KR20130087556A

KR20130087556A - SiC 세라믹 재료 및 SiC 세라믹 구조체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130087556A
Application number: KR1020137014875A
Authority: KR
Inventors: 다츠야 히노키; 박이현
Original assignee: 고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-08-06
Also published as: EP2639211A1; JPWO2012063923A1; EP2639211A4; KR101494116B1; EP2639211B1; US20130288880A1; US9353013B2; WO2012063923A1

Abstract

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는, 다공질 SiC 세라믹 모재 중에 SiC 연속 섬유의 다발을 포함하여 이루어지며, 단열성을 가지며, 고강도일 뿐만 아니라, 고인성도 갖는다.
본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 상기 SiC 세라믹 재료로 구성되며, SiC 분말과 탄소 분말을 물 등의 액체 중에 넣어 혼합한 슬러리와 SiC 연속 섬유의 다발을 이용하여 가열 소결체를 제작한 후, 탄소 분말을 기화 방출함으로써 제조할 수 있다. 또, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, SiC 연속 섬유의 다발과 탄소 성분과 Si 분말을 포함하는 반응 준비체를 실리콘의 융점 이상의 온도로 가열하고, 탄소 성분과 Si 분말을 반응시켜 얻은 반응 소결체로부터 잔류 탄소 성분을 기화 방출함으로써도 제조할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 화학 증착법에 의해 제조할 수도 있다.

Description

SiC 세라믹 재료 및 SiC 세라믹 구조체 및 그 제조 방법{SiC CERAMIC MATERIAL AND SiC CERAMIC STRUCTURE, AND PRODUCTION METHOD FOR SAME}

본 발명은, SiC 세라믹을 이용한 재료 및 상기 재료로 이루어진 구조체 및 그 제조 방법에 관한것이다.

SiC(탄화 규소)로 이루어지며, 또한 무수의 미세한 기공을 갖는 다공질 SiC 세라믹은, 우수한 단열성, 절연성 및 내열성을 갖는 점에서, 원자력 에너지 시스템 및 환경 조화형 에너지 시스템 등의 기능성 구조체에 대한 적용이 기대되고 있다.

종래의 다공질 SiC 세라믹은, 그 재료를 성형한 후, 상압 소결법, 반응 소결법, 고분자 소결법 등으로 소결함으로써 제조되고 있다. 그러나, 이것들의 종래 방법으로 제조된 다공질 SiC 세라믹은, SiC 분자끼리의 결합력이 약하기 때문에, 강도가 낮다. 즉, 충격 등에 의해 용이하게 균열을 일으키기 쉬운 결점이 있으며, 구조 재료에의 적용은 불가능하였다.

이에, 다공질 SiC 세라믹에 강도를 부가하기 위하여, 이하와 같은 시도를 하고 있다.

예를 들면, 비특허 문헌 1에는, SiC 분말과 탄소 분말의 혼합물을 고온·고압하에서 소결시킨 후, 탈탄 처리를 실시함으로써 제조되는 다공질 SiC 세라믹이 개시되어 있다. 이 문헌과 관련된 다공질 SiC 세라믹은, 기공 이외의 부분이 강한 결합력으로 소결되기 때문에, 종래의 것과 비교하여 현격히 높은 강도를 갖는다.

[비특허문헌 1] Yi-Hyun PARK, Tatsuya HINOKI, Akira KOHYAMA, "Development of Multi-Functional NITE-Porous SiC for Ceramic Insulators," Journal of Nuclear Materials, 386-388, pp.1014-1017, 2009

그렇지만, 비특허문헌 1과 관련되는 다공질 SiC 세라믹은, 강도가 높은 한편에, 인성이 지극히 낮다. 즉, 유리와 같이 어느 1개소에라도 균열이 발생하였을 경우, 전체가 단번에 파단하여 버린다. 따라서, 구조재료에 대한 적용은 여전히 곤란한 것이었다.

그래서 본 발명이 해결하려는 과제는, 단열성 및 내열성을 가지며, 고강도일 뿐만 아니라, 고인성(高靭性)도 가지는 SiC 세라믹 재료 및 SiC 세라믹 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는, 다공질 SiC 세라믹 모재 중에, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료에서 이용하는 다공질 SiC 세라믹 모재는, 그 기공율이 15%~80%인 것이 바람직하다. 이것은, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 15% 미만이면 충분한 단열성을 얻지 못하고, 한편 기공율이 80%를 넘으면 충분한 강도나 인성을 확보하는 것이 어렵기 때문이다. 또, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료를 원자력 분야나 항공 우주 분야 등, 특히 고단열성, 고내열성, 강인성이 요구되는 분야에 있어서 이용하는 경우에는, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 25%~60%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료에 있어서, SiC 연속 섬유란, 섬유를 재단한 SiC 단섬유(SiC chopped fiber)를 제외하는 SiC 섬유를 의미하고, 「SiC 장섬유」라고도 불린다. SiC 연속 섬유의 굵기는 다양 하지만, 본 발명에서는 직경 5μm 정도에서 200μm 정도의 것을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 상기 SiC 세라믹 재료로 이루어진 다양한 형상의 구조체인 것을 특징으로 한다. 또, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 다공질 세라믹 모재로 구성된 섬유 강화부에 추가하여, SiC 섬유를 포함하지 않는 상기 다공질 SiC 세라믹 모재로 구성된 섬유 비강화부를 포함하여도 된다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는,

SiC 분말과 탄소 분말을 액체 중에 넣어 혼합하고, 슬러리를 제작하는 슬러리 제작 공정과,

SiC 연속 섬유의 다발과 상기 슬러리를 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,

상기 가압 소결체를 가열함으로써, 상기 가압 소결체에 포함되는 탄소 분말을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.

