KR101801861B1 - 비정질 철계 합금 및 이를 이용하여 제조한 방사능 차폐용 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 비정질 철계 합금에 관한 것으로서, 상세하게는 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되고, 상기 a는 철(Fe)의 원자%로, 상기 a는 a=100-(b+c+d)이고 a＞50이며, 상기 b는 보론(B)의 원자%로 5＜b＜35이고, 상기 c는 X의 원자%로 1＜c＜15이며, 상기 X는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 d는 Z의 원자%로 0≤d＜25 이고, 상기 Z는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이면서, 단, 상기 X와 동일하지 않는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금에 관한 것이다.
Description
본 발명은 비정질 철계 합금에 관한 것으로서, 상세하게는 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 Fe를 기반으로 높은 함량의 붕소를 포함한 비정질 철계 합금에 상기 철 및 붕소와 함께 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 또는 Nb를 일정 비율로 더 포함하여, 비정질상의 안정성을 확보함은 물론이고 내식성, 기계적 강도 및 방사능 차폐율을 현저히 향상시키는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 배출된 사용 후 핵연료는 많은 양의 열중성자를 방출하며 이러한 열중성자가 외부로 방출되는 것을 방지하기 위하여, 사용 후 핵연료를 수중에서 보관 및 저장하고 있는 실정이다. 그러나 지속적인 전력 수요의 상승에 맞추어 원활한 전력 공급을 위하여 원자력 발전에 사용된 핵연료의 양이 증가함에 따라 사용 후 핵연료의 발생량이 증가되었다. 이에 따라 사용 후 핵연료의 저장 공간이 포화되면서 저장 공간의 확보가 큰 문제로 대두되고 있다.
따라서 한정된 공간 내에서 사용 후 핵 연료를 보관 및 저장하기 위해서는 많은 양의 사용 후 핵연료를 좁은 공간에 효율적으로 저장할 수 있는 사용 후 핵연료 저장용 구조체의 고효율화 및 고밀도화가 불가피한 실정이며, 구조체 소재의 고성능화가 요구되고 있는 상황이다.
사용 후 핵연료 저장 용기로서 사용되는 재료는 우수한 열중성자 흡수능을 구비하는 것은 물론이고, 내식성이 요구된다.<원자력재료종합정보시스템, "사용 후 해연력 운반/저장용 열중성자 차폐재">
이러한 목적으로 선진국에서는 열중성자 차폐용 재료로서 알루미늄 합금 및 스테인리스강에 중성자 흡수능이 우수한 보론, 보론화합물, 리튬, 가돌리늄, 사마늄, 유로퓸, 카드뮴, 디스프로슘 등을 복합화하여 고효율의 차폐 성능을 갖는 신소재가 개발되고 있다.
그러나 상기 기지 금속을 알루미늄합금이나 스테인리스강으로 하여 수십 마이크로 크기의 보론 또는 보론 화합물(B4C)을 첨가하게 되는데, 일정량 이상이 되면 열간가공성, 냉간가공성, 인성 및 용접성 등이 저하되는 문제점이 있어 일정량 이상의 보론 화합물 첨가가 매우 어렵다. 특히 스테인리스강의 경우 오스테나이트상 내의 붕소의 용해도가 거의 없기 때문에 매우 소량의 B(2wt% 미만)가 첨가될 수 밖에 없으며 높은 차폐성능을 기대하기 어려운 실정이다.<한국 등록특허 제10-1290304호>
이에, 사용 후 핵연료 저장 시설의 차폐 효율성 향상을 위해 보론의 함유량을 증가시켜 높은 중성자 흡수성능을 가짐과 동시에, 구조체로서의 기계적 강도 및 내부식성을 유지할 수 있는 방사선 및 중성자 차폐 구조체 개발이 절실히 필요한 실정이다.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 철을 기지로 하고, 비정질 구조를 갖도록 하며, 붕소의 함유량(고용도)을 향상시킴으로서 비정질구조의 안정성을 확보함과 동시에 내부식성, 기계적 강도 및 방사능 차폐율이 현저히 향상된 비정질 철계 합금을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 상기 비정질 철계 합금에 콘크리트, 폴리머, 몰타르 또는 세라믹을 혼합하여 제조한 방사능 차폐용 복합재를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
일반식 FeaBbXcZd 로 표현되고,
상기 a는 철(Fe)의 원자%로, 상기 a는 a=100-(b+c+d)이고 a＞50이며,
상기 b는 보론(B)의 원자%로 5＜b＜35이고,
상기 c는 X의 원자%로 1＜c＜15이며, 상기 X는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 d는 Z의 원자%로 0≤d＜25 이고, 상기 Z는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이면서, 단, 상기 X와 동일하지 않는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금이 제공된다.
