세라믹 섬유를 활용한 초단열재, 고체산화물용 기밀재, 탄소코팅 흡착재 설계, 제조 및 특성 평가기술 연구 Fabrication and Evaluation of super insulation media, Sealants for Solid Oxide Fuel Cell and Carbon-Coated Adsorbents Using Ceramic Fibers원문보기
세라믹 섬유는 일반 섬유와 다른 극한 환경용의 산업용 섬유로서 1000℃ 이상의 초고온에서도 고강도의 특성이 요구되는 내화단열재, 필터소재 등에 사용된다. 섬유 원료의 물성과 섬유의 조직을 제어하는데 나노기술이 이용되며 최근 우주항공, 스포츠, 환경 등 다양한 분야에 이미 실용화되고 있는 소재이다. 본 연구에서는 이러한 세라믹 섬유를 활용하여 초단열재, 고체산화물 연료전지의 기밀용 유리-섬유복합체, 탄소 코팅 흡착재를 설계 및 제작하였다. 초단열재의 조성 및 불투명화재 등에 따른 ...
세라믹 섬유는 일반 섬유와 다른 극한 환경용의 산업용 섬유로서 1000℃ 이상의 초고온에서도 고강도의 특성이 요구되는 내화단열재, 필터소재 등에 사용된다. 섬유 원료의 물성과 섬유의 조직을 제어하는데 나노기술이 이용되며 최근 우주항공, 스포츠, 환경 등 다양한 분야에 이미 실용화되고 있는 소재이다. 본 연구에서는 이러한 세라믹 섬유를 활용하여 초단열재, 고체산화물 연료전지의 기밀용 유리-섬유복합체, 탄소 코팅 흡착재를 설계 및 제작하였다. 초단열재의 조성 및 불투명화재 등에 따른 열전도도 변화를 Hot-wire method 를 사용하여 측정하였고 고체산화물 연료전지의 기밀용 유리-섬유복합체의 유리함량, 제조방법에 따른 누설율, 점도, 파괴강도 등을 측정하였다. 또한 탄소 코팅 흡착재의 전압별 발열량, 온도상승, 에틸아세테이트의 흡착 및 탈착량을 측정하여 분석하였다. 비표면적이 200 m2g-1 인 나노사이즈의 Fumed silica 분말을 주원료로 사용하고 불투명화제인 티타니아와 구조보강제인 세라믹섬유를 혼합하여 얻은 초단열재는 혼합물의 무게비율, 불투명화재의 종류, 세라믹 섬유의 코팅유무, 성형압 등에 따라 상온 및 고온 열전도도는 변화하였다. 불투명화제인 티타니아의 함량이 증가할수록 고온 열전도도는 감소하였고 고온에서 복사열을 차단하여 열전도도를 낮추는 역할을 하는 티타니아의 입도 크기에 따라 고온 열전도도는 큰 차이를 보였다. 또한 초단열재 성형시 성형압이 감소할수록 복합체의 밀도가 감소하여 열전도도가 감소하는 효과를 보였다. 붕규산유리(35.4SiO2–36.4B2O3–6.5BaO–1.7CaO–1Al2O3–1ZnO–18R2O)를 출발원료로 하여 다공성유리–세라믹섬유 복합 기밀재를 700℃ 이하의 온도에서 작동되는 SOFC의 기밀을 위해 제조하였다. 조성을 달리하여 제작한 기밀재의 부착성과 기밀성능을 고온 기밀시험을 통해 알 수 있었다. 유리함량이 65 vol% 이상일 때 누설률은 0.003 sccm/cm 이하로 감소시킬 수 있었다. 기밀계면에서의 기공크기 증가는 유리–세라믹섬유 복합체에서 유리함량을 감소시키면 나타난다는 것을 알 수 있다. 용융침투법으로 제조한 유리복합체의 강도는 낮은 기공율로 인해 상압소결시편의 강도보다 더 높았다. 650℃에서 열싸이클 100 회 이상의 작동횟수에서 누설률 0.1 sccm/cm 이하로 유지하는 것을 확인하였다. 흡착 및 재생성을 가지는 약 2.5%에서 19.2%의 나노 기공의 탄소를 함유한 다공성 세라믹 섬유 복합체를 제조하였다. 나노기공을 가진 탄소와 다공성인 세라믹섬유 복합체는 상온 대기중에서 일정한 양의 수분 및 기체를 흡착한다. 흡착된 물질을 제거하기 위하여 탄소 코팅 복합체에 3∼11V의 전압을 가하면 복합체의 중앙 표면의 온도가 약 150℃까지 상승하였다. 이렇게 전기전도성을 가진 탄소 코팅 세라믹섬유 복합체에 5분동안 3∼11V의 전압을 가하여 탈착된 수분 및 기체의 무게를 측정한 결과, 9∼15mg의 탈착된 양을 확인할 수 있었다. 탄소함유량에 따라 에틸아세테이트 흡착량은 다양하였고 복합체를 발열시키면 흡착한 에틸아세테이트가 탈착되었다.