본 발명의 SiC 세라믹 구조체는, 봉 모양의 것이나 판 모양의 것으로 할 수 있다. 봉 모양의 구조체의 경우는, 봉 모양으로 묶은 SiC 연속 섬유의 다발을 이용하여 가압 소결체를 제작하고, 탈탄한다. 판 모양의 구조체의 경우는, SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트를 이용하여 가압 소결체를 제작하고, 탈탄한다. 이들의 경우, 다공질 SiC 세라믹 모재 중에 포함되는 SiC 연속 섬유의 다발은 1개도 되고, 복수개도 된다. 이것들을 조합시킴으로써, 봉 모양이나 판 모양 뿐만 아니라, 다양한 형상의 SiC 세라믹 구조체를 제조할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는,

SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트에 상기 슬러리를 함침시켜 프리프레그 시트를 제작하는 프리프레그 시트 제작 공정과,

상기 프리프레그 시트를 적층하여 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,

더욱이, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는,

상기 슬러리에 의해 슬러리 시트를 제작하는 슬러리 시트 제작 공정과,

SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트와 상기 슬러리 시트를 적층하여 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,

상기 방법에 있어서, SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트와 슬러리 시트를 평면 모양으로 적층하면, 섬유 강화부(SiC 연속 섬유의 다발에 슬러리가 침입한 부분)와 섬유 비강화부(슬러리 시트만의 부분)를 포함하는 적층 SiC 세라믹 구조체를 제조할 수 있다. 이 적층은, 판 모양으로 쌓아 올려도 되고, 통 모양이나 와권(渦卷) 모양으로 형성하여도 된다. 더욱이 이것들을 조합킴으로써, 다양한 형상을 가지며 섬유 강화부와 섬유 비강화부를 포함하는 SiC 세라믹 구조체를 제조할 수 있다.

더욱이, 적층하는 시트의 두께나 매수를 변경함으로써, SiC 세라믹 구조체의 내부 구조(섬유 강화부와 섬유 비강화부의 비율이나 두께 등)를 변화시킬 수 있다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 상기한 액상 소결법(핫 프레스법) 뿐만 아니라, 반응 소결법을 이용하여 제조할 수도 있다.

반응 소결법을 이용하는 경우, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법은,

SiC 연속 섬유의 다발과, 탄소 성분과, Si 분말을 포함하는 반응 준비체를 제작하는 반응 준비체 제작 공정과,

상기 반응 준비체를 실리콘의 융점 이상의 온도로 가열하고, 상기 탄소 성분과 상기 Si 분말을 반응시켜 반응 소결체를 얻는 반응 소결 공정과,

상기 반응 소결체를 가열함으로써, 상기 반응 소결체에 포함되는 잔류 탄소 성분을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함한다.

상기 탄소 성분으로서는 예를 들면, 탄소 분말을 이용할 수 있다. 이 경우 예를 들면, 탄소 분말과 Si 분말을 액체 중에 넣어 혼합하여 슬러리를 제작하고, SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트에 슬러리를 함침시킨 프리프레그 시트를 반응 준비체로 할 수 있다. 또, 상기 슬러리로부터 슬러리 시트를 제작하고, SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트와 상기 슬러리 시트를 적층한 것을 반응 준비체로 할 수도 있다.

또, 상기 탄소 성분으로서 실리콘의 융점 이하에서 탄화하는 페놀 수지 등의 수지를 이용할 수도 있다. 이 경우, 수지를 포함하는 반응 준비체와 Si 분말을 가열하면, 우선 실리콘의 융점인 1414℃에 도달하기 전에 수지가 탄화하고, 그 다음으로 실리콘의 융점에 도달한 단계에서 수지의 탄화 성분과 용융 실리콘이 반응하여 SiC를 형성한다.

상기 반응 준비체 제작 공정에서, SiC 연속 섬유 다발에 혼입시키는 탄소 성분의 양은, 반응 소결 공정에 있어서 Si 분말과 반응하여 SiC를 형성하는데에 필요한 양을 상회하도록 하여 둔다. 이 상회하는 양의 탄소 성분(잔류 탄소 성분)이 탈탄 공정에 있어서 기화 방출되어 다공질 SiC 세라믹 모재를 형성한다.

상기 반응 준비체에는 SiC 분말을 포함하여도 된다. SiC 분말을 혼입시키면, SiC 분말이 핵이 되어, 그 주위에 반응에 의해 생성된 SiC가 성장하여 다공질 SiC 세라믹 모재를 형성한다. 이것에 의해, SiC 세라믹 모재의 형성 효율을 높일 수 있다.

액상 소결법과 같이, 반응 소결법을 이용하는 경우도, 봉 모양으로 묶은 SiC 연속 섬유의 다발이나 SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트를 이용하여 봉 모양이나 판 모양 등의 SiC 세라믹 구조체를 제작할 수 있다. 또, 사용하는 SiC 연속 섬유의 다발은 1개도 복수개도 된다. 이것들을 적절하게 조합시킴으로써, 다양한 형상의 SiC 세라믹 구조체를 제작할 수 있다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 화학 증착법을 이용하여 제조할 수도 있다.

화학 증착법을 이용하는 경우, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법은,

SiC 연속 섬유의 다발에 있어서, SiC 전구체와 탄소 전구체를 혼합한 증착용 혼합 가스를, 상기 SiC 전구체와 상기 탄소 전구체의 양쪽이 열분해하는 온도로 유입시켜, 상기 SiC 연속 섬유의 다발에 상기 SiC 전구체가 열분해하여 생성된 SiC와 상기 탄소 전구체가 열분해하여 생성된 탄소를 증착시킨 화학 증착체를 제작하는 화학 증착체 제작 공정과,

상기 화학 증착체를 가열함으로써, 상기 화학 증착체에 포함되는 탄소를 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함한다.

SiC 전구체로서는, 메틸트리클로로실란(MTS), 에틸트리클로로실란(ETS) 또는 이들의 혼합물을, 또 탄소 전구체로서는 메탄, 에탄, 프로필렌 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다.

상기한 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법에서는, 액상 소결법의 경우에는 탄소 분말의 양, 반응 소결법의 경우에는 탄소 성분(잔류 탄소 성분)의 양, 화학 증착법의 경우에는 탄소 전구체 가스의 양을 조정함으로써, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 제어할 수 있다.

액상 소결법의 경우, 슬러리 제작 공정에 있어서 혼합하는 탄소 분말의 양이, 탈탄 공정에 있어서 가압 소결체로부터 기화 방출되는 탄소 분말의 양에 대응한다. 따라서, 슬러리 제작 공정에 있어서 혼합하는 탄소 분말의, SiC 분말에 대한 체적 비율을 조정함으로써, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 변화시킬 수 있다.