또한 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,
상기 비정질 철계 합금에 콘크리트, 폴리머, 몰타르 또는 세라믹을 혼합하여 제조한 방사능 차폐용 복합재가 제공된다.
본 발명, 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 비정질 철계 합금은 비정질 구조를 가짐에 따라 결정립계(grain boundary)같은 결함이 존재하지 않고, 이에 따라 같은 조성을 갖는 일반 결정질 금속에 비해 높은 강도 및 우수한 내식성을 가짐은 물론이고, 붕소를 높은 함량으로 포함할 수 있도록 하여, 방사능 차폐, 특히 열중성자 차폐에 우수한 성능을 나타낸다.
더욱이 본 발명은, 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 비정질 철계 합금에 붕소와 함께 가돌리늄을 포함하여 보다 향상된 방사능 차폐 기능을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 철을 기지로 하는 비정질 철계 합금으로, 상기 Fe의 원자%가 50을 초과함에 따라, 방사능 차폐 기능을 나타내는 구조재로서 사용될 수 있음은 물론이고, 경제적인 면에서도 유용하다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 방사능 차폐용 복합재의 열중성자 차폐를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5의 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD 분석 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2.0 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5의 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD 분석 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2.0 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
본 발명은 비정질 철계 합금에 관한 것으로서, 상세하게는 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 Fe를 기반으로 높은 함량의 붕소를 포함한 비정질 철계 합금에 상기 철 및 붕소와 함께 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 또는 Nb를 일정 비율로 더 포함하여, 비정질상의 안정성을 확보함은 물론이고 내식성, 기계적 강도 및 방사능 차폐율을 현저히 향상시키는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
일반식 FeaBbXcZd 로 표현되고,
상기 a는 철(Fe)의 원자%로, 상기 a는 a=100-(b+c+d)이고 a＞50이며,
상기 b는 보론(B)의 원자%로 5＜b＜35이고,
상기 c는 X의 원자%로 1＜c＜15이며, 상기 X는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이고,
상기 d는 Z의 원자%로 0≤d＜25 이고, 상기 Z는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이면서, 단, 상기 X와 동일하지 않는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금이 제공된다.
상기 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 본 발명의 비정질 철계 합금에 있어서, 상기 철(Fe)은 기지이고, a는 상기 철의 원자%(at%)를 나타낸 것이다.
이때, 상기 비정질 철계 합금의 원자% a는 a=100-(b+c+d)이고, a＞50 로, 상기 철이 기지재로서, 50을 초과한 원자% 함량으로 상기 비정질 철계 합금에 포함됨에 따라, 상기 비정질 철계 합금은 구조체에 용이하게 사용될 수 있다.
또한, 상기 기지로 포함되는 철은 순도 높은 Fe 원소 외에도, 강(steel), 용선(pig iron), 주물선(cast iron), Fe-B 합금철, Fe-Cr 합금철, Fe-Mo 합금철, Fe-P합금철로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 본 발명의 비정질 철계 합금에 있어서, B는 보론이고, b는 상기 보론의 원자%를 나타낸 것이다.
