KR20200050385A

KR20200050385A - SiC 섬유를 내포하는 관형체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20200050385A
Application number: KR1020190134398A
Authority: KR
Inventors: 후미토모 가와하라
Original assignee: 가부시키가이샤 아드맵
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2020-05-11
Also published as: EP3647043B8; US20200139662A1; CN111145920B; KR102295328B1; EP3647043B1; EP3647043A1; JP6868601B2; US11380445B2; JP2020070216A; CN111145920A

Abstract

[과제] 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체 및 그 제조 방법을 제공한다.
[해결수단] 관형으로 형성되어 SiC 재료로 이루어지는 제1 SiC층, 상기 제1 SiC층의 외주를 따라 일방향으로 나선형으로 회권하여 설치되는 제1 홈, 상기 제1 홈을 따라 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제1 SiC 섬유층, 상기 제1 SiC 섬유층보다 외측으로 상기 일방향과 다른 방향으로 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제2 SiC 섬유층, 상기 제1 SiC층, 상기 제1 SiC 섬유층, 상기 제2 SiC 섬유층을 피복하는 SiC 재료로 이루어지는 제2 SiC층을 구비하고, 상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층의 교차하는 부분은, 상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층이 이간하여 형성된다.

Description

SiC 섬유를 내포하는 관형체 및 그 제조 방법{TUBULAR BODY CONTAINING SIC FIBER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은, SiC 섬유를 내포하는 관형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

원자력 및 우주 항공 분야 등의 높은 내구성이 요구되는 특수 환경이나 극한 환경에서 사용되는 관형체의 재료로서, SiC(Silicon Carbide; 탄화 규소)의 적용이 제안되고 있다. SiC 재료는, 내열성과 화학적 안정성이 우수하고, 열전도율과 기계적 강도가 높고, 경량이고, 중성자 경제성도 양호하고, 고온수와의 반응성도 낮다. 이로써, 예를 들면 SiC 재료를 사용한 관형체를 원자력 연료 피복관으로 사용하는 것에 의해, 종래의 지르칼로이(지르코늄의 합금)제보다 안전하고 효율이 높은 원자력 연료 피복관이 되는 것으로 기대를 받고 있다.

또, 꼬임 등에 대한 강도를 높이기 위해, SiC 섬유를 포함한 복합재로 형성된 관형체가 제안되고 있다. 특허문헌 1에 기재된 관형체에서는, 복수의 SiC 섬유가 묶어진 실(스트랜드)를 짜서 골재(骨材)를 형성한다. 조립된 골재에, SiC 전구체를 도포한 후 소성하는 것에 의해 SiC층을 형성한다. 형성한 SiC층에 대하여 더 화학 기상 성장법(chemical vapor deposition:이하 CVD법)을 사용하여 CVD-SiC층을 형성하고 있다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 일본 특개 2016-16603호 공보

그러나, 특허문헌 1의 관형체는, 제1의 실과 제2의 실을 구비하고, 제1의 실과 제2의 실이 상하로 번갈아 조립된다(특허문헌 1의 도 3 참조). 이와 같이 실이 상하로 번갈아 조립된 경우, 실이 겹쳐진 부분에서는 실끼리가 밀착한다. 실끼리가 밀착하면, 실을 형성하는 각 SiC 섬유 사이에 SiC 재료가 충분히 충전되지 않을 우려가 있다. SiC 전구체의 충전이 불충분해지면 공극(空隙)이 남아, 열전도율이 악화되고, 관형체로서의 에너지 효율도 저하되는 문제가 있다.

본원 발명은, 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 제1 국면으로서는, 관형(管形狀)으로 형성되어 SiC 재료로 이루어지는 제1 SiC층, 상기 제1 SiC층의 외주(外周)를 따라 일방향으로 나선형으로 회권(卷回)하여 설치되는 제1 홈, 상기 제1 홈을 따라 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제1 SiC 섬유층, 상기 제1 SiC 섬유층보다 외측으로 상기 일방향과 다른 방향으로 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제2 SiC 섬유층, 상기 제1 SiC층, 상기 제1 SiC 섬유층, 상기 제2 SiC 섬유층을 피복(被覆)하는 SiC 재료로 이루어지는 제2 SiC층을 구비하고, 상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층의 교차하는 부분은, 상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층이 이간(離間)하여 형성되는, SiC 섬유를 내포하는 관형체인 것을 생각할 수 있다. 여기서, 관형의 단면은 원형이거나 다각형일 수 있다.

