The porous metals are known as relatively excellent characteristic such as large surface area, light, lower heat capacity, high toughness and permeability. The Fe-Cr-Al alloys have high corrosion resistance, heat resistance and chemical stability for high temperature applications. And then many rese...
The porous metals are known as relatively excellent characteristic such as large surface area, light, lower heat capacity, high toughness and permeability. The Fe-Cr-Al alloys have high corrosion resistance, heat resistance and chemical stability for high temperature applications. And then many researches are developed the Fe-Cr-Al porous metals for exhaust gas filter, hydrogen reformer catalyst support and chemical filter. In this study, the Fe-Cr-Al porous metals are developed with Fe-22Cr-6Al(wt) powder using powder compaction method. The mean size of Fe-22Cr-6Al(wt) powders is about $42.69{\mu}m$. In order to control pore size and porosity, Fe-Cr-Al powders are sintered at $1200{\sim}1450^{\circ}C$ and different sintering maintenance as 1~4 hours. The powders are pressed on disk shapes of 3 mm thickness using uniaxial press machine and sintered in high vacuum condition. The pore properties are evaluated using capillary flow porometer. As sintering temperature increased, relative density is increased from 73% to 96% and porosity, pore size are decreased from 27 to 3.3%, from 3.1 to $1.8{\mu}m$ respectively. When the sintering time is increased, the relative density is also increased from 76.5% to 84.7% and porosity, pore size are decreased from 23.5% to 15.3%, from 2.7 to $2.08{\mu}m$ respectively.
The porous metals are known as relatively excellent characteristic such as large surface area, light, lower heat capacity, high toughness and permeability. The Fe-Cr-Al alloys have high corrosion resistance, heat resistance and chemical stability for high temperature applications. And then many researches are developed the Fe-Cr-Al porous metals for exhaust gas filter, hydrogen reformer catalyst support and chemical filter. In this study, the Fe-Cr-Al porous metals are developed with Fe-22Cr-6Al(wt) powder using powder compaction method. The mean size of Fe-22Cr-6Al(wt) powders is about $42.69{\mu}m$. In order to control pore size and porosity, Fe-Cr-Al powders are sintered at $1200{\sim}1450^{\circ}C$ and different sintering maintenance as 1~4 hours. The powders are pressed on disk shapes of 3 mm thickness using uniaxial press machine and sintered in high vacuum condition. The pore properties are evaluated using capillary flow porometer. As sintering temperature increased, relative density is increased from 73% to 96% and porosity, pore size are decreased from 27 to 3.3%, from 3.1 to $1.8{\mu}m$ respectively. When the sintering time is increased, the relative density is also increased from 76.5% to 84.7% and porosity, pore size are decreased from 23.5% to 15.3%, from 2.7 to $2.08{\mu}m$ respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 수소 제조용 SMR 공정에 적용이 가능할수 있는 다공성 금속 소재를 제조하고자 하였으며, 이를 위해 높은 온도에서 사용가능한 고온 소재인 Fe-Cr-Al 합금 분말을 이용하여, 소결 온도 및 유지 시간에 따른 기공 특성 변화를 알아보고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Fe22Cr6Al 합금 분말을 사용하여 금속다공체를 제조함에 있어, 소결 온도 및 유지 시간에 따른 미세구조 변화 및 기공 특성을 분석하였다. 소결 온도가 증가함에 따라서는 상대밀도가 73%에서 96.
탈 지된 시편은 산화 방지를 위해 고진공 분위기(10−6 torr)에서 소결을 실시하였으며, 이때 승온 및 냉각 속도는 각각 5℃/min과 10℃/min 이었다. 소결 온도에 따른 영향을 살펴보기 위해 1200℃, 1250℃, 1300℃, 1350℃, 1450℃에서 각각 2시간씩 소결하였으며, 유지 시간에 따른 영향을 확인하기 위하여 1300℃에서 각각 1 h, 2 h, 3 h, 4 h동안 유지하여 소결을 실시하였다. 소결된 시편의 상대 밀도는 Archimedes 법을 통하여 측정하였으며, 주사전자현미경 (SEM, JSM-5800, JEOL)과 X선 회절(XRD, D/Max 2200, Rigaku)을 이용하여 미세조직과 상 분석을 실시하였다.
