KR20150144873A - 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법 - Google Patents

균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150144873A
KR20150144873A KR1020140073556A KR20140073556A KR20150144873A KR 20150144873 A KR20150144873 A KR 20150144873A KR 1020140073556 A KR1020140073556 A KR 1020140073556A KR 20140073556 A KR20140073556 A KR 20140073556A KR 20150144873 A KR20150144873 A KR 20150144873A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
preform
composite
sic
circumferential surface
Prior art date
Application number
KR1020140073556A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101623914B1 (ko
Inventor
박지연
김원주
김대종
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020140073556A priority Critical patent/KR101623914B1/ko
Publication of KR20150144873A publication Critical patent/KR20150144873A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101623914B1 publication Critical patent/KR101623914B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62844—Coating fibres
    • C04B35/62857—Coating fibres with non-oxide ceramics
    • C04B35/6286—Carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62897—Coatings characterised by their thickness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32—Carbides
    • C23C16/325—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

본 발명은 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 준비하는 단계(단계 1); 및 상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키면서, 프리폼의 외주면 및 내주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법은, 미세구조의 균일성이 향상된 고밀도의 복합체를 빠른 시간 내에 제조할 수 있는바, 종래의 제조방법과 비교하여 제조공정에 소비되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 복합체는 가스터빈, 우주항공 및 차세대 원자로의 고강도/고인성 구조 재료로서 사용될 수 있다.

Description

균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법{Method for fabrication of high density SiCf/SiC composites with homogeneous microstructure}
본 발명은 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 회전하는 탄화규소 복합체의 내주면 및 외주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상을 침착시켜 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하는 방법에 관한 것이다.
산업구조의 고도화 및 에너지 효율 향상에 대한 요구로 초고온 등의 극한 환경에서 기능을 발휘하는 소재에 대한 요구가 급증하고 있다. 세라믹스 섬유강화 복합소재는 초고온 등의 극한 환경에서도 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도 특성을 유지하는 소재로 자동차용 디젤분진필터, 우주, 항공, 원자력 등의 산업분야에 핵심 소재로 인식되고 있다. 섬유강화 복합소재가 극한 환경에서 우수한 성능을 발휘하기 위해서는 고강도의 내열 세라믹스 섬유가 기본요소가 되며, 이러한 세라믹스 섬유를 원하는 형태로 직조하여 치밀화하는 방법이 필요하다.
한편, 탄화규소 (SiC)는 우수한 열적, 기계적 특성을 보유하는 세라믹 재료로 1891년 E. G. Acheson에 의하여 발견된 이래, 전기화학적인 방법과 기상화학증착법 (CVD) 등을 활용하여 분말로 제조되고 있다.
탄화규소 섬유는 1970년대 중반에 미국의 NASA, Textron 및 Dow Corning 사가 연계하여 Sylamic™ 섬유를 개발하였으며, 일본에서는 Nippon Carbon사가 극저 산소함유 NiCalon™ 섬유를 개발하였으며, Ube사에서는 전구체 고분자의 개질을 통하여 완전결정화 섬유 Tyranno™를 제조하였다. 특히 Tyranno™ 섬유는 C/Si의 화학양론 비가 1.08로서 거의 1 에 가까우며, 무산소 분위기에서 1900 ℃ 까지, 산소 분위기에서는 1000 ℃ 까지 안정성을 보여주어 내열성이 요구되는 우주, 항공, 원자력 등의 산업분야에 적합한 섬유로 알려져 있다.
다만, 우주, 항공, 원자력 등의 산업분야 분야로의 적용을 위해서는 고밀도 및 높은 기계적 강도가 요구되며, 탄화규소 분말을 이용하여 고밀도 세라믹을 제조하더라도 기계적인 강도 측면에서 취성 파괴를 일으키는 단점이 있다.
이때, 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체 (SiCf/SiC)는 우수한 열적, 기계적 특성으로 인하여 고온 극한 환경에서도 사용이 가능한 장점이 있다. 이에, 우주항공용 고온용 소재 및 가스터빈용 구조재료뿐만 아니라, 우수한 내방사선성 소재로 제4세대 원자로 및 미래형 핵융합로의 구조재료로도 이용될 수 있다.
한편, 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하는 방법으로는 화학기상침착법(CVI: chemical vapor infiltration), 고분자 함침 후 열분해법 (PIP: polymer impregnation and pyrolysis), 반응소결법(RS: reaction sintering), NITE법(nano-infiltrated transient eutectoid) 및 이들을 조합한 방법들이 알려져 있으며,
일례로써 대한민국 공개특허 제10-2001-0087910호에서는 섬유 강화 화학기상침착 탄화규소 기지 복합체의 제조 방법, 즉 화학기상침착법을 통해 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하는 방법이 개시된 바 있다.