이 국면에 있어서는, 제1 SiC 섬유층은, 제1 홈을 따라 설치된다. 이로써, SiC 섬유의 다발을 감는 방법을 규제할 수 있다. 이로써, 관형체에 대하여 제1 SiC 섬유층의 위치나 두께의 불균일을 억제할 수 있다. 그 결과, 제1 SiC 섬유층의 위치나 두께에 따라, 제1 SiC 섬유층보다 외측으로 있는 제2 SiC 섬유층과 제1 SiC 섬유층을 이간시키는 것이 용이하게 된다. 이로써, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층이 밀착하지 않고, 제2 SiC층을 형성할 때에, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층 사이에, 제2 SiC층을 형성하는 SiC가 충전되기 쉽다. 그 결과, SiC 섬유 사이에 공극이 남는 것을 방지할 수 있고, 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체를 제공할 수 있다. 또한, SiC 재료에 SiC 섬유를 내포하는 일체 구조의 SiC 복합재(모노리식 세라믹)을 관형체에 사용하는 것에 의해, 상기 SiC 복합재의 취성적 순시 파괴를 방지하고, 연속 파괴가 없는 관형체를 제공할 수 있다. 즉, 복합 효과를 높인 관형체를 제공할 수 있다.

제2의 국면에 있어서는, 상기 제1 SiC 섬유층의 두께는, 상기 제1 홈의 깊이보다 작고, 상기 제1 홈의 가장자리 부분은 곡면으로 형성되는 것을 생각할 수 있다.

이 국면에 있어서는, 제1 SiC 섬유층의 두께는, 제1 홈의 깊이보다 작기 때문에, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층을 확실히 이간하여 설치할 수 있다. 또, 제1 홈에 SiC 섬유를 감을 때에, SiC 섬유가 제1 홈의 가장자리 부분에 걸리는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층을 보다 확실히 이간하여 설치할 수 있다.

제3의 국면에 있어서는, 상기 제1 SiC층의 외주를 따라 상기 일방향과 다른 방향으로 나선형으로 회권하여 설치되고, 상기 제1 홈보다 깊이가 얕은 제2 홈을 구비하고, 상기 제2 SiC 섬유층은, 상기 제2 홈을 따라 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 것을 생각할 수 있다.

이 국면에 있어서는, 제1 홈에 더하여, 제1 홈보다 깊이가 얕은 제2 홈을 설치할 수 있다. 이로써, 2개의 SiC 섬유의 다발의 감는 방법을 규제할 수 있다. 그 결과, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층을 확실히 이간하여 설치할 수 있다.

제4의 국면에 있어서는, 상기 제1 SiC층은, 소결(燒結) SiC인 것을 생각할 수 있다. 소결 SiC는, 소결 전의 고체 상태에서 가공하기 쉽다. 제1 홈을 소결 전에 가공하여 형성하는 것에 의해, 제1 홈의 형성시의 제조 비용을 내릴 수 있다. 그 결과, 저비용이고 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체를 제공할 수 있다.

상술한 SiC 부재를 제조하는 방법으로서, 제5의 국면과 같이 하는 것을 생각할 수 있다.

제5의 국면에 있어서는, SiC 재료를 관형으로 형성하고, 상기 관형을 따라 나선형으로 제1 홈을 형성하는 공정, 상기 제1 홈을 따라, 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제1 SiC 섬유층을 형성하는 공정, 상기 제1 SiC 섬유층의 외측에 상기 제1 SiC층과 이간하여 제2 SiC 섬유층을 형성하는 공정, 상기 제1 SiC층, 상기 제1 SiC 섬유층, 상기 제2 SiC층을 피복하는 제2 SiC층을 형성하는 공정을 구비하는 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 방법을 생각할 수 있다.

이 국면에 있어서는, 제1 SiC 섬유층은, SiC 섬유를 제1 홈을 따라 형성된다. 제2 SiC 섬유층은, 제1 SiC 섬유층과 이간하여 형성된다. 제2 SiC층은, 제1 SiC 섬유층과 제2 SiC 섬유층이 이간한 간극(隙間)에 충전되고, 제1 SiC층, 제1 SiC 섬유층, 제2 SiC 섬유층을 피복한다. 이로써, 각 SiC 섬유 사이에 공극이 남는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 관한 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 A-A 단면에서의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 제1 SiC층의 측면도 및 제1 홈과 제2 홈의 확대도이다.
도 4는 본 발명에 관한 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 공정을 나타낸 순서도이다.