반응 소결법의 경우에는, 반응 소결 공정에 있어서 탄소 성분과 용융 실리콘이 반응한 후에 잔류하는 탄소 성분의 양이, 탈탄 공정에 있어서 가압 소결체로부터 기화 방출되는 잔류 탄소 성분의 양에 대응한다. 따라서, 반응 준비체 제작 공정에 있어서 사용하는 탄소 성분의 양을 조정함으로써, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 변화시킬 수 있다.

화학 증착법의 경우에는, 화학 증착체 제작 공정에 있어서 SiC 연속 섬유의 다발에 증착시키는 탄소의 양이, 탈탄 공정에 있어서 화학 증착으로부터 기화 방출되는 탄소 분말의 양에 대응한다. 따라서, 화학 증착체 제작 공정에 있어서 사용하는 증착용 혼합 가스에 포함되는 탄소 전구체가 열분해하여 생성하는 탄소의, SiC 전구체가 열분해하여 생성하는 SiC에 대한 체적 비율을 조정함으로써, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 변화시킬 수 있다.

상기한 어느 하나의 제조 방법을 이용하는 경우에도, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 15%~80%가 되도록 탄소 분말, 탄소 성분 또는 증착 탄소(탄소 분말 등)의 양을 조정하는 것이 바람직하다. 이것은, 탄소 분말 등의 양이 상기 하한치 보다 적은 경우, 탈탄 공정에 있어서 산소가 가압 소결체, 반응 소결체 또는 화학 증착체(가압 소결체 등)의 내부에 들어가기 어려워져, 가압 소결체 등의 내부의 탄소 분말 등을 확실하게 기화 방출시키는 것이 곤란해지기 때문이다. 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 15%~80%로 하는 것이 바람직한 다른 이유는 상술한 대로이다. 그리고, 다공질 세라믹 모재 내의 기공율이 25%~60%가 되도록 탄소 분말 또는 탄소 성분의 양을 조정하는 것이 더 바람직하다.

상기한 어느 하나의 제조 방법에 있어서도, SiC 연속 섬유의 다발로서 SiC 연속 섬유 직물을 이용할 수 있다. SiC 연속 섬유 직물을 이용하여 제조된 SiC 세라믹 구조체는, 어떤 방향으로 균열이 생겨도, 그 방향으로 균열이 진행하기 곤란하고, 파단하기 어렵다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법은 모두, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하며, 또한 탄소 성분을 함유하는 성형체(소결체 또는 화학 증착체)를 제작하고, 상기 성형체로부터 탄소를 기화 방출시키는 탈탄 공정을 실시함으로써, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 다공질 세라믹 모재를 형성시키는 점에서 공통의 기술적 사상에 의거한다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는 다공질 SiC 세라믹 모재 중에 SiC 연속 섬유의 다발이 존재하기 때문에, 높은 강도 뿐만 아니라, 높은 인성을 갖는다. 따라서, 상기 SiC 세라믹 재료로 이루어진 SiC 세라믹 구조체는, 충격 등에 의해 용이하게 균열이 생기지 않을 뿐만 아니라, 만일 1개소에 균열이 생기더라도, 그 균열의 진행이 SiC 연속 섬유에 의해 저해되기 때문에, 구조체 전체가 단번에 파단하지 않는다.

도 1은 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략도이다. (S1)는 슬러리 제작 공정이다. (S2)는 프리프레그재 제작 공정이다. (S3)는 소결 공정이다. (S4)는 탈탄 공정이다.
도 2에서 (1)은 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체의 단면의 주사형 전자현미경상이다. (2)는 상기 주사형 전자현미경상의 일부를 확대한 사진이다.
도 3에서 (1)은 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체의, 섬유 비강화부의 주사형 전자현미경상이다. (2)는 상기 세라믹 구조체의, 섬유 강화부의 주사형 전자현미경상이다.
도 4는 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체의 시험편의 3점 굴곡 시험에서의 굴곡 강도와 변위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5에서 (1)은 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체의 시험편의 3점 굴곡 시험 후의 전체 사진이다. (2) 상기 시험편에서의 균열의 상태를 나타내는 측면 확대 사진이다.
도 6은 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 인장 시험에서의 인장 강도와 변형률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7에서 (1)은 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체의 인장 시험 후의 시험편의 전체 사진이다. (2)는 상기 시험편에서의 파단 부분의 측면 확대 사진이다.
도 8은 반응 소결법을 이용하여 제조한 SiC 세라믹 구조체의 시험편의 3점 굴곡 시험에서의 굴곡 강도와 변위의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체 및 그 제조 방법의 일실시 형태에 대하여 이하에 서술한다.

도 1은, 액상 소결법(핫 프레스법)에 의해 SiC 세라믹 구조체를 제조하는 공정을 나타내는 개략도이다. 본 실시 형태에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 공정은, 슬러리 제작 공정(스텝 S1), 프리프레그재 제작 공정(스텝 S2), 가압 소결 공정(스텝 S3), 탈탄 공정(스텝 S4)으로 이루어진다.

슬러리 제작 공정(스텝 S1)에서는, SiC 분말, 탄소 분말 및 소결조제를 물이나 알코올 등의 액체 중에 넣어 혼합함으로써, 슬러리를 제작한다. 소결조제는, 소결의 촉진이나 안정화를 위하여 첨가되지만, 그 양은 극히 미량이며, 완성된 SiC 세라믹 구조체의 성질에 영향을 미치는 일은 거의 없다.

프리프레그재 제작 공정(스텝 S2)에서는, SiC 연속 섬유의 다발에 상기 슬러리를 함침시켜 프리프레그재를 제작한다. 슬러리를 SiC 연속 섬유의 다발에 함침시키는 방법으로서 예를 들면, 슬러리를 SiC 연속 섬유의 다발에 도포하거나 슬러리에 SiC 연속 섬유의 다발을 침지하는 방법이 있다.

가압 소결 공정(스텝 S3)에서는, 상기 프리프레그재를 성형 형틀에 넣어 고온 하에서 가압 성형함으로써 소결시켜 가압 소결체를 얻는다. 이 때의 온도는, 소결조제의 융점보다 높고, 또한 SiC 연속 섬유의 내열 온도 보다 낮게 설정된다. 이것에 의해, 프리프레그재 중의 SiC 분말이 소결 된다. 또, SiC 분말과 SiC 연속 섬유도 소결된다.

