KR20200028874A - Stick-type ceramic fiber electric heating element - Google Patents

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김한준
박광열
박상율
정영관
신동근
조광연
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(주) 대호아이앤티
한국세라믹기술원
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Abstract

The present invention provides a method for manufacturing a stick type ceramic fiber electric heater which is formed by uniform alignment and inter-fiber coupling induction of SiC fiber, which can be stably used at a high temperature of 1,000°C or higher, to be quickly heated at 1,000°C or higher in a moment within a few dozens of seconds, and a stick type ceramic fiber thereof. According to the present invention, the method comprises in preparing and cutting a bundle of green fiber by a predetermined, aligning the acquired fiber bundle in a mold with both opened sides and an opened upper part in one direction, covering the opened upper part of the mold with an upper cover having a constantly controlled weight; performing thermal oxidation stabilization for the mold charged with the fiber, performing heat treatment in an inert gas atmospheric after the stabilization is completed, and performing cooling after the heat treatment. Moreover, the stick type ceramic fiber electric heater having the ceramic fiber aligned in one direction comprises: one end and the other end disposed on both sides respectively, to come in contact with an electrode; and the ceramic fiber extended from the one end of the electric heater to the other end.

Description

스틱형 세라믹 섬유 전기발열체{STICK-TYPE CERAMIC FIBER ELECTRIC HEATING ELEMENT}STICK-TYPE CERAMIC FIBER ELECTRIC HEATING ELEMENT

본 발명은 스틱형 세라믹 섬유 발열체에 관한 것으로서, 특히 SiC 섬유를 이용한 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공하는 것에 관한 것이다. The present invention relates to a stick-type ceramic fiber heating element, and more particularly, to a stick-type ceramic fiber electric heating element using SiC fibers.

SiC 섬유는 대표적인 초고온 세라믹스 섬유강화 복합재의 강화소재로 고온고압의 열악한 환경에서 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도의 구조적 특성을 유지하는 소재이다. 특히 장섬유강화 복합소재는 입자성, 바늘형태의 결정성 강화 등 여타의 복합소재에 비해 가장 큰 인성증진 효과를 나타내기 때문에 우주항공, 방위산업, 원자력 등 고신뢰도가 요구되는 극한환경용 산업분야의 필수 소재이다. 최근에는 복합재의 소재로써 뿐만 아니라 국방산업, 자동차 및 우주항공 산업 등에 그 응용이 확대되고 있다.SiC fiber is a reinforcing material of a typical ultra-high temperature ceramic fiber reinforced composite, and is a material that maintains structural properties of high strength, high toughness, corrosion resistance, and high reliability in harsh environments of high temperature and high pressure. In particular, long fiber-reinforced composite materials exhibit the greatest toughness-enhancing effect compared to other composite materials, such as strengthening of graininess and needle-like crystallinity, so aerospace, defense, and nuclear industries require high reliability. It is an essential material. Recently, its application is expanding not only as a composite material, but also in the defense industry, automobile and aerospace industries.

또한 요오드가 도핑된 나노구조 SiC섬유는 마이크로파에 활성화되어 공기 중 1400℃까지 급속 가열이 가능하고, 발열된 열은 복사(radiation)특성이 좋아 매우 경제적이기 때문에 최근에 SiC섬유를 발열체로 사용한 발열시스템이 주목을 받고 있다. In addition, iodine-doped nano-structured SiC fibers are activated by microwaves and can be rapidly heated to 1400 ° C in air, and the heat generated is very economical because of its good radiation characteristics, so recently, a heating system using SiC fibers as a heating element This is getting attention.

SiC 섬유는 통상 폴리카보실란으로 알려져 있는 프리세라믹 폴리머를 용융방사(MELT SPINNING, MELT BLOWING) 또는 전기방사 (ELECTROSPINNING) 방법을 이용하여 섬유상(폴리카보실란 섬유)으로 만든 후 이를 다시 열처리 하여 유기(폴리머)섬유로부터 무기(세라믹)섬유로 전환시켜 제조할 수 있다.SiC fibers are pre-ceramic polymers, commonly known as polycarbosilanes, made into fibrous (polycarbosilane fibers) by melt spinning (MELT SPINNING, MELT BLOWING) or electrospinning (ELECTROSPINNING), and then heat treated again to form organic (polymers) ) Can be produced by converting from fibers to inorganic (ceramic) fibers.