상기 보론은 본 발명이 비정질 구조를 가짐에 따라 높은 함량으로 상기 철계 합금에 포함될 수 있고, 이에 따라 방사성 차폐, 특히 열중성자 차폐율을 향상시킨다.
이때 보론의 원자 %인 b는 5＜b＜35이고, 바람직하게는 b는 15≤b≤25인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 본 발명의 비정질 철계 합금에 있어서, 상기 c는 X의 원자%로 1＜c＜15이며, 상기 X는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나인 것으로 한다.
또한, 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되는 본 발명의 비정질 철계 합금에 있어서, 상기 d는 Z의 원자%로 0≤d＜25 이고, 상기 Z는 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나이면서, 단, 상기 X와 동일하지 않는 것을 특징으로 한다.
이때 바람직하게는, 상기 X 또는 Z가 Gd인 경우, 상기 b+c 또는 b+d가 20 ~ 30원자%로, 상기 비정질 철계 합금에 보론(B)과 가돌리니움(Gd)을 함께 포함할 경우 보론의 원자%와 Gd의 원자%의 합이 20 ~ 30이 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 X는 Mo 또는 Si이고, 상기 Z는 Cr, Gd 또는 C이며, 이때 상기 X의 원자%인 c는 1＜c＜5이고, 상기 Z의 원자%인 d는 0≤d≤20인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 상기 X가 Mo이고, 상기 Z가 Gd일 때, Fe의 원자% a는 70~80원자%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 비정질 철계 합금은, 상기 일반식 FeaBbXcZd 로 표현됨은 물론이고, 상기 일반식 FeaBbXcZd에, 상기 X 및 Z와 동일하지 않으면서 Mo, Cr, C, Si, Gd, Mn, Zr, Ti 및 Nb 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 일반식 FeaBbXcZd에 있어서, 상기 X가 Mo 또는 Si이고, 상기 Z가 Gd 또는 C일 때, 상기 일반식 FeaBbXcZd의 100원자%에 대해 Cr을 5 ~ 25원자%로 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 일반식 FeaBbXcZd에 있어서, 상기 X가 Mo 또는 Si이고, 상기 Z가 Gd 또는 C일 때, 상기 일반식 FeaBbXcZd의 100원자%에 대해 Cr을 8 ~ 18원자%로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 일반식 FeaBbXcZd에 있어서, 상기 X가 Si이고, 상기 Z가 Gd 또는 C일 때, 상기 일반식 FeaBbXcZd의 100원자%에 대해 Mo을 1 ~ 10원자%로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명 비정질 철계 합금은 Fe 을 기지로 하여 높은 함량의 B를 포함함은 물론이고, Cr, Mo, C, Si 및 Gd 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 일정 원자 %함량으로 더 포함함에 따라, 비정질 구조의 안정성을 확보하면서도 열중성자 차폐율을 20~90%로 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 비정질 철계 합금은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 리본, 섬유, 조각, 벌크 또는 분말의 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 측면으로는,
상기 비정질 철계 합금에 콘크리트, 폴리머, 몰타르 또는 세라믹을 혼합하여 제조한 방사능 차폐용 복합재가 제공된다.
상기 복합재는, 20~90%의 열중성자 차폐율을 나타내는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
리본 형상의 비정질 철계 합금 제조
(1)Fe
72
B
25
Mo
3
조성의 비정질 리본 제조
먼저 Fe72B25Mo3 조성의 모합금(master alloy)을 제조하기 위하여, 20g 기준으로 상기 각 원소별로 웨잉(weighing)을 한 후, 고순도 아르곤 분위기에서 진공 아크 용해로(vaccum arc furnace)를 사용하여 진공아크용해법으로 72at%의 Fe, 25at%의 B 및 3at%의 Mo로 이루어진 Fe72B25Mo3 조성의 모합금을 제조하였다. 이때 상기 모합금 성분은 99.8% 이상의 순도를 갖는 Fe 및 Mo과, 페로보론(Ferro-boron > 99.8%) 을 사용하였다.