탈탄 공정(스텝 S4)에서는, 가압 소결체를 대기 분위기하(산소가 존재하는 분위기하)에서 가열한다. 가압 소결체가 가온 하에서 대기에 노출됨으로써, 가압 소결체 중의 탄소 분말이 산소와 반응하여 이산화탄소가 되어, 기화 방출된다. 온도에 따라서는, 탄소 분말이 산소와 반응하여 이산화탄소와 일산화탄소가 되어, 기화 방출된다. 이것에 의해, 탄소 분말이 존재하고 있던 장소에 기공이 형성된다.

가압 소결 공정에 있어서, 프리프레그재에 포함되어 있던 SiC 분말이 소결된 부분으로서, 탈탄 공정에 있어서 가압 소결체 중의 탄소 분말이 기화 방출되어 다수의 미세한 기공이 형성된 부분이, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료의 다공질 SiC 세라믹 모재가 된다. 이와 같이 하여, 다공질 SiC 세라믹 모재 중에 SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 SiC 세라믹 재료로 이루어지는 SiC 세라믹 구조체를 얻을 수 있다.

프리프레그재로서 SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트에 슬러리를 함침시킨 프리프레그 시트를 적층한 것을 이용하여도 된다. 프리프레그 시트를 겹쳐쌓는 매수를 조절함으로써, 적절한 두께의 SiC 세라믹 구조체를 얻을 수 있다.

SiC 연속 섬유의 다발과 슬러리를 직접, 성형 형틀에 넣어 고온하에서 가압 성형함으로써 소결하여 가압 소결체를 얻어도 된다. 이와 같이, SiC 연속 섬유의 다발에 슬러리를 함침시키지 않고 가압 소결체를 얻는 경우에는, 프리프레그재 제작 공정은 불필요하다.

슬러리의 함수량을 감소시켜 슬러리 시트를 제작하고, SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트와 슬러리 시트를 적층한 것을 성형 형틀에 넣어 가압 소결하고 탈탄 하여, SiC 세라믹 구조체를 제작하여도 된다. 이것에 의해, 섬유 강화부(SiC 연속 섬유의 다발에 슬러리가 침입한 부분)와 섬유 비강화부(슬러리 시트만의 부분)를 포함하는 적층 SiC 세라믹 구조체를 제조할 수 있다. 이 경우에는, 적층하는 시트의 두께나 매수를 변경함으로써, SiC 세라믹 구조체의 내부 구조(섬유 강화부와 섬유 비강화부의 비율이나 두께 등)를 변화시킬 수 있다.

실시예

이하에서, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체 및 그 제조 방법의 구체적인 일실시예에 대하여 상세하게 서술한다.

본 실시예의 SiC 세라믹 구조체는 다음과 같이 제조하였다.

우선, SiC의 입방정계의 결정 분말인, β-SiC 분말, 탄소 분말, 및 소결조제로서 산화 알루미늄 분말(Al₂O₃)과 산화 이트륨 분말(Y₂O₃)을, 알코올을 베이스로 하는 용매에 넣어 혼합하고, 슬러리를 제작하였다. 본 실시예에서는, β-SiC 분말과 탄소 분말을 체적비 1：1로 혼합하였다.

다음으로, 고결정성의 SiC 연속 섬유인 Tyranno-SA 섬유(우베코우산 제)를 시트 모양으로 묶은 것에 슬러리를 함침시켜 프리프레그 시트를 제작하였다. 또한, Tyranno-SA 섬유란 직경 약 7μm의 SiC 연속 섬유이며, 본 실시예에서는, Tyranno-SA 섬유를 약 1600개 묶어서 시트 모양으로 한 것에 슬러리를 함침시켰다.

더욱이, 상기와 같이 제작한 프리프레그 시트를 흑연 몰드 중에 적층하여 넣고, Ar 분위기하에서, 1800℃, 10MPa, 1시간의 조건으로 1축 가압 성형을 실시하여 소결시켰다. 마지막으로, 대기 분위기하에서, 700℃, 5시간의 열처리를 실시하여 가압 소결체 내의 탄소 분말을 기화 방출시키고, SiC 세라믹 재료로 이루어진 SiC 세라믹 구조체를 얻었다.

도 2에서 (1)은, 상기의 실시예에 의해 얻어지는 SiC 세라믹 구조체 (1)의 단면의 주사형 전자현미경상이다. 또, 도 2에서 (2)는, 도 2에서 (1)의 일부를 확대한 것이다. 도 2의 (1), (2)로부터, 상대적으로 색이 짙은 부분은 SiC 연속 섬유의 다발에 슬러리가 침입한 부분(이하, 섬유 강화부 (12))이며, 색이 옅은 부분은 SiC 연속 섬유를 포함하지 않는 부분(이하, 섬유 비강화부 (11))인 것을 알 수 있다. 섬유 비강화부 (11)은 적층한 프리프레그 시트의 접합부에 해당한다. 이와 같이, 본 실시예의 SiC 세라믹 구조체 (1)은, 섬유 강화부 (12)와 섬유 비강화부 (11)을 포함하는 적층 SiC 세라믹 구조체인 것이 확인되었다.

또, 도 3의 (1) 및 도 3의 (2)는, 각각 섬유 비강화부 (11) 및 섬유 강화부 (12)의 주사형 전자현미경상이다. 도 2의 (2) 및 도 3의 (1), (2)에 의해, 섬유 비강화부 (11)은 무수의 미세한 기공을 가지고 있는 것이 확인되었다. 또, 섬유 강화부 (12)에서는 SiC 연속 섬유가 그 원형의 단면을 유지하고, 거의 원형을 유지하고 있는 점에서, SiC 섬유끼리 소결하는 것이 아니라, SiC 분말과 SiC 연속 섬유가 소결함으로써 SiC 연속 섬유가 연결되어 있는 것이 확인되었다.

