KR20230026739A - Reaction bonded silicon carbide and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to reaction bonded silicon carbide (RBSC), a reaction bonded silicon carbide composite, and a manufacturing method thereof, and to reaction bonded silicon carbide which has a denser structure, less cracking, and excellent mechanical properties at high temperatures than reaction bonded silicon carbide prepared by a conventional manufacturing method, a composite including the same, and a method for preparing the same.

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 {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), a reaction sintered silicon carbide composite, and a method for producing the same, which has a denser structure and less cracking than reaction sintered silicon carbide prepared according to a conventional method, It relates to reaction-sintered silicon carbide having excellent mechanical properties at high temperatures, a composite including the same, and a method for preparing the same.

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) are generally composed of a mixture of silicon carbide and unreacted residual silicon. As a method of forming silicon carbide by reacting carbon and silicon at a high temperature, a large amount of unreacted silicon carbide is generated in this process, and the high-temperature strength of reaction-sintered silicon carbide containing low-melting-point silicon is rapidly reduced. In the case of producing reaction-sintered silicon carbide 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 a 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 prepare reaction-sintered silicon carbide has been generally used. However, the reaction-sintered silicon carbide produced through the above technology still contains a large amount of excess silicon, and its application is limited because it is difficult to impregnate carbon and silicon powder into complex structures such as fiber-reinforced composite materials.

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

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 representative process for producing silicon carbide is a process of melting and impregnating silicon after making porous carbon preforms by thermally decomposing phenolic resin or pitch at high temperature.

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 melting and impregnating silicon after mixing furfuryl resin, a dispersant, and a pore-forming material, which are carbon raw materials, to create porous carbon nanoparticles by high-temperature thermal decomposition

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

등이 제안되었다.etc. have been suggested.

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 pyrolysis process of the pitch blocks the surface of the pores, making it difficult for the molten silicon to penetrate. In the phenol resin pyrolysis process, carbon and silicon are not completely reacted, so there is a problem in that a large amount of unreacted silicon and coke pieces, which are lumps of carbon, remain. When furupril resin is pyrolyzed to produce porous carbon, the content of excess silicon and carbon can be greatly reduced by properly adjusting the density and particle size of carbon.

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, Causing crack formation in the preform. In these cracks, only silicon exists without carbon. Therefore, in the case of the reaction-sintered silicon carbide prepared by the above method, a large amount of silicon or carbon is included in an excessive amount, and thus strength, high-temperature characteristics, and the like 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 has been made to solve the above problems, and an object to be solved by the present invention is to provide a method for producing reaction-sintered silicon carbide having a small content of unreacted residual silicon or carbon and having a dense structure.

다른 과제는 이에 의하여 제조된 것으로서 고온에서의 기계적 물성이 우수한 반응소결 탄화규소를 제공하는 것이다.Another object is to provide a reaction-sintered silicon carbide having excellent mechanical properties at high temperatures as produced thereby.

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 problems, the present invention 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 for producing reaction sintered silicon carbide (RBSC), characterized in that the volume of closed pores isolated from the outside is 1% or less relative 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, characterized in that it contains silicon (Si) penetrated into the pores of the porous carbon nanoparticle structure, but 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.In the reaction-sintered silicon carbide or composite produced according to the manufacturing method of the present invention, molten silicon can penetrate densely into the porous carbon nanoparticle structure, and the size of the carbon nanoparticle is fine, so that unreacted residual carbon and The significantly reduced amount of silicon results in excellent mechanical properties at high temperatures and improved resistance to oxidation.

