WO2021095988A1 - 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법 - Google Patents

다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2021095988A1
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neutron
composite material
aluminum
absorbing
layer
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조승찬
이동현
이상관
이상복
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한국재료연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum composite material and a method of manufacturing the same, and to a neutron-absorbing aluminum composite material having a multilayer structure and a method of manufacturing the same.
  • An object of the present invention is to provide a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material capable of increasing neutron-absorbing capacity and a method of manufacturing the same.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material is provided.
  • the multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material includes: a first composite material layer including a first aluminum matrix and first boron carbide particles dispersed in the first aluminum matrix; And a neutron absorption reinforcing layer comprising a second aluminum base and neutron absorbing fine particles dispersed in the second aluminum base, and interposed in a layered structure in the first composite material layer.
  • the neutron-absorbing fine particles may have a particle size smaller than that of the first boron carbide particles.
  • the neutron-absorbing fine particles may be second boron carbide particles having a smaller particle size than the first boron carbide particles.
  • the neutron-absorbing fine particles may be gadolinium oxide particles.
  • the neutron-absorbing fine particles may be BNNT particles.
  • the neutron-absorbing fine particles may be at least one or more particles selected from Sm 2 O 3 , Al 3 Sm, Al 2 Sm and AlSm.
  • the multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material may further include an aluminum layer disposed in contact with the upper and lower surfaces of the first composite material layer.
  • the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material may further include a stainless steel layer to which boron or gadolinium is added to cover the aluminum layer.
  • the method of manufacturing the multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material includes: preparing a first composite material structure including a first aluminum matrix and first boron carbide particles dispersed in the first aluminum matrix; Forming a concave groove penetrating at least a portion of the central portion of the first composite material structure; Charging the mixed powder of aluminum powder and neutron absorbing fine particles into the concave groove; And hot rolling the first composite material structure loaded with the mixed powder.
  • the hot rolling may be performed at a temperature equal to or lower than the melting point of aluminum.
  • the multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material of the present invention made as described above and a method for manufacturing the same, it is possible to increase the neutron-absorbing capacity to a meaningful level.
  • the scope of the present invention is not limited by these effects.
  • FIG. 1 to 5 are views illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram sequentially illustrating a method of manufacturing a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Examples 4 and 5 of the present invention.
  • FIG 10 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4 of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the results of EPMA analysis in a neutron-absorbing enhanced layer and adjacent regions in a multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4 of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of photographs of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5 of the present invention, and an EPMA analysis result in a neutron-absorbing reinforcing layer and an adjacent region.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention.
  • FIG. 14 is a boundary area between the neutron absorbing reinforcing layer and the first composite material layer in the multilayered neutron absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention (shown by dotted circles in FIG. 14(a)). Area) is a diagram showing the EPMA analysis result.
  • FIG. 15 is a view showing the EPMA analysis results in all regions corresponding to the total thickness of the neutron absorbing reinforcing layer in the multilayered neutron absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5-1 of the present invention.
  • FIG. 17 is a boundary area between the neutron absorption reinforcing layer and the first composite material layer in the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5-1 of the present invention (shown by dotted circles in FIG. 17(a)). Area) is a diagram showing the EPMA analysis result.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an equipment for testing neutron shielding ability in an experimental example of the present invention.
  • 19 is a graph comparing neutron absorption cross-sectional area coefficients of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to an experimental example of the present invention.
  • FIG. 1 to 5 are views illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to various embodiments of the present disclosure.
  • a multilayered neutron-absorbing aluminum composite material 100 includes a first aluminum base 112 and a first aluminum base 112 dispersed therein.
  • 1 first composite material layer 110 having boron carbide particles 114; And a second aluminum base 122 and neutron absorbing fine particles 124a, 124b, 124c, 124d, 124e dispersed in the second aluminum base 122, but in a layered structure in the first composite material layer 110 It includes; interposed, neutron absorption enhancement layer 120.
  • the total thickness of the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material 100 is, for example, 1.5 to 2 mm, of which the neutron-absorbing reinforcing layer 120 may have a thickness of, for example, 100 to 300 ⁇ m.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 is a relatively high-density intermediate layer, and such a high-density region can improve neutron absorption capacity.
  • the first aluminum base 112 and/or the second aluminum base 122 may be made of pure aluminum or an aluminum alloy, for example, an Al6061 alloy.
  • the first composite material layer 110 including the first aluminum base 112 and the first boron carbide particles 114 dispersed in the first aluminum base 112 may function as a neutron absorbing material.
  • Aluminum is a material having high ductility
  • boron (B) constituting boron carbide (B 4 C) is a material having a neutron absorption function.
  • Boron carbide (B 4 C) is a covalently bonded material, and is characterized by a high melting point (2450° C.) and high hardness (Knoop hardness: 2800 kg/mm2). Since natural boron contains about 20% of the isotope 10 B having an atomic weight of 10, and 10 ⁇ has a large absorption capacity of neutrons, the boron compound that combines the two can be used as a control material for a nuclear reactor or a shielding material for neutrons. Boron carbide contains a lot of boron, is chemically and thermally stable, and has excellent mechanical properties.