상기 실시예에 의해 얻어지는 SiC 세라믹 구조체 (1)에 있어서, SiC 섬유가 차지하는 비율(섬유 체적율)은 약 55vol.%였다. 또, 아르키메데스법으로 확인한 SiC 세라믹 구조체 (1) 전체의 기공율은 약 30%이며, 안의 개기공율은 약 27%, 폐기공율은 약 3%였다. 도 3으로부터 알 수 있듯이, SiC 세라믹 구조체 (1)의 기공은, 그 대부분이 섬유 비강화부 (11) 내에 형성되어 있으며, 섬유 비강화부 (11) 내, 즉 다공질 세라믹 모재 내의 기공율은 50% 정도로 되어 있다. 이것은, β-SiC 분말과 탄소 분말을 체적비 1：1로 혼합하였던 것에 대응하고 있다. 또한, 개기공은 외부로 향하여 열려 있는 기공을 말하며, 폐기공은 외부와 접촉하지 않고 내부에서 고립하여 있는 기공을 말한다.

원재료로서 사용하는 SiC 분말, 탄소 분말 및 SiC 연속 섬유 중에, SiC 분말 및 SiC 연속 섬유의 중량은 SiC 세라믹 구조체 (1)의 각 제조 공정을 거쳐도 변화하지 않는다. 한편, 탄소 분말의 중량은 탈탄 공정에서 대기하에서 반응하여 이산화탄소 또는 일산화탄소가 되어 기화 방출됨으로써 감소한다. 그래서, 상기 원재료의 중량의 합계와 제조한 SiC 세라믹 구조체 (1)의 중량을 비교하여, 탄소 분말이 탈탄 공정에 있어서 모두 기화 방출된 것을 확인하였다.

상기의 각 공정을 거쳐 제조되는 SiC 세라믹 구조체 (1)에 있어서, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율은, 탈탄 공정에서 기화 방출시키는 탄소의 양에 대응한다. 그리고, 슬러리 시트 제작 공정에 있어서 혼합하는 탄소 분말의 양이, 탈탄 공정에 있어서 가압 소결체로부터 기화 방출되는 탄소 분말의 양에 대응한다.

다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 15% 미만이라면, 단열성이나 내열성을 충분히 얻지 못하고, 한편 기공율이 80%를 넘으면, 충분한 강도나 인성을 얻는 것이 곤란하다. 또, 탄소 분말의 양이 너무 적으면, 탈탄 공정에 있어서 산소가 가압 소결체 또는 반응 소결체(가압 소결체 등)의 내부에 인입하기 어려워지며, 가압 소결체 등의 내부의 탄소 분말 등을 확실히 기화 방출시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 슬러리 제작 공정에 있어서, SiC 분말에 대하여 체적비로 15%~80%의 탄소 분말을 혼합하고, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 15%~80%가 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 또, 상기 체적비를 25%~60%로 하고, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 25%~60%가 되도록 조정하는 것이 더 바람직하다. 이것에 의해, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료를, 원자력 분야나 항공 우주 분야 등, 특히 고단열성, 고내열성, 고인성이 요구되는 분야에 있어서도 바람직하게 이용할 수 있다.

다음으로, 상기 실시예에 의해 얻어지는 SiC 세라믹 구조체 (1)의 특성에 대하여 이하에서 서술한다.

〔1〕 3점 굴곡 시험

3점 굴곡 시험이란, 대략 직방체의 시험편의 양단의 2 지점을 고정하고, 한 가운데의 1점에 하중을 걺으로써, 굴곡 시험 중에 시험편이 견디는 응력인, 굴곡 강도(Flexural strength)를 구하는 시험이다.

또한, 굴곡강도는, 다음의 식으로 나타낸다.

굴곡강도(MPa)=3PL/2Wh²

여기에서, P=하중, L=지점간 거리(mm), W=시험편의 폭(mm), h=시험편의 두께(mm)를 지칭한다.

본 시험에서는, 시험편 중의 섬유 강화부 (12)의 적층 방향에 대하여 수직 방향으로 하중을 걸었다.

도 4는, 본 실시예의 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편에 의한 3점 굴곡 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4에서의 X축은 변위(mm), 즉 굴곡 시험 중의 시험편의 휨을 나타내고, Y축은 굴곡 강도(MPa)를 나타낸다. 이와 같이, 상기 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편은, 약 30%에 이르는 높은 기공율에도 불구하고, 최대 약 300MPa 이라고 하는 대단히 높은 굴곡 강도를 나타냈다. 또, 최대 굴곡 강도에 도달한 후의 그래프가, X축으로 향하여 수직으로 낙하하는 것이 아니고, 단계적으로 내려 가는 점에서, 시험편이 단번에 파단하는 것이 아니라, 서서히 파괴되어 가는 것이 확인되었다. 이 시험 결과로부터, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편이, 높은 인성을 갖는 것을 알 수 있다.

도 5에서 (1)은, 3점 굴곡 시험 후의 상기 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편의 전체 사진이다. 3점 굴곡 시험 후에서도 전체가 완전하게 파괴되지 않고, 원형을 유지하고 있는 점에서도, 본 실시예의 SiC 세라믹 구조체 (1)이 고인성을 갖는 것을 알 수 있다.

도 5에서 (2)는, 상기 시험편에서의 균열의 모습을 나타내는 시험편의 측면 확대 사진이다. 시험편의 표면(사진 최하부)에 생성된 균열은, 수직 방향으로 곧바로 진행하는 것이 아니라, SiC 연속 섬유의 방향에 따라서 수평 방향으로도 진행하면서, 전체적으로 들쭉날쭉하게 진행되고 있다. 이 점에서, 본 실시예의 SiC 세라믹 구조체 (1)에서는, 국소적으로 생긴 균열의 진행이 SiC 연속 섬유에 의해 저해되고 있는 것을 알 수 있다.

〔2〕 인장 시험

인장 시험은, 대략 직방체의 시험편의 양단을 척(chuck)으로 집어, 각각을 역방향으로 인장하여, 파단에 도달할 때까지의 변형률이나 인장 강도 등을 구함으로써, 시험편을 구성하는 재료의 인성이나 강도를 평가하는 것이다.

변형률은, 다음식으로 나타낸다.

변형률(%)=[(L1-L0)/L0]×100

여기에서, L0=시험 전의 시험편의 길이, L1=하중을 건 때의 시험편의 길이를 나타낸다.

또, 인장 강도는 다음식으로 나타낸다.

인장 강도(MPa)=F/A

여기에서, F=인장 시험 하중, A=시험 전의 시험편의 단면적을 나타낸다.