또한, 구조가 치밀한 반응소결 탄화규소를 제조할 수 있어 수축 시 균열의 발생 등이 적어 기계적 물성이 더욱 향상되는 장점이 있다.In addition, since reaction sintered silicon carbide having a dense structure can be manufactured, there is an advantage in that mechanical properties are further improved due to less 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.
1 is a view showing the microstructure of silicon carbide manufactured according to a conventional manufacturing method through a resin pyrolysis process.
2 is a photograph of the microstructure of a porous carbon nanoparticle structure prepared through chemical vapor deposition.
3 is a photograph of the microstructure of a porous carbon nanoparticle structure under different temperature conditions during chemical vapor deposition.
4 is a photograph of the microstructure of a porous carbon preform manufactured by a conventional process.
5 is a photograph of the microstructure of a porous carbon preform manufactured by a conventional process.
6 is a graph showing the distribution of pore sizes of the carbon nanoparticle structures produced when the temperature conditions are changed during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
7 is a dot graph showing the grain size of the carbon nanoparticle structure produced when the temperature conditions are changed during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
8 is a dot graph showing the porosity of carbon nanoparticle structures produced when temperature conditions are varied during chemical vapor deposition in the manufacturing method according to the present invention.
9 is a photograph of a microstructure of reaction-sintered silicon carbide prepared 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.
10 is an EDS elemental analysis result of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide prepared 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 is a picture.
11 is a diagram showing residual silicon according to chemical vapor deposition temperature conditions evaluated by image analysis of the microstructure of reaction-sintered silicon carbide manufactured by the manufacturing method according to the present invention.
12 is an X-ray diffraction pattern of reaction-sintered silicon carbide prepared according to a manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention, and displays diffraction peaks represented by a phase of residual silicon and a phase of silicon carbide.
13 is an X-ray diffraction pattern of reaction-sintered silicon carbide prepared according to a manufacturing method according to another embodiment of the present invention, and displays diffraction peaks represented by a phase of residual silicon and a phase of silicon carbide.
14 is a view showing the content of residual silicon in reaction-sintered silicon carbide prepared according to the manufacturing method of the present invention according to temperature conditions during chemical vapor deposition.
15 is a view showing the Vicker's hardness of reaction-sintered silicon carbide prepared according to the production method of the present invention according to chemical vapor deposition temperature conditions.
16 is a photograph of the microstructure of a porous carbon support prepared according to the prior art.

본 발명의 상세한 설명에 앞서서, 본 명세서에서 사용된 용어의 의미를 정의한다.Prior to the 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 the present specification, "closed pores" are pores existing in a solid-phase object and refer to pores 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 the present specification, a "porous carbon nanoparticle structure" is a structure formed of an aggregate of carbon nanoparticles, and means that the structure is porous because it has a plurality of pores.

본 명세서에 있어서, "아세틸렌 분해억제기체"란, 화학기상증착의 전구체인 아세틸렌의 분해 반응을 억제하기 위하여 투입되는 기체를 의미한다.In the present specification, "acetylene decomposition inhibitory gas" means a gas introduced to suppress the decomposition reaction of acetylene, which is a precursor of 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.In this specification, "excess by mole" means that one substance exceeds the equivalent weight between two reacting substances. That is, when molten silicon is infiltrated into the carbon nanoparticle structure, an excess 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, in the case of manufacturing reaction-sintered silicon carbide according to the prior art, the particles of the carbon preform are too large, so the molten silicon cannot react to the inside of the carbon, leaving a large amount of unreacted carbon, or the pores are small, so that the molten silicon There were difficulties in manufacturing a homogeneous silicon carbide material, such as not sufficiently penetrating into the carbon preform, leaving a large amount of residual silicon that did not react with carbon, or cracking the silicon carbide structure during shrinkage 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 these problems, the present invention 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 producing reaction sintered silicon carbide (RBSC), characterized in that the volume of closed pores isolated from the outside is 1% or less relative 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, it is possible to improve production efficiency by reducing the conventional two-step process consisting of resin impregnation and pyrolysis process into a single process, and since chemical vapor deposition is a gas process, more diverse and complex structures It also has the advantage of being easy to apply to the shape.