  • first composite material layer 110 There are various manufacturing methods for implementing the first composite material layer 110. For example, when a mixed powder mixed with aluminum powder and boron carbide powder is rolled, highly ductile aluminum powder particles are plastically deformed by rolling and are integrated with each other to become an aluminum matrix, and the boron carbide powder is dispersed as particles in the aluminum matrix. Finally, the first composite material layer 110 including the first aluminum base 112 and the first boron carbide particles 114 dispersed in the first aluminum base 112 may be implemented.
  • the neutron-absorbing fine particles 124a, 124b, 124c, 124d, 124e constituting the neutron-absorbing enhanced layer 120 constitute the first composite material layer 110.
  • the particle size may be smaller than that of the first boron carbide particles 114.
  • the neutron absorbing particles 124a, 124b, 124c, 124d, and 124e may have a particle size of approximately 1 ⁇ m.
  • the present inventors have found that the neutron-absorbing aluminum composite material 100 having a multi-layered structure having a configuration in which the neutron-absorbing enhanced layer 120 is interposed in the first composite material layer 110 in a layered structure has a remarkably improved neutron-absorbing ability.
  • the neutron-absorbing fine particles 124a which are the second boron carbide particles dispersed in the second aluminum base 122 and the second aluminum base 122.
  • the neutron absorption reinforcing layer 120 having a layered structure is interposed in the first composite material layer 110.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 may be interposed in a layered structure at the center of the first composite material layer 110.
  • the particle size of the neutron absorbing fine particles 124a which are the second boron carbide particles, may be smaller than the particle size of the first boron carbide particles 114.
  • the first boron carbide particles 114 may have a particle size of about 40 ⁇ m
  • the second boron carbide particles, neutron absorbing particles 124a may have a particle size of about 1 ⁇ m.
  • a second aluminum base 122 and neutron-absorbing fine particles 124b which are gadolinium oxide particles dispersed in the second aluminum base 122, are provided.
  • the neutron absorption reinforcing layer 120 is interposed in the first composite material layer 110 in a layered structure.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 may be interposed in a layered structure at the center of the first composite material layer 110.
  • Gadolinium has a neutron absorption cross-sectional area of 44,000 barn, which is excellent in absorbing neutrons.
  • the particle size of the neutron absorbing fine particles 124b, which are gadolinium oxide particles may be smaller than the particle size of the first boron carbide particles 114.
  • the first boron carbide particles 114 may have a particle size of about 40 ⁇ m
  • the neutron absorbing particles 124b, which are gadolinium oxide particles may have a particle size of about 1 ⁇ m.
  • a second aluminum base 122 and neutron absorbing fine particles 124c which are BNNT particles dispersed in the second aluminum base 122, are provided.
  • the neutron absorption enhancing layer 120 is interposed in the first composite material layer 110 in a layered structure.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 may be interposed in a layered structure at the center of the first composite material layer 110.
  • Boron nitride nanotube is a material obtained by substituting carbon of graphene, which is a planar material, with boron and nitrogen, has similar thermal conduction and mechanical properties to carbon nanotubes, and has thermal and chemical stability at high temperatures of 800°C or higher. It is a material with excellent thermal neutron absorption.
  • the particle size of the neutron absorbing fine particles 124c, which are BNNT particles may be smaller than the particle size of the first boron carbide particles 114.
  • the first boron carbide particles 114 may have a particle size of about 40 ⁇ m
  • the neutron absorbing particles 124c, which are BNNT particles may have a particle size of about 1 ⁇ m.
  • the neutron absorption reinforcing layer 120 including the neutron absorbing fine particles 124d, which is at least one or more particles selected from AlSm, is interposed in the first composite material layer 110 in a layered structure.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 may be interposed in a layered structure at the center of the first composite material layer 110.
  • Samarium (Sm) has a neutron absorption cross-sectional area of 6,500 barn, and has excellent neutron absorption capacity.
  • the average particle size of the neutron absorbing fine particles 124d which is at least one or more particles selected from Sm 2 O 3 , Al 3 Sm, Al 2 Sm, and AlSm, may be smaller than the particle size of the first boron carbide particles 114.
  • the particle size of the first boron carbide particles 114 is approximately 40 ⁇ m
  • at least one or more particles selected from Sm 2 O 3 , Al 3 Sm, Al 2 Sm and AlSm neutron absorbing fine particles (124d) May have a particle size of about 1 ⁇ m or so.
  • the neutron absorption reinforcing layer 120 provided with the neutron absorption fine particles (124e) is the first It is interposed in the composite material layer 110 in a layered structure.
  • the neutron absorption enhancement layer 120 may be interposed in a layered structure at the center of the first composite material layer 110.
  • the second boron carbide particles, gadolinium oxide particles, BNNT particles, Sm 2 O 3 particles, Al 3 Sm particles, Al 2 Sm particles and a plurality of mixed particles arbitrarily selected from the group consisting of AlSm particles, neutron absorbing fine particles (124e) ) May be smaller than the particle size of the first boron carbide particles 114.
  • the first boron carbide particles 114 may have a particle size of about 40 ⁇ m, while the neutron absorbing fine particles 124e may have a particle size of about 1 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material 100 according to another embodiment of the present invention.