도 6은, SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편을 섬유 강화부 (12)의 적층 방향과 동일한 방향으로 인장하였을 때의 인장 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6에 있어서, X축은 변형률(Tensile Strain: %)를, Y축은 인장 강도(Tensile Stress: MPa)를 나타낸다. 그래프 중의 실선은, 실제의 시험 결과를 나타낸다. 또, 파선은, 연성이 없는 소재에서의 이론상의 인장 강도와 변형률의 관계를, 실제의 시험 결과를 나타내는 실선의 그래프에 있어서, 변형률이 0인 때의 기울기를 기준으로 나타낸 것이다. 이와 같이, 연성이 없는 소재는 변형률과 인장 강도가 완전한 비례 관계를 나타낸다. 이에 대하여, 본 실시예의 상기 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편에서는, 인장 강도가 커지는 만큼 연성이 없는 소재 보다 변형률이 커지며, 연성을 갖고 있는 것이 확인되었다.

도 7에서 (1)은, 인장 시험 후의 SiC 세라믹 구조체 (1)의 시험편의 전체 사진이다. 섬유 강화부 (12)의 적층 방향에 따라서 균열이 생기고 있는 것을 알 수 있다.

또, 도 7에서 (2)는, 시험편의 파단 부분의 측면을 확대하여 촬영한 것이다. 도 7에서 (2)로부터 명확한 것과 같이, 인장 시험 후의 시험편에서는, 섬유 비강화부 (11)로의 전단 파괴와 섬유 강화부 (12)의 인발이 관찰되었다. 이 점에서, 섬유 강화부 (12)가 섬유 비강화부 (11)에 비해 상대적으로 높은 강도를 갖고 있는 것이 확인되었다. 또, 균열의 대부분이 인장 방향에 대하여 수평으로 나타나고 있는 점에서, 균열 내부에 발생하는 마찰력이, 시험편의 강도에 공헌하고 있을 가능성이 추측되었다.

이상과 같이, 본 실시예와 관한 SiC 세라믹 구조체 (1)은, 그것을 구성하는 SiC 세라믹 재료가 고강도일 뿐만 아니라 고인성도 갖는 점에서, 예를 들어, 균열이 생기더라도 단번에 파단하지 않는다. 종래의 세라믹 구조체는, 국소적인 균열이 발생하면, 그 균열이 단번에 진행하여 재료가 파단하여 버린다. 이 때문에, 사용 수명이 짧고, 또 완전하게 파단하여 버리기 전에 새로운 것으로 교환하는 것이 곤란하다. 이것에 대하여, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 국소적인 균열의 진행이 SiC 연속 섬유에 의해 저해되어 곧바로 파단하지 않는다. 이 때문에, 종래의 세라믹 구조체에 비하여 사용 수명이 큰폭으로 연장되며, 교환 빈도를 줄일 수 있다. 또, 정기적인 점검 등에 의해, 완전하게 파단하여 버리기 전에 새로운 것으로 교환할 수 있다. 따라서, 본 실시예와 관련된 SiC 세라믹 구조체는, 예를 들면 쓰레기 소각 발전로의 벽면이나 굴뚝의 노즐 등의 구조 재료로서 바람직하게 이용할 수 있다.

본 실시예에 관한 SiC 세라믹 구조체 (1)은, 섬유 비강화부 (11)과 섬유 강화부 (12) 뿐만 아니라, 그 계면도 포함한 전체가 SiC로 구성된다. 따라서, 본 실시예에 관한 SiC 세라믹 구조체 (1)은, 고온·산화 분위기하에서도 계면층이 산화 침식으로 열화하기 어렵고, 구조 재료에 적절한 내식성을 갖는다.

더욱이, 본 발명은 상기하는 실시예로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 다음과 같은 변형이 가능하다.

상기 실시예에서는, 원료로서 β-SiC 분말을 이용하였지만, 육방정계, 즉 α형의 SiC 분말을 이용하여도 된다. 또, 본 실시예에서는 고결정성의 SiC 연속 섬유를 이용하였지만, 보다 결정성이 낮은 SiC 연속 섬유를 이용할 수도 있다. 저결정성의 SiC 연속 섬유는, 고결정성의 SiC 연속 섬유에 비하여 내열 온도, 즉 강도를 유지할 수 있는 온도가 낮기 때문에, 가압 소결시의 온도가 내열 온도를 넘지 않도록 설정한다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는 반응 소결(RS법：Reaction Sintering) 법에 의해 제조할 수도 있다.

반응 소결법을 이용하는 경우, 상기 실시예에서의 슬러리 제작 공정(스텝 S1), 프리프레그재 제작 공정(스텝 S2), 및 가압 소결 공정(스텝 S3)에 대신하여, SiC 연속 섬유의 다발과 탄소 성분(예를 들면 탄소 분말)과 Si 분말을 포함하는 반응 준비체를 제작하는 반응 준비체 제작 공정과, 상기 반응 준비체를 실리콘의 융점 이상의 온도로 가열하고, 탄소 성분과 Si 분말을 반응시켜 반응 소결체를 얻는 반응 소결 공정을 실시한다. 탈탄 공정은 액상 소결법에 의해 SiC 세라믹 구조체를 제조하는 경우와 마찬가지로 실시한다.

상기 반응 준비체 제작 공정에서 사용하는 탄소 성분의 양은, 반응 소결 공정에 있어서, Si 분말과 반응하여 SiC를 형성하는데에 필요한 양을 상회하도록 하여 둔다. 이 상회하는 양의 탄소 성분(잔류 탄소 성분)이 탈탄 공정에 있어서, 기화 방출되어 다공질 SiC 세라믹 모재를 형성한다. 따라서, 반응 준비체 제작 공정에 있어서 혼입시키는 탄소 성분의 양을 조정함으로써, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 변화시킬 수 있다. 이 기공율은, 상술한 것과 같이 15%~80%로 하는 것이 바람직하고, 또 25%~60%로 하는 것이 보다 바람직하다.

상기 반응 준비체에는 SiC 분말을 포함하여도 된다. SiC 분말을 혼입시키면, SiC 분말이 핵이 되어, 그 주위에, 반응에 의해 생성된 SiC가 성장하여 다공질 SiC 세라믹 모재를 형성한다. 이것에 의해, SiC 세라믹 모재의 형성 효율을 높일 수 있다.