다음으로, 상기 제조된 Fe72B25Mo3 조성의 모합금을 멜트스피닝(melt-spinning)장비를 이용하여 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본을 제조하였다. 이때 상기 멜트스피팅은 회전하는 휠의 선속도가 35-40m/s, 녹은 용탕을 밀어내는 가스의 압력이 0.04-0.06 MPa의 조건으로 불활성 기체 분위기에서 실시되었다. 이에 따라 0.020-0.023mm 두께의 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본 형상의 시편을 제작하였다.
(2) Fe
52-67
B
25
Mo
3
Cr
5-20
조성의 비정질 리본 제조
99.8% 이상의 순도를 갖는 Fe, Mo 및 Cr과, 페로보론(Ferro-boron>99.8%) 을 사용하여, 비정질 리본의 조성과 상기 각각의 조성에 대한 원자%를 달리한 것을 제외하고는 상기 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본 제조과정과 동일한 방법으로, 0.020-0.023mm 두께의 Fe52-67B25Mo3Cr5-20 조성의 비정질 리본을 제조하였다.
이때, 상기 Fe52-67B25Mo3Cr5-20 조성의 비정질 리본은, 각각의 원자%에 의하여, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5의 조성을 갖는 비정질 리본으로 제조하였다.
(3) Fe
72
B
15-24.5
Mo
3
Gd
0.5-10
조성의 비정질 리본 제조
99.8% 이상의 순도를 갖는 Fe, Mo 및 Gd과, 페로보론(Ferro-boron>99.8%) 을 사용하여, 비정질 리본의 조성과 상기 각각의 조성에 대한 원자%를 달리한 것을 제외하고는 상기 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본 제조과정과 동일한 방법으로, 0.020-0.023mm 두께의 Fe72B15-24.5Mo3Gd0.5-10 조성의 비정질 리본을 제조하였다.
이때, 상기 Fe72B15-23Mo3Gd2-10 조성의 비정질 리본은, 각각의 원자%에 의하여, Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B22.5Mo3Gd2.5, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10의 조성을 갖는 비정질 리본으로 제조하였다.
(4) Fe
52-67
B
24-24.5
Mo
3
Gd
0.5-1.0
Cr
5-20
조성의 비정질 리본 제조
99.8% 이상의 순도를 갖는 Fe, Mo, Cr 및 Gd과, 페로보론(Ferro-boron>99.8%) 을 사용하여, 비정질 리본의 조성과 상기 각각의 조성에 대한 원자%를 달리한 것을 제외하고는 상기 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본 제조과정과 동일한 방법으로, 0.020-0.023mm 두께의 Fe52-67B24-24.5Mo3Gd0.5-1.0Cr5-20 조성의 비정질 리본을 제조하였다.
이때, 상기 Fe52-67B24-24.5Mo3Gd0.5-1.0Cr5-20 조성의 비정질 리본은, 각각의 원자%에 의하여 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20의 조성을 갖는 비정질 리본으로 제조하였다.
(5) Fe
65
B
30
Mo
3
C
2
조성의 비정질 리본 제조
99.8% 이상의 순도를 갖는 Fe, Mo, 용선(Pig iron; iron with 4.3wt.% of C) 및 페로보론(Ferro-boron>99.8%) 을 사용하여, 비정질 리본의 조성과 상기 각각의 조성에 대한 원자%를 달리한 것을 제외하고는 상기 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본 제조과정과 동일한 방법으로, 0.020-0.023mm 두께의 Fe65B30Mo3C2 조성의 비정질 리본을 제조하였다.