  • the neutron-absorbing aluminum composite material 100 having a multilayer structure includes a first aluminum base 112 and a first boron carbide particle dispersed in the first aluminum base 112.
  • the first composite material layer 110 having (114); And a second aluminum base 122 and neutron absorbing fine particles 124; 124a, 124b, 124c, 124d, 124e dispersed in the second aluminum base 122, but in a layered form in the first composite material layer 110
  • the neutron absorption reinforcing layer 120 interposed in the structure may further include an aluminum layer 130 disposed in contact with the upper and lower surfaces of the first composite material layer 110.
  • the surface metal layer such as the aluminum layer 130 prevents particles of the neutron absorbing reinforcing layer 120 from falling out of the multilayered neutron absorbing aluminum composite material 100, and improves surface roughness, corrosion resistance, oxidation resistance, and welding characteristics. Let it.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material 100 according to another embodiment of the present invention.
  • a multilayered neutron-absorbing aluminum composite material 100 includes a first aluminum base 112 and a first boron carbide dispersed in the first aluminum base 112.
  • the first composite material layer 110 having the particles 114;
  • the second aluminum base 122 and the neutron absorbing particles dispersed in the second aluminum base 122 are provided, but a layered structure in the first composite material layer (110)
  • a neutron absorption enhancement layer 120 interposed therebetween;
  • an aluminum layer 130 disposed in contact with the upper and lower surfaces of the first composite material layer 110, and may further include a stainless steel layer 140 covering the aluminum layer 130.
  • the stainless steel layer 140 may be added with boron or gadolinium.
  • the surface metal layer such as the stainless steel layer 140 prevents particles of the neutron absorbing reinforcing layer 120 from falling out of the multilayered neutron absorbing aluminum composite material 100 and improves surface roughness, corrosion resistance, oxidation resistance, and welding characteristics. Let it.
  • FIG. 8 is a diagram sequentially illustrating a method of manufacturing a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material 100 includes (a) dispersion in the first aluminum base 112 and the first aluminum base 112 Preparing a first composite material structure 110 having the first boron carbide particles 114; (b) forming a concave groove 116 penetrating at least a portion of the central portion of the first composite material structure 110; (c) charging the mixed powder 126 of the aluminum powder and the neutron absorbing fine particle powder into the concave groove 116; (d) hot rolling the first composite material structure 110 into which the mixed powder 126 is charged; includes.
  • the concave groove 116 in order to prevent the mixed powder 126 from dropping out during the hot rolling process after charging the mixed powder 126 of the aluminum powder and the neutron absorbing fine particle powder in the concave groove 116 and before hot rolling, the concave groove 116 ) Can be additionally sealed.
  • the step of hot rolling may be performed at a temperature below the melting point of aluminum (eg, 500 to 600°C).
  • a temperature below the melting point of aluminum eg, 500 to 600°C.
  • the highly ductile aluminum powder particles in the mixed powder 126 are plastically deformed by rolling and are integrated with each other to become the second aluminum base 122 and the mixed powder ( In 126)
  • the neutron absorbing fine particles are dispersed as particles in the second aluminum base 122 to become neutron absorbing fine particles 124, and finally dispersed in the second aluminum base 122 and the second aluminum base 122.
  • the neutron absorbing fine particles 124 may be provided, but the neutron absorbing reinforcing layer 120 may be implemented in the first composite material layer 110 in a layered structure.
  • Table 1 shows the material layers constituting the specimen of the experimental example of the present invention, and all the rolling temperatures for implementing this were applied at 550°C.
  • specimen 1 is made of only a first composite material layer having a first aluminum matrix and a first boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 5% in the first aluminum matrix
  • the specimen 2 is It consists only of a first composite material layer including the first aluminum base and the first boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 10% in the first aluminum base
  • the specimen 3 is the first aluminum base and the first aluminum. It consists only of the first composite material layer having the first boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the matrix.
  • Specimens 1 to 3 do not introduce a configuration of a neutron absorption reinforcing layer interposed in a layered structure in the first composite material layer.
  • Specimen 5 includes a first composite material layer including a first aluminum matrix and first boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the first aluminum matrix; And neutron absorbing fine particles, which are gadolinium oxide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the second aluminum base and the second aluminum base, but interposed in a layered structure in the first composite material layer, a neutron absorption reinforcing layer; and Done.
  • the specimen 6 includes a first composite material layer including a first aluminum matrix and a first boron carbide particle dispersed while having a volume ratio of 20% in the first aluminum matrix; And neutron-absorbing fine particles, which are gadolinium oxide particles dispersed while having a volume ratio of 30% in the second aluminum base and the second aluminum base, but interposed in a layered structure in the first composite material layer, a neutron absorption reinforcing layer; and Done.
  • the specimen 7 includes a first composite material layer including a first aluminum matrix and a first boron carbide particle dispersed while having a volume ratio of 20% in the first aluminum matrix; And a second aluminum base and neutron absorbing fine particles, which are BNNT particles dispersed in the second aluminum base, but interposed in a layered structure in the first composite material layer, a neutron absorption reinforcing layer.