그러나 폴리카보실란의 용융점이 통상 150~300℃이지만, 폴리카보실란 섬유를 방사 후 바로 열처리하면 상기 용융온도 범위에서 섬유상을 유지하지 못하고 녹아버리게 된다. 이러한 현상을 막고 열처리 중 섬유상을 유지하여 최종 SiC 섬유를 얻기 위해 소위 가교(CROSS-LINK)를 통해 섬유의 표면에 존재하는 폴리머 분자들 간을 결합시키면 가교된 표면부의 용융점은 내부보다 높아져 폴리머의 열분해가 일어나는 온도 즉 400℃ 이상이 되기 때문에 열처리 과정에서 녹지 않고 온전히 섬유상을 유지하며 최종에는 SiC 섬유로 만들어지게 된다.However, the melting point of the polycarbosilane is usually 150 to 300 ° C, but if the polycarbosilane fiber is heat treated immediately after spinning, it will melt without maintaining the fiber in the melting temperature range. In order to prevent this phenomenon and maintain the fibrous phase during heat treatment, to bond the polymer molecules present on the surface of the fiber through so-called cross-linking (CROSS-LINK) to obtain the final SiC fiber, the melting point of the cross-linked surface portion is higher than the inside, thereby causing thermal decomposition of the polymer Because the temperature is higher than 400 ℃, it does not melt during the heat treatment process and maintains the fibrous form, and is finally made of SiC fiber.

이러한 공정을 안정화(CURING) 또는 불융화(INFUSIBLIZATION) 공정이라고 하는데, 기존에 다양한 안정화 방법이 제안되었다. 이 중 통상적으로 사용되는 방법은 열산화 안정화(THERMAL OXIDATION CURING) 방법과 전자빔 안정화(E-BEAM CURING) 방법이 대표적이다. 전자의 경우 방사하여 얻은 폴리카보실란 섬유를 150~250℃의 산화 분위기(통상 200℃의 공기 분위기)에서 장시간 유지시키면 대기 중의 산소가 섬유표면에 존재하는 폴리머 분자의 결합 중 약한 결합이 Si-H 결합과 기타 Si-CH3 결합을 끊고 Si-O-Si 결합을 형성하게 되는데, 이 과정에서 각 분자간의 가교가 일어나게 된다. 이 방법은 가장 대표적인 안정화 방법으로 일본의 NICALON계 CERAMIC GRADE 섬유와 TYRANNO 섬유 등이 산화안정화 방법을 사용하고 있다.Such a process is called a stabilization (CURING) or infusion (INFUSIBLIZATION) process, and various stabilization methods have been proposed. Among these, the thermal oxidation stabilization (THERMAL OXIDATION CURING) method and the electron beam stabilization (E-BEAM CURING) method are typical. In the former case, when the polycarbosilane fibers obtained by spinning are kept in an oxidizing atmosphere at 150 to 250 ° C. for a long time (typically an air atmosphere at 200 ° C.), weak bonds among the bonds of polymer molecules in which oxygen in the atmosphere is present on the fiber surface are caused by Si-H. The bond and other Si-CH3 bonds are broken and Si-O-Si bonds are formed. In this process, crosslinking between molecules occurs. This method is the most representative stabilization method, and NICALON-based CERAMIC GRADE fibers and TYRANNO fibers in Japan use oxidation stabilization methods.

그러나 이러한 방법은 안정화에 장시간을 필요로 하며(승온속도를 고려하여 통상 4~10시간이 소요됨) 안정화 중 가교에 의해 혼입되는 10~20%의 산소가 1200℃ 이상의 고온에서 안정하게 있지 못하고 다시 분해되기 때문에 SiC 섬유의 고온 물성을 크게 떨어뜨리는 단점이 있다.However, this method requires a long time for stabilization (usually takes 4 to 10 hours in consideration of the heating rate), and 10 to 20% of oxygen mixed by crosslinking during stabilization is not stable at a high temperature of 1200 ° C or higher and decomposes again. Because there is a disadvantage in that the high-temperature physical properties of SiC fibers are greatly reduced.