세라믹 섬유는 일반 섬유와 다른 극한 환경용의 산업용 섬유로서 1000℃ 이상의 초고온에서도 고강도의 특성이 요구되는 내화단열재, 필터소재 등에 사용된다. 섬유 원료의 물성과 섬유의 조직을 제어하는데 나노기술이 이용되며 최근 우주항공, 스포츠, 환경 등 다양한 분야에 이미 실용화되고 있는 소재이다. 본 연구에서는 이러한 세라믹 섬유를 활용하여 초단열재, 고체산화물 연료전지의 기밀용 유리-섬유복합체, 탄소 코팅 흡착재를 설계 및 제작하였다. 초단열재의 조성 및 불투명화재 등에 따른 열전도도 변화를 Hot-wire method 를 사용하여 측정하였고 고체산화물 연료전지의 기밀용 유리-섬유복합체의 유리함량, 제조방법에 따른 누설율, 점도, 파괴강도 등을 측정하였다. 또한 탄소 코팅 흡착재의 전압별 발열량, 온도상승, 에틸아세테이트의 흡착 및 탈착량을 측정하여 분석하였다. 비표면적이 200 m2g-1 인 나노사이즈의 Fumed silica 분말을 주원료로 사용하고 불투명화제인 티타니아와 구조보강제인 세라믹섬유를 혼합하여 얻은 초단열재는 혼합물의 무게비율, 불투명화재의 종류, 세라믹 섬유의 코팅유무, 성형압 등에 따라 상온 및 고온 열전도도는 변화하였다. 불투명화제인 티타니아의 함량이 증가할수록 고온 열전도도는 감소하였고 고온에서 복사열을 차단하여 열전도도를 낮추는 역할을 하는 티타니아의 입도 크기에 따라 고온 열전도도는 큰 차이를 보였다. 또한 초단열재 성형시 성형압이 감소할수록 복합체의 밀도가 감소하여 열전도도가 감소하는 효과를 보였다. 붕규산유리(35.4SiO2–36.4B2O3–6.5BaO–1.7CaO–1Al2O3–1ZnO–18R2O)를 출발원료로 하여 다공성유리–세라믹섬유 복합 기밀재를 700℃ 이하의 온도에서 작동되는 SOFC의 기밀을 위해 제조하였다. 조성을 달리하여 제작한 기밀재의 부착성과 기밀성능을 고온 기밀시험을 통해 알 수 있었다. 유리함량이 65 vol% 이상일 때 누설률은 0.003 sccm/cm 이하로 감소시킬 수 있었다. 기밀계면에서의 기공크기 증가는 유리–세라믹섬유 복합체에서 유리함량을 감소시키면 나타난다는 것을 알 수 있다. 용융침투법으로 제조한 유리복합체의 강도는 낮은 기공율로 인해 상압소결시편의 강도보다 더 높았다. 650℃에서 열싸이클 100 회 이상의 작동횟수에서 누설률 0.1 sccm/cm 이하로 유지하는 것을 확인하였다. 흡착 및 재생성을 가지는 약 2.5%에서 19.2%의 나노 기공의 탄소를 함유한 다공성 세라믹 섬유 복합체를 제조하였다. 나노기공을 가진 탄소와 다공성인 세라믹섬유 복합체는 상온 대기중에서 일정한 양의 수분 및 기체를 흡착한다. 흡착된 물질을 제거하기 위하여 탄소 코팅 복합체에 3∼11V의 전압을 가하면 복합체의 중앙 표면의 온도가 약 150℃까지 상승하였다. 이렇게 전기전도성을 가진 탄소 코팅 세라믹섬유 복합체에 5분동안 3∼11V의 전압을 가하여 탈착된 수분 및 기체의 무게를 측정한 결과, 9∼15mg의 탈착된 양을 확인할 수 있었다. 탄소함유량에 따라 에틸아세테이트 흡착량은 다양하였고 복합체를 발열시키면 흡착한 에틸아세테이트가 탈착되었다.
As ceramic fiber is used for an extreme environment, it is being used insulating material and filter in ultra high temperature. Nano technology is required for controling composition and structure of fiber. Recently ceramic fiber is been put to practical use in aerospace industry, sports and environ...
As ceramic fiber is used for an extreme environment, it is being used insulating material and filter in ultra high temperature. Nano technology is required for controling composition and structure of fiber. Recently ceramic fiber is been put to practical use in aerospace industry, sports and environment. This paper researched fabrication and evaluation of super insulation media, sealants for solid oxide fuel cell and carbon-coated adsorbents using ceramic fiber The thermal conductivities of nano-sized fumed silica-based insulation media were investigated using different types of titania opacifier, various mean particle size of the silicon carbide opacifiers and ceramic fiber content. The higher the titania content, the higher the thermal insulation capability of this material at temperature above 400°C due to radiation scattering effect by titania. Titania powder with a higher specific surface area and a mean particlse size of 3.5 µm was found to be most effective to reduce radiative heat transfer. As the fiber contents increased to 30 wt% in a material, its thermal conductivity at temperatures of about 820°C decreased from 0.81 Wm-1K-1 to 0.18 Wm-1K-1. Meanwhile, the thermal conductivity at temperatures of about 820°C decreased from 0.18 Wm-1K-1 to 0.08 Wm-1K-1 as the mean SiC particle size decreased from 31 µm to 3 µm. SiC powder with a mean particles size less than 10 µm was found to be effective to reduce radiative heat transfer. Short ceramic fiber/Al2O3/glass composites were prepared by conventional sintering at 780℃ and by pressureless melt-infiltration at 1150C. Strength of the infiltrated composite samples with porosities of 10∼16% was about four times higher than that of sintered ones with relatively higher porosities. Both the bending strength and fracture toughness had a tendency to decrease with increasing porosity of the infiltrated sample. However, their sealability measured at 650℃ was found to be too poor to use as SOFC seals due to their higher content of alumina particles compared to sintered ones. Porous ceramic fiber composites were coated with pyrolytic carbon by the decomposition of infiltrated phenolic resin in a nitrogen atmosphere at 800°C. The temperature rise of the sample was measured as a function of time during constant voltage application. At the power of 7.81 W (9 V, 0.87 A), the surface temperature of a sample containing ∼27 wt% carbon rised to about 148°C in 5 minutes. The efficiency of the conversion from electrical energy to thermal energy was calculated and compared with that of other carbon heaters. In situ thermal desorption of adsorbates from the sample were obtained from the weight change of the sample during Joule heating. At longer heating time, i.e., from 3 to 5 minutes, under the constant applied voltage of 9 V, the weight loss was increased from 14.5 mg to 21.8 mg due to more moisture desorption
As ceramic fiber is used for an extreme environment, it is being used insulating material and filter in ultra high temperature. Nano technology is required for controling composition and structure of fiber. Recently ceramic fiber is been put to practical use in aerospace industry, sports and environment. This paper researched fabrication and evaluation of super insulation media, sealants for solid oxide fuel cell and carbon-coated adsorbents using ceramic fiber The thermal conductivities of nano-sized fumed silica-based insulation media were investigated using different types of titania opacifier, various mean particle size of the silicon carbide opacifiers and ceramic fiber content. The higher the titania content, the higher the thermal insulation capability of this material at temperature above 400°C due to radiation scattering effect by titania. Titania powder with a higher specific surface area and a mean particlse size of 3.5 µm was found to be most effective to reduce radiative heat transfer. As the fiber contents increased to 30 wt% in a material, its thermal conductivity at temperatures of about 820°C decreased from 0.81 Wm-1K-1 to 0.18 Wm-1K-1. Meanwhile, the thermal conductivity at temperatures of about 820°C decreased from 0.18 Wm-1K-1 to 0.08 Wm-1K-1 as the mean SiC particle size decreased from 31 µm to 3 µm. SiC powder with a mean particles size less than 10 µm was found to be effective to reduce radiative heat transfer. Short ceramic fiber/Al2O3/glass composites were prepared by conventional sintering at 780℃ and by pressureless melt-infiltration at 1150C. Strength of the infiltrated composite samples with porosities of 10∼16% was about four times higher than that of sintered ones with relatively higher porosities. Both the bending strength and fracture toughness had a tendency to decrease with increasing porosity of the infiltrated sample. However, their sealability measured at 650℃ was found to be too poor to use as SOFC seals due to their higher content of alumina particles compared to sintered ones. Porous ceramic fiber composites were coated with pyrolytic carbon by the decomposition of infiltrated phenolic resin in a nitrogen atmosphere at 800°C. The temperature rise of the sample was measured as a function of time during constant voltage application. At the power of 7.81 W (9 V, 0.87 A), the surface temperature of a sample containing ∼27 wt% carbon rised to about 148°C in 5 minutes. The efficiency of the conversion from electrical energy to thermal energy was calculated and compared with that of other carbon heaters. In situ thermal desorption of adsorbates from the sample were obtained from the weight change of the sample during Joule heating. At longer heating time, i.e., from 3 to 5 minutes, under the constant applied voltage of 9 V, the weight loss was increased from 14.5 mg to 21.8 mg due to more moisture desorption
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