  • Specimens 4 to 7 are examples of the present invention, wherein the neutron absorbing fine particles have a smaller particle size than the first boron carbide particles.
  • FIG. 9 is a plan view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to the experimental example of the present invention.
  • Figure 9 (a) is a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material according to an embodiment of the present invention, corresponding to Specimen 4, and Figure 9 (b) is a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite according to an embodiment of the present invention. It corresponds to specimen 5 as a material.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to the experimental example (Specimen 4) of the present invention.
  • a first composite material layer 110 including a first aluminum substrate and first boron carbide particles 114 dispersed while having a volume ratio of 20% in the first aluminum substrate 112; And neutron absorbing fine particles, which are second boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the second aluminum base and the second aluminum base, but interposed in a layered structure in the first composite material layer 110, neutrons
  • the cross section of the neutron-absorbing aluminum composite material having a multi-layered structure can be confirmed. Relatively bright areas represent aluminum, and relatively dark areas represent boron carbide particles.
  • the thickness of the neutron absorption enhancing layer is 230 to 290 ⁇ m
  • the size of the second boron carbide particles is about 1 ⁇ m
  • the size of the first boron carbide particles 114 is observed to be about 40 ⁇ m.
  • the neutron absorbing fine particles which are the second boron carbide particles, are uniformly dispersed in the neutron absorption strengthening layer 120, and the interface between the neutron absorption strengthening layer 120 and the first composite material layer 110 is healthy. I can.
  • FIG. 11 is a diagram showing the results of EPMA analysis in a neutron-absorbing enhanced layer and adjacent regions in a multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example (Specimen 4) of the present invention.
  • the thickness of the neutron absorption strengthening layer is 230 to 290 ⁇ m
  • the neutron absorbing fine particles which are the second boron carbide particles, are uniformly dispersed in the neutron absorption strengthening layer
  • the neutron absorption strengthening layer and the first composite material layer It can be confirmed that the interface between them is sound.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of photographs of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example (Specimen 5) of the present invention, and a view showing EPMA analysis results in a neutron-absorbing enhanced layer and adjacent regions.
  • a first composite material layer including a first aluminum (Al6061) base and first boron carbide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the first aluminum base; And neutron-absorbing fine particles, which are gadolinium oxide particles dispersed while having a volume ratio of 20% in the second aluminum (Al6061) base and the second aluminum base, but interposed in a layered structure in the first composite material layer, enhanced neutron absorption
  • the multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material consisting of a layer; neutron-absorbing fine particles, which are gadolinium oxide particles, are uniformly dispersed in the neutron-absorbing reinforcing layer, and the interface between the neutron-absorbing reinforcing layer and the first composite material layer is sound.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention.
  • the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention includes a first aluminum matrix and a first boron carbide particle dispersed in the first aluminum matrix.
  • the absorption reinforcing layer 120a includes, and further includes an aluminum layer 130 disposed in contact with the upper and lower surfaces of the first composite material layer 110.
  • the aluminum layer 130 may be understood as an aluminum surface layer.
  • FIG. 14 is a boundary area between the neutron absorbing reinforcing layer and the first composite material layer in the multilayered neutron absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention (shown by dotted circles in FIG. 14(a)). Area) is a diagram showing the EPMA analysis result.
  • a uniform distribution of the first aluminum matrix constituting the first composite material layer and the first boron carbide particles dispersed in the first aluminum matrix can be confirmed.
  • a uniform distribution of the second aluminum matrix constituting the neutron absorption reinforcing layer and the second boron carbide particles dispersed in the second aluminum matrix can be confirmed. It can be seen that the size of the first boron carbide particles is about 40 ⁇ m, while the size of the second boron carbide particles is about 1 ⁇ m.
  • FIG. 15 is a view showing the EPMA analysis results in all regions corresponding to the total thickness of the neutron absorbing reinforcing layer in the multilayered neutron absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 4-1 of the present invention.
  • the second aluminum base and the second carbonization dispersed in the second aluminum base are uniform.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a multi-layered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5-1 of the present invention.
  • the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5-1 of the present invention includes a first aluminum matrix and a first boron carbide particle dispersed in the first aluminum matrix.
  • the layer 120b includes, and further includes an aluminum layer 130 disposed in contact with the upper and lower surfaces of the first composite material layer 110.
  • the aluminum layer 130 may be understood as an aluminum surface layer.
  • a gadolinium oxide layer 135 may be further selectively formed between the aluminum layer 130 and the first composite material layer 110.
  • FIG. 17 is a boundary area between the neutron absorption reinforcing layer and the first composite material layer in the multilayered neutron-absorbing aluminum composite material implemented according to Experimental Example 5-1 of the present invention (shown by dotted circles in FIG. 17(a)). Area) is a diagram showing the EPMA analysis result.
  • a uniform distribution of the first aluminum matrix constituting the first composite material layer and the first boron carbide particles dispersed in the first aluminum matrix can be confirmed.
  • a uniform distribution of the second aluminum matrix constituting the neutron absorption reinforcing layer and the gadolinium oxide particles dispersed in the second aluminum matrix can be confirmed. It can be seen that the size of the first boron carbide particles is about 40 ⁇ m, whereas the size of the gadolinium oxide particles is about 10 ⁇ m.