또한 섬유 방사 측면에서 보면 섬유의 방사온도가 통상적인 안정화 온도인 200℃보다 적어도 30~60℃ 이상 높아야만 산화안정화 과정에서 섬유상을 온전히 유지할 수 있으며 산화효과를 볼 수 있다. 반면 용융방사 온도가 270~290℃ 이상이 되면 용융체의 안정성이 떨어지고 방사조건을 제어하기 쉽지 않으며 뿐만 아니라 방사시 스트레칭이 원활치 않아 세섬화가 어렵고 단선이 자주 발생한다.In addition, when viewed from the fiber spinning side, the spinning temperature of the fiber must be at least 30 to 60 ° C higher than the normal stabilization temperature of 200 ° C to maintain the fiber intact during the oxidation stabilization process, and the oxidation effect can be seen. On the other hand, when the melt spinning temperature is higher than 270 ~ 290 ℃, the stability of the melt is poor, it is not easy to control the spinning conditions, and it is difficult to fine-separate and frequent disconnection due to insufficient stretching during spinning.

이러한 이유로 원료 프리커서 폴리머의 유동 및 변형에 대해 정밀한 제어가 필요하며 이로 인해 원료의 생산공정이 보다 복잡해지고 원료가격 상승의 요인이 된다. 전자빔 안정화의 경우 전자빔을 섬유에 조사하면 표면의 분자간 결합들이 끊어지게 되어 라디칼을 형성하게 된다. 이러한 라디칼은 대기 중에서 안정한 상태가 아니므로 다시 서로 결합하여 안정한 상태로 돌아가려는 경향이 있는데, 이러한 재결합 과정에서 폴리머 분자간의 가교를 형성하게 된다. 산소의 혼입이 없어 1600℃ 이상으로 열처리가 가능하여 우수한 물성을 갖는 SiC 섬유를 얻을 수 있기 때문에 일본의 HI-NICALON계 섬유에 적용되고 있다. 그러나 공정의 제어가 어렵고 제조비용이 높기 때문에 일반적인 연속 대량생산 공정에 적용하는데 한계가 있다.For this reason, it is necessary to precisely control the flow and deformation of the raw precursor polymer, which makes the production process of the raw material more complicated and causes the raw material price to rise. In the case of electron beam stabilization, when the electron beam is irradiated to the fiber, intermolecular bonds on the surface are broken, thereby forming radicals. Since these radicals are not in a stable state in the atmosphere, they tend to recombine and return to a stable state. In this recombination process, crosslinks between polymer molecules are formed. Since there is no mixing of oxygen, heat treatment is possible at 1600 ° C or higher, and thus SiC fibers having excellent physical properties can be obtained. However, since it is difficult to control the process and the manufacturing cost is high, there is a limit to apply it to a general continuous mass production process.

대한민국 등록특허공보 10-1209110호에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해SiC 섬유 제조방법과 관련하여 폴리카보실란을 방사하여 폴리카보실란 섬유를 제조하는 단계; 상기 폴리카보실란 섬유를 할라이드계 기체를 이용한 기체훈증법으로 안정화 시키는 단계; 및 상기 안정화된 폴리카보실란 섬유를 열처리하는 소성 단계;를 포함하는 SiC의 제조방법이 개시되어 있다.In the Republic of Korea Patent Publication No. 10-1209110, in order to solve the above problems, the step of manufacturing a polycarbosilane fiber by spinning polycarbosilane in relation to the method of manufacturing SiC fiber; Stabilizing the polycarbosilane fiber by gas fumigation using a halide-based gas; And a calcination step of heat-treating the stabilized polycarbosilane fiber.

또한 발열체로 제조된 SiC섬유를 사용한 종래기술의 경우 예를 들어 대한민국 공개특허공보 10-2017-0087380호에는 규소 또는 이산화규소, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 어느 한 승화 원료와 탄소섬유를 진공 또는 불활성 가스 분위기 및 고온 상태에 배치하여, 승화 원료의 승화로 기체 침투반응(Gas Infiltration Reaction)에 의해 탄소섬유로부터 제조되고, 마이크로웨이브를 가하여 발열하는 탄화규소 섬유 발열체에 대해 개시되어 있기도 하다. In addition, in the case of the prior art using SiC fibers made of a heating element, for example, in Korean Patent Publication No. 10-2017-0087380, any sublimation raw material and carbon fibers selected from silicon or silicon dioxide or mixtures thereof are vacuum or inert gas. It is also disclosed for a silicon carbide fiber heating element that is prepared from carbon fibers by gas infiltration reaction by sublimation of a sublimation raw material, placed in an atmosphere and a high temperature state, and generates heat by applying microwaves.

아울러, 종래의 전기저항 발열체는 세라믹 분말입자를 봉형태 또는 기타 구조로 1500 ℃ 이상에서 소결하여 제조하는데, 입자의 형상이나 크기 등이 제각각이고 입자간 점접촉에 의해 저항발열이 되므로 품질 제어가 어렵고 고전력을 요하기 때문에 전기소비량이 많은 문제점이 있다. 도 1은 위와 같은 입자 형상을 보여주는 종래의 SiC 세라믹 분말입자를 이용해 제조된 전기발열체 및 그의 미세조직을 보여주는 사진이다. In addition, the conventional electric resistance heating element is manufactured by sintering ceramic powder particles at a temperature of 1500 ° C or higher in a rod shape or other structure, and since the shape and size of the particles are different and resistance heating is generated by point contact between particles, quality control is difficult. Since it requires high power, there is a problem in that it consumes a lot of electricity. Figure 1 is a photograph showing an electric heating element and its microstructure prepared using conventional SiC ceramic powder particles showing the above-described particle shape.

대한민국 등록특허공보 10-1209110호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1209110 대한민국 공개특허공보 10-2017-0087380호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0087380

본 발명은, 1000 ℃ 이상 고온에서 안정하게 사용할 수 있는 SiC 섬유를 균일한 배향 및 섬유간 결합유도를 통해서 수십초 이내에 순간 1000도 이상까지 급승온이 가능한 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체의 제조방법과, 이를 위해 SiC 섬유를 이용해서 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is a method of manufacturing a stick-type ceramic fiber electric heating element capable of rapidly increasing temperature to 1000 degrees or more in a few seconds within a few seconds through uniform orientation and induction of inter-fiber SiC fibers that can be stably used at high temperatures of 1000 ° C. or higher, For this purpose, it is an object to provide a stick-type ceramic fiber electric heating element using SiC fibers.

이를 위해 본 발명은, 그린 파이버 다발을 준비하여 특정 사이즈로 자르고, 얻어진 섬유 다발을 양쪽이 오픈되고 상부가 오픈된 몰드에 일방향으로 배향하고, 몰드의 오픈된 상부를 무게가 일정하게 제어된 상부 덮개로 덮고, 섬유가 장입된 몰드에 대해 열산화안정화를 진행하고, 안정화가 완료된 후 불활성가스 분위기에서 열처리를 진행하고, 열처리 후에 상온으로 냉각하는 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체의 제조방법을 제공한다. To this end, the present invention prepares a green fiber bundle, cuts it to a specific size, orients the obtained fiber bundle in one direction to the mold with both sides open and the top open, and the top cover with constant weight control over the open top of the mold Provided is a method of manufacturing a stick-type ceramic fiber electric heating element that is covered with a furnace, performs thermal oxidation stabilization for a mold loaded with fibers, and performs heat treatment in an inert gas atmosphere after stabilization is completed, and cools to room temperature after heat treatment.

여기서, 열처리는 1000 - 1900 ℃의 온도 범위에서 0.5시간 이상 진행할 수 있다. Here, the heat treatment may be performed for more than 0.5 hours in the temperature range of 1000-1900 ℃.

또한, 전기발열체는 전극에 접촉할 수 있는 일단 및 타단을 갖고, 그린 파이버 다발은 일단으로부터 타단까지 연장되는 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. Further, it is preferable that the electric heating element has one end and the other end capable of contacting the electrode, and the green fiber bundle has a size extending from one end to the other end.

또한, 본 발명은, 세라믹 섬유가 일방향으로 배향된 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체로, 전기발열체는, 양쪽에서 전극에 접촉할 수 있는 일단 및 타단을 갖고, 전기발열체의 일단으로부터 타단까지 연장된 세라믹 섬유를 포함하는 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공한다.Further, the present invention is a stick-type ceramic fiber electric heating element in which ceramic fibers are oriented in one direction, and the electric heating element has ceramic ends extending from one end to the other end of the electric heating body, with one end and the other end capable of contacting the electrode on both sides. It provides a stick-type ceramic fiber electric heating element comprising a.

본 발명에 따르면, 1000 ℃ 이상 고온에서 안정하게 사용할 수 있는 SiC 섬유를 균일한 배향 및 섬유간 결합유도를 통해서 수십초 이내에 순간 1000도 이상까지 급승온이 가능한 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체의 제조방법를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 위해 SiC 섬유를 이용해서 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a stick-type ceramic fiber electric heating element capable of rapidly increasing temperature to 1000 degrees or more in a few seconds within a few seconds through uniform orientation and induction of inter-fiber bonding of SiC fibers that can be stably used at high temperatures of 1000 ° C. or higher. In addition to this, it is possible to provide a stick-type ceramic fiber electric heating element using SiC fibers for this purpose.

도 1은 종래의 SiC 세라믹 분말 입자를 이용해 제조된 전기발열체 및 그의 미세조직을 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 균일 배향된 SiC 세라믹 섬유 전기발열체 및 그의 미세조직을 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 스틱형 SiC 세라믹 섬유 전기발열체를 제조하는 제조공정도를 개략적으로 보인 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따라 스틱형 SiC 세라믹 섬유 전기발열체를 동시 제조할 수 있는 몰드의 일례를 개략적으로 보인 도면이고, 도 4b는 도 4a의 몰드를 통해 제조된 여러 개의 스틱형 SiC 세라믹 섬유 전기발열체의 사진이다.
도 5의 왼쪽은 1000 ℃ 미만에서 열처리한 경우의 섬유의 투과전자현미경 미세구조 사진이고, 도 5의 오른쪽은 1000 ℃ 이상에서 열처리한 경우의 섬유의 투과전자현미경 미세구조 사진이다.
도 6은 폴리카보실란 섬유의 열중량 분석결과이다.
1 is a photograph showing an electric heating element and its microstructure prepared using conventional SiC ceramic powder particles.
Figure 2 is a photograph showing a uniformly oriented SiC ceramic fiber electric heating element and its microstructure prepared according to the present invention.
Figure 3 is a schematic view showing a manufacturing process for producing a stick-type SiC ceramic fiber electric heating element according to the present invention.
Figure 4a is a schematic view showing an example of a mold capable of simultaneously producing a stick-type SiC ceramic fiber electric heating element according to the present invention, Figure 4b is a plurality of stick-type SiC ceramic fiber electric heating element manufactured through the mold of Figure 4a It is a picture of.
The left side of FIG. 5 is a transmission electron microscope microstructure photo of the fiber when heat-treated at less than 1000 ° C, and the right side of FIG. 5 is a transmission electron microscope microstructure photo of the fiber when heat-treated at 1000 ° C or higher.
6 is a result of thermogravimetric analysis of polycarbosilane fibers.

본 발명은 10 내지 50 ㎛에서 사이즈 편차가 ±10 ㎛ 이내에서 균일하게 제어된 세라믹 장섬유를 균일하게 일방향으로 배향하고 이를 선접촉함으로써 접촉저항 안정성 및 균일성을 확보하고 동시에 섬유상을 이용하여 비표면적을 높여 낮은 전력에서도 1000도 이상 높은 온도까지 급속승온 및 냉각이 가능한 발열체를 제조하는 방법과 이를 위한 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공한다. The present invention uniformly orients the ceramic long fibers uniformly controlled within a size deviation of ± 10 μm in 10 to 50 μm in one direction, and secures the contact resistance stability and uniformity at the same time, and at the same time uses a fibrous specific surface area The present invention provides a method for manufacturing a heating element capable of rapid heating and cooling to a temperature higher than 1000 degrees at a low power by raising the temperature, and a stick-type ceramic fiber electric heating element for this.

우선 본 발명에 따른 제조방법은 아래와 같이 수행될 수 있으며, 그 과정은 도 3에 개략적으로 그리고 도식적으로 나타나 있다:First, the manufacturing method according to the present invention can be performed as follows, and the process is schematically and schematically shown in FIG. 3:

ⓐ 프리세라믹폴리머인 폴리카보실란(을 포함한 폴리실라잔, 폴리실록산 등 다양한 실리콘계 고분자)을 섬유로 방사하여 제조된 전구체 섬유 (그린 파이버) 다발을 준비한다. Ⓐ A precursor fiber (green fiber) bundle prepared by spinning polycarbosilane (including various silicone-based polymers such as polysilazane, polysiloxane, etc.) as a fiber into fibers is prepared.

ⓑ 이렇게 준비된 그린 파이버 다발을 특정 사이즈로 균일하게 자른다. Ⓑ Cut the prepared green fiber bundle uniformly into a specific size.

ⓒ 이렇게 얻어진 섬유 다발을 도면에 보인 바와 같이 양쪽이 오픈되고 상부가 오픈된 몰드에 일방향으로 배향한다. Ⓒ As shown in the drawing, the fiber bundle thus obtained is oriented in one direction to the mold with both sides open and the top open.

ⓓ 몰드의 오픈된 상부를 무게가 일정하게 제어된 상부 덮개로 덮는다. Ⓓ Cover the open upper part of the mold with the upper cover whose weight is constantly controlled.

ⓔ 섬유 표면의 열산화안정화를 위해 섬유가 장입된 몰드를 150 - 200 ℃ 온도범위에서 온도가 일정하게 유지되는 오븐에서 1 내지 10 시간 동안 유지한다. Ⓔ For the thermal oxidation stabilization of the fiber surface, the mold loaded with the fiber is maintained in an oven where the temperature is kept constant in a temperature range of 150-200 ° C for 1 to 10 hours.

ⓕ 안정화가 완료된 후 분위기가 제어된 고온 전기로에 몰드 그대로 장입하고 불활성가스 분위기 (질소, 아르곤 등)에서 1000 - 1900 ℃의 온도 범위에서 0.5시간 이상 열처리한다. Ⓕ After the stabilization is completed, the mold is charged into a high-temperature electric furnace with controlled atmosphere and heat-treated in an inert gas atmosphere (nitrogen, argon, etc.) at a temperature in the range of 1000-1900 ° C for 0.5 hour or more.

ⓖ 열처리 후 상온으로 냉각하여 얻어진 시편을 회수한다. Ⓖ After the heat treatment, the specimen obtained by cooling to room temperature is recovered.

이러한 과정을 통해 얻어진 스틱형 SiC 섬유 전기발열체가 도 3의 맨 오른쪽에 도식적으로 나타나 있다. The stick-type SiC fiber electric heating element obtained through this process is schematically shown on the far right of FIG. 3.

본 발명의 보다 구체적인 조건들을 아래에서 서술한다. More specific conditions of the present invention are described below.

전구체 섬유의 섬유사이즈는 10 mm보다 크고, 바람직하게는 100 mm 보다 큰 것이 좋은데, 후술하는 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 세라믹 섬유 전기발열체를 적용하고자 하는 시스템에 맞춰 발열체의 크기를 결정할 수 있으며, 열처리 후 수축률 등을 고려하여 필요한 사이즈의 1.5배의 길이 등과 같이 필요한 사이즈보다 더 크게 제단할 수 있다. 본 발명의 가장 큰 특징 중 하나는 최종 제품으로 얻어진 전기발열체가 양쪽에서 전극에 접촉할 수 있는 일단 및 타단을 갖고, 최종 제품으로 얻어진 전기발열체는 전기발열체의 일단으로부터 타단까지 연장된 세라믹 섬유를 포함하는 것에 있다. 얻어진 전기발열체는 적용하고자 하는 시스템에 맞춰서 크기가 결정될 수 있고 그에 맞춰서 공정 조건이 완벽히 정해진 다음에는 그린 파이버의 길이를 조절할 수도 있고, 얻어진 전기발열체를 제단하여 적용하고자 하는 시스템에 맞는 길이로 자를 수도 있을 것이나, 중요한 것은 전기발열체를 구성하는 SiC 세라믹 섬유가 전기발열체의 일단부터 타단까지 연장된다는 것이다. 이를 위한 보다 상세한 공정 조건들과 그 이유들이 아래에서 더 자세히 설명된다.The fiber size of the precursor fiber is larger than 10 mm, preferably larger than 100 mm, and the size of the heating element can be determined according to a system to which the ceramic fiber electric heating element manufactured according to the present invention is applied as described below. After heat treatment, it is possible to cut a larger size than the required size, such as a length of 1.5 times the required size in consideration of shrinkage. One of the biggest features of the present invention is that the electric heating element obtained as the final product has one end and the other end capable of contacting the electrode on both sides, and the electric heating element obtained as the final product includes ceramic fibers extending from one end of the electric heating element to the other end. It is in doing. The size of the obtained electric heating element can be determined according to the system to be applied, and after the process conditions are completely determined, the length of the green fiber can be adjusted, or the obtained electric heating element can be cut to a length suitable for the system to be applied. However, the important thing is that the SiC ceramic fibers constituting the electric heating element extend from one end to the other. More detailed process conditions and reasons for this are described in more detail below.

