure. As a result, the content of internal waste pores increases and the content of unreacted residual silicon increases. Therefore, there may be problems such as weakened mechanical properties of the produced reaction-sintered silicon carbide at high temperatures and the occurrence of cracks. Conversely, when the crystal grain size exceeds 5㎛, the size of the carbon particles becomes too large, so residual carbon that cannot react is generated inside each particle, and when the content of residual carbon increases, the strength is weakened. there is. Preferably, the crystal grain size of the carbon nanoparticles may be 100 nm to 500 nm.

또한, 폐기공은 전체 다공성 탄소 나노입자 구조체의 부피 대비 0.1% 이하임이 바람직하며, 폐기공의 크기가 커질수록 제조된 반응소결 탄화규소는 강도가 약해지고 균열을 발생시킬 수 있어 잔류 규소의 양을 증가시키게 될 수 있다.In addition, it is desirable that the amount of closed pores is 0.1% or less compared to the volume of the entire porous carbon nanoparticle structure. As the size of closed pores increases, the strength of the reaction sintered silicon carbide produced weakens and cracks may occur, increasing the amount of residual silicon. It can be done.

상기 1) 단계에서의 화학기상증착 공정에서는 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 탄소 전구체로 아세틸렌 기체를 포함하는 혼합 기체를 사용한다.In the chemical vapor deposition process in step 1), a mixed gas containing acetylene gas is used as a carbon precursor for the porous carbon nanoparticle structure.

상기 혼합 기체에는 아세틸렌 기체 외에도 프로필렌, 메탄, 수소 기체 등을 더 포함할 수 있다. The mixed gas may further include propylene, methane, hydrogen gas, etc. in addition to acetylene gas.

또한, 상기 혼합기체에는 아세틸렌 기체 외에도 아세틸렌 기체의 분해 반응을 억제하여 분해 반응 속도를 조절하고 이에 따라서 형성되는 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 입자 크기와 구조체의 기공률을 조절하기 위하여, 아세틸렌 분해억제기체를 더 포함하고 있을 수 있다.In addition, the mixed gas includes, in addition to acetylene gas, an acetylene decomposition-inhibiting gas to control the decomposition reaction rate by suppressing the decomposition reaction of acetylene gas and to control the particle size and porosity of the porous carbon nanoparticle structure formed accordingly. It may contain more.

상기 아세틸렌 분해억제기체는 수소 기체(H2)를 포함할 수 있고, 이외에도 하기 분자식 1로 표시되는 탄화수소 기체 중에서 선택된 하나 이상의 기체를 더 포함할 수 있다.The acetylene decomposition-inhibiting gas may include hydrogen gas (H 2 ), and may further include one or more gases selected from hydrocarbon gases represented by the molecular formula 1 below.

[분자식 1][Molecular Formula 1]

CxHy C x H y

상기 분자식 1에서, x≤y이고, x≤5이다.In the molecular formula 1, x≤y and x≤5.

예컨대 상기 분자식 1로 표시되는 탄화수소 기체로서 CH4, C3H6 등이 있으며, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.For example, hydrocarbon gases represented by the molecular formula 1 include CH 4 , C 3 H 6 , etc., but are not necessarily limited thereto.

바람직하게는, 상기 화학기상증착 공정은 10~760torr의 압력 조건과 900~1,600℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 압력이 10torr 미만인 경우에는 화학기상증착이 너무 느리게 수행되어 증착 효율이 떨어지고 기체의 흐름에 따른 탄소의 증착 불균일이 크게 발생하는 문제가 있다. 또한, 반대로 압력이 760 torr 초과로 지나치게 높은 경우에는 탄소의 밀도가 과도하게 낮아지게 되는 현상이 발생한다.Preferably, the chemical vapor deposition process may be performed under pressure conditions of 10 to 760 torr and temperature conditions of 900 to 1,600°C. When the pressure is less than 10 torr, chemical vapor deposition is performed too slowly, which causes a problem in that deposition efficiency decreases and carbon deposition unevenness due to the flow of gas occurs significantly. Also, on the contrary, if the pressure is too high, exceeding 760 torr, a phenomenon occurs in which the density of carbon becomes excessively low.

또한, 온도 조건이 900℃ 미만인 경우, 탄소 구조체가 지나치게 치밀하게 형성되는 문제가 있을 수 있으며, 온도 조건이 1,600℃을 초과하는 경우, 탄소 나노입자 구조체의 기공 크기 및 기공률이 커지고 탄소 나노입자의 입자 크기가 작아져서 용융 규소를 침투시켰을 때, 침투가 충분히 이루어지지 못하여 반응하지 못하고 남은 잔류 규소의 양이 증가하게 될 수 있다.In addition, if the temperature condition is less than 900℃, there may be a problem of the carbon structure being formed too densely, and if the temperature condition exceeds 1,600℃, the pore size and porosity of the carbon nanoparticle structure increase and the particles of the carbon nanoparticle When the size is reduced and molten silicon penetrates, penetration may not occur sufficiently and the amount of remaining silicon may increase as it fails to react.

바람직하게는, 상기 1) 단계에서의 화학기상증착은 900~1,150 ℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다.Preferably, chemical vapor deposition in step 1) may be performed at a temperature range of 900 to 1,150 °C.