  • the neutron absorption cross-section coefficient of the comparative example sample 1 of the present invention is 4.5cm -1
  • the neutron absorption cross-section coefficient of the specimen 2 is 8.25cm -1
  • the neutron absorption cross-section coefficient of the specimen 3 is 13.91cm - 1
  • the neutron absorption cross-sectional area coefficient of Specimen 4 which is an example of the present invention
  • the neutron absorption cross-sectional area modulus of Specimen 5 which is an example of the present invention
  • the neutron absorption cross-sectional area coefficient of Specimen 6 It can be seen that is 28.8cm -1.
  • the present invention introduces the configuration of the neutron absorption strengthening layer interposed in the first composite material layer in a layered structure compared to the comparative example of the present invention in which the configuration of the neutron absorption strengthening layer interposed in the first composite material layer It can be seen that the neutron absorption capacity is excellent in the embodiments of the invention.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;을 포함한다.

Description

다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법
본 발명은 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법에 대한 것이다.
재난의 글로벌화, 복합화, 대형화에 따른 피해를 예방하고 방지하도록 사회기반시설의 수명 및 안전성을 담보할 수 있는 안전소재 개발이 사회적 이슈로 부각되고 있다. 특히, 일본의 동북 지방 대지진으로 인한 후쿠시마 원전사태를 겪으면서, 원전 운용에서 사용 후 핵연료 보관 및 수송에 사용되는 중성자 차폐/흡수용 핵심 소재의 개발에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명은 중성자 흡수능을 증대시킬 수 있는 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 제공한다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;을 포함한다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서, 상기 중성자 흡수 미립자는 상기 제 1 탄화붕소 입자보다 입자크기가 작을 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서, 상기 중성자 흡수 미립자는 상기 제 1 탄화붕소 입자보다 입자크기가 작은 제 2 탄화붕소 입자일 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서, 상기 중성자 흡수 미립자는 가돌리늄 산화물 입자일 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서, 상기 중성자 흡수 미립자는 BNNT 입자일 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서, 상기 중성자 흡수 미립자는 Sm 2O 3, Al 3Sm, Al 2Sm 및 AlSm 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 입자일 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 상기 제 1 복합소재층의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 상기 알루미늄층을 덮는 붕소 또는 가돌리늄을 첨가한 스테인리스강층을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법을 제공한다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법은 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재 구조체를 준비하는 단계; 상기 제 1 복합소재 구조체의 중앙부를 적어도 일부 관통하는 오목홈을 형성하는 단계; 상기 오목홈에 알루미늄 분말과 중성자 흡수 미립자 분말의 혼합분말을 장입하는 단계; 상기 혼합분말이 장입된 상기 제 1 복합소재 구조체를 열간 압연하는 단계;를 포함한다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법에서, 상기 열간 압연하는 단계는 알루미늄의 융점 이하의 온도에서 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법에 의하면, 중성자 흡수능을 의미있는 수준으로 증대시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 다양한 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 도해하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예4 및 실험예5에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 평면 촬영한 사진들이다.
도 10은 본 발명의 실험예4에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 11은 본 발명의 실험예4에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층 및 인접 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예5에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들 및 중성자 흡수 강화층 및 인접 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 14는 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층의 경계 영역(도 14의 (a)에서 점선 원으로 표시한 영역)에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층의 전체 두께에 해당하는 전 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실험예5-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 17은 본 발명의 실험예5-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층의 경계 영역(도 17의 (a)에서 점선 원으로 표시한 영역)에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실험예에서 중성자 차폐능을 테스트하는 장비를 도해하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험예에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 중성자 흡수 단면적 계수를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 다양한 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 도해하는 도면들이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 다양한 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)는 제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 및 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 중성자 흡수 미립자(124a, 124b, 124c, 124d, 124e)를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120);을 포함한다.
다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)의 전체 두께는, 예를 들어, 1.5 내지 2mm이며, 이 중에서 중성자 흡수 강화층(120)은, 예를 들어, 100 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있다. 중성자 흡수 강화층(120)는 상대적으로 고밀도의 중간층이며, 이러한 고밀도 영역이 중성자 흡수능을 향상시킬 수 있다.
본원에 있어서, 제 1 알루미늄 기지(112) 및/또는 제 2 알루미늄 기지(122)는 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, Al6061 합금으로 이루어질 수 있다.
제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110)은 중성자 흡수재의 기능을 수행할 수 있다.
알루미늄은 높은 연성을 가지는 물질이며, 탄화붕소(B 4C)를 구성하는 붕소(B)는 중성자 흡수 기능을 가지는 물질이다. 탄화붕소(B 4C)는 공유결합성 물질이며, 높은 융점(2450℃), 높은 경도(누프경도 2800㎏/㎟)를 특징으로 한다. 천연 붕소는 원자량 10인 동위체 10B를 약 20% 함유하고 10β는 중성자의 흡수능력이 크기 때문에 이 둘을 합친 붕소화합물은 원자로의 제어재 혹은 중성자의 차폐재로 이용될 수 있다. 탄화붕소는 붕소 함유량이 많고, 화학적ㆍ열적으로도 안정되며 기계적 특성이 우수하다.
