KR20000046436A - 복합재료 밀도화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공질 구조물의 화학기상침투법을 이용한 밀도화방법 및 밀도화 수행 장치에 관한 것으로, 밀도화방법은 반응챔버내에서 프리폼 내외부에 온도구배를 형성하도록 가열하고, 반응챔버내로 반응기체를 투입하여 화학기상침투로 복합재료를 밀도화시키는 공정에 있어서, 반응챔버내로의 반응기체를 투입하는 단계와; 반응기체의 분해반응으로 복합재료를 밀도화하는 단계; 및 반응부산물 가스를 외부로 배출하는 단계를 하나의 사이클로 하여, 이 사이클을 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 것으로, 전체적으로 균일한 밀도를 갖는 복합재료를 제조할 수 있게 된 것이며, 밀도화 수행 장치는 상기 밀도화방법의 수행에 적합한 구성을 가진 것이다.

Description

복합재료 밀도화 방법(Method for densifying composite materials)

본 발명은 다공질 구조물의 화학기상침투법을 이용한 밀도화 방법에 관한 것으로, 특히 탄소/탄소 복합재료(C/C Composites)나 세라믹 복합재료(C/SiC, Si/SiC, C/Si₃N₄등)를 제조하는데 있어서 열구배 화학기상 침투공정의 단점을 보완할 수 있어 단시간에 균일하고 치밀한 밀도화를 수행할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 열구배 화학기상증착 방법은 탄소섬유나 다른 세라믹 섬유로 구성된 다공질의 프리폼 구조내에 존재하는 빈공간을 동종 및 이종의 물질을 침투시켜 채우는 방법으로 프리폼 내외부에 온도구배를 유도하여 빠른 밀도화를 유도하는 방법이고, 펄스 화학기상증착 방법은 가스 유량의 단속적인 흐름을 유도하여 반응물질을 미세한 기공내에 효과적으로 침투시켜 균일한 밀도화를 유도하는 방법이다.

상기 열구배 화학기상 침투공정은 전통적인 등온 화학기상 증착방법의 표면 우선 증착으로 인한 두께방향으로의 밀도 불균일성으로의 밀도 불균일성과 제한적인 침투성을 개선하기 위한 저온 저압의 공정조건으로 인한 매우 느린 공정속도의 단점을 극복할 수 있는 방법으로 프리폼 내부에 열선을 장착하여 외부와의 온도 구배를 유도하고, 침투물질의 분해반응을 프리폼 내부의 작은 영역으로 제한하여 진행시키므로써 높은 온도 압력 조건에서도 표면 우선 증착의 문제를 발생시키지 않고 단시간에 고밀도화를 달성할 수 있다. 이 경우 펠트와 3차원 형상의 프리폼과 같은 열전도도가 작은 프리폼일수록 침투물질의 반응영역이 작아지므로 일정 밀도 도달 조건에서 온도 및 압력을 더 높게 할 수 있어 공정속도를 더욱 빨리 할 수 있다.

그러나, 2D 1차 탄화체와 같이 초기 밀도가 높고 열전도도가 큰 프리폼의 경우 반응영역이 커지고 반응 부산물의 배출과정의 어려움으로 인하여 공정가스의 프리폼 내부로의 확산 침투 과정이 어려워지므로, 최종밀도값이 낮고 프리폼 두께 방향으로 밀도구배가 생기게 되는 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해소하기 위한 본 발명은, 이와 같은 프리폼의 종류에 따른 열구배 화학침투 공정의 단점을 보완할 수 있는 복합재료 밀도화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

반응챔버내에서 프리폼 내외부에 온도구배를 형성하도록 가열하고, 반응챔버내로 반응기체를 투입하여 화학기상침투로 복합재료를 밀도화시키는 공정에 있어서,

반응챔버내로의 반응기체를 투입하는 단계와; 반응기체의 분해반응으로 복합재료를 밀도화하는 단계; 및 반응부산물 가스를 외부로 배출하는 단계를 하나의 사이클로 하여, 이 사이클을 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 밀도화 방법을 제공한다.