상기 2) 단계는 제조된 다공성의 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소를 침투 및 반응시키는 단계이다. 이 과정에서 용융된 규소가 탄소와 반응하게 되며, 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 입자 사이 기공으로 용융된 규소가 침투하며, 나노입자의 크기가 충분히 작아 내부에 미반응한 탄소가 거의 잔류하지 않으며, 규소 또한 충분히 침투할 수 있으므로 미반응 규소가 전체 중량비의 5% 이하로 거의 발견되지 않고 치밀한 구조를 형성하며, 전체적으로 균일한 반응소결 탄화규소를 제조할 수 있다.Step 2) is a step of infiltrating and reacting molten silicon into the prepared porous carbon nanoparticle structure. In this process, the molten silicon reacts with carbon, and the molten silicon penetrates into the pores between the particles of the porous carbon nanoparticle structure. The size of the nanoparticles is sufficiently small that almost no unreacted carbon remains inside. Since silicon can also penetrate sufficiently, unreacted silicon is rarely found at less than 5% of the total weight ratio, forming a dense structure, and producing uniform reaction-sintered silicon carbide as a whole.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 2) 단계에서 침투시키는 용융 규소는 다공성의 탄소 나노입자 구조체에 대하여 몰수 기준 과량일 수 있다. 바람직하게는 용융 규소는 형성된 탄소 나노입자 구조체의 몰수 대비 2배 이상의 과량으로 투입할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the molten silicon infiltrated in step 2) may be in excess on a molar basis with respect to the porous carbon nanoparticle structure. Preferably, molten silicon can be added in an excess amount of 2 times or more compared to the number of moles of the formed carbon nanoparticle structure.

또한, 용융 규소의 침투 및 반응 단계는 불활성 기체 분위기에서 진행할 수 있다. 바람직하게는 아르곤 기체 분위기 하에서 수행할 수 있다. 불활성 기체 분위기에서 진행하는 경우 용융 규소의 산화를 막아 치밀한 반응소결 탄화규소를 제조할 수 있다.Additionally, the molten silicon penetration and reaction steps may be performed in an inert gas atmosphere. Preferably, it can be performed under an argon gas atmosphere. When carried out in an inert gas atmosphere, oxidation of molten silicon can be prevented and dense reaction sintered silicon carbide can be manufactured.

또한, 바람직하게는 용융 규소의 침투 및 반응 단계는 1,450~1,800℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 온도 1,450℃ 미만에서 수행하는 경우, 용융 규소의 점도가 높아져 탄소 나노입자 구조체의 기공으로 잘 침투하지 못하고 제조된 반응소결 탄화규소의 구조가 치밀하지 못하는 문제가 있고, 1,800℃ 이상으로 수행하는 경우에는 불필요한 에너지 소모로 제조 비용이 상승하게 되는 문제점이 있다.Additionally, preferably, the penetration and reaction steps of molten silicon may be performed at a temperature range of 1,450 to 1,800°C. If carried out at a temperature of less than 1,450°C, the viscosity of the molten silicon increases so that it does not penetrate well into the pores of the carbon nanoparticle structure, and the structure of the produced reaction sintered silicon carbide is not dense, and if carried out above 1,800°C, there is a problem. There is a problem in that manufacturing costs increase due to unnecessary energy consumption.

본 발명은 또한, 1) 아세틸렌(C2H2) 기체를 포함하는 혼합 기체를 기판 상에 화학기상증착(CVD)하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체를 형성하는 단계; 및The present invention also includes the steps of: 1) forming a porous carbon nanoparticle structure by chemical vapor deposition (CVD) of a mixed gas containing acetylene (C 2 H 2 ) gas on a substrate; and

2) 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체에, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 용융 규소(Si)를 침투 및 반응시키는 단계;를 포함하되,2) Penetrating molten silicon (Si) containing one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and aluminum (Al) into the porous carbon nanoparticle structure. And reacting; including,

상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소(RBSC) 복합체의 제조 방법을 제공한다.The porous carbon nanoparticle structure provides a method of manufacturing a reaction sintered silicon carbide (RBSC) composite, characterized in that the volume of closed pores disconnected from the outside is 1% or less compared to the total volume.

이 경우, 상기 용융 규소 내에 첨가한 지르코늄, 티타늄 또는 몰리브데넘 등의 금속이 규소와 반응하여 화합물을 형성하거나 탄소와의 화합으로 탄화물을 형성함으로써 잔류 규소의 양을 감소시키거나 반응소결 탄화규소의 물성을 제어할 수 있다.In this case, metals such as zirconium, titanium, or molybdenum added to the molten silicon react with silicon to form a compound or combine with carbon to form carbide to reduce the amount of remaining silicon or to form a reaction sintered silicon carbide. Physical properties can be controlled.

예컨대, 몰리브데넘은 규소와의 반응으로 SiMO2를 형성할 수 있으며, 이는 잔류 규소의 함량을 더욱 감소시켜 탄화규소의 고온 강도를 향상시킬 수 있다.For example, molybdenum can react with silicon to form SiMO 2 , which can further reduce the content of residual silicon and improve the high-temperature strength of silicon carbide.