제 1 복합소재층(110)을 구현하는 제조 방법은 다양하다. 예를 들어, 알루미늄 분말과 탄화붕소 분말을 혼합한 혼합분말을 압연하면, 고연성인 알루미늄 분말 입자가 압연에 의해 소성변형하면서 서로 일체화하여 알루미늄 기지가 되고 탄화붕소 분말은 상기 알루미늄 기지 내에 입자로 분산되어 최종적으로 제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110)을 구현할 수 있다.
상기 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 중성자 흡수 강화층(120)을 구성하는 중성자 흡수 미립자(124a, 124b, 124c, 124d, 124e)는 제 1 복합소재층(110)을 구성하는 제 1 탄화붕소 입자(114)보다 입자크기가 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, 중성자 흡수 미립자(124a, 124b, 124c, 124d, 124e)는 대략 1㎛ 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
본 발명자는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는 구성을 가지는 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)는 중성자 흡수능이 현저하게 개선됨을 발견하였다.
이하에서는 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)를 구성하는 중성자 흡수 강화층(120)의 구체적인 다양한 실시예들을 살펴본다.
도 1을 참조하면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자(124a)를 구비하는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재된다. 예를 들어, 중성자 흡수 강화층(120)은 제 1 복합소재층(110)의 중앙부에 층상 구조로 개재될 수 있다.
한편, 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자(124a)의 입자크기는 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자(124a)는 대략 1㎛ 내외 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자(124b)를 구비하는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재된다. 예를 들어, 중성자 흡수 강화층(120)은 제 1 복합소재층(110)의 중앙부에 층상 구조로 개재될 수 있다.
가돌리늄은 중성자 흡수단면적이 44,000 barn 수준으로서 중성자 흡수능이 우수한 물질이다. 한편, 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자(124b)의 입자크기는 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자(124b)는 대략 1㎛ 내외 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 BNNT 입자인 중성자 흡수 미립자(124c)를 구비하는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재된다. 예를 들어, 중성자 흡수 강화층(120)은 제 1 복합소재층(110)의 중앙부에 층상 구조로 개재될 수 있다.
질화붕소나노튜브(BNNT)는 평면 소재인 그래핀의 탄소를 붕소와 질소로 치환한 소재로서, 탄소나노튜브와 유사한 열전도 및 기계적 특성을 가지고 있으며, 800℃ 이상의 고온에서 열적, 화학적 안정성을 가지며, 열중성자 흡수력이 뛰어난 물질이다.
한편, BNNT 입자인 중성자 흡수 미립자(124c)의 입자크기는 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, BNNT 입자인 중성자 흡수 미립자(124c)는 대략 1㎛ 내외 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 Sm 2O 3, Al 3Sm, Al 2Sm 및 AlSm 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 입자인 중성자 흡수 미립자(124d)를 구비하는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재된다. 예를 들어, 중성자 흡수 강화층(120)은 제 1 복합소재층(110)의 중앙부에 층상 구조로 개재될 수 있다.
사마륨(Sm)은 중성자 흡수단면적이 6,500 barn 수준으로서 중성자 흡수능이 우수한 물질이다. 한편, Sm 2O 3, Al 3Sm, Al 2Sm 및 AlSm 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 입자인 중성자 흡수 미립자(124d)의 평균 입자크기는 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, Sm 2O 3, Al 3Sm, Al 2Sm 및 AlSm 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 입자인 중성자 흡수 미립자(124d)는 대략 1㎛ 내외 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서, 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 제 2 탄화붕소 입자, 가돌리늄 산화물 입자, BNNT 입자, Sm 2O 3 입자, Al 3Sm 입자, Al 2Sm 입자 및 AlSm 입자로 이루어진 군에서 임의로 택일된 복수의 혼합 입자인 중성자 흡수 미립자(124e)를 구비하는 중성자 흡수 강화층(120)이 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재된다. 예를 들어, 중성자 흡수 강화층(120)은 제 1 복합소재층(110)의 중앙부에 층상 구조로 개재될 수 있다.