이때, 상기의 선행특허에서도 개시된 바 있는 화학기상침착법은 1000 ℃ 내외의 온도에서 기체를 출발물질로 하여 SiC 섬유 사이에 SiC 기지상을 증착시키므로 화학양론비를 가지는 SiC를 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있으며, SiC 섬유 사이에 기지상을 채워 넣음에 따라 고온에서 섬유의 손상을 최소화할 수 있으며, 불순물이 최소인 우수한 고온특성을 지닌 복합체를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 고밀도로 SiC 기지상을 증착시키기 위해서는 수십 시간의 가동시간이 필요하며, 잔류기공이 존재할 수 있고, 제조단가가 높다는 단점이 있다. 특히, SiC 기지상의 증착 시 복합체의 표면에 우선적으로 기지상이 증착됨으로써, SiC 섬유 내부로의 원활한 침착이 어렵고, SiC 기지상이 증착되는 대상 부품의 두께가 두꺼울 경우 고밀도의 복합체를 제조하기 어려운 문제가 있다.
따라서, SiC 기지상을 빠른시간 내에 고밀도로 증착시키는 경우, 제품의 특성 향상 및 제조단가의 감소효과를 기대할 수 있는바, 이를 달성할 수 있는 제조공정이 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은, 상기와 같이 통상의 화학기상침착에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 방법을 연구하던 중, 튜브 형태의 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키며 프리폼의 내주면 및 외주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상을 침착시킴으로써, 균일한 미세구조를 갖는 탄화규소 섬유 강화 탄화규소 복합체를 빠른 시간 내에 제조할 수 있는 제조방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 공개특허 제10-2001-0087910호
본 발명의 목적은 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키면서, 프리폼의 외주면 및 내주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 고정하는 홀더(holder);
상기 홀더에 고정된 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면과 일정간격으로 이격되어 구비되며, 상기 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면으로 기상의 유기실리콘화합물을 공급하는 원료기체 공급부; 및
상기 홀더의 일단부와 연결되어 상기 홀더를 회전시키는 홀더 회전부;를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조장치를 제공한다.
나아가, 본 발명은
제조방법을 통해 제조되는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 제공하며,
상기 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 포함하는 구조재료, 특히 원자로, 항공우주, 방위산업, 에너지 산업용 고온 구조재료를 제공한다.
본 발명에 따른 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법은, 미세구조의 균일성이 향상된 고밀도의 복합체를 빠른 시간 내에 제조할 수 있는바, 종래의 제조방법과 비교하여 제조공정에 소비되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 복합체는 가스터빈, 우주항공 및 차세대 원자로의 고강도/고인성 구조 재료로서 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제조방법을 수행할 수 있는 제조장치를 나타낸 개념도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 복합체의 단면을 나타낸 사진이고,
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 복합체의 압환압축강도를 측정한 그래프이다.
본 발명은,
튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키면서, 프리폼의 외주면 및 내주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법에 있어서, 단계 1은 튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 준비하는 단계이다.
상기 단계 1의 탄화규소 섬유 프리폼은 본 발명에서 제조하고자 하는 복합체의 지지체로써, 상기 탄화규소 섬유 프리폼은 다공성을 나타내어 내부로 탄화규소 기지상을 용이하게 침착시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 1의 탄화규소 섬유 프리폼은 탄화규소로 이루어진 섬유를 직접 직조하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 탄화규소 섬유를 필라멘트 권선(filament winding)이나 브레이딩(braiding)하여 제조될 수 있다. 그러나, 상기 탄화규소 섬유 프리폼이 이에 제한되는 것은 아니며, 다공성의 특성을 나타내는 튜브형태의 프리폼을 제조할 수 있는 통상의 방법을 통해 프리폼을 제조할 수 있다.
한편, 상기 단계 1의 탄화규소 섬유 프리폼은 튜브형태로 준비될 수 있으며, 상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼의 내경은 10 내지 300 mm일 수 있으며, 프리폼의 내경은 그 용도에 따라 적절히 변경될 수 있다.
본 발명에 따른 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키면서, 프리폼의 외주면 및 내주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계이다.