또한, 지르코늄 또는 티타늄은 ZrC 또는 TiC의 탄화물을 형성하여 융점이 높아지고, 고온 안정성이 향상될 수 있다. Additionally, zirconium or titanium can form carbides of ZrC or TiC, which increases the melting point and improves high-temperature stability.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 용융 규소(Si)는 하기 조건식 2를 만족할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the molten silicon (Si) may satisfy the following conditional equation 2.

[조건식 2][Conditional expression 2]

상기 조건식 2에서, 은 상기 용융 규소 내 포함된 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 몰리브데넘(Mo) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속의 중량백분율(wt%)의 합이다.In condition equation 2 above, is the sum of weight percentages (wt%) of one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and aluminum (Al) contained in the molten silicon.

상기 금속의 함량이 50wt%를 초과하는 경우 복합체 내에서 탄화규소 외 다른 화합물의 함량이 증가하게 되므로 고강도의 탄화규소의 기계적 물성이 감소하게 될 수 있으며, 0.5wt% 미만인 경우에는 첨가하는 효과를 보기 힘들다.If the content of the metal exceeds 50wt%, the content of compounds other than silicon carbide increases in the composite, which may reduce the mechanical properties of high-strength silicon carbide. If the metal content is less than 0.5wt%, the effect of adding it may be reduced. it's tough.

본 발명은 또한, 다공성의 탄소 나노입자 구조체의 기공 내에 침투한 규소(Si)를 포함하되, 상기 규소의 잔류함량은 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소를 제공한다. The present invention also provides reaction-sintered silicon carbide, which contains silicon (Si) that has penetrated into the pores of the porous carbon nanoparticle structure, and the residual content of the silicon is 10% by weight or less.

여기서 규소의 잔류 함량이란, 전체 반응소결 탄화규소의 중량에 대하여 상기 반응소결 탄화규소 내에 존재하는 규소 상(phase)의 중량의 백분율비를 의미한다.Here, the residual content of silicon refers to the percentage ratio of the weight of the silicon phase present in the reaction-sintered silicon carbide to the total weight of the reaction-sintered silicon carbide.

이와 같은 구조를 가짐으로써, 상기 반응소결 탄화규소는 그 내부에 균일하게 규소가 분포하며, 그 함량도 10 중량% 이하로 적어 고온에서의 강도 등 기계적 물성이 뛰어나다. 바람직하게는 규소의 잔류함량은 5중량% 이하일 수 있다.By having this structure, the reaction-sintered silicon carbide has silicon uniformly distributed within it, and its content is less than 10% by weight, providing excellent mechanical properties such as strength at high temperatures. Preferably, the residual content of silicon may be 5% by weight or less.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절 패턴에서 회절각 28~30˚ 및 47~48˚에서의 피크의 강도는 각각 독립적으로 35~36˚에서의 피크 강도의 1/10 이하일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the X-ray diffraction pattern of the reaction-sintered silicon carbide, the peak intensities at diffraction angles of 28 to 30 degrees and 47 to 48 degrees are each independently the peak intensity at 35 to 36 degrees. It may be less than 1/10 of .

도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. ■는 β-SiC 상이 나타내는 회절 피크이며, ●는 미반응 잔류 규소의 상이 나타내는 회절 피크이다.Figure 12 is a graph showing the X-ray diffraction pattern of reaction sintered silicon carbide manufactured according to a preferred embodiment of the present invention. ■ is the diffraction peak shown by the β-SiC phase, and ● is the diffraction peak shown by the unreacted residual silicon phase.

도 12를 참고하면, 잔류 규소의 상이 나타내는 피크는 회절각 약 28~30˚ 및 47~49˚에서 나타나며, 그 피크의 크기는 β-SiC 상이 나타내는 피크 중 가장 강한 강도를 갖는 35˚ 부근의 피크에 비하여 강도가 1/10 이하로 현저히 작은 것을 알 수 있다.Referring to Figure 12, the peaks shown by the residual silicon phase appear at diffraction angles of about 28 to 30° and 47 to 49°, and the peak size is around 35°, which has the strongest intensity among the peaks shown by the β-SiC phase. It can be seen that the intensity is significantly less than 1/10 compared to .