한편, 제 2 탄화붕소 입자, 가돌리늄 산화물 입자, BNNT 입자, Sm 2O 3 입자, Al 3Sm 입자, Al 2Sm 입자 및 AlSm 입자로 이루어진 군에서 임의로 택일된 복수의 혼합 입자인 중성자 흡수 미립자(124e)의 평균 입자크기는 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 입자크기는 대략 40㎛임에 반하여, 중성자 흡수 미립자(124e)는 대략 1㎛ 내외 정도의 입자크기를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)는 제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 및 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 중성자 흡수 미립자(124; 124a, 124b, 124c, 124d, 124e)를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120);을 포함하되, 상기 제 1 복합소재층(110)의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층(130)을 더 포함할 수 있다. 알루미늄층(130)과 같은 표면 금속층은 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서 중성자 흡수 강화층(120)의 입자가 탈락되는 것을 방지하며 표면조도, 내부식성, 내산화성, 용접특성을 향상시킨다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)는 제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 중성자 흡수 미립자(124; 124a, 124b, 124c, 124d, 124e)를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120); 및 상기 제 1 복합소재층(110)의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층(130)을 포함하되, 상기 알루미늄층(130)을 덮는 스테인리스강층(140)을 더 포함할 수 있다. 스테인리스강층(140)은 붕소 또는 가돌리늄이 첨가될 수도 있다. 스테인리스강층(140)과 같은 표면 금속층은 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)에서 중성자 흡수 강화층(120)의 입자가 탈락되는 것을 방지하며 표면조도, 내부식성, 내산화성, 용접특성을 향상시킨다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)의 제조방법은 (a) 제 1 알루미늄 기지(112)와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재 구조체(110)를 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 복합소재 구조체(110)의 중앙부를 적어도 일부 관통하는 오목홈(116)을 형성하는 단계; (c) 상기 오목홈(116)에 알루미늄 분말과 중성자 흡수 미립자 분말의 혼합분말(126)을 장입하는 단계; (d) 상기 혼합분말(126)이 장입된 상기 제 1 복합소재 구조체(110)를 열간 압연하는 단계;를 포함한다. 상기 (a) 내지 (d) 단계를 수행함으로써, 도 1 내지 도 5에 개시된 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재(100)를 구현할 수 있다. 특히, 상기 오목홈(116)에 알루미늄 분말과 중성자 흡수 미립자 분말의 혼합분말(126)을 장입한 후 열간 압연하기 전에 혼합분말(126)이 열간 압연 과정 중에 탈락되는 것을 방지하기 위하여 오목홈(116)을 덮는 실링 작업을 추가로 진행할 수 있다.
상기 열간 압연하는 단계는 알루미늄의 융점 이하의 온도(예를 들어, 500 내지 600℃)에서 수행할 수 있다. 알루미늄 분말과 중성자 흡수 미립자 분말의 혼합분말(126)을 압연하면, 혼합분말(126) 중에서 고연성인 알루미늄 분말 입자가 압연에 의해 소성변형하면서 서로 일체화하여 제 2 알루미늄 기지(122)가 되고 혼합분말(126) 중에서 중성자 흡수 미립자 분말은 제 2 알루미늄 기지(122) 내에 입자로 분산되어 중성자 흡수 미립자(124)가 되어, 최종적으로 제 2 알루미늄 기지(122)와 상기 제 2 알루미늄 기지(122) 내 분산된 중성자 흡수 미립자(124)를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120)을 구현할 수 있다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예 제 1 복합소재층 중성자 흡수 강화층
시편1 Al-5%B 4C -
시편2 Al-10%B 4C -
시편3 Al-20%B 4C -
시편4 Al-20%B 4C Al-20%B 4C
시편5 Al-20%B 4C Al-20%GdO 2
시편6 Al-20%B 4C Al-30%GdO 2
시편7 Al-20%B 4C Al-BNNT
표 1은 본 발명의 실험예의 시편을 구성하는 물질층을 나타내며, 이를 구현하기 위한 압연온도는 모두 550℃를 적용하였다.
표 1을 참조하면, 시편1은 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 5%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층으로만 이루어지며, 시편2는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 10%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층으로만 이루어지며, 시편3은 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층으로만 이루어진다. 시편1 내지 시편3은, 본 발명의 비교예로서, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는 중성자 흡수 강화층의 구성을 도입하지 않는다.
시편4는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;으로 이루어진다.
시편5는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;으로 이루어진다.
시편6은 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 30%의 부피비를 가지면서 분산된 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;으로 이루어진다.
시편7은 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 BNNT 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;으로 이루어진다. 시편4 내지 시편7은, 본 발명의 실시예로서, 상기 중성자 흡수 미립자는 상기 제 1 탄화붕소 입자보다 입자크기가 작다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 평면 촬영한 사진들이다.
도 9의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재로서 시편4에 해당하며, 도 9의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재로서 시편5에 해당한다.
도 10은 본 발명의 실험예(시편4)에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 10을 참조하면, 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지(112) 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자(114)를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120);으로 이루어진, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 단면을 확인할 수 있다. 상대적으로 밝은 부분은 알루미늄을 나타내며, 상대적으로 어두운 부분은 탄화붕소 입자를 나타낸다. 중성자 흡수 강화층의 두께는 230 내지 290㎛이며, 제 2 탄화붕소 입자의 크기는 약 1㎛이며, 제 1 탄화붕소 입자(114)의 크기는 약 40㎛으로 관찰된다. 특히, 중성자 흡수 강화층(120)에서 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자가 균일하게 분산되어 있으며, 중성자 흡수 강화층(120)과 제 1 복합소재층(110) 사이의 계면이 건전함을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실험예(시편4)에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층 및 인접 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 중성자 흡수 강화층의 두께는 230 내지 290㎛이며, 중성자 흡수 강화층에서 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자가 균일하게 분산되어 있으며, 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층 사이의 계면이 건전함을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실험예(시편5)에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들 및 중성자 흡수 강화층 및 인접 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 12을 참조하면, 제 1 알루미늄(Al6061) 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층; 및 제 2 알루미늄(Al6061) 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;으로 이루어진, 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 중에서, 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자가 중성자 흡수 강화층 내 균일하게 분산되어 있으며, 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층 사이의 계면이 건전함을 확인할 수 있다.