상기 단계 2를 통해 탄화규소 기지상을 형성시킴으로써, 밀도 구배가 최소화된 고밀도의 탄화규소 기지상을 제조할 수 있으며 강도가 향상될 수 있다. 또한, 탄화규소 기지(matrix)에 응력이 가해져 균열이 전파될 때, 계면과 섬유가 에너지를 흡수하여 세라믹의 파괴인성을 향상시킬 수 있는바, 종래기술에서의 단미 (monolith) 세라믹의 취성 파괴 결점을 해결할 수 있다.
한편, 일반적인 화학기상침착 등의 기존 제조방법으로 탄화규소 기지상을 형성시키는 경우, 프리폼 내부로 기지물질이 침착되어 밀도가 높아짐에 따라 원료물질의 공급경로가 차단되어 더 이상의 침착이 수행되지 않는 막힘 현상이 필연적으로 발생하는 문제가 있었다. 또한, 이러한 문제를 방지하기 위하여, 가능한 낮은 온도에서 저농도의 원료물질을 공급하여 화학기상침착을 수행하는 방법이 모색되었으나, 이 경우 수십 시간에 걸쳐서 공정을 수행하여야 하는바, 제조비용 측면에서 큰 손실이 발생하는 문제가 있다.
이때, 상기 단계 2에서는 탄화규소 프리폼을 회전하면서 프리폼의 내부에 탄화규소 기지상을 형성시킴으로써, 종래보다 빠른 시간 내에 탄화규소 기지상을 프리폼 표면에 침착시킴으로써, 이러한 비용적인 손실을 방지하고, 복합체의 균일성 향상 및 고밀도의 복합체를 제조할 수 있다.
한편, 상기 단계 2에서 형성시키는 탄화규소 기지상(matrix phase)은 화학기상침착을 통해 프리폼의 내부에 형성될 수 있다.
한편, 일례로써 상기 화학기상침착은,
실리콘 및 탄소를 포함하는 유기실리콘화합물을 프리폼의 외주면 및 내주면 으로 원료기체를 공급하는 단계(단계 a); 및
공급된 유기실리콘화합물으로부터 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 b);를 포함하는 공정으로 수행될 수 있다.
이때, 상기 단계 a에서 원료물질로서 사용되는 유기실리콘화합물은 메틸트리클로로실란(Methyltrichlorosilane), 디메틸트리클로로실란(Dimethyltrichlorosilane), 에틸트리클로로실란(ethyltrichlorosilane)와 같이 실리콘 및 탄소를 포함하는 화합물을 사용할 수 있으나, 상기 원료물질이 이에 제한되는 것은 아니며 화학기상침착을 통해 탄화규소를 형성할 수 있는 적절한 물질을 사용할 수 있다.
또한, 상기 화학기상침착은 900 내지 1600 ℃의 온도, 1 내지 760 torr의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다. 만약 상기 화학기상침착이 상기 온도 범위를 벗어난 조건에서 수행되는 경우에는 비화학양론비를 가지는 탄화규소가 형성될 수 있으며, 강도저하 및 고온 특성의 감소를 초래할 수 있는 문제가 있다.
또한, 압력 범위를 벗어난 조건에서 상기 화학기상침착이 수행되는 경우에도화학정량비가 1인 상을 형성하기 어려운 문제가 있다.
한편, 본 발명의 제조방법을 통해 프리폼을 회전시키면서 화학기상침착을 수행하는 경우에는 공정시간을 단축할 수 있는바, 궁극적으로는 공정비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 2에 있어서, 상기 탄화규소 섬유 프리폼은 0.001 내지 60 rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 만약 상기 탄화규소 섬유 프리폼의 회전속도가 상기 범위를 만족하지 못하는 경우에는 제조되는 복합체의 밀도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 복합체 제조방법은, 상기 단계 2의 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키기 전, 탄화규소 섬유 프리폼의 표면으로 열분해탄소(PyC), 질화보론(BN) 또는 열분해탄소 및 탄화규소를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있으며,
상기 열분해 탄소 및 탄화규소를 순차적으로 반복 코팅하여, 열분해 탄소와 탄화규소가 번갈아 층을 이룬 다층구조층을 코팅할 수 있다.
상기 열분해탄소(PyC), 질화보론(BN), 열분해 탄소와 탄화규소의 코팅층은 최종적으로 제조되는 복합체의 기계적강도 및 인성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 코팅층은 20 내지 1000 nm의 두께로 코팅되는 프리폼 섬유의 표면에 코팅될 수 있다. 만약 상기 코팅층의 두께가 상기 범위 미만인 경우에는 취성파괴가 발생할 수 있고, 상기 두께 범위를 초과하는 경우에는 복합체의 강도가 감소하는 문제가 있다.