도 13은 좀 더 잔류 규소의 함량이 많은 반응소결 탄화규소에 대하여 X-ray 회절 패턴을 나타낸 그래프로서, 도 13을 참고하면 미반응 잔류 규소가 나타내는 피크의 수가 더 많이 관측되고 있으며, 그 피크의 강도 또한 현저히 높은 것을 알 수 있다. 특히, 28~30˚의 회절각에서 나타나는 잔류 규소의 피크는 35~36˚에서 발견되는 β-SiC의 피크와 강도의 차이가 20% 이내로 현저히 적은 것을 확인할 수 있다.Figure 13 is a graph showing an It can be seen that the strength is also significantly high. In particular, it can be seen that the difference in intensity between the peak of residual silicon that appears at a diffraction angle of 28 to 30 degrees and the peak of β-SiC found at 35 to 36 degrees is significantly less than 20%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응소결 탄화규소는 내부에 포함되어 외부와 단절된 폐기공의 부피가 전체 반응소결 탄화규소 부피 대비 부피비가 1% 이하일 수 있다. 폐기공은 제조 과정에서 본래의 다공성 탄소 나노입자 구조체에 존재하던 폐기공의 부피와 용융 규소가 충분히 침투하지 못하여 발생한 기포로 인하여 생긴 폐기공의 부피 등 제조 과정에서 발생한 모든 폐기공의 부피의 합으로서, 그 부피가 적을수록 탄화규소의 강도가 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 외부와 단절된 폐기공의 부피는 전체 반응소결 탄화규소 부피 대비 부피비가 0.5% 이하, 더욱 바람직하게는 0.1% 이하일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reaction-sintered silicon carbide may have a volume ratio of closed pores contained within the reaction-sintered silicon carbide and cut off from the outside in a volume ratio of 1% or less compared to the total reaction-sintered silicon carbide volume. Waste pores are the sum of the volumes of all waste pores generated during the manufacturing process, including the volume of waste pores that existed in the original porous carbon nanoparticle structure and the volume of waste pores created by air bubbles caused by insufficient penetration of molten silicon. , the smaller the volume, the better the strength of silicon carbide. More preferably, the volume of the closed pores disconnected from the outside may be 0.5% or less, more preferably 0.1% or less, compared to the total volume of reaction-sintered silicon carbide.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응소결 탄화규소 내 포함된 잔류 규소 입자의 평균 크기는 1㎛ 이하일 수 있다. 잔류 규소가 1㎛ 초과하는 평균 입자 크기를 가지는 경우, 탄화규소가 고온에 노출되는 경우, 규소는 탄화규소에 비하여 용융점이 낮기 때문에 고온의 물성이 약화되는 원인이 된다.In a preferred embodiment of the present invention, the average size of the residual silicon particles contained in the reaction-sintered silicon carbide may be 1 μm or less. When the residual silicon has an average particle size exceeding 1㎛, when silicon carbide is exposed to high temperature, silicon has a lower melting point than silicon carbide, which causes the physical properties at high temperatures to be weakened.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응소결 탄화규소는 비커스 경도(Vicker's Hardness)가 20~30 GPa일 수 있다. 본 발명은 탄화규소 내 잔류 규소의 함량을 최소화한 구조를 지님으로써 규소가 많이 잔류한 탄화규소 구조에 비하여 강한 경도를 지닐 수 있다. 이는 제트 엔진, 가스 터빈 등에 사용하기에 적합하다. In a preferred embodiment of the present invention, the reaction-sintered silicon carbide may have a Vickers hardness of 20 to 30 GPa. The present invention has a structure that minimizes the content of residual silicon in silicon carbide, so it can have stronger hardness compared to a silicon carbide structure with a lot of silicon remaining. It is suitable for use in jet engines, gas turbines, etc.

이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 후술하는 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 단지 본 발명의 구체적인 실시 형태를 예시하는 것뿐이므로, 핵심적인 구성 외에 다른 구성을 부가/변경 및 생략하여 실시하는 것은 통상의 기술자에게 용이하며, 이는 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것이다.Below, the present invention will be described in more detail through examples. The examples described below do not limit the scope of the present invention, but merely illustrate specific embodiments of the present invention, so it is easy for those skilled in the art to implement it by adding/changing or omitting other components other than the core configuration. And this is included in the technical idea of the present invention.

<실시예><Example>

실시예 1Example 1

탄화규소 섬유의 직조물을 진공로에 장입한 다음, 50 torr의 압력 및 1,100℃의 온도 조건에서 C2H2의 단일 기체를 1시간 동안 200 sccm의 유량으로 흘려 주어 다공성 탄소 나노입자 구조체를 제조하였다.A woven fabric of silicon carbide fibers was charged into a vacuum furnace, and then a single gas of C 2 H 2 was flowed at a flow rate of 200 sccm for 1 hour at a pressure of 50 torr and a temperature of 1,100°C to prepare a porous carbon nanoparticle structure. .

이와 같이 제조된 다공성 탄소 나노입자 구조체의 미세 구조는 도 3에 나타내었다.The microstructure of the porous carbon nanoparticle structure prepared in this way is shown in Figure 3.

상기 다공성 탄소 나노입자 구조체에 용융된 규소를 모세관 힘으로 균일하게 침투시켰다. 침투 공정은 진공로 내에서 Ar 기체 분위기에서 수행하였으며, 약 2배 중량의 과량의 규소를 장입하였으며, 1600℃를 유지하며 약 30분간 함침시켰다. 이후 용융 규소가 침투 및 반응하여 형성된 반응소결 탄화규소를 냉각하였다.Molten silicon was uniformly infiltrated into the porous carbon nanoparticle structure using capillary force. The infiltration process was performed in an Ar gas atmosphere in a vacuum furnace, an excess amount of silicon of about twice the weight was charged, and the material was impregnated at 1600°C for about 30 minutes. Afterwards, the reaction-sintered silicon carbide formed by penetration and reaction of molten silicon was cooled.

실시예 2Example 2

실시예 1과 동일하게 실시하되, 화학기상증착 시 온도조건을 1,200℃로 달리 하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the temperature conditions during chemical vapor deposition were changed to 1,200°C.