이하에 본 발명의 실시형태에 대하여 도면과 함께 설명한다.

(1) 전체 구성

도 1은, SiC 섬유를 내포하는 관형체(1)의 구조를 나타낸 사시도이다. 또, 도 2는, SiC 섬유를 내포하는 관형체의 A-A 단면에서의 단면도이다. 도 2의 A-A 단면은, 후술하는 제1 SiC 섬유층(5)과 제2 SiC 섬유층(6)이 교차하는 부분의 단면이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 관형체(1)는, 제1 SiC층(2)과 제1 SiC층(2)의 외주를 따라 설치되는 제1 홈(3) 및 제2 홈(4)(도 1의 파선 참조), 제1 홈(3)을 따라 설치되는 복수의 SiC 섬유 Y로 이루어지는 제1 SiC 섬유층(5), 제2 홈(4)을 따라 설치되는 복수의 SiC 섬유 Y로 이루어지는 제2 SiC 섬유층(6), 제2 SiC층(7)을 구비한다. 본 실시형태의 일례로서, 관형체(1)가 원자력 연료 피복관이면, 제1 SiC층(2)의 두께와 제2 SiC층(7)의 두께의 합계가 1㎜ 정도이다.

도 3은, 제1 SiC층(2)의 측면도이다. 또, 도 3의 확대도는, 제1 홈(3) 및 제2 홈(4)을 확대한 확대도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 SiC층(2)은, SiC 재료를 관형으로 형성한 부재이다. 제1 SiC층의 두께는, 일례로서 500㎛ 정도이다. 본 실시형태에서는, 제1 SiC층(2)은, 가공성이 우수한 소결 SiC재(材)에 의해 형성된다.

제1 SiC층(2)의 외주에는, 제1 홈(3)과 제2 홈(4)이 설치된다. 제1 홈(3)은, 깊이 T1이며, 관형의 외주를 따라 같은 폭으로 제1 SiC층(2)의 일단으로부터 타단까지, 일방향(본 실시형태에서는 시계방향)으로 나선형으로 회권하여 설치된다. 제1 홈(3)에는, 복수의 SiC 섬유 Y를 묶은 실(스트랜드) N1이, 제1 홈(3)을 따라 감겨지는 것에 의해, 제1 SiC 섬유층(5)이 형성된다. 일례로서, 실 N1의 두께는 50㎛에서 200㎛이며, 이 경우, 제1 홈(3)의 깊이 T1은, 실 N1의 두께보다 큰 300㎛ 정도일 수 있다. 제1 홈(3)의 가장자리 부분에는, 필렛부(곡면)(8)이 설치되고, SiC 섬유를 감을 때에, SiC 섬유가 가장자리 부분에 걸리는 것을 방지한다.

제2 홈(4)은, 제1 홈(3)의 깊이 T1보다 얕은 깊이 T2로 형성되고, 제1 SiC층(2)의 일단으로부터 타단까지, 같은 폭으로 제1 홈(3)과 다른 방향(본 실시형태에서는 반시계방향)으로 나선형으로 회권(回券)하여 설치된다. 제2 홈(4)에는, 복수의 SiC 섬유 Y를 묶은 실(스트랜드) N2가, 제2 홈(4)을 따라 감겨지는 것에 의해, 제2 SiC 섬유층(6)이 형성된다. 제2 홈(4)의 가장자리 부분에도 제1 홈(3)과 동일하게 필렛부(곡면)(8)이 설치되고, SiC 섬유를 감을 때에, SiC 섬유가 가장자리 부분에 걸리는 것을 방지한다.