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재 제조
<실시예 1-1 및 실시예 1-2> Fe
72
B
25
Mo
3
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재
상기 단룰법으로 길게 제조된 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본을 20~30mm 길이로 잘라서 배합할 수 있도록 한 후, 가로가 50mm이고 세로가 50mm이며 두께가 10mm인 폴리에스테르(polyester)에 골고루 퍼지게 넣고, 그대로 3일간 굳혀 Fe72B25Mo3 조성의 비정질 리본에 대한 방사능 차폐용 복합제를 제조하였다.
단, 이때 상기 폴리에스테르와 배합되는 상기 리본의 함량은 1vol%(실시예 1-1) 또는 2vol%(실시예 1-2)으로 하였다.
<실시예 2> Fe
62
B
25
Mo
3
Cr
10
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재
비정질 합금으로 Fe62B25Mo3Cr10을 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로, Fe62B25Mo3Cr10 비정질 합금을 포함한 차폐용 복합재 제조하였다.
<실시예 3-1> Fe
72
B
23
Mo
3
Gd
2
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재
비정질 합금으로 Fe72B23Mo3Gd2를 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로, Fe72B23Mo3Gd2 비정질 합금을 포함한 차폐용 복합재 제조하였다.
<실시예 3-2> Fe
72
B
20
Mo
3
Gd
5
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재 제조
비정질 합금으로 Fe72B20Mo3Gd5를 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로, Fe72B20Mo3Gd5 비정질 합금을 포함한 차폐용 복합재 제조하였다.
<실시예 3-3> Fe
72
B
15
Mo
3
Gd
10
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재
비정질 합금으로 Fe72B15Mo3Gd10을 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로, Fe72B15Mo3Gd10 비정질 합금을 포함한 차폐용 복합재 제조하였다.
<실시예 3-4> Fe
72
B
24.5
Mo
3
Gd
0.5
비정질 합금을 포함한 방사능 차폐용 복합재
상기 단롤법으로 길게 제조된 Fe72B24.5Mo3Gd0.5 조성의 비정질 리본을 10~15mm 길이로 잘라서 배합할 수 있도록 한 후, 반경과 두께가 50mm인 원기둥형 콘크리트 복합체에 골고루 퍼지게 넣고, 그대로 28일간 양생하여 Fe72B24.5Mo3Gd0.5 조성의 비정질 리본에 대한 방사능 차폐용 복합재를 제조하였다. 단, 이때 상기 콘크리트 복합체와 배합되는 상기 리본의 함량은 1vol%으로 하였으며, 상기 콘크리트 복합체의 배합비는 하기 표1에 나타내었다.
| W/C* |
Super- plasticizer (%)** |
Amorphous steel fiber (Vol.%) |
Weight ratio (2154.6 kg, total weight) | ||
| Cement | Fine aggregate |
Coarse aggregate |
|||
| 0.4 | 0.5 | 1.0 | 0.20 | 0.25 | 0.55 |
| * Water/Cement ratio | |||||
| **the water reducing admixture for good workability | |||||
<비교예 1> FIBRAFLEX를 포함한 방사능 차폐용 복합재(1vol%)
시중에서 판매되는 상용화된 철계 비정질 리본 FIBRAFLEX를 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로, FIBRAFLEX를 포함한 방사능 차폐용 복합재를 제조하였다.
<비교예 2> FIBRAFLEX를 포함한 방사능 차폐용 복합재(2vol%)
시중에서 판매되는 상용화된 철계 비정질 리본 FIBRAFLEX를 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1-2와 동일한 방법으로, FIBRAFLEX를 포함한 방사능 차폐용 복합재를 제조하였다.
<대조군>
<대조군 1> 철계 비정질 리본을 포함하지 않는 폴리에스테르 집합체
철계 비정질 리본을 포함하지 않고, 가로 50mm, 세로 50mm 및 두께 10mm인 폴리에스테르(polyester)만을 3일간 굳혀서 대조군 1을 제조하였다.