실시예 3Example 3

실시예 1과 동일하게 실시하되, 화학기상증착 시 온도조건을 1,300℃로 달리 하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the temperature conditions during chemical vapor deposition were changed to 1,300°C.

실시예 4Example 4

실시예 1과 동일하게 실시하되, 화학기상증착 시 온도조건을 1,400℃로 달리 하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the temperature conditions during chemical vapor deposition were changed to 1,400°C.

비교예 1 - Coal tar pitch, coal-based synpitch, petroleum pitch로부터 제조한 다공성 탄소 지지체를 이용한 반응소결 탄화규소Comparative Example 1 - Reaction-sintered silicon carbide using porous carbon support manufactured from coal tar pitch, coal-based synpitch, and petroleum pitch

질소 분위기의 오토클레이브에서, 상기 피치를 200~400℃의 온도에서 열처리하는 전처리 단계를 수행하고, 다시 3.5MPa의 고압의 질소 분위기에서 500℃까지 가열하여 기공을 형성시키는 단계를 수행하였다. 이어서, 상기 기공 형성된 피치를 1000℃에서 하소하여 다공성의 탄소 지지체를 제조하였다.In an autoclave in a nitrogen atmosphere, a pretreatment step was performed in which the pitch was heat treated at a temperature of 200 to 400°C, and then heated to 500°C in a high-pressure nitrogen atmosphere of 3.5 MPa to form pores. Next, the pore-formed pitch was calcined at 1000°C to prepare a porous carbon support.

이와 같이 제조된 탄소 지지체에 용융 규소를 함침시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다. 비교예 1에 따라 제조된 다공성의 탄소 지지체의 미세 구조는 도 16에 나타내었으며, 구형의 탄소 나노입자로 구성된 것이 아니라 탄소 내 구형의 조대한 기공이 형성되어 있고, 다수의 폐기공이 포함된 네트워크 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.Reaction-sintered silicon carbide was produced by impregnating the carbon support prepared in this way with molten silicon. The microstructure of the porous carbon support prepared according to Comparative Example 1 is shown in Figure 16. It is not composed of spherical carbon nanoparticles, but rather has spherical coarse pores formed in the carbon and a network structure containing a large number of closed pores. It was confirmed that it had .

비교예 2 - 페놀 수지로부터 제조한 다공성 탄소 지지체를 이용한 반응소결 탄화규소Comparative Example 2 - Reaction-sintered silicon carbide using a porous carbon support prepared from phenolic resin

구체적으로, 다공성 탄소를 제조하기 위해 카본 블랙 분말을 용매에 분산시킨 후, 잔류 규소의 함량을 줄이기 위해 탄화규소 분말을 함께 혼입하였다. 이후 바인더와 가소제를 첨가한 후 테이프케스팅을 하고, 바인더를 제거하였다. 이 후 페놀 수지를 함침한 후 탄화 공정을 거쳐 다공성 탄소를 제조하였다. 제조된 다공성 탄소에 용융 실리콘을 침투시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다. Specifically, carbon black powder was dispersed in a solvent to produce porous carbon, and then silicon carbide powder was mixed to reduce the content of residual silicon. Afterwards, a binder and plasticizer were added, tape casting was performed, and the binder was removed. Afterwards, porous carbon was manufactured by impregnating it with phenol resin and then going through a carbonization process. Reaction-sintered silicon carbide was manufactured by infiltrating molten silicon into the prepared porous carbon.

비교예 2에 따라서 제조된 다공성 탄소지지체의 미세구조는 도 4에 나타나 있으며, 측정 결과 개기공률(open cell porosity)은 약 40부피%로서 반응소결 탄화규소로 제조 후 잔류 규소의 양이 약 20~30부피%로서 실시예에 비하여 현저히 높은 잔류 규소를 포함하는 것을 확인할 수 있었다.The microstructure of the porous carbon support prepared according to Comparative Example 2 is shown in Figure 4. As a result of measurement, the open cell porosity was about 40% by volume, and the amount of residual silicon after manufacturing with reaction sintered silicon carbide was about 20~ It was confirmed that it contained significantly higher residual silicon than the example at 30% by volume.

비교예 3 - 푸르푸릴 알코올 수지, 디에틸렌, 트리에틸렌 글리콜, p-톨루엔 술폰산으로부터 제조한 다공성 탄소지지체를 이용한 반응소결 탄화규소Comparative Example 3 - Reaction-sintered silicon carbide using a porous carbon support prepared from furfuryl alcohol resin, diethylene, triethylene glycol, and p-toluene sulfonic acid.

탄소 원료인 푸르푸릴 알코올 수지에 기공을 형성시켜주는 트리에틸렌 글리콜과 분산제인 다이에틸렌을 혼입한 후 p-톨루엔 술폰산을 첨가하여 경화시켰다. 60-95℃에서 가교 공정을 수행한 후 1100℃ 이하의 온도에서 열분해 공정을 수행하여, 다공성 탄소 프리폼을 제조하였다. 이 후 용융 규소를 함침시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다.Triethylene glycol, which forms pores, and diethylene, a dispersant, were mixed into furfuryl alcohol resin, a carbon raw material, and then cured by adding p-toluene sulfonic acid. A crosslinking process was performed at 60-95°C and then a pyrolysis process was performed at a temperature of 1100°C or lower to prepare a porous carbon preform. Afterwards, reaction-sintered silicon carbide was manufactured by impregnating the molten silicon.

