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방전 플라스마 소결로 접합된 SiC-SiC 접합구조 및 기계적 특성

전문가 제언: ○ SiC는 높은 경도, 우수한 내산부식성, 높은 열전도성 및 낮은 열팽창계수와 같은 우수한 특성을 갖는 중요한 구조세라믹중의 하나이다. 그러나 SiC 제품은 대부분 크고 복잡한 형태를 가져서 SiC/SiC 접합해서 사용하며 ~~접합하는~~ 기술이 난이해서 고가이다. 본 논문은 SiC를 접합하기 위해서 Ti3SiC2와 3Ti/1.2Si/2C/0.2Al를 각각 충전제로 사용한다. 그것을 방전플라스마소결(SPS: Spark Plasma Sintering)방법으로 SiC를 접합해서 굽힘강도(flexural strength)로 평가한다.

○ SPS 방법으로 3Ti/1.2Si/2C/0.2Al 충전제를 사용해서 1600℃, 진공(〈6 Pa)상태에서 SiC를 접합할 때 최대 굽힘강도 133MPa을 얻었다. 이것은 TiO2가 아나타제 상에서 루타일 상으로 변화한 것이다. 낮은 온도처리에서 굽힘강도를 증가시키면 SiC 변형을 최소화할 수 있어 SiC 접합 특성을 향상시킨다. 10Pa 정도의 산소 분위기에서 SPS 방법으로 SiC 접합을 하면 산소가 접합부로 확산해서 1,100℃∼1,200℃ 온도에서 루타일 상을 형성되므로 최대 굽힘강도를 얻을 것으로 예측된다.

○ 현재에 SiC 접합 기술은 주로 핵에너지 분야에 적용하기 위해서 연구가 되고 있다. 세계적으로 SiC/SiC 복합체를 제조하는 회사는 GE Energy, AE Goodrich, Hyperthern 등의 있으나 SiC 접합을 할 수 있는 회사는 제한적이다. 국내에서 세라믹연구원, 재료연구소, 원자력연구소 및 일부 대학에서 고기능 SiC 복합체 및 접합 연구를 적극적으로 추진하고 있으나 생산하는 기업은 거의 없는 실정이다.

○ 핵연료 피복관으로 삼중층 구조의 SiC 복합체 피복관이 현재 세계적으로 연구 개발되고 있다. SiC 세라믹 기반의 피복관이 현실화하기 위해서 봉 마게 밀봉을 위한 SiC 접합기술 개발은 필수적이다. 세계적으로 아직 밀봉기술은 확립되지 않는 고부가가치 영역이다(2014년 한국원자력연구원 보고서). 세라컴, 칸세라, 나노가공소재 및 코엔테크 등 세라믹 생산업체가 중심이 되어 한국원자력연구원 등과 중장기적인 계획을 갖고 생산성을 고려한 기술개발이 필요하다. 제품화가 되면 세계적으로 원자로를 수출하는 한국 경제에 크게 기여할 것이다.

저자: Hongying Dong et al.
자료유형: 니즈학술정보