<대조군 2> 철계 비정질 리본을 포함하지 않는 몰타르 집합체
철계 비정질 리본을 포함하지 않고, 가로 50mm, 세로 50mm 및 두께 10mm인 몰타르(mortar)를 25일간 굳혀서 대조군 2를 제조하였다.
<대조군 3> 철계 비정질 리본을 포함하지 않는 콘크리트 집합체
철계 비정질 리본을 포함하지 않고, 상기 실시예 4-1과 동일한 방법으로 콘크리트를 사용하여 원기둥형의 반경 및 두께가 50mm인 대조군 3을 제조하였다. 이때 상기 콘크리트의 비율은 하기 표2에 나타내었다.
| W/C* |
Super- plasticizer (%)** |
Amorphous steel fiber (Vol.%) |
Weight ratio (2154.6 kg, total weight) | ||
| Cement | Fine aggregate |
Coarse aggregate |
|||
| 0.4 | 0 | 0 | 0.20 | 0.25 | 0.55 |
| * Water/Cement ratio | |||||
| **the water reducing admixture for good workability | |||||
<시험예>
비정질 철계 합금의 결정구조 상 분석
상기 제조된 리본 형상의 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10, Fe67B25Mo3Cr5, Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B22.5Mo3Gd2.5, Fe72B20Mo3Gd5, Fe72B15Mo3Gd10, Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10, Fe52B24Mo3Gd1Cr20 및 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 비정질 철계 합금 모두에 대하여, 결정구조 상을 확인하기 위해, 상기 합금 각각에 대한 XRD 분석, 열 분석을 실시하였다.
(1) XRD(X-ray diffraction) 분석
XRD 분석은, 2ㅀ/min의 속도로 20~90ㅀ의 범위에서 측정되었으며, 이때 사용된 장비는 X-ray diffractometer D/Max-2500(Rigaku, Japan)이며, Cu target(λ=1.54056Å, Ka)을 사용하였다.
도 2는 상기 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 3은 상기 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2, Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 4는 상기 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 5는 상기 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 리본형상의 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
도 6는 상기 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 리본형상의 비정질 철계 합금에 대한 XRD를 분석한 그래프이다.
상기 도 2 내지 도 6을 참고하면, 상기 모든 조성의 비정질 철계 합금은, 비정질 상의 특징인 halo pattern을 나타냄에 따라, 상기 제조된 리본 형상의 비정질 철계 합금 모두는 비정질의 결정상으로 제조되었음을 확인할 수 있었다.
또한 이와 같은 결과는 비정질 형성능을 높이는 B의 함량이 25at%로 높거나 또는 B와 Gd를 모두 포함하고 상기 함량이 합이 25at%로 높게 나타남에 따른 것으로 판단된다.
(2) 열 분석
시차주사열량측정법(differential scanning calorimetry, DSC)을 사용하여, 상기 제조된 리본 형상의 비정질 철계 합금 모두의 비정질상의 안정성에 대하여 분석하였다.
도 7은 상기 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 8은 상기 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B23Mo3Gd2,Fe72B20Mo3Gd5 및 Fe72B15Mo3Gd10 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 9는 상기 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
도 10은 상기 Fe65B30Mo3C2 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금을 DSC로 분석한 그래프이다.
상기 도 7 내지 도 10을 참고하면, 상기 모든 조성의 비정질 철계 합금은 상기 DSC 분석에서 모두 뚜렷한 발열 피크를 나타냄에 따라, 상기 합금 모두는 비정질의 결정상으로 제조되었음을 확인할 수 있었다.
부식 특성 분석
상기 실시예 1-1 내지 실시예 3-4에 대한 부식특성 분석은, 3.5wt.% NaCl용액의 가상 해수분위기에서 포화 칼로멜 전극(SCE;Saturated Calomel Electrode, KCl)을 기준전극으로 하여, 1mV/s의 속도로 ??0.25V ~ 1.5V의 범위에서의 동전위 분극시험(Potentiodynamic test)을 진행하였으며 부식시험에 사용된 장비는 Parstat 2273(Princeton Applied Research)을 사용하였다.