비교예 3에 따라 제조된 다공성 탄소지지체의 미세구조를 도 17에 나타내었으며, 비교예 3의 다공성 탄소지지체는 제조 과정에서 부피 수축이 많이 일어나고, 균열이 다수 확인되었다. 균열이 발생하는 부분에는 탄화규소가 형성되기 어렵기 때문에 일반적으로 반응소결 탄화규소가 사용되는 용도에 적합한 품질의 반응소결 탄화규소를 얻기 어려움을 확인할 수 있었다.The microstructure of the porous carbon support manufactured according to Comparative Example 3 is shown in Figure 17. The porous carbon support of Comparative Example 3 suffered significant volumetric shrinkage during the manufacturing process, and many cracks were confirmed. Because it is difficult for silicon carbide to form in areas where cracks occur, it was confirmed that it was difficult to obtain reaction-sintered silicon carbide of a quality suitable for the applications for which reaction-sintered silicon carbide is generally used.

<실험예><Experimental example>

실험예 1: 탄소 나노입자 구조체의 미세 구조, 기공률, 입자 크기Experimental Example 1: Microstructure, porosity, and particle size of carbon nanoparticle structure

실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에서 제조된 탄소 나노입자 구조체의 미세구조를 촬영한 사진을 도 3 내지 5에 나타내었다.Photographs of the microstructure of the carbon nanoparticle structures prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Figures 3 to 5.

도 3은 실시예 1 내지 4의 탄소 나노입자 구조체를, 도 4는 비교예 1의 탄소 나노입자 구조체의 미세구조를, 도 5는 비교예 2의 탄소 나노입자 구조체의 미세구조를 각각 촬영한 사진이다.Figure 3 is a photograph of the carbon nanoparticle structure of Examples 1 to 4, Figure 4 is a photograph of the microstructure of the carbon nanoparticle structure of Comparative Example 1, and Figure 5 is a photograph of the microstructure of the carbon nanoparticle structure of Comparative Example 2. am.

도 4 및 도 5를 참고하였을 때, 종래 제조방법에 따라 제조한 비교예의 탄소 나노입자 구조체는 구형의 기공이 형성되는 것을 알 수 있다. 이에 반하여 도 3에 나타난 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다공성 탄소 나노입자 구조체는 구형의 탄소 나노입자가 형성되어 있으며, 더욱 개방적인 미세 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.Referring to Figures 4 and 5, it can be seen that spherical pores are formed in the carbon nanoparticle structure of the comparative example manufactured according to the conventional manufacturing method. In contrast, it was confirmed that the porous carbon nanoparticle structure manufactured according to the example of the present invention shown in Figure 3 had spherical carbon nanoparticles formed and had a more open microstructure.

또한, 각 탄소 나노입자 구조체의 결정입도와 기공률을 하기 표 1에 나타내었다.Additionally, the crystal grain size and porosity of each carbon nanoparticle structure are shown in Table 1 below.

구분division 증착 온도
(℃)
deposition temperature
(℃)
결정입도
(nm)
Crystal grain size
(nm)
기공률
(%)
porosity
(%)
실시예 1Example 1 11001100 396396 51.151.1 실시예 2Example 2 12001200 220220 71.171.1 실시예 3Example 3 13001300 157157 80.580.5 실시예 4Example 4 14001400 9595 84.384.3 비교예 1Comparative Example 1 -- Network구조Network structure 64.8~8764.8~87 비교예 2Comparative Example 2 -- Carbon black 분말 크기에 따라 다름Depending on carbon black powder size 40~4440~44 비교예 3Comparative Example 3 -- 수 ㎛several ㎛ 42.542.5

상기 표 1에서 확인할 수 있는 것과 같이, 화학기상증착 온도가 1100℃일 때 가장 큰 탄소 나노입자의 결정입도를 나타내고 낮은 기공률을 가짐을 알 수 있다. 기상증착의 온도가 높아질수록 탄소 나노입자의 크기와 결정입도가 작아지고 기공률이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 결정입도가 높아질수록 입자가 조대해지고 잔류 탄소의 함량이 높아질 수 있다. 또한, 기공률이 높아질수록 잔류 규소의 함량이 높아질 수 있다.As can be seen in Table 1 above, when the chemical vapor deposition temperature is 1100°C, the largest carbon nanoparticle crystal grain size is observed and the porosity is low. It was confirmed that as the temperature of vapor deposition increases, the size and crystal grain size of carbon nanoparticles decreases and the porosity increases. As the crystal grain size increases, the particles become coarser and the content of residual carbon may increase. Additionally, as the porosity increases, the content of residual silicon may increase.

또한 도 6은 실시예 1 내지 4에 따른 다공성 탄소 나노입자 구조체의 기공 크기 분포를 나타낸 그래프이다. 기상증착의 온도가 높아질수록 크기가 큰 기공의 분포가 많아지는 것을 확인할 수 있다.Additionally, Figure 6 is a graph showing the pore size distribution of the porous carbon nanoparticle structures according to Examples 1 to 4. It can be seen that as the temperature of vapor deposition increases, the distribution of large pores increases.