섬유 직경은 1 um보다 크고, 바람직하게는 10 um 보다 큰 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 30 um 보다 클 수 있지만 나노사이즈 섬유도 가능하다. 정해진 전기발열체 크기 내에서 전구체 섬유의 직경에 따른 발열체의 성능은 전구체 섬유의 저항값에 반비례한다. 즉 동일 체적내에서 전구체 섬유의 직경이 작을수록 저항값이 커지므로 전하의 이동량이 감소하여 발열 효과 감소하게 된다.The fiber diameter is larger than 1 um, preferably larger than 10 um, more preferably larger than 30 um, but nano-sized fibers are also possible. The performance of the heating element according to the diameter of the precursor fiber within a predetermined size of the electric heating element is inversely proportional to the resistance value of the precursor fiber. In other words, the smaller the diameter of the precursor fiber in the same volume, the larger the resistance value, so the amount of charge transfer decreases and the heating effect decreases.

몰드는 도면에 도식적으로 보인 바와 같이 양쪽이 오픈된 음각 형태의 직사각형 몰드와 하중이 제어된 상부 덮개로 구성된다. 전구체 섬유 다발에 대한 하중 인가는 상부덮개의 무게로 조절할 수 있다. The mold consists of an engraved rectangular mold with both sides open and a load-controlled top cover, as shown schematically in the figure. The load applied to the precursor fiber bundle can be controlled by the weight of the top cover.

또한, 몰드를 도4a에 보인 바와 같이 병열 배치함으로써 동시에 다수의 발열체를 제조할 수 있는데, 그렇게 얻어진 다수의 발열체를 도 4b는 보여주고 있다. In addition, it is possible to manufacture a plurality of heating elements at the same time by placing the molds in parallel as shown in FIG. 4A, and FIG. 4B shows the plurality of heating elements thus obtained.

이상과 같은 본 발명에 따른 제조 방법을 따를 때, 아래의 사항이 고려되어야 한다. When following the manufacturing method according to the present invention as described above, the following should be considered.

전구체 섬유가 몰드에 배향될 때, 전구체 섬유기의 길이가 상이해서, 몰드의 중간에서 한쪽 끝이 다른 전구체 섬유의 중간에 접촉하는 경우 발열체 형성후 전극에 접촉되어 있지 않는 섬유의 끝단에서 전위차에 의한 스파크가 생성되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 최종 결과물인 전기발열체가 전극과 연결될 때, 최대한 모든 전구체 섬유가 전극에 단락된 상태가 되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 SiC 세라믹 섬유 전기발열체를 적용하고자 하는 시스템에 맞춰 발열체 크기를 확정하고 확정된 발열체를 제작하기 위해 전구체 섬유의 수축율을 고려하여 제작된 몰드에 전구체 섬유를 배향하여 적층하고 압력을 가하여 열처리 하는 것이 바람직하다. When the precursor fiber is oriented in the mold, the length of the precursor fiber group is different, and when one end in the middle of the mold contacts the middle of the other precursor fiber, after the formation of the heating element, due to the potential difference at the end of the fiber that is not in contact with the electrode Sparking may occur. That is, when the final resultant electric heating element is connected to the electrode, it is desirable that all precursor fibers are shorted to the electrode as much as possible. Therefore, in order to determine the size of the heating element in accordance with the system to which the SiC ceramic fiber electric heating element manufactured according to the present invention is applied and to produce the determined heating element, the precursor fibers are oriented and stacked in a mold produced in consideration of the shrinkage rate of the precursor fibers. It is preferable to heat-treat by applying pressure.