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 of carbon nanoparticles, the particle size of the prepared carbon preform can be finely controlled in nano units to form a structure of carbon nanoparticles, and the carbon nanoparticle structure has a porous structure with many fine pores inside, so that when reacting with molten silicon, molten silicon can penetrate deep into the inside, 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, the porous carbon nanoparticle structure has a very small volume of 0.1% or less of the volume of the entire structure, so that cracks hardly occur after the reaction, and the prepared reaction-sintered silicon carbide could 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 prepared by this method is silicon carbide having a homogeneous and dense structure with almost no residual silicon, and has the advantage of significantly improving 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.As such, the crystal grain size of the carbon nanoparticles can be controlled by adjusting the chemical vapor deposition conditions, 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 molten silicon does not penetrate into the inside of the carbon nanoparticle structure because the internal pores are greatly reduced because the particles are too fine. As a result, the content of internal closed pores increases and the content of unreacted residual silicon increases. Therefore, there may be problems such as weakening of the mechanical properties of the prepared reaction-sintered silicon carbide at high temperatures and generation of cracks. Conversely, when the crystal grain size exceeds 5 μm, the size of the carbon particles becomes excessively large, so residual carbon that does not react is generated inside each particle, and when the content of the 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, the closed pores are preferably 0.1% or less of the volume of the entire porous carbon nanoparticle structure, and as the size of the closed pores increases, the strength of the prepared reaction-sintered silicon carbide weakens and cracks may occur, increasing the amount of residual silicon. can be made

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. In addition to acetylene gas, the mixed gas may further include propylene, methane, hydrogen gas, and the like.

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 to acetylene gas, in the mixed gas, in order 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, an acetylene decomposition inhibitory gas is added to the mixed gas. 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 inhibitory gas may include hydrogen gas (H 2 ), and may further include one or more gases selected from hydrocarbon gases represented by the following molecular formula 1.

[분자식 1][Molecular formula 1]

CxHy C x H y

상기 분자식 1에서, x≤y이고, x≤5이다.In the above 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, the hydrocarbon gas represented by the molecular formula 1 includes CH 4 , C 3 H 6 , and the like, but is 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, there is a problem in that chemical vapor deposition is performed too slowly, resulting in low deposition efficiency and large non-uniformity of carbon deposition according to gas flow. In addition, conversely, when the pressure is too high, exceeding 760 torr, a phenomenon in which the density of carbon is excessively lowered occurs.

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, when the temperature condition is less than 900 ° C, there may be a problem in that the carbon structure is formed too densely, and when the temperature condition exceeds 1,600 ° C, the pore size and porosity of the carbon nanoparticle structure increase and the particle of the carbon nanoparticle When the size is reduced and molten silicon penetrates, the amount of residual silicon remaining without reaction may increase due to insufficient penetration.

바람직하게는, 상기 1) 단계에서의 화학기상증착은 900~1,150 ℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다.Preferably, the 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. Since silicon is also sufficiently permeable, unreacted silicon is hardly found at 5% or less of the total weight ratio, forms a dense structure, and can produce 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 amount of molten silicon permeated in step 2) may be in excess based on the number of moles relative to the porous carbon nanoparticle structure. Preferably, the molten silicon may be added in an excess of 2 times or more relative 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.In addition, the step of infiltrating and reacting molten silicon may proceed in an inert gas atmosphere. Preferably, it can be carried out under an argon gas atmosphere. When proceeding in an inert gas atmosphere, oxidation of molten silicon can be prevented to produce dense reaction-sintered silicon carbide.

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.Also, preferably, the step of infiltrating and reacting molten silicon may be performed in a temperature range of 1,450 to 1,800 °C. When performed 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 prepared reaction-sintered silicon carbide is not dense. 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: 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) Infiltrating 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 for producing a reaction sintered silicon carbide (RBSC) composite, characterized in that the volume of closed pores isolated from the outside is 1% or less relative 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, a metal such as zirconium, titanium or molybdenum added into the molten silicon reacts with silicon to form a compound or a compound with carbon to form carbide, thereby reducing the amount of residual silicon or reducing the amount of reaction-sintered silicon carbide. 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 may react with silicon to form SiMO 2 , which may further reduce the residual silicon content 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. In addition, zirconium or titanium may form a carbide of ZrC or TiC to increase the melting point and improve 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 Conditional Expression 2 below.