실험예 2: 반응소결 탄화규소의 미세구조Experimental Example 2: Microstructure of reaction sintered silicon carbide

실시예 1 내지 4에 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 미세구조를 촬영한 사진을 도 9, 10, 11에 나타내었다.Photographs of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide prepared according to Examples 1 to 4 are shown in FIGS. 9, 10, and 11.

도 9에서, 미세 구조의 검은 부분은 잔류 규소를 나타내고 밝은 부분은 탄화규소를 나타낸다. 증착 온도 1100℃에서는 잔류 규소는 구조 전체에 균일하게 분포되어 있으며, 작은 입자상으로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.In Figure 9, the black portion of the microstructure represents residual silicon and the bright portion represents silicon carbide. At a deposition temperature of 1100°C, it was confirmed that residual silicon was uniformly distributed throughout the structure and dispersed in the form of small particles.

도 10 및 도 11은 각 실시예에 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 EDS 원소분석 결과를 나타낸 도면으로, 화학기상증착의 온도가 높아질수록 잔류 규소의 함량이 높아지는 것을 확인할 수 있다.Figures 10 and 11 are diagrams showing the results of EDS elemental analysis of reaction-sintered silicon carbide manufactured according to each example. It can be seen that the content of residual silicon increases as the temperature of chemical vapor deposition increases.

화학기상증착의 온도가 높아질수록 잔류 규소의 분포가 증가하며, 1400℃에서는 규소의 상 내에 탄화규소의 결정이 분포하고 있는 구조를 갖게 되며, 따라서 고온에서의 물성이 떨어질 것임을 예측할 수 있다.As the temperature of chemical vapor deposition increases, the distribution of residual silicon increases, and at 1400°C, it has a structure in which silicon carbide crystals are distributed within the silicon phase, so it can be predicted that physical properties at high temperatures will deteriorate.

실험예 2: X-ray 회절패턴Experimental Example 2: X-ray diffraction pattern

X-ray 회절 패턴으로부터 잔류 규소의 함량을 예측할 수 있다. 실시예 1 및 2에 따라 제조된 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절패턴을 각각 도 12 및 도 13에 나타내었다.The content of residual silicon can be predicted from the X-ray diffraction pattern. X-ray diffraction patterns of the reaction-sintered silicon carbide prepared according to Examples 1 and 2 are shown in Figures 12 and 13, respectively.

도 12 및 도 13을 비교하면, 화학기상증착을 1100℃에서 수행한 실시예 1의 반응소결 탄화규소는 규소 상으로부터 나타난 회절 피크의 강도가 매우 약한 것을 알 수 있다. 반대로 화학기상증착을 1200℃에서 수행한 실시예 2의 반응소결 탄화규소는 규소 상으로부터 나타난 회절 피크의 강도가 실시예 1에 비하여 현저히 강한 것을 확인할 수 있다.Comparing Figures 12 and 13, it can be seen that the intensity of the diffraction peak appearing from the silicon phase of the reaction-sintered silicon carbide of Example 1 in which chemical vapor deposition was performed at 1100° C. was very weak. On the contrary, it can be seen that the intensity of the diffraction peak appearing from the silicon phase of the reaction-sintered silicon carbide of Example 2, in which chemical vapor deposition was performed at 1200°C, was significantly stronger than that of Example 1.

따라서, 1200℃ 미만의 온도로 화학기상증착을 수행하는 것이 잔류 규소의 함량을 감소시키는 데에 유리한 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that performing chemical vapor deposition at a temperature of less than 1200°C is advantageous in reducing the content of residual silicon.

실험예 3: 잔류 탄소 및 규소의 함량 측정Experimental Example 3: Measurement of residual carbon and silicon content

도 14는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 반응소결 탄화규소 내에 잔류하는 규소의 함량을 비교한 그래프이다.Figure 14 is a graph comparing the content of silicon remaining in reaction-sintered silicon carbide prepared according to Examples 1 to 4.

화학기상증착의 온도가 1100℃일 때에 비하여 1200℃일 때의 잔류 규소의 함량이 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 반응소결 탄화규소의 기계적 특성 향상을 위하여 1200℃ 미만의 온도에서 화학기상증착을 수행하여 탄소 나노입자 구조체를 제조하는 것이 바람직할 것임을 알 수 있다.It can be seen that the content of residual silicon significantly increases when the chemical vapor deposition temperature is 1200℃ compared to 1100℃. Therefore, in order to improve the mechanical properties of reaction sintered silicon carbide, chemical vapor deposition is performed at a temperature below 1200℃. It can be seen that it would be desirable to produce a carbon nanoparticle structure by performing.

실험예 4: 비커스 경도 측정Experimental Example 4: Vickers hardness measurement

또한, 도 15에서는 실시예 1 내지 4에 따라 제조한 반응소결 탄화규소의 비커스 경도를 측정하여 비교한 그래프이다.In addition, Figure 15 is a graph comparing the measured Vickers hardness of reaction sintered silicon carbide manufactured according to Examples 1 to 4.