또한, 본 발명은
튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 고정하는 홀더(holder);
상기 홀더에 고정된 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면과 일정간격으로 이격되어 구비되며, 상기 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면으로 기상의 유기실리콘화합물을 공급하는 원료기체 공급부; 및
상기 홀더의 일단부와 연결되어 상기 홀더를 회전시키는 홀더 회전부;를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조장치를 제공한다.
이때, 상기 제조장치를 개략적으로 도시한 그림을 도 1에 나타내었으며, 이하 도면을 참조하여 상기 제조장치를 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 복합체의 지지체로 사용되는 튜브형태의 탄화규소 섬유 프리폼(1)은, 그 일단부가 홀더(2)에 고정된다. 홀더에 고정된 상기 프리폼의 내부에 탄화규소 기지상을 형성시키기 위하여, 상기 프리폼의 내주면 및 외주면과 일정간격으로 이격되어 원료기체 공급부(3, 4)가 구비될 수 있으며, 상기 원료기체 공급부를 통해 기상의 유기실리콘화합물을 상기 프리폼의 내주면 및 외주면을 통하여 프리폼 내부에 침착시킬 수 있다. 또한, 홀더에 고정된 상기 프리폼을 회전시키기 위하여, 상기 홀더의 일단부로는 홀더를 회전시키기 위한 홀더 회전부(5)가 연결될 수 있다. 상기 홀더 회전부를 통해 홀더를 회전시킴으로써, 홀더에 고정된 탄화규소 프리폼이 회전하게 되며, 이를 통해 탄화규소 프리폼을 회전시키면서 탄화규소 기지상을 프리폼 섬유 표면에 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 홀더 회전부는 0.001 내지 60 rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 만약 상기 홀더 회전부가 상기 범위를 벗어나는 속도로 회전하는 경우에는, 탄화규소 섬유 프리폼의 회전속도가 너무 느리거나 또는 너무 빠른 이유로 인하여, 제조되는 복합체의 밀도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, 본 발명은 제조방법을 통해 제조되는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 제공하며,
상기의 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 포함하는 구조재료를 제공한다.
본 발명에 따라 제조되는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체는, 상기한 바와 같이 프리폼을 회전시키면서 탄화규소 기지상을 표면에 침착시켜 제조된 것으로써, 종래의 복합체와 비교하여 제조시간이 단축됨에 따라 상대적으로 공정비용이 저렴하고, 이러한 이유로 시중에 낮은 비용으로 공급될 수 있는 장점이 있다. 또한, 종래의 복합체보다 더욱 고밀도로 제조되어 기계적 강도가 더욱 우수한 장점이 있다.
한편, 원자로 분야, 특히 원자로를 구성하는 구조재료 분야에서는 고온에서의 안정성, 우수한 내방사선성 및 우수한 기계적 강도가 요구된다. 이때, 상기 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 포함하는 구조재료는 이와 같이 원자로의 노심 구조재료 분야에서 요구하는 고온 안정성, 우수한 내방사선성 및 우수한 기계적 강도를 모두 만족할 수 있다.
나아가, 상기 구조재료는 원자로의 노심 구조재료뿐만 아니라, 항공우주산업, 방위산업, 에너지 산업 등에서도 고온 구조재료로써 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1> 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조 1
단계 1 : 탄화규소(SiC) 섬유를 필라멘트 권선(filament winding) 법으로 섬유간 각도가 55도가 되도록 2층으로 권선하여 내경이 10 mm인 튜브형태 탄화규소 섬유 프리폼을 제조하였다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 제조된 탄화규소 섬유 프리폼의 일단부를 도 1에 도시한 장치의 홀더에 고정시킨 후, 탄화규소 섬유 프리폼을 0.5 rpm의 속도로 회전시키면서 프리폼의 내주면 및 외주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상을 침착시켰다.
이때, 상기 탄화규소 기지상은 메틸트리클로로실란(MTS, CH3SiCl3)을 원료물질로 이용하여 1000 ℃의 온도, 10 torr의 압력 조건 하에서 프리폼의 내·외주면으로 각각 2.5시간 동안 공급하여 화학기상침착법을 통해 프리폼의 내부에 침착되었으며, 이를 통해 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하였다.