도 11은 상기 Fe72B25Mo3, Fe52B25Mo3Cr20, Fe57B25Mo3Cr15, Fe62B25Mo3Cr10 및 Fe67B25Mo3Cr5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 12는 상기 Fe72B24.5Mo3Gd0.5, Fe72B24Mo3Gd1, Fe72B23.5Mo3Gd1.5, Fe72B23Mo3Gd2 및 Fe72B22.5Mo3Gd2.5 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
도 13은 상기 Fe67B24Mo3Gd1Cr5, Fe62B24.5Mo3Gd0.5Cr10, Fe62B24Mo3Gd1Cr10 및 Fe52B24Mo3Gd1Cr20 조성을 갖는 리본 형상의 비정질 철계 합금에 대한 부식특성을 분석한 그래프이다.
이에 따르면 부식전위의 증가와 무관하게 부식전류가 상승하지 않는 부동태 구간이 크롬의 원자% 가 10% 이상일때부터 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
열 중성자 차폐율 측정
상기 실시예 1-1 내지 실시예 3-4에 대한 열 중성자 차폐율을 확인하기 위하여, 241Am-Be를 중성자 선원으로 사용하고, SP9 3He 비례계수기를 열중성자 검출기로 사용하여 중성자 계수율(neutron counting rate)를 측정하였다.
또한, 이때 상기 실시예 1-1 내지 실시예 3-4의 방사능 차폐 성능 비교를 위하여, 상기 비교예 1, 비교예 2 및 대조군 1 내지 대조군 3에 대한 각각의 중성자 계수율을 측정하였다.
상기 중상서 계수율 측정은 먼저, 상기 열중성자 검출기에서 산란중성자의 검출을 차단하기 위하여 전면부를 제외한 나머지 부분을 카드뮴으로 차폐시키고 중성자 선원으로부터 상기 검출기를 거리 9cm의 위치에 설치하였다. 다음으로, 상기 중성자 선원에서 방출되는 중성자를 폴리에틸렌 감속재를 사용하여 속중성자를 에너지를 잃은 열중성자로 변환시킨 후, 차폐 시험 시료가 없는 상태(air)에서 중성자 계수율을 먼저 측정하였다.
이 후, 검출기와 선원 사이에 상기 제조된 실시예 1-1 내지 실시예 3-4의 복합재, 비교예 1, 비교예 2 및 대조군 1 내지 대조군 3 을 샘플로 두고 중성자 계수율을 측정하고 모든 샘플 측정이 끝나면 다시 시험시료가 없는 상태에서 한번 더 중성자 계수율을 측정하였다.
상기 측정된 계수율을 바탕으로 열중성자 차폐율을 산출하였으며, 이를 하기 표 3에 나타내었다.
