[논문]SiCf/SiC 복합체 튜브의 표면조도 및 섬유 부피 분율에 미치는 필라멘트 와인딩 방법의 영향

김대종; 이종민; 박지연; 김원주

doi:10.4191/kcers.2013.50.6.359

SiCf/SiC 복합체 튜브의 표면조도 및 섬유 부피 분율에 미치는 필라멘트 와인딩 방법의 영향
Effect of Filament Winding Methods on Surface Roughness and Fiber Volume Fraction of SiCf/SiC Composite Tubes 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.50 no.6, 2013년, pp.359 - 363

김대종 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 이종민 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 박지연 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 김원주 (한국원자력연구원 원자력재료개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon carbide and its composites are being considered as a nuclear fuel cladding material for LWR nuclear reactors because they have a low neutron absorption cross section, low hydrogen production under accident conditions, and high strength at high temperatures. The SiC composite cladding tube considered in this study consists of three layers, monolith CVD SiC - $SiC_f$/SiC composite -monolith CVD SiC. The volume fraction of SiC fiber and surface roughness of the composite layer affect mechanical and corrosion properties of the cladding tube. In this study, various types of SiC fiber preforms with tubular shapes were fabricated by a filament winding method using two types of Tyranno SA3 grade SiC fibers with 800 filaments/yarn and 1600 filaments/yarn. After chemical vapor infiltration of the SiC matrix, the surface roughness and fiber volume fraction were measured. As filament counts were changed from 800 to 1600, the surface roughness increased but the fiber volume fraction decreased. The $SiC_f$/SiC composite with a bamboo-like winding pattern has a smaller surface roughness and a higher fiber volume fraction than that with a zigzag winding pattern.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 다양한 필라멘트 와인딩법으로 제조된 SiC_f/SiC 복합체의 섬유 부피 분율과 표면조도를 분석하고 최적의 튜브형 프리폼 제조방법을 도출하고자 하였다.

제안 방법

Tyranno SA3급의 SiC 섬유인 SA3-S1I08PX와 SA3-S1I16PX을 이용하여 CVD SiC가 코팅된 흑연 맨드릴에 +55/−55° 각도의 나사선 형태로 필라멘트 와인딩을 수행하였다. SiC 섬유 프리폼을 화학기상침착법(CVI)으로 SiC 기지상을 침착시킨 후, 표면조도와 섬유의 부피 분율을 측정하였다.
Tyranno SA3급의 SiC 섬유인 SA3-S1I08PX와 SA3-S1I16PX을 이용하여 CVD SiC가 코팅된 흑연 맨드릴에 +55/−55° 각도의 나사선 형태로 필라멘트 와인딩을 수행하였다.
고순화 처리된 흑연봉에 SiC가 약 300 ~ 330 μm의 두께로 코팅된 9.1 mm 직경의 맨드릴(mandrel)에 SiC 섬유를 필라멘트 와인딩법으로 SiC 섬유 프리폼을 제조하였다.
따라서, 결정질의 SiC 섬유를 권선할 때 의도적인 응력은 부과되지 않았으며, SiC 섬유의 보빈(bobbin)이 회전할 때의 스풀 핀(spool pin)과의 마찰력에 의해서만 장력이 유지되도록 하였다. 또한, 섬유의 끊김을 줄이기 위해 보빈에서 맨드릴까지 접촉 부분을 최소화 하였다.
섬유가 권선된 SiC 섬유 프리폼의 표면조도 측정을 위해 접촉식 표면조도기(SV-624, Mitotoy°Co., Japan)를 사용하였으며, 1개의 샘플에 대해 4번 측정하여 평균값을 취했다.
섬유의 권선을 위해 4축 장비(PICO Co., Korea)를 이용하였으며, +55/−55° 권선 각도를 가지도록 나사선 형태(helical)로 제작 되었다.
수직형 반응로를 이용하여 CVI를 수행하였으며, 1000°C의 증착온도에서 800 sccm의 총유량, 2.67 kPa의 증착압력에서 15시간 동안 증착이 이루어졌다.
, Japan)를 사용하였으며, 1개의 샘플에 대해 4번 측정하여 평균값을 취했다. 접촉에 의한 섬유의 끊김을 방지하기 위하여, CH3SiCl3(methyltrichlorosilane, MTS)를 원료가스로 사용한 H2 분위기에서 화학기상침착(chemical vapor infiltration, CVI)법으로 SiC 기지상을 채운 후 표면조도를 측정하였다. 수직형 반응로를 이용하여 CVI를 수행하였으며, 1000°C의 증착온도에서 800 sccm의 총유량, 2.

대상 데이터

1 mm 직경의 맨드릴(mandrel)에 SiC 섬유를 필라멘트 와인딩법으로 SiC 섬유 프리폼을 제조하였다. 강화 SiC 섬유는 Tyranno SA3 (Ube Industries, Japan)가 사용되었으며, 섬유의 한 가닥(yarn)에 800 필라멘트를 포함하고 있는 SA3-S1I08PX와 1600 필라멘트를 포함하고 있는 SA3-S1I16PX 섬유를 이용하였다. 두 SiC 섬유 모두 밀도는 3.

성능/효과

1600 필라멘트로 이루어진 SA3-S1I16PX SiC 섬유를 이용해 섬유 프리폼을 제조할 경우, 표면조도는 800 필라멘트의 SA3-S1I08PX SiC 섬유에 비해 약 20% 이상 상승하였으며, 섬유 부피 분율 역시 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합체 중간층을 제조하기 위해서는 CVD SiC 내층 위에 무엇을 제조해야 하는가?	복합체 중간층을 제조하기 위해서는 CVD SiC 내층 위에 SiC 섬유 프리폼(preform)을 제조해야 한다. 얇은 관 형태로 장섬유강화 복합체를 제조하기 위해서는 브레이딩(braiding) 또는 필라멘트 와인딩(filament winding) 방법이 적합하며,8,9) 약 400 μm 두께 이하로 복합체층을 제조할 경우 섬유의 종류 및 권선 방법에 따라 1~2층 정도만 적층될 수 있다.
	탄화규소의 장점은 무엇인가?	탄화규소(SiC)는 우수한 고온 기계적 특성, 낮은 중성자 흡수 단면적, 높은 중성자 조사특성 및 고온 수화학환경에서의 내부식성 등으로 인하여 가압형 경수로(pressurized light water reactor, LWR)의 핵연료 피복관(nuclear fuel cladding) 재료로 사용되기 위한 연구가 진행되고 있다.1-5) SiC 및 SiC 복합체를 기본으로 하는 LWR 피복관은 핵분열 생성물을 담지하는 기능의 단미 SiC 내층, 인성 및 기계적 강도를 높여주기 위한 SiCf/SiC 복합체 중간층, 원자로 수화학(water chemistry) 환경으로부터 복합체층을 보호하기 위한 단미 SiC 외층으로 구성된다(Fig.
	Tyranno SA3 SiC 섬유가 권선시 필라멘트 끊김이 쉽게 발생하며 섬유에 큰 장력이 부과될 경우 섬유다발이 완전히 단절되기도 하는 이유는 무엇인가?	, Korea)를 이용하였으며, +55/−55° 권선 각도를 가지도록 나사선 형태(helical)로 제작 되었다. Tyranno SA3 SiC 섬유는 결정질의 구조를 가지기 때문에 일반적인 SiC 섬유에 비해 큰 취성을 가진다. 따라서, 권선시 필라멘트의 끊김(peeling)이 쉽게 발생하며, 섬유에 큰 장력이 부과될 경우 섬유다발이 완전히 단절되기도 한다.

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