상기 반응 준비체 제작 공정에서는, 탄소 성분으로서 페놀 수지 등, 실리콘의 융점 보다 저온에서 탄화하는 수지를 이용하여도 된다. 이 경우, 수지를 혼입시킨 반응 준비체와 Si 분말을 가열하면, 우선 실리콘의 융점인 1414℃에 도달하기 전에 수지가 탄화하고, 그 다음으로 실리콘의 융점에 도달한 단계에서 수지의 탄화 성분과 용융 실리콘이 반응하여 SiC를 형성한다.

액상 소결법을 이용하는 경우, 고온 고압 조건하(예를 들면 1800℃, 10 MPa)에서 가압 소결체를 얻기 위하여, 내열 온도가 낮은 저결정성의 SiC 세라믹 연속 섬유를 이용하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.

이것에 대하여, 반응 소결법을 이용하는 경우에는 가압하지 않고, 실리콘의 융점인 1414℃ 정도의 조건하에서 반응 소결 공정을 실시하기 때문에, 저결정성의 SiC 연속 섬유를 이용할 수 있다. 이 때문에, 반응 소결법을 이용하면, 저비용인 저결정성의 SiC 연속 섬유를 이용하여도, 용이하게 다공질 SiC 세라믹 재료를 제작할 수 있다.

반응 소결법을 이용하여 제조한 SiC 세라믹 구조체의 일례에 대하여 설명한다. 이 예에서는 탄소 성분으로서 탄소 분말을 이용하여, 상기 실시예에서 사용한 Tyranno-SA 섬유 보다 저결정성의 SiC 연속 섬유인 Tyranno-ZMI 섬유(우베 코우산 제)를 이용하였다. 또, 탄소 성분과 용융 실리콘이 반응하여 형성되는 SiC에 대한 잔류 탄소 성분의 체적 비율이 20%가 되도록, 반응 준비체 제작 공정에서 사용하는 탄소 분말의 양을 조정하였다. 반응 준비체는, 탄소 분말과 Si 분말을 포함하는 슬러리로부터 슬러리 시트를 제작하고, 이 슬러리 시트와 Tyranno-ZMI 섬유의 다발로 이루어진 시트를 순차적으로 적층함으로써 제작하였다.

그리고, 반응 소결 공정에서는 반응 준비체를 1450℃에서 가열하여 반응 소결체를 얻었다. 탈탄 공정은, 액상 소결법을 이용한 상기 실시예와 마찬가지로 실시하였다.

상기 조건으로 제조한 세라믹 구조체로부터 2개의 시험편을 절출하고, 3점 굴곡 시험을 실시한 결과를 도 8에 나타낸다. 3점 굴곡 시험의 방법은 상기 실시예에서 실시한 것과 마찬가지이며, 도 8에서의 가로축은 굴곡 시험 중의 시험편의 휨을 나타내는 변위(mm), 세로축은 굴곡 강도(MPa)이다. 이 예에서는 저결정성의 SiC 연속 섬유를 이용하였음도 불구하고, 반응 소결법을 이용하여 제조한 2개의 시험편은 모두 약 80MPa 이라고 하는 높은 굴곡 강도를 나타냈다. 또, 가압 소결체를 이용하여 제조한 SiC 세라믹 구조체와 마찬가지로, 최대 굴곡 강도에 이른 후, 굴곡 강도가 단번에 저하하지 않고, 단계적으로 저하하고 있는 점에서, 반응 소결법을 이용하여 제조한 SiC 세라믹 구조체의 경우에도, 시험편이 단번에 파단하는 것이 아니라, 서서히 파괴되는 것이 확인되었다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체는, 화학 증착 침투(CVI：Chemical Vapor Infiltration) 법을 이용하여 제조할 수도 있다.

화학 증착 침투법이란, 저밀도의 섬유 내에 기체 상태의 전구체를 유입시켜, 이것을 열분해시킴으로써, 얻어지는 생성물을 섬유 표면에 증착 시키는 것이다.

상세하게는, SiC 연속 섬유의 다발에 대하여, 기체 상태의 SiC 전구체와 탄소 전구체를 혼합한 증착용 혼합 가스를 고온하에서 유입시킨다.기체 상태의 SiC 전구체로서는, 메틸트리클로로실란(MTS) 또는 에틸트리클로로실란(ETS) 또는 이들의 혼합물을, 또 기체 상태의 탄소 전구체로서는 메탄, 에탄, 프로필렌 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 증착용 혼합 가스를 SiC 연속 섬유의 다발에 대하여 유입시킴으로써, SiC 전구체가 열분해하여 생성된 SiC와 탄소 전구체가 열분해하여 생성된 탄소를 SiC 연속 섬유의 바깥 주위에 증착시킨 화학 증착체를 제작한다. 그리고, 대기 분위기하에서, 화학 증착체를 700℃ 정도로 가열하여 탄소를 기화 방출시키는 탈탄 처리를 실시한다.

이와 같이 하여, 다공질 SiC 세라믹 모재 중에 SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 SiC 세라믹 재료를 얻을 수 있다.

화학 증착 침투법에 의해 다공질 SiC 세라믹 재료를 제작하는 경우에는, 증착용 혼합 가스에 포함되는 탄소 전구체 가스의 양을 증감시켜 화학 증착체에 포함되는 탄소의 양을 조정하고, 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율을 변화시킬 수 있다. 이 기공율은, 상술한 것과 같이 15%~80%로 하는 것이 바람직하고, 또 25%~60%로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 관한 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법은 모두, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하며, 또한 탄소 성분을 함유하는 성형체(소결체 또는 화학 증착체)를 제작하고, 상기 성형체로부터 탄소를 기화 방출시키는 탈탄 공정을 실시함으로써, SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 다공질 세라믹 모재를 형성시킨다는 점에서 공통된다.

또, 본 발명의 제조 공정에서의 각종 조건이나, 원료의 종류 등은, 본 발명의 기술 범위에서 일탈하지 않는다면 적절히 변경할 수 있다.