각 잔류 규소 함량은 낮은 순서대로 실시예 1 내지 4에 대응하며, 1100℃에서 증착을 수행한 실시예 1과 1200℃에서 증착을 수행한 실시예 2 간의 비커스 경도값의 차이가 현저하게 나타남을 확인할 수 있었다.Each residual silicon content corresponds to Examples 1 to 4 in descending order, and it can be seen that there is a significant difference in Vickers hardness value between Example 1, which was deposited at 1100 ° C., and Example 2, which was deposited at 1200 ° C. I was able to.

Claims (9)

1) 아세틸렌(C2H2) 기체를 포함하는 혼합 기체를 기판 상에 화학기상증착(CVD)하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체를 형성하는 단계; 및
2) 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체에 용융 규소(Si)를 침투 및 반응시키는 단계;를 포함하되,
상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소(RBSC)의 제조 방법.
1) Forming a porous carbon nanoparticle structure by chemical vapor deposition (CVD) of a mixed gas containing acetylene (C 2 H 2 ) gas on a substrate; and
2) infiltrating and reacting molten silicon (Si) into the porous carbon nanoparticle structure;
A method of producing reaction sintered silicon carbide (RBSC), wherein the porous carbon nanoparticle structure has a volume of closed pores disconnected from the outside compared to the total volume of 1% or less.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노입자는 100㎚~5㎛의 결정입도(grain size)를 갖는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method of producing reaction sintered silicon carbide, characterized in that the carbon nanoparticles have a grain size of 100 nm to 5 μm.
제1항에 있어서,
상기 혼합 기체는 아세틸렌 기체의 분해 반응을 억제하여 상기 탄소 나노입자 구조체의 입자크기 및 기공률을 조절하기 위하여, 아세틸렌 분해억제기체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조방법.
According to paragraph 1,
The mixed gas further includes an acetylene decomposition inhibitor gas to control the particle size and porosity of the carbon nanoparticle structure by suppressing the decomposition reaction of the acetylene gas.
제3항에 있어서,
상기 아세틸렌 분해억제기체는 수소(H2) 기체 및 하기 분자식 1로 표시되는 탄화수소 기체 중에서 선택된 하나 이상의 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조 방법:
[분자식 1]
CxHy
상기 분자식 1에서, x≤y이고 x≤5이다.
According to paragraph 3,
The acetylene decomposition-inhibiting gas is a method for producing reaction-sintered silicon carbide, characterized in that it includes at least one gas selected from hydrogen (H 2 ) gas and a hydrocarbon gas represented by the following molecular formula 1:
[Molecular Formula 1]
C x H y
In the molecular formula 1, x≤y and x≤5.
제1항에 있어서,
상기 1) 단계에서 화학기상증착은 10~760 torr의 압력 범위 및 900~1,600℃의 온도 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조 방법.
According to paragraph 1,
A method for producing reaction sintered silicon carbide, characterized in that the chemical vapor deposition in step 1) is performed at a pressure range of 10 to 760 torr and a temperature range of 900 to 1,600°C.
1) 아세틸렌(C2H2) 기체를 포함하는 혼합 기체를 기판 상에 화학기상증착(CVD)하여 다공성의 탄소 나노입자 구조체를 형성하는 단계; 및
2) 상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체에, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 몰리브데넘(Mo)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 용융 규소(Si)를 침투 및 반응시키는 단계;를 포함하되,
상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소(RBSC) 복합체의 제조 방법.
1) Forming a porous carbon nanoparticle structure by chemical vapor deposition (CVD) of a mixed gas containing acetylene (C 2 H 2 ) gas on a substrate; and
2) infiltrating and reacting molten silicon (Si) containing at least one metal selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti), and molybdenum (Mo) into the porous carbon nanoparticle structure; Including,
A method for producing a reaction-sintered silicon carbide (RBSC) composite, wherein the porous carbon nanoparticle structure has a volume of closed pores disconnected from the outside of 1% or less compared to the total volume.
다공성의 탄소 나노입자 구조체의 기공 내에 침투한 규소(Si)를 포함하되,
상기 다공성의 탄소 나노입자 구조체는 전체 부피 대비 외부와 단절된 폐기공의 부피가 1% 이하이며, 상기 규소의 잔류함량은 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소.
Contains silicon (Si) that has penetrated into the pores of the porous carbon nanoparticle structure,
The porous carbon nanoparticle structure is a reaction-sintered silicon carbide, characterized in that the volume of closed pores disconnected from the outside is 1% or less compared to the total volume, and the residual content of silicon is 10% by weight or less.
제7항에 있어서,
상기 반응소결 탄화규소의 X-ray 회절 패턴에서 회절각 28~30˚ 및 47~48˚에서의 피크의 강도는 각각 독립적으로 35~36˚에서의 피크 강도의 1/10 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소.
In clause 7,
In the X-ray diffraction pattern of the reaction-sintered silicon carbide, the intensities of the peaks at diffraction angles of 28 to 30 degrees and 47 to 48 degrees are each independently less than 1/10 of the peak intensity at 35 to 36 degrees. Sintered silicon carbide.
제7항에 있어서,
상기 반응소결 탄화규소 내 포함된 잔류 규소 입자의 평균 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소.
In clause 7,
Reaction-sintered silicon carbide, characterized in that the average size of residual silicon particles contained in the reaction-sintered silicon carbide is 1㎛ or less.
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