이때 상기 프리폼은 펠트, 직물 등으로 된 다공질의 것이거나, 1차 탄화체로 된 것이 본 발명의 제조공정에 특히 적합하고, 상기 반응기체의 분해반응은 800℃~1300℃에서 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 복합재료 밀도화 공정은 열구배 화학침투 공정을 보완하기 위하여 가스의 흐름을 주기적으로 단속시켜 반응관 내부의 압력을 펄스화하는 방법을 적용시킨 것이다.

이와 같은 펄스 화학기상 침투공정은 등온 화학기상 침투공정에서 반응가스의 주입과 배기를 반복적으로 수행하여 기지물질을 증착시키는 방법으로 공정가스의 반응 부산물의 강제 배출이 주기적으로 발생하기 때문에 새로운 공정가스가 프리폼 내부로의 확산이 용이하여 표면 우선증착반응을 줄이면서 균일한 밀도화가 유도된다.

이때 공정가스의 주입시간 유지시간 및 배기시간의 조절이 중요하며 특히 배기는 가능한 단시간에 진행되는 것이 유리하다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 펄스 화학기상 침투공정을 이용하는 복합재료 밀도화 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

반응챔버와 상기 반응챔버로 반응에 필요한 가스를 주입하는 가스주입장치, 상기 반응챔버로부터 가스를 배출시키는 가스배기장치로 구성되며, 상기 반응챔버 내부에는 프리폼의 중앙에 위치되는 열선과, 열선의 양단에 구비된 전극과, 프리폼의 반응온도를 감지할 수 있게 된 열전대로 이루어진 복합재료의 밀도화 공정을 수행하기 위한 장치에 있어서,

상기 열전대를 프리폼의 내외부로 왕복 이동시킬 수 있게 하는 열전대구동모터와, 열전대로 전달되는 온도를 측정하여 열선에 공급되는 전류의 흐름을 조절할 수 있게 된 온도조절콘트롤러가 구비되고, 상기 가스주입장치와 상기 가스배기장치에는 가스유로를 개폐할 수 있게 된 밸브가 각각 구비되며, 상기 밸브의 개폐동작을 제어할 수 있게 된 밸브제어콘트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 복합재료 밀도화공정 수행 장치를 제공한다.

이 장치에서, 가스의 주입 및 배출동작을 1사이클로 하여, 반복되는 사이클 수를 측정하여 밀도화공정의 펄스수를 지시하는 펄스카운터가 추가로 구비된 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 복합재료 밀도화공정 수행 장치는 온도조절콘트롤러로 프리폼 내외부의 온도를 적정하게 유지시키고, 밸브제어콘트롤러로써 가스주입과 가스차단 및 가스배출이 주기적으로 반복수행될 수 있게 되어 본 발명의 복합재료 밀도화 공정을 수행할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 복합재료 밀도화 장치의 구성도,

도 2는 본 발명의 시간에 대한 챔버내의 압력 변화를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명의 밀도화 공정과 열구배화학기상침투 공정에 따라 제조된 시편의 두께 방향으로의 밀도화 경향을 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 반응챔버 12 : 가스주입장치

14 : 가스배기장치 16 : 프리폼

22 : 열전대 24 : 온도 컨트롤러

26 : 열전대 구동모터

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 공정을 수행할 수 있는 제조장치의 구성도로서, 반응챔버(10) 둘레에는 냉각코일(11)이 설치되며, 반응챔버(10)에 가스주입장치(12)와 가스배기장치(14)가 각각 연결되고, 반응챔버(10) 내부에는 프리폼(16)의 내부에 위치되는 열선(18)과 열선(18)에 전류를 공급하는 전극(20)이 열선(18)의 양단에 구비되고, 프리폼(16)의 온도를 측정할 수 있는 열전대(22)가 설치된 것이다. 여기에서 열전대(22)는 프리폼(16)의 온도 지시 및 전력을 조절하는 기능의 온도 콘트롤러(24)에 연결되며, 증착속도의 변화에 따라 일정온도 구간의 이동 속도를 조절할 수 있도록 열전대 구동모터(26)에 연결되어 있다. 상기 가스주입장치(12)는 상기 반응챔버(10)와 가스주입밸브(27)에 의해 연결되어 있는데, 반응에 필요한 가스, 예컨데 본 실시예에서는 탄화수소가스, 질소가스 등을 각각 담은 가스통(28, 28a)이 가스주입밸브(27)를 통해 반응챔버(10) 내부에 주입될 때, 가스유량, 주입시간, 유지시간, 주입횟수 등을 조정해 줄 수 있는 가스유량기, 타이머, 및 펄스 카운터가 설치되어 있다. 여기서 상기 타이머는 0.1초까지 제어 가능한 것이 바람직 하다.