한편, 도 6에서 상술한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 실제로 구현한 실험예들을 설명한다.
도 13은 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 제 2 탄화붕소 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120a);을 포함하며, 상기 제 1 복합소재층(110)의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층(130)을 더 포함한다. 알루미늄층(130)은 알루미늄 표면층으로 이해될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층의 경계 영역(도 14의 (a)에서 점선 원으로 표시한 영역)에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 제 1 복합소재층을 구성하는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자의 균일한 분포를 확인할 수 있다. 또한, 중성자 흡수 강화층을 구성하는 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 제 2 탄화붕소 입자의 균일한 분포를 확인할 수 있다. 상기 제 1 탄화붕소 입자의 크기는 약 40㎛임에 반하여, 상기 제 2 탄화붕소 입자의 크기는 약 1㎛임을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실험예4-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층의 전체 두께에 해당하는 전 영역에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 중성자 흡수 강화층의 전체 두께에 해당하는 전 영역(도 15의 (a)에서 점선 원으로 표시한 영역)에서 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 제 2 탄화붕소 입자의 분포가 균일함을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실험예5-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재를 단면 촬영한 사진들이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실험예5-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층(110); 및 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 20%의 부피비를 가지면서 분산된 가돌리늄 산화물 입자인 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층(110) 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층(120b);을 포함하며, 상기 제 1 복합소재층(110)의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층(130)을 더 포함한다. 알루미늄층(130)은 알루미늄 표면층으로 이해될 수 있다. 한편, 알루미늄층(130)과 제 1 복합소재층(110) 사이에 가돌리늄 산화물층(135)을 선택적으로 더 형성할 수도 있다.
도 17은 본 발명의 실험예5-1에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재에서 중성자 흡수 강화층과 제 1 복합소재층의 경계 영역(도 17의 (a)에서 점선 원으로 표시한 영역)에서의 EPMA 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 제 1 복합소재층을 구성하는 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자의 균일한 분포를 확인할 수 있다. 또한, 중성자 흡수 강화층을 구성하는 제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 가돌리늄 산화물 입자의 균일한 분포를 확인할 수 있다. 상기 제 1 탄화붕소 입자의 크기는 약 40㎛임에 반하여, 상기 가돌리늄 산화물 입자의 크기는 약 10㎛임을 확인할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실험예에 따른 시편에 대한 중성자 흡수능을 실험한 결과를 설명한다.
도 18은 본 발명의 실험예에서 중성자 차폐능을 테스트하는 장비를 도해하는 도면이고, 도 19는 본 발명의 실험예에 따라 구현한 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 중성자 흡수 단면적 계수를 비교한 그래프이다.
도 18을 참조하면, Am-Be 중성자 선원의 방출률은 1.227x10 7s -1이며, 검출기(Detector)와 중성자 소스 사이에 시편을 장착하였다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 비교예인 시편1의 중성자 흡수 단면적 계수는 4.5cm -1이며, 시편2의 중성자 흡수 단면적 계수는 8.25cm -1이며, 시편3의 중성자 흡수 단면적 계수는 13.91cm -1임에 반하여, 본 발명의 실시예인 시편4의 중성자 흡수 단면적 계수는 18.1cm -1이며, 본 발명의 실시예인 시편5의 중성자 흡수 단면적 계수는 19.7cm -1이며, 시편6의 중성자 흡수 단면적 계수는 28.8cm -1임을 확인할 수 있다.
즉, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는 중성자 흡수 강화층의 구성을 도입하지 않는 본 발명의 비교예 대비 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는 중성자 흡수 강화층의 구성을 도입하는 본 발명의 실시예에서 중성자 흡수능이 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재층;
    제 2 알루미늄 기지와 상기 제 2 알루미늄 기지 내 분산된 중성자 흡수 미립자를 구비하되, 제 1 복합소재층 내에 층상 구조로 개재되는, 중성자 흡수 강화층;을 포함하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 미립자는 상기 제 1 탄화붕소 입자보다 입자크기가 작은 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 미립자는 상기 제 1 탄화붕소 입자보다 입자크기가 작은 제 2 탄화붕소 입자인 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 미립자는 가돌리늄 산화물 입자인 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 미립자는 BNNT 입자인 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 미립자는 Sm 2O 3, Al 3Sm, Al 2Sm 및 AlSm 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 입자인 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 복합소재층의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 알루미늄층을 더 포함하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 알루미늄층을 덮는 붕소 또는 가돌리늄을 첨가한 스테인리스강층을 더 포함하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재.
  9. 제 1 알루미늄 기지와 상기 제 1 알루미늄 기지 내 분산된 제 1 탄화붕소 입자를 구비하는 제 1 복합소재 구조체를 준비하는 단계;
    상기 제 1 복합소재 구조체의 중앙부를 적어도 일부 관통하는 오목홈을 형성하는 단계;
    상기 오목홈에 알루미늄 분말과 중성자 흡수 미립자 분말의 혼합분말을 장입하는 단계;
    상기 혼합분말이 장입된 상기 제 1 복합소재 구조체를 열간 압연하는 단계;를 포함하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열간 압연하는 단계는 알루미늄의 융점 이하의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는,
    다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재의 제조방법.
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