[조건식 2][conditional expression 2]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 조건식 2에서,

Figure pat00002
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 the above conditional expression 2,
Figure pat00002
is the sum of weight percentages (wt%) of at least one metal selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and aluminum (Al) included 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 other compounds other than silicon carbide in the composite increases, so the mechanical properties of high-strength silicon carbide may decrease, and if it is less than 0.5wt%, the effect of adding 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, characterized in that it contains silicon (Si) penetrated into the pores of the porous carbon nanoparticle structure, but 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 means 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 such a structure, silicon is uniformly distributed in the reaction-sintered silicon carbide, and its content is less than 10% by weight, so that the reaction-sintered silicon carbide has 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, peak intensities at diffraction angles of 28 to 30 degrees and 47 to 48 degrees are independently peak intensities 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.12 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of reaction-sintered silicon carbide prepared according to a preferred embodiment of the present invention. ■ is a diffraction peak represented by the β-SiC phase, and ● is a diffraction peak represented 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 FIG. 12, peaks represented by the residual silicon phase appear at diffraction angles of about 28 to 30 degrees and 47 to 49 degrees, and the size of the peak is a peak near 35 degrees having the strongest intensity among peaks represented by the β-SiC phase. It can be seen that the strength is significantly smaller 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.13 is a graph showing an X-ray diffraction pattern for reaction-sintered silicon carbide having a higher content of residual silicon. Referring to FIG. 13, more peaks represented by unreacted residual silicon are observed, and the number of peaks It can be seen that the strength is also remarkably high. In particular, it can be seen that the difference in intensity between the peak of residual silicon at a diffraction angle of 28 to 30 degrees and the peak of β-SiC found at a diffraction angle of 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 is contained inside the closed pores and is isolated from the outside, the volume ratio to the total reaction-sintered silicon carbide volume may be 1% or less. The closed pores are the sum of the volumes of all closed pores generated during the manufacturing process, such as the volume of closed pores existing in the original porous carbon nanoparticle structure during the manufacturing process and the volume of closed pores generated due to bubbles generated due to insufficient penetration of molten silicon. , the smaller the volume, the better the strength of silicon carbide. More preferably, the volume ratio of the closed pores disconnected from the outside may be 0.5% or less, more preferably 0.1% or less, relative to the total volume of the 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 included in the reaction-sintered silicon carbide may be 1 μm or less. When the residual silicon has an average particle size of greater than 1 μm, when silicon carbide is exposed to high temperatures, since silicon has a lower melting point than silicon carbide, high-temperature properties are 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 Vicker's Hardness of 20 to 30 GPa. The present invention has a structure in which the content of residual silicon in silicon carbide is minimized, so that it can have stronger hardness than a silicon carbide structure in which a large amount of silicon remains. It is suitable for use in jet engines, gas turbines, and the like.

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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. Since the embodiments described below do not limit the scope of the present invention and merely illustrate specific embodiments of the present invention, it is easy for those skilled in the art to implement by adding/changing and omitting other components in addition to the core components. And, which is included in the technical spirit 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 loaded 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. A porous carbon nanoparticle structure was prepared. .

이와 같이 제조된 다공성 탄소 나노입자 구조체의 미세 구조는 도 3에 나타내었다.The microstructure of the porous carbon nanoparticle structure thus prepared is shown in FIG. 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 penetrated into the porous carbon nanoparticle structure by capillary force. The infiltration process was carried out in an Ar gas atmosphere in a vacuum furnace, an excess of silicon of about twice the weight was charged, and impregnation was performed for about 30 minutes while maintaining 1600 ° C. Thereafter, the reaction-sintered silicon carbide formed by infiltrating and reacting with the molten silicon was cooled.