<실시예 2> 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조 2
상기 실시예 1에 있어서, 단계 2의 탄화규소 기지상을 침착시키기 전, 프리폼의 내주면 및 외주면에 1100 ℃의 온도조건 하에서 열분해탄소 (PyC)를 200 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 2에 있어서, 단계 2의 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키지 않고, 내·외주면으로 각각 2.5시간 동안 원료물질을 공급하여 화학기상침착을 수행하여 프리폼의 내부에 탄화규소 기지상을 침착시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조하였다.
<실험예 1> 복합체의 밀도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체들의 밀도를 아르키메데스법을 통해 측정하였다.
탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키지 않고, 화학기상침착을 수행하여 제조된 비교예 1의 복합체는 밀도가 약 1.78 g/cm3 으로 측정되었다.
반면, 본 발명에 따른 실시예 2에서 프리폼을 회전시키며 탄화규소 기지상을 침착시키는 경우, 동일조건에서 수행되었음에도 불구하고 회전없이 기지상이 침착된 비교예 1과 비교하여 복합체의 밀도가 약 5 내지 10%이상 향상되는 것을 알 수 있다.
<실험예 2> 복합체의 단면 분석
실시예 2 및 비교예 1의 복합체 단면을 분석하기 위하여, 비파괴 방법인 micro-CT(Computed Tomography)를 이용하여 복합체의 길이 방향으로 절단된 단면을 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키며 기지상을 침착시킨 실시예 2의 복합체는 서로 상반된 위치의 절단면(a와 b면) 모두 균질도가 높은 것을 알 수 있는 반면,
비교예 1의 복합체 단면은 프리폼의 회전이 수행되지 않음에 따라, 오랜시간 화학기상침착이 수행되었음에도 불구하고, 상대적으로 단면의 균질도가 떨어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기의 분석결과로부터 본 발명의 제조방법을 통해 균질도가 우수한 고밀도의 복합체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 복합체의 압축강도 분석
실시예 2 및 비교예 1의 복합체가 나타내는 기계적 특성을 분석하기 위하여, 만능시험기를 통해 복합체의 압환압축강도를 분석하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 2 및 비교예 1의 복합체 모두 섬유 강화 복합체의 파괴거동을 나타내는 하중-변위 곡선을 나타내었다. 이때, 본 발명의 실시예 2에서 제조된 복합체는 374 MPa의 압환압축강도값을 나타낸 반면, 비교예 1의 복합체는 258 MPa의 압환압축강도값을 나타내었으며, 이로부터 본 발명에 따라 제조되는 복합체는 종래기술에서의 복합체보다 더욱 고강도의 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
1 : 탄화규소 프리폼
2 : 홀더(holder)
3, 4 : 원료기체 공급부
5 : 홀더 회전부

Claims (13)

  1. 튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 준비하는 단계(단계 1); 및
    상기 튜브형태인 탄화규소 섬유 프리폼을 회전시키면서, 프리폼의 외주면 및 내주면으로 원료기체를 공급하여 프리폼 내부에 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 2);를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄화규소 섬유 프리폼은 탄화규소 섬유를 필라멘트 권선(filament winding) 또는 브레이딩(braiding)하여 제조되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 탄화규소 기지상(matrix phase)은 화학기상침착을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 화학기상침착은,
    실리콘 및 탄소를 포함하는 유기실리콘화합물을 프리폼의 외주면 및 내주면 으로 원료기체를 공급하는 단계(단계 a); 및
    공급된 유기실리콘화합물으로부터 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키는 단계(단계 b);를 포함하는 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유기실리콘화합물은 메틸트리클로로실란(Methyltrichlorosilane), 디메틸트리클로로실란(Dimethyltrichlorosilane) 및 에틸트리클로로실란(ethyltrichlorosilane)을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 화학기상침착은 900 내지 1600 ℃의 온도, 1 내지 760 torr의 압력 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄화규소 섬유 프리폼은 0.001 내지 60 rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은 단계 2의 탄화규소 기지상(matrix phase)을 형성시키기 전, 탄화규소 섬유 프리폼의 표면으로 열분해탄소(PyC), 질화보론(BN) 또는 열분해탄소 및 탄화규소를 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열분해탄소 및 탄화규소를 순차적으로 반복 코팅하여 열분해 탄소와 탄화규소가 번갈아 층을 이룬 다층구조층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 코팅은 50 내지 1000 nm의 두께로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조방법.