탄화규소섬유의 제조공정 중 열처리의 경우 500 - 1000 ℃ 사이에서 유기물인 폴리카보실란이 무기물로 전환되며 1000 ℃ 이상에서 탄화규소 결정 형성이 시작된다. 따라서 1000 ℃ 미만으로 열처리를 하게 되면 탄화규소 결정이 형성되지 않고 비정질(SiOC) 상만 존재하게 되어 전기전도도가 크게 떨어진다. 반면, 1000 ℃ 이상에서 형성된 탄화규소 결정에 의해 전기전도 특성이 향상되고 발열효과가 발현된다. 도 5는 섬유의 투과전자현미경 미세구조 사진으로 도 5의 왼쪽은 1000 ℃ 미만에서 열처리한 경우에는 결정이 관찰되지 않으나 1000 ℃ 이상에서 열처리한 경우에는 도 5의 오른쪽에서와 같이 탄화규소 나노결정이 관찰됨을 알 수 있다.In the case of heat treatment during the manufacturing process of silicon carbide fibers, polycarbosilane, an organic material, is converted into an inorganic material between 500-1000 ° C, and silicon carbide crystal formation starts at 1000 ° C or higher. Therefore, when heat treatment is performed at less than 1000 ° C, silicon carbide crystals are not formed, and only an amorphous (SiOC) phase is present, which significantly reduces electrical conductivity. On the other hand, the electrical conductivity characteristics are improved and the exothermic effect is exhibited by the silicon carbide crystal formed at 1000 ° C or higher. 5 is a microscopic structure of the transmission electron microscope of the fiber. In the left side of FIG. 5, crystals are not observed when heat treatment is performed at less than 1000 ° C, but when heat treatment is performed at 1000 ° C or higher, silicon carbide nanocrystals are formed as shown in the right side of FIG. It can be seen that it is observed.

열처리 온도를 1900 ℃까지 올리면 탄화규소 섬유가 완전결정화 되므로 전기적 특성도 향상되지만 1900 ℃를 초과하는 경우에는 탄화규소 결정이 승화 (sublimation)되기 때문에 결정의 형상을 유지할 수 없게 된다. 도 6은 폴리카보실란 섬유의 열중량 분석결과로 1900도 이상에서 승화에 따른 지속적인 무게감소가 일어남을 보여준다. When the heat treatment temperature is raised to 1900 ° C, the silicon carbide fibers are completely crystallized, so that the electrical properties are also improved. However, when the temperature exceeds 1900 ° C, the silicon carbide crystals sublimate, so that the crystal shape cannot be maintained. FIG. 6 shows that as a result of thermogravimetric analysis of polycarbosilane fibers, continuous weight loss due to sublimation occurs over 1900 degrees.

본 발명에 따르면, 1000 ℃ 이상 고온에서 안정하게 사용할 수 있는 SiC 섬유를 균일한 배향 및 섬유간 결합유도를 통해서 수십초 이내에 순간 1000도 이상까지 급승온이 가능한 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체의 제조방법를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 위해 SiC 섬유를 이용해서 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체를 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a stick-type ceramic fiber electric heating element capable of rapidly increasing temperature to 1000 degrees or more in a few seconds within a few seconds through uniform orientation and induction of inter-fiber bonding of SiC fibers that can be stably used at high temperatures of 1000 ° C. or higher. In addition to this, it is possible to provide a stick-type ceramic fiber electric heating element using SiC fibers for this purpose.

Claims (1)

SiC 세라믹 섬유가 일방향으로 배향된 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체로,
세라믹 섬유 전기발열체는, 양쪽에서 전극에 접촉할 수 있는 일단 및 타단을 갖고,
세라믹 섬유 전기발열체를 구성하는 SiC 세라믹 섬유는, 세라믹 섬유 전기발열체의 일단으로부터 타단까지 연장되어 모든 SiC 세라믹 섬유가 양쪽 전극에서 단락된 상태로 된 것을 특징으로 하는 스틱형 세라믹 섬유 전기발열체.
SiC ceramic fiber is a stick-type ceramic fiber electric heating element oriented in one direction,
The ceramic fiber electric heating element has one end and the other end capable of contacting the electrode on both sides,
The SiC ceramic fiber constituting the ceramic fiber electric heating element extends from one end to the other end of the ceramic fiber electric heating element, and all SiC ceramic fibers are short-circuited at both electrodes.
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