실시예 2Example 2

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

실시예 3Example 3

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

실시예 4Example 4

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

비교예 1 - Coal tar pitch, coal-based synpitch, petroleum pitch로부터 제조한 다공성 탄소 지지체를 이용한 반응소결 탄화규소Comparative Example 1 - Reaction-sintered silicon carbide using a porous carbon support prepared 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 of heat-treating the pitch at a temperature of 200 to 400 ° C was performed, and a step of forming pores by heating to 500 ° C in a high-pressure nitrogen atmosphere of 3.5 MPa was performed. Then, 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.The thus-prepared carbon support was impregnated with molten silicon to prepare reaction-sintered silicon carbide. The microstructure of the porous carbon support prepared according to Comparative Example 1 is shown in FIG. 16, and is not composed of spherical carbon nanoparticles, but has spherical coarse pores formed in carbon and a network structure including a large number of closed pores. It was confirmed that it has

비교예 2 - 페놀 수지로부터 제조한 다공성 탄소 지지체를 이용한 반응소결 탄화규소Comparative Example 2 - Reaction-sintered silicon carbide using 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, after carbon black powder was dispersed in a solvent to prepare porous carbon, silicon carbide powder was mixed together to reduce the content of residual silicon. Thereafter, tape casting was performed after adding a binder and a plasticizer, and the binder was removed. Thereafter, porous carbon was prepared through a carbonization process after impregnation with a phenolic resin. Reaction-sintered silicon carbide was prepared 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 FIG. 4, and as a result of the measurement, the open cell porosity was about 40% by volume, and the amount of residual silicon after making reaction-sintered silicon carbide was about 20~ As 30% by volume, it was confirmed that a remarkably high residual silicon was included compared to the examples.

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.After incorporating triethylene glycol, which forms pores in furfuryl alcohol resin, which is a carbon source, and diethylene, which is a dispersant, p-toluene sulfonic acid was added to cure it. After performing a crosslinking process at 60-95°C, a pyrolysis process was performed at a temperature of 1100°C or lower to prepare a porous carbon preform. Thereafter, molten silicon was impregnated to prepare reaction-sintered silicon carbide.

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 prepared according to Comparative Example 3 is shown in FIG. 17, and in the porous carbon support prepared in Comparative Example 3, a lot of volumetric shrinkage occurred and a number of cracks were confirmed during the manufacturing process. Since silicon carbide is difficult to form in cracks, it was confirmed that it is difficult to obtain reaction-sintered silicon carbide of a quality suitable for applications where reaction-sintered silicon carbide is generally used.

<실험예><Experimental example>

실험예 1: 탄소 나노입자 구조체의 미세 구조, 기공률, 입자 크기Experimental Example 1: Microstructure, porosity, 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.3 to 5 show photographs of microstructures of the carbon nanoparticle structures prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.

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.3 is a photograph of the carbon nanoparticle structure of Examples 1 to 4, FIG. 4 is a microstructure of the carbon nanoparticle structure of Comparative Example 1, and FIG. 5 is a photograph of the microstructure of the carbon nanoparticle structure of Comparative Example 2, respectively. 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 FIGS. 4 and 5 , it can be seen that spherical pores are formed in the carbon nanoparticle structure of Comparative Example prepared according to the conventional manufacturing method. In contrast, the porous carbon nanoparticle structure prepared according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 was confirmed to have spherical carbon nanoparticles and a more open microstructure.