| 조성 | 열중성자 차폐율(%) | |
| 실시예 1-1 | polyester + Fe72B25Mo3 1vol% | 40.94 |
| 실시예 1-2 | polyester + Fe72B25Mo3 2vol% | 56.08 |
| 실시예 2 | polyester + Fe62B25Mo3Cr10 1vol% | 25.74 |
| 실시예 3-1 | polyester + Fe72B23Mo3Gd2 1vol% | 63.85 |
| 실시예 3-2 | polyester + Fe72B20Mo3Gd5 1vol% | 67.50 |
| 실시예 3-3 | polyester + Fe72B15Mo3Gd10 1vol% | 74.63 |
| 실시예 3-4 | concrete + Fe72B24.5Mo3Gd0.5 1vol% | 85.94 |
| 비교예 1 | polyester + FIBRAFLEX 1vol% | 22.29 |
| 비교예 2 | polyester + FIBRAFLEX 2vol% | 21.87 |
| 대조군 1 | only-polyester | 26.65 |
| 대조군 2 | only-mortar | 13.52 |
| 대조군 3 | only-concrete | 68.44 |
이를 참고하면, 실시예 1-1 내지 실시예 3-4 모두는 비교적 높은 열중성자 차폐율을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는, 상기 실시예 모두 높은 붕소(B) 함량을 나타내기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 붕소(B)와 가돌리니움(Gd)을 함께 포함하는 경우(실시예 3-1 내지 실시예 3-4) 현저히 향상된 열중성자 차폐율을 나타내며, 특히 상기 방사능 차폐용 복합재가 붕소 및 가돌리움을 포함하는 비정질 철계 합금으로, 콘크리트와 혼합되는 경우(실시예 3-4), 상기 콘크리트의 열중성자 차폐율에 의해 폴리에스테르와 상기 비정질 철계 합금이 혼합된 방사능 차폐용 복합재보다 현저히 향상된 열중성자 차폐율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
반면, 붕소를 전혀 포함하지 않는 시중에 판매되는 비정질 리본 FIBRAFLEX을 포함한 비교예의 경우, 열중성자 차폐율이 낮게 측정됨에 따라, 붕소 함량에 따라 열중성자 차폐율이 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 대조군 1은 폴리에스테르 자체가 열중성자 차폐 가능한 원소인 수소를 포함하고 있음에 따라 26.65%의 열중성자 차폐율을 나타내기는 하나, 상기 대조군 1 대비 상기 실시예 1-1의 붕소를 포함한 비정질 리본은 1vol.% 당 14~16% 정도의 차폐능 향상을 나타내는 바, 붕소를 높은 함량으로 포함함에 따라 열중성자 차폐율이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 대조군 3의 경우 콘크리트 집합체 내부의 수소결합 및 두께의 영향으로 68.44%의 차폐능을 나타내나, 상기 대조군 3 대비 상기 실시예 4-1의 가돌리니움과 붕소를 포함한 비정질 리본은 1vol.%당 17.5% 정도의 차폐능 향상을 나타내는 바, 높은 함량의 붕소를 가돌리움과 함께 포함함에 따라 열중성자 차폐율이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (12)
- 일반식 FeaBbXcZd 로 표현되고,
상기 a는 철(Fe)의 원자%로, 상기 a는 70 내지 80이며,
상기 b는 보론(B)의 원자%로 5＜b＜25이고,
상기 c는 X의 원자%로 1＜c＜15이며, 상기 X는 Mo이고,
상기 d는 Z의 원자%로 0≤d＜25 이고, 상기 Z는 Gd인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 c는 3이고, d가 0.5 내지 10인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 a는 72 내지 80인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 b는 15 내지 24.5인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 a는 72이고, 상기 b는 15 내지 24.5이고, 상기 c는 3이고, 상기 d는 0.5 내지 10인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 일반식이 Fe72B23Mo3Gd2 또는 Fe72B20Mo3Gd5 인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 일반식이 Fe72B15Mo3Gd10 또는 Fe72B24.5Mo3Gd0.5인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 Fe는 강(steel), 용선(pig iron), 주물선(cast iron), Fe-B 합금철, Fe-Cr 합금철, Fe-Mo 합금철 및 Fe-P합금철로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 비정질 철계 합금은 리본, 섬유, 조각, 벌크 또는 분말의 형상인 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 비정질계 철계 합금은 20 ~ 90%의 열중성자 차폐율을 나타내는 것을 특징으로 하는, 비정질 철계 합금. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 비정질 철계 합금에 콘크리트, 폴리머, 몰타르 또는 세라믹을 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는, 방사능 차폐용 복합재.
- 제 11 항에 있어서,
상기 복합재는, 20 ~ 90%의 열중성자 차폐율을 나타내는 것을 특징으로 하는, 방사능 차폐용 복합재.
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