상기 가스배기장치(14)는 반응챔버(10)와 차단밸브(29), 배기밸브(30), 진공배기밸브(32) 및 진공바이패스밸브(34)로 연결되어 있으며, 배기밸브(30)는 반응챔버(10)내의 압력을 상압 이상으로 일정하게 유지시킬 수 있는 수조통(36)에 연결되며, 배기가스의 응축에 의한 관의막힘을 방지하기 위한 필터가 설치되어 있다. 또한 반응챔버(10) 내부의 가스를 빠른 시간내에 배기할 수 있도록 진공펌프(38)의 용량은 분당 반응챔버(10) 용적의 10배 이상의 가스를 배기할 수 있는 것이 바람직하다. 한편, 가스주입장치(12)와 가스배기장치(14)의 각 밸브는 서로 상반되게 개폐되도록 되어 가스의 주입과 배기를 교대로 수행해 줄 수 있다.

상기 전극(20)은 프리폼(16) 내부에 설치된 열선(18)에 전류 및 전압을 공급할 수 있는 전력공급장치(25)에 연결된다. 전력공급장치(25)는 직류와 교류가 모두 가능하지만 정확한 전력 조절을 위해 직류가 바람직하다.

이와 같은 구성의 장치는 단일의 열구배 화학기상 침투공정 뿐만 아니라 열구배 화학기상침투공정과 펄스 화학기상침투공정을 동시에 용이하게 수행해 줄 수 있는데, 특히 펄스 타운터, 타이머 등을 구비한 가스주입장치(12)와 진공배기밸브(32)와 진공바이패스밸브(34)가 있어 정밀한 펄스 제어가 가능하다.

이와 같은 장치를 이용하여 본 발명의 복합재료 밀도화 공정을 자세히 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이 본 발명의 복합재료 밀도화 공정은 반응챔버내에서 내부의 열선(18)으로 프리폼(16)을 가열하여 프리폼(16) 내외부의 온도구배를 형성하고 반응챔버(10)내로 반응기체를 투입하여 프리폼(16) 내부의 기공으로부터 매트릭스를 석출 침적시켜 복합재료를 밀도화시키는 공정에 있어서, 반응챔버(10)내로의 반응기체 투입 공정후 반응기체의 분해반응으로 인한 밀도화 공정을 거쳐 반응부산물 배출을 하나의 사이클로 하여 이 사이클을 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 밀도화 공정을 제공하는 것이다.

도 1의 장치에서 다공질의 프리폼(16)의 중앙에 흑연 열선(18)을 조립하고 반응챔버(10)에 장착시킨다. 이때 프리폼(16)에 열전대(22)의 끝단이 열선(18) 표면에 닿도록 위치시킨다. 반응챔버(10)는 냉각코일(11)에 의해 냉각된다.

차단밸브(29)와 진공배기밸브(32)를 열고 반응챔버(10) 내부의 공기를 진공펌프(38)를 작동시켜 제거한 후 가스유량계의 값을 설정하고, 질소가스를 가스주입밸브(27)를 열어 반응챔버(10) 내부를 상압까지 채운다.

이 과정에서 진공배기밸브(32)와 진공 바이패스 밸스(34)를 닫고 배기밸브(30)는 연다. 열선(18)에 전류를 통전시켜 공정온도를 올린 후 탄화수소 가스통의 밸브를 열고 가스유량계의 값을 설정한다. 이때 설정값은 도 2에서 반응챔버(10)내부의 압력이 가스주입시간 t(a~b)내에 도달될 수 있도록 한다.

또한, 열전대구동모터(26)를 작동시켜 증착반응이 일어나는 구간을 공정 동안에 일정한 속도로 프리폼 중앙에서 표면으로 이동되게 하며 온도조절컨트롤러(24)와 전력공급장치(25)의 상호 조절기능으로 항상 반응 영역의 온도를 일정하게 유지된다.

반응챔버(10)내의 압력변화가 도 2에 도시된 값을 나타내도록 타이머로 가스주입시간 t(a~b)과 유지시간 t(b~c) 및 배기시간 t(c~d)을 설정한다. 여기서 배기시간은 도 1의 진공배기밸브(32)의 열린 상태의 유지시간을 의미하며 펄스공정에서 반응챔버(10)내의 최소 압력값에 따라 설정하게 된다. 도 2의 압력주기가 완료되면 도 1의 카운터의 숫자가 1씩 증가하여 공정동안의 펄스수를 나타내게 된다.

도 3은 초기 밀도값이 1.1~1.3g/cc인 2차원 형태의 1차 탄화체를 단일의 열구배화학기상 침투공정으로 처리한 시편과 본 발명의 공정인 복합재료 밀도화 공정으로 처리한 시편의 밀도값을 시편의 두께방향으로의 위치함수로 나타낸 그래프이다. 이때 공정속도는 증착속도로 환산하였을 경우 1.0~1.5㎛/hr로 등온 화학기상침투 공정보다 50배 이상 빠른 속도이다. 두 그래프를 비교해 보면 단일의 열구배 공정보다 본 발명의 혼합공정의 경우가 처리후 밀도값과 프리폼 두께방향으로의 밀도 균일성이 현저히 향상됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 복합재료 밀도화 공정은 반응가스의 주입과 반응기체의 분해반응 및 반응부산물 배출을 하나의 사이클로 하여 반복적용하므로써 전체적으로 균일한 밀도의 복합재료를 제조할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 반응챔버내에서 프리폼 내외부에 온도구배를 형성하도록 가열하고, 반응챔버내로 반응기체를 투입하여 화학기상침투로 복합재료를 밀도화시키는 공정에 있어서,

   반응챔버내로의 반응기체를 투입하는 단계와; 반응기체의 분해반응으로 복합재료를 밀도화하는 단계; 및 반응부산물 가스를 외부로 배출하는 단계를 하나의 사이클로 하여, 이 사이클을 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 밀도화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 프리폼은 펠트, 직물 등으로 된 다공질의 것임을 특징으로 하는 복합재료의 밀도화 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기체의 분해반응은 800℃~1300℃ 범위에서 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 복합재료의 밀도화 방법.
4. 반응챔버와 상기 반응챔버로 반응에 필요한 가스를 주입하는 가스주입장치, 상기 반응챔버로부터 가스를 배출시키는 가스배기장치로 구성되며, 상기 반응챔버 내부에는 프리폼의 중앙에 위치되는 열선과, 열선의 양단에 구비된 전극과, 프리폼의 반응온도를 감지할 수 있게 된 열전대로 이루어진 복합재료의 밀도화 공정을 수행하기 위한 장치에 있어서,

   상기 열전대를 프리폼의 내외부로 왕복 이동시킬 수 있게 하는 열전대구동모터와, 열전대로 전달되는 온도를 측정하여 열선에 공급되는 전류의 흐름을 조절할 수 있게 된 온도조절콘트롤러가 구비되고, 상기 가스주입장치와 상기 가스배기장치에는 가스유로를 개폐할 수 있게 된 밸브가 각각 구비되며, 상기 밸브의 개폐동작을 제어할 수 있게 된 밸브제어콘트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 복합재료 밀도화공정 수행 장치.
5. 제 3 항에 있어서, 가스의 주입 및 배출동작을 1사이클로 하여, 반복되는 사이클 수를 측정하여 밀도화공정의 펄스수를 지시하는 펄스카운터가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 복합재료 밀도화 수행 장치.