여기서, 제2 홈(4)의 깊이 T2는, 제1 홈(3)에 실 N1이 감겨진 상태에서, 제2 홈(4)의 저부(底部)가 실 N1의 표면과 접촉하지 않는 값으로 설정된다. 일례로서, 제1 홈(3)의 깊이가 300㎛이고 실 N1의 두께가 100㎛의 경우, 깊이 T2는 100㎛로 하면, 제2 홈(4)의 저부와 제1 홈(3)에 감겨진 실 N1의 표면과의 거리는 100㎛가 되고, 제2 홈(4)의 저부와 제1 홈(3)에 감겨진 실 N1의 표면이 이간하게 된다. 이와 같이, 제2 홈(4)의 저부가, 제1 홈(3)에 감겨진 실 N1의 표면과 접촉하지 않는 설정으로 하는 것에 의해, 실 N1과 실 N2가 교차하는 부분(도 2 참조)에서, 실 N1과 실 N2 사이에 간극이 생긴다. 이 간극에 후술하는 제2 SiC층(7)을 형성하는 SiC 재료가 충전되는 것에 의해, 제1 SiC 섬유층(5)과 제2 SiC 섬유층(6)이 이간하여 형성될 수 있다. 또, 이 간극에 SiC 재료가 충전되는 것에 의해, 실 N1과 실 N2를 형성하는 복수의 SiC 섬유 사이에도 SiC재가 충전되고, 각 SiC 섬유 사이에 공극이 다량 잔존하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 제1 홈(3)과 제2 홈(4)의 형상는 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 제1 홈(3)과 제2 홈(4)의 폭은 상이하거나 불균일해도 된다. 즉, 제1 홈(3)의 깊이 T1이, 제2 홈(4)의 깊이 T2보다 깊으면 된다.

제2 SiC층(7)은, 제1 SiC층(2), 제1 SiC 섬유층(5), 제2 SiC 섬유층(6)을 피복한다. 본 실시형태에서는, 제2 SiC층(7)은, CVD법에 의해 SiC막이 형성된 CVD-SiC재로 만든 층이다. 그러나, 이에 한정되지 않고, MI(Melt Infiltration)법, PIP법(Polymer Infiltration and Pyrolysis)법, CVI(Chemical Vpapor Infiltration)법, PVD(Physical Vapor Deposition)법 등, 각종 방법에 의해 SiC막을 형성할 수도 있다. 제2 SiC층(7)의 두께는, 일례로서 500㎛ 정도이다.

(2) 제조 방법

도 4는, 본 실시형태에서의 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 공정을 나타낸 도면이다. 우선, 압출 성형에 의해 관형의 소결 SiC 기재(基材)가 되는 그린체(green body)를 제조한다(단계 1). 이후, 성형한 그린체를 절삭 가공하는 것에 의해 제1 홈(3)과 제2 홈(4)을 형성한다(단계 2, 단계 3). 그리고, 압출 성형할 때에, 제1 홈(3)과 제2 홈(4)을 동시에 형성할 수도 있다.

다음에, 제1 홈(3)과 제2 홈(4)을 가공한 그린체를, 이너트(불활성) 가스 분위기 하에서 2200℃로 소결시키는 것에 의해 제1 SiC층(2)을 형성한다(단계 4). 이후, 제1 홈(3)을 따라, 복수의 SiC 섬유 Y를 묶은 실 N1을 감고, 제1 SiC 섬유층(5)을 형성한다(단계 5).

다음에, CVD법에 의해 실 N1이 감겨진 제1 SiC층(2)에 대하여, 첫번째의 SiC막을 형성한다. 이후, 필요에 따라, 절삭 등에 의해 외형(外形)을 조정한다. 그리고, 외형을 조정할 때에, 제2 홈(4)을 형성할 수도 있다(단계 6).

다음에, 제2 홈(4)을 따라 복수의 SiC 섬유 Y를 묶은 실 N2를 감고, 제2 SiC 섬유층(6)을 형성한다(단계 7). 이후, CVD법에 의해 실 N2를 감은 제1 SiC층(2)의 외주 전면(全面)에 두번째의 SiC막을 형성하고, 제2 SiC층(7)을 형성한다(단계 8). 이후, 관형체의 외형(직경 및 길이 등)을 가공(절삭/절단 등)으로 조정한다(단계 9). 마지막으로, 관형체의 연삭/연마, 면깎기, 세정 처리를 행한다(단계 10).