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

구분division 증착 온도
(℃)
deposition temperature
(℃)
결정입도
(nm)
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 다름Carbon black powder size dependent 40~4440 to 44 비교예 3Comparative Example 3 -- 수 ㎛several μm 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 from Table 1, it can be seen that when the chemical vapor deposition temperature is 1100° C., the crystal grain size of the carbon nanoparticles is the largest and the porosity is low. It was confirmed that as the vapor deposition temperature increased, the size and crystal grain size of the carbon nanoparticles decreased and the porosity increased. As the crystal grain size increases, the particles become coarser and the content of residual carbon may increase. In addition, 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.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 the distribution of large-sized pores increases as the vapor deposition temperature 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.9, 10 and 11 show photographs of microstructures of reaction-sintered silicon carbide prepared according to Examples 1 to 4.

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 Fig. 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 the 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.10 and 11 are views showing the results of EDS elemental analysis of reaction-sintered silicon carbide prepared according to each example, and it can be seen that the content of residual silicon increases as the chemical vapor deposition temperature 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 in the silicon phase, so it can be predicted that the 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 FIGS. 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 FIGS. 12 and 13 , it can be seen that the reaction-sintered silicon carbide of Example 1 in which the chemical vapor deposition was performed at 1100° C. had very low intensity of diffraction peaks appearing from the silicon phase. Conversely, it can be seen that the reaction-sintered silicon carbide of Example 2, in which chemical vapor deposition was performed at 1200° C., has significantly stronger diffraction peak intensity 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 the 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 content of residual carbon and silicon

도 14는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 반응소결 탄화규소 내에 잔류하는 규소의 함량을 비교한 그래프이다.14 is a graph comparing the content of silicon remaining in the 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 confirmed that the content of residual silicon increases significantly at 1200 ° C compared to when the chemical vapor deposition temperature is 1100 ° C. It can be seen that it would be preferable to prepare a carbon nanoparticle structure by carrying out.

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.15 is a graph comparing the measured Vickers hardness of reaction-sintered silicon carbide prepared 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 a significant difference in Vickers hardness value between Example 1 deposited at 1100 ° C and Example 2 deposited at 1200 ° C appears. could

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;
The porous carbon nanoparticle structure is a method for producing reaction sintered silicon carbide (RBSC), characterized in that the volume of closed pores isolated from the outside is 1% or less relative to the total volume.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노입자는 100㎚~5㎛의 결정입도(grain size)를 갖는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조방법.
According to claim 1,
The method for 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 claim 1,
The method for producing reaction-sintered silicon carbide, characterized in that the mixed gas further comprises an acetylene decomposition inhibitory gas to control the particle size and porosity of the carbon nanoparticle structure by suppressing the decomposition reaction of 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 claim 3,
The acetylene decomposition inhibiting gas is a method for producing reaction-sintered silicon carbide, characterized in that it comprises at least one gas selected from hydrogen (H 2 ) gas and hydrocarbon gas represented by the following molecular formula 1:
[Molecular Formula 1]
C x H y
In the above 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 claim 1,
Chemical vapor deposition in step 1) is a method for producing reactive sintered silicon carbide, characterized in that carried out in a pressure range of 10 ~ 760 torr and a temperature range of 900 ~ 1,600 ℃.
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 one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), titanium (Ti) and molybdenum (Mo) into the porous carbon nanoparticle structure; Including,
The method for producing a reaction sintered silicon carbide (RBSC) composite, characterized in that the porous carbon nanoparticle structure has a volume of closed pores disconnected from the outside of 1% or less relative to the total volume.
다공성의 탄소 나노입자 구조체의 기공 내에 침투한 규소(Si)를 포함하되, 상기 규소의 잔류함량은 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소.
A reaction-sintered silicon carbide comprising silicon (Si) penetrated into pores of a porous carbon nanoparticle structure, wherein 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.
According to claim 7,
In the X-ray diffraction pattern of the reaction-sintered silicon carbide, the intensity of the peaks at diffraction angles of 28 to 30 degrees and 47 to 48 degrees is 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.
According to claim 7,
Reaction-sintered silicon carbide, characterized in that the average size of the residual silicon particles included in the reaction-sintered silicon carbide is 1 μm or less.
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