  11. 튜브형태인 탄화규소(SiC) 섬유 프리폼을 고정하는 홀더(holder);
    상기 홀더에 고정된 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면과 일정간격으로 이격되어 구비되며, 상기 탄화규소 섬유 프리폼의 내주면 및 외주면으로 기상의 유기실리콘화합물을 공급하는 원료기체 공급부; 및
    상기 홀더의 일단부와 연결되어 상기 홀더를 회전시키는 홀더 회전부;를 포함하는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체의 제조장치.
  12. 제1항의 제조방법을 통해 제조되는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체.
  13. 제12항의 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체를 포함하는 구조재료(Structure Material).
KR1020140073556A 2014-06-17 2014-06-17 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법 KR101623914B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140073556A KR101623914B1 (ko) 2014-06-17 2014-06-17 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140073556A KR101623914B1 (ko) 2014-06-17 2014-06-17 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150144873A true KR20150144873A (ko) 2015-12-29
KR101623914B1 KR101623914B1 (ko) 2016-05-25

Family

ID=56114595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140073556A KR101623914B1 (ko) 2014-06-17 2014-06-17 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101623914B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200048314A (ko) * 2018-10-29 2020-05-08 한국원자력연구원 화학기상증착을 이용한 SiC 나노와이어 균일 성장에 의한 고밀도의 탄화규소 복합체 제조 방법 및 이의 의해 제조된 탄화규소 복합체
CN116462513A (zh) * 2023-03-08 2023-07-21 中国航空制造技术研究院 一种薄壁板类SiC/SiC复合材料构件的制备方法
KR102621975B1 (ko) * 2023-06-22 2024-01-10 국방과학연구소 고온 전파흡수용 세라믹 복합체 및 그 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200048314A (ko) * 2018-10-29 2020-05-08 한국원자력연구원 화학기상증착을 이용한 SiC 나노와이어 균일 성장에 의한 고밀도의 탄화규소 복합체 제조 방법 및 이의 의해 제조된 탄화규소 복합체
CN116462513A (zh) * 2023-03-08 2023-07-21 中国航空制造技术研究院 一种薄壁板类SiC/SiC复合材料构件的制备方法
KR102621975B1 (ko) * 2023-06-22 2024-01-10 국방과학연구소 고온 전파흡수용 세라믹 복합체 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101623914B1 (ko) 2016-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6954685B2 (ja) 炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素複合材料
JP3143086B2 (ja) ＳｉＣ複合材料スリーブおよびその製造方法
JP6170160B2 (ja) Ｃｍｃ製部品の製造方法
Li et al. Fabrication of 2D C/ZrC–SiC composite and its structural evolution under high-temperature treatment up to 1800° C
Wang et al. KD-S SiC f/SiC composites with BN interface fabricated by polymer infiltration and pyrolysis process
EP2639211B1 (en) Sic ceramic material and sic ceramic structure, and production method for same
EP2308811A1 (en) Hybred polymer CVI composites
CN108863418B (zh) 长纤维增强碳化硅构件、其制造方法及核反应堆结构构件
Zhao et al. Rapid densification of C/SiC composite by incorporating SiC nanowires
EP2970016A1 (en) Ceramic matrix composite and method and article of manufacture
Liang et al. Microstructure and properties of 2D-Cf/SiC composite fabricated by combination of CVI and PIP process with SiC particle as inert fillers
US20190077718A1 (en) Single Phase Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites
KR101623914B1 (ko) 균일한 미세구조를 가지는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(ＳｉＣｆ／ＳｉＣ)의 제조방법
Mubina et al. Enhancement of oxidation resistance of CVD SiC coated Cf/C-SiC hybrid composite tubes processed through Si-infiltration
JP6862280B2 (ja) ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の製造方法
KR102153918B1 (ko) 화학기상증착을 이용한 SiC 나노와이어 균일 성장에 의한 고밀도의 탄화규소 복합체 제조 방법 및 이의 의해 제조된 탄화규소 복합체
RU2575863C1 (ru) Способ изготовления керамической трубки для оболочки тепловыделяющего элемента
JP7085388B2 (ja) ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料の製造方法
Wang et al. Fabrication, microstructures and properties of SiCf/SiC composites prepared with two kinds of SiC fibers as reinforcements
JP6719333B2 (ja) 長繊維強化炭化ケイ素部材、および、その製造方法
WO2015016072A1 (ja) セラミック複合材料及びセラミック複合材料の製造方法
CN113748096A (zh) 制造cmc部件的方法
KR101540306B1 (ko) 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)의 제조방법
JP2017088418A (ja) ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料の製造方法
JP2019001706A (ja) 炭化ケイ素繊維上に湿度耐性コーティングを形成する方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant