[논문]탄화규소 불투명화재와 세라믹섬유가 Fumed 실리카 단열재의 열전도도에 미치는 영향

권영필; 권혁천; 박성; 이재춘

doi:10.4191/kcers.2007.44.1.747

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The thermal conductivities of nano-sized fumed silica-based insulation media were investigated by varying a mean particle size of the silicon carbide opacifiers and ceramic fiber content. Opacifying effect of ceramic fiber and silicon carbide powders was discussed in terms of their content and the m...

The thermal conductivities of nano-sized fumed silica-based insulation media were investigated by varying a mean particle size of the silicon carbide opacifiers and ceramic fiber content. Opacifying effect of ceramic fiber and silicon carbide powders was discussed in terms of their content and the mean particle size of them. As the fiber contents increased from 10 wt% to 30 wt% in a material, its thermal conductivity at temperatures of about $620^{\circ}C$ decreased from 0.171 $Wm^{-1}K^{-1}$ to 0.121 $Wm^{-1}K^{-1}$. Meanwhile, the thermal conductivity at temperatures of about $625^{\circ}C$ decreased from 0.128 $Wm^{-1}K^{-1}$ to 0.092 $Wm^{-l}K^{-1}$ as the mean SiC particle size decreased from $31{\mu}m$ to $10{\mu}m$.

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문제 정의

少 따라서, 고온에서 복사열전도를 방지하기 위해서는 실리카흄을 주성분으로 하는 단열재에 복사열을 산란 또는 흡수하여 복사열전도를 감소시킬 수 있는 불투명화제 첨가가 필수적으로 요구된다.4)본 논문의 목적은 함량이 상이한 세라믹섬유 또는 평균입자크기가 상이한 탄화규소 불투명화제가 포함된 단열재를 제조하고 고온 열전도도를 측정하여, 상기 부재료및 함량이 열전도도에 미치는 영향을 조사하는데 있다.

제안 방법

불투명화제로 입도가 다른 세 종류의 탄화규소 분말을 사용하였다. 사용되는 탄화규소 분말의 입도분포는 입자크기분석기 (SHIMADZU, SALD-2001)로 조사하였다. 또한, 지름이 3~5呻1인 상업용 알루미노규산염 세라믹섬유(Cerafiber, Thermal Ceramics)를 구조보강제로 사용하였다.
실리카흄을 주 원료로 하여 세라믹섬유 또는 탄화규소불투명화제를 함유한 단열재를 제조하고 순간열선법을 사용하여 상온에서부터 637℃ 부근까지 고온 열전도도를 측정하여 이들 부재료가 단열재의 고온 열전도도에 대한 영향을 조사하였다. 실리카흄을 주원료로 하는 단열재의 경우에, 세라믹섬유는 약 250℃ 이상의 고온에서 복사열전달을 억제하는 불투명화제의 역할을 수행하며 그 효과는 매우 큼을 알 수 있었다.
1에 나타난 대로 가열된 선과 직접적으로 접촉하였으며 똑같은 크기의 두 개의 시편 사이 중앙에 위치시켰다. 열전도도측정은 상온과 각각 약 200, 400, 600℃ 부근으로 유지된고온로에서 각각 측정하였다. 순간열선법에 의한 열전도도 入는 식 (1)로 나타내며, 열선이 발열하는 시간에 따른 시편의 온도 상승측정자료를 이용하여 열전도도 A■를 계산하였다.

대상 데이터

사용되는 탄화규소 분말의 입도분포는 입자크기분석기 (SHIMADZU, SALD-2001)로 조사하였다. 또한, 지름이 3~5呻1인 상업용 알루미노규산염 세라믹섬유(Cerafiber, Thermal Ceramics)를 구조보강제로 사용하였다.
불투명화제로 입도가 다른 세 종류의 탄화규소 분말을 사용하였다. 사용되는 탄화규소 분말의 입도분포는 입자크기분석기 (SHIMADZU, SALD-2001)로 조사하였다.
비표면적이 200m2gT인 실리카흄 분말(CAB-O-SIL M-5, CABOT)를 단열재의 주 원료로 사용하였다. 불투명화제로 입도가 다른 세 종류의 탄화규소 분말을 사용하였다.

이론/모형

성형된 각 단열재 시편의 부피밀도는 부피와 무게로 측정하여 계산하였으며, 이론밀도는혼합물 법칙과 조성으로 계산하였다. 단열재의 열전도도는 순간열선법 (Hot Wire method)을 사용하여 측정하였다?) 온도상승 대 경과시간은 Ni-NiCr 선으로 용접한 K형 열전대의 팁으로 측정하였는데 열전대의 팁은 Fig. 1에 나타난 대로 가열된 선과 직접적으로 접촉하였으며 똑같은 크기의 두 개의 시편 사이 중앙에 위치시켰다.
33 이 되게 끔 성형하였다. 성형된 각 단열재 시편의 부피밀도는 부피와 무게로 측정하여 계산하였으며, 이론밀도는혼합물 법칙과 조성으로 계산하였다. 단열재의 열전도도는 순간열선법 (Hot Wire method)을 사용하여 측정하였다?) 온도상승 대 경과시간은 Ni-NiCr 선으로 용접한 K형 열전대의 팁으로 측정하였는데 열전대의 팁은 Fig.

성능/효과

제조된다.12)자동차, 비행기 등의 운송기관에 사용하기 위한 고체산화물연료전지의 경우, 소형화 및 경량화를 필요로 한다. 따라서 700℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체산화물 연료전지의 효율적인 단열을 위해서 부피가 작으며 고강도 경량 초단열재의 사용은 필수적이다.
5 μm이다.3)한편 복사를 산란 또는 흡수할 수 있는 능력은 불투명화제로 사용되는 분말의 비표면적이 클 수록 크다. 따라서 이 두요소를 고려하면 탄화규소 분말의 평균입자 크기가 10.
3)한편 복사를 산란 또는 흡수할 수 있는 능력은 불투명화제로 사용되는 분말의 비표면적이 클 수록 크다. 따라서 이 두요소를 고려하면 탄화규소 분말의 평균입자 크기가 10.3 μm인 분말의 복사열전도 차폐효과가 상대적으로 가장 클것으로 판단된다.
121血1須1로 나타난다. 세라믹섬유 중량백분율을 10%에서 30%로 증가함에 따라 약 41%의 고온 열전도도 감소효과가 얻어지므로, 세라믹섬유가 증가됨에 따른 복사열전도 감소효과임을 다시 한번 확인할 수 있다.
4 A 전류를 사용하였다. 탄화규소 분말의 평균입자크기가 31 μm 에서 10.3 pm으로 감소함에 따라, 시편의 온도상승 기울기가 증가하는 것을 알 수 있는데 이것은 평균입자크기가 작을 수록 단열성능이 증가함을 의미한다.

참고문헌 (6)

J. Wang, J. Kuhn, and X. Lu, 'Monolithic Silica Aerogel Insulation Doped with $TiO_2$ Powder,' J Non-Cryst. Solids, 186 296 (1995)

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H. Abe, I. Abe, K. Sato, and M. Naito, 'Dry Powder Processing of Fibrous Fumed Silica Compacts for Thermal Insulation,' J. Am. Ceram. Soc., 88 1359 (2005)

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R. Caps and J. Fricke, in Aerogels edited J. Fricke, Springer, Heidelberg, p110 (1986)
J. Kuhn, T. Gleissner, M.C. Arduini-Schuster, S. Korder, and J. Fricke, 'Integration of Mineral Powders into $SiO_2$ Aerogels,' J Non-Cryst. Solids, 186 291 (1995)

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J. Healy, J. J. de Groot, and J. Kestin, 'The Theory of the Transient Hot-wire Method for Measuring Thermal Conductivity,' Physica, 82C 392 (1976)

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F. Asllanaj, G Jeandel, J. R. Roche, and D. Lacroix, 'Transient Combined Radiation and Conduction Heat Transfer in Fibrous,' Int. J. Thermal Sciences, 43 939 (2004)

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