예를 들면, 상기한 어느 하나의 제조 방법에 있어서도, 봉 모양으로 묶은 SiC 연속 섬유의 다발이나 SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트를 이용하여, 봉 모양이나 판 모양 등의 SiC 세라믹 구조체를 제작할 수 있다. 또, 복수개의 SiC 연속 섬유의 다발을 적절하게 조합시킴으로써, 다양한 형상의 SiC 세라믹 구조체를 제작할 수 있다. 또, 상기한 두가지의 제조 방법에 있어서도, SiC 연속 섬유의 다발로서 SiC 연속 섬유 직물을 이용할 수 있다. SiC 연속 섬유 직물을 이용하여 제조된 SiC 세라믹 구조체는, 어느 방향으로 균열이 생기더라도, 그 방향으로 균열이 진행하기 곤란하고, 파단하기 어렵다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는, 세라믹 모재의 다공질성에 유래하는 고단열성, 경량성에, 추가하여 고강도·고인성을 가진다. 여기서 말하는 고내열성이란, 상시 고온 상태인 환경하 뿐만 아니라, 고온 상태와 저온 상태가 반복하는 환경하에서도 재료가 열화하기 어려운 것을 의미한다. 또, 본 발명에 관한 SiC 세라믹 재료는, 미량의 불순물을 제외한 SiC로 구성되어 있으며, 다른 원소에 의해 구성되는 층 등을 포함하지 않기 때문에, 고온·산화 분위기하에서도 산화 침식에 의한 열화가 일어나기 어렵다. 따라서, 예를 들면 쓰레기 소각 발전로의 벽면이나 굴뚝의 노즐 등, 환경 에너지 산업에서의 초고온 부재로서 바람직하게 이용할 수 있다. 또, 경수로의 피복관이나, 고온 가스로의 제어봉 등의 원자력 용도에 대한 적용이 가능하다고 생각된다. 더욱이, 항공 우주 산업에서의 초고온 엔진용 노즐, 초고온 터빈 블레이드 및 세라믹 히터등에 대한 적용도 고려될 수 있다. 그 외, SiC에 유래한 내중성자성도 갖는 점에서, 핵융합로용 Dual-Coolant Lead Lithium(DCLL) 블랭킷의 인서트 재료에 대한 적용도 고려될 수 있다.

1…SiC 세라믹 구조체
11…섬유 비강화부(다공질 SiC 세라믹 모재)
12…섬유 강화부

Claims

다공질 SiC 세라믹 모재 중에 SiC 연속 섬유의 다발을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 재료.
청구항 1에 있어서,
상기 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 15%~80%인 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 재료.
청구항 1에 있어서,
상기 다공질 SiC 세라믹 모재 내의 기공율이 25%~60%인 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 재료.
청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 SiC 세라믹 재료로 구성된 SiC 세라믹 구조체.
청구항 4에 잇어서,
상기 SiC 연속 섬유의 다발이 시트 모양의 다발인 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체.
청구항 4의 SiC 세라믹 구조체로 구성되는 섬유 강화부와 다공질 SiC 세라믹 모재로 구성되는 섬유 비강화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체.
SiC 분말과 탄소 분말을 액체 중에 넣어 혼합하고, 슬러리를 제작하는 슬러리 제작 공정과,
SiC 연속 섬유의 다발과 상기 슬러리를 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,
상기 가압 소결체를 가열함으로써, 상기 가압 소결체에 포함되는 탄소 분말을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
SiC 분말과 탄소 분말을 액체 중에 넣어 혼합하고, 슬러리를 제작하는 슬러리 제작 공정과,
SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트에 상기 슬러리를 함침시켜 프리프레그 시트를 제작하는 프리프레그 시트 제작 공정과,
상기 프리프레그 시트를 적층하여 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,
상기 가압 소결체를 가열함으로써, 상기 가압 소결체에 포함되는 탄소 분말을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
SiC 분말과 탄소 분말을 액체 중에 넣어 혼합하고, 슬러리를 제작하는 슬러리 제작 공정과,
상기 슬러리에 의해 슬러리 시트를 제작하는 슬러리 시트 제작 공정과,
SiC 연속 섬유의 다발로 이루어진 시트와 상기 슬러리 시트를 적층하여 형틀에 넣고 압력을 가하면서 소결하고, 가압 소결체를 얻는 가압 소결 공정과,
상기 가압 소결체를 가열함으로써, 상기 가압 소결체에 포함되는 탄소 분말을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬러리 제작 공정에 있어서 혼합하는 탄소 분말의, SiC 분말에 대한 체적 비율을 15%~80%로 하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
SiC 연속 섬유의 다발과 탄소 성분과 Si 분말을 포함하는 반응 준비체를 제작하는 반응 준비체 제작 공정과,
상기 반응 준비체를 실리콘의 융점 이상의 온도로 가열하고, 상기 탄소 성분과 상기 Si 분말을 반응시켜 반응 소결체를 얻는 반응 소결 공정과,
상기 반응 소결체를 가열함으로써, 상기 반응 소결체에 포함되는 잔류 탄소 성분을 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 반응 소결 공정에 있어서, 탄소 성분과 용융 실리콘이 반응하여 형성되는 SiC에 대한 상기 잔류 탄소 성분의 체적 비율이 15%~80%가 되도록, 상기 반응 준비체 제작 공정에 있어서 탄소 성분을 혼입시키는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
SiC 연속 섬유의 다발에 대한 SiC 전구체와 탄소 전구체를 혼합한 증착용 혼합 가스를, 상기 SiC 전구체와 상기 탄소 전구체의 양쪽이 열분해하는 온도에서 유입시켜, 상기 SiC 연속 섬유의 다발에 상기 SiC 전구체가 열분해하여 생성된 SiC와 상기 탄소 전구체가 열분해하여 생성된 탄소를 증착시킨 화학 증착체를 제작하는 화학 증착체 제작 공정과,
상기 화학 증착체를 가열함으로써, 상기 화학 증착체에 포함되는 탄소를 기화 방출하는 탈탄 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 화학 증착체 제작 공정에 있어서, 상기 탄소 전구체로부터 분해하여 생성되는 탄소의, 상기 SiC 전구체로부터 분해하여 생성되는 SiC에 대한 체적 비율이 15%~80%가 되도록, 상기 증착용 혼합 가스에 포함되는 SiC 전구체와 탄소 전구체의 비율을 조정하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.
청구항 7 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 SiC 연속 섬유의 다발로서 SiC 연속 섬유 직물을 이용하는 것을 특징으로 하는 SiC 세라믹 구조체의 제조 방법.