(3) 변형예

본원 발명의 실시형태는, 이상의 실시예에 한정되는 일 없이, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 각종 형태를 취할 수 있는 것은 당연한 것이다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 제2 홈(4)에 대하여 설명했으나, 제2 홈(4)을 설치하지 않을 수도 있다. 즉, 제1 홈(3)에 실 N1을 감은 후, 첫번째의 SiC막을 형성하여 외형을 조정하고, 이후 제1 SiC층(2)의 외주에 실 N2를 감을 수도 있다. 이 경우에, 제2 홈(4)을 절삭하는 필요가 없어진다. 그 결과, 보다 저비용의 SiC 섬유를 내포하는 관형체를 제공할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, SiC 섬유층이 2층인 관형체의 제조 방법에 대하여 설명했으나, SiC 섬유층은 3층 이상으로 형성할 수도 있다. 이와 같이 SiC 섬유층을 겹치는 것에 의해 관형체의 강도를 향상할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는 관형체(1)는, 원자력 연료 피복관으로서 각종 수치를 사용하여 설명했으나, 이에 한정되지 않는다. 원자력 연료 피복관 외의 용도의 관형체에 대하여, 본 발명을 사용할 수도 있다. 또, 본 실시형태에서 사용한 수치를 적절히 변경한 관형체일 수도 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 제1 SiC 섬유층(5)을 형성한 후, 첫번째의 SiC막을 형성하고, 이후 제2 SiC 섬유층(6)을 형성한 후, 두번째의 SiC막을 형성했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제1 SiC 섬유층(5)을 형성함과 함께 제2 SiC 섬유층(6)을 형성하고, 이후 한번으로 SiC막을 형성하고, 제2 SiC층(7)을 형성할 수도 있다. 이런 경우라도 제1 SiC 섬유층(5)과 제2 SiC 섬유층(6)이 밀착하지 않고, 제2 SiC층(7)을 형성할 때에, 제1 SiC 섬유층(5)과 제2 SiC 섬유층(6) 사이에, 제2 SiC층(7)을 형성하는 SiC가 충전되기 쉽다.

(4) 작용, 효과

이와 같은 구성이면, 제1 홈(3) 및 제2 홈(4)에 의해, 실 N1과 실 N2의 위치를 규제할 수 있다. 이로써, 실 N1과 실 N2가 교차하는 위치에서, 실 N1과 실 N2 사이에 간극이 생겨, 이 간극에 SiC 재료가 충전되어 제2 SiC층(7)이 형성된다. 즉, 제1 SiC 섬유층(5)과 제2 SiC 섬유층(6)을 이간하여 설치할 수 있다. 이로써, 실 N1과 실 N2를 형성하는 복수의 SiC 섬유 Y의 간극에도 SiC 재료가 충전되기 쉬워져, SiC 섬유 사이에 공극이 다량 잔존하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 열전도율이 높은 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 방법을 제공할 수 있다.

1 SiC 섬유를 내포하는 관형체
2 제1 SiC층
3 제1 홈
4 제2 홈
5 제1 SiC 섬유층
6 제2 SiC 섬유층
7 제2 SiC층
8 필렛부(곡면)

Claims

관형(管形狀)으로 형성되고 SiC 재료로 이루어지는 제1 SiC층,
상기 제1 SiC층의 외주를 따라 일방향으로 나선형으로 권회(卷回)하여 설치되는 제1 홈,
상기 제1 홈을 따라 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제1 SiC 섬유층,
상기 제1 SiC 섬유층보다 외측으로 상기 일방향과 다른 방향으로 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제2 SiC 섬유층,
상기 제1 SiC층, 상기 제1 SiC 섬유층, 상기 제2 SiC 섬유층을 피복(被覆)하는 SiC 재료로 이루어지는 제2 SiC층을 포함하고,
상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층의 교차하는 부분은, 상기 제1 SiC 섬유층과 상기 제2 SiC 섬유층이 이간(離間)하여 형성되는, SiC 섬유를 내포하는 관형체.
제1항에 있어서,
상기 제1 SiC 섬유층의 두께는, 상기 제1 홈의 깊이보다 작고, 상기 제1 홈의 가장자리 부분은 곡면으로 형성되는, SiC 섬유를 내포하는 관형체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 SiC층의 외주를 따라 상기 일방향과 다른 방향으로 나선형으로 회권하여 설치되고, 상기 제1 홈보다 깊이가 얕은 제2 홈을 포함하고,
상기 제2 SiC 섬유층은, 상기 제2 홈을 따라 감겨진 복수의 SiC 섬유로 이루어지는, SiC 섬유를 내포하는 관형체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 SiC층은, 소결(燒結) SiC인, 관형체.
SiC 재료를 관형으로 형성하고, 상기 관형을 따라 나선형으로 제1 홈을 형성하는 공정,
상기 제1 홈을 따라, 복수의 SiC 섬유로 이루어지는 제1 SiC 섬유층을 형성하는 공정,
상기 제1 SiC 섬유층의 외측에 상기 제1 SiC층과 이간하여 제2 SiC 섬유층을 형성하는 공정,
상기 제1 SiC층, 상기 제1 SiC 섬유층, 상기 제2 SiC 섬유층을 피복하는 제2 SiC층을 형성하는 공정을 포함하는 SiC 섬유를 내포하는 관형체의 제조 방법.