대상 데이터
Fe-Cr-Al계 금속 다공체 제조를 위한 실험 공정도를 그림 1에 나타내었다. 본 연구에서 사용된 금속 분말은 그림 1에 나타내었듯이 Fe-22wt%Cr-6wt%Al(Fe22Cr6Al) 합금 분말로 구형이며 평균 입자 크기는 약 42.69 µm를 갖는다. 먼저 Fe22Cr6Al 합금 분말의 성형성을 증가시키기 위하여 바인더로 파라핀 왁스(중량비 1.
데이터처리
소결된 시편의 상대 밀도는 Archimedes 법을 통하여 측정하였으며, 주사전자현미경 (SEM, JSM-5800, JEOL)과 X선 회절(XRD, D/Max 2200, Rigaku)을 이용하여 미세조직과 상 분석을 실시하였다. 또한 capillary flow porometer(CEP1200AEL, PMI, USA)를 이용하여 제조된 시편의 평균 기공 크기를 알아보았다.
이론/모형
소결 온도에 따른 영향을 살펴보기 위해 1200℃, 1250℃, 1300℃, 1350℃, 1450℃에서 각각 2시간씩 소결하였으며, 유지 시간에 따른 영향을 확인하기 위하여 1300℃에서 각각 1 h, 2 h, 3 h, 4 h동안 유지하여 소결을 실시하였다. 소결된 시편의 상대 밀도는 Archimedes 법을 통하여 측정하였으며, 주사전자현미경 (SEM, JSM-5800, JEOL)과 X선 회절(XRD, D/Max 2200, Rigaku)을 이용하여 미세조직과 상 분석을 실시하였다. 또한 capillary flow porometer(CEP1200AEL, PMI, USA)를 이용하여 제조된 시편의 평균 기공 크기를 알아보았다.
성능/효과
08 µm의 평균 기공 크기를 가짐을 알 수 있었다. 결론적으로 소결 온도와 소결 유지 시간을 제어함으로써 Fe22Cr6Al금속 다공체의기공율과 기공 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 향후에는 다공체의 중요한 인자인 비표면적에 대한 결과와 합금 분말의 입도, 성형 압력 제어, 기공형성제의 도입(종류 및 함량) 등을 통해 보다 높은 기공 율과 작은 기공 크기를 갖는 금속 다공체를 제조하고, 이에 따른 미세조직, 기공율, 기공크기 및 통기도 특성을 평가할 계획이다.
본 연구에서는 Fe22Cr6Al 합금 분말을 사용하여 금속다공체를 제조함에 있어, 소결 온도 및 유지 시간에 따른 미세구조 변화 및 기공 특성을 분석하였다. 소결 온도가 증가함에 따라서는 상대밀도가 73%에서 96.7%로 증가하였고 이에 따른 기공율은 27%에서 3.3%로 감소하였으며, 약 3.1~1.8 µm의 평균 기공 크기를 가짐을 알 수 있었다. 소결 유지 시간이 증가함에 따라서는 상대 밀도가 76.
8 µm의 평균 기공 크기를 가짐을 알 수 있었다. 소결 유지 시간이 증가함에 따라서는 상대 밀도가 76.5%에서 84.7%로 증가하였으며, 이에 따른 기공율은 23.5%에서 15.3%로 감소하였고, 약 2.7~2.08 µm의 평균 기공 크기를 가짐을 알 수 있었다. 결론적으로 소결 온도와 소결 유지 시간을 제어함으로써 Fe22Cr6Al금속 다공체의기공율과 기공 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
본 연구에서 Fe-Cr-Al계 합금 분말을 이용하여 소결 온도 및 시간을 변화시켜 금속 다공체를 제조한 결과 기공율 및 기공 크기를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 향후에는 합금 분말 입도, 성형압, 기공형성제의 종류 및 함량 등을 제어하여 기공율을 증가시키면서도 기공 크기는 줄여서 통기도 특성이 우수한 금속 다공체를 제조할 계획이다.
3%로 감소하는 것을 알수 있다. 금속 다공체를 수소 제조용 반응기에 적용하여 수소 제조 효율을 증가시키기 위해서는 높은 반응 면적과 낮은 배압이 요구되며[10], 이를 위해서는 50% 이상의 높은 기공율이 요구되는데, 본 연구에서 제조한 시편의 경우기공율이 15~27%로 매우 작아 향후 기공율을 향상시키는 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
결론적으로 소결 온도와 소결 유지 시간을 제어함으로써 Fe22Cr6Al금속 다공체의기공율과 기공 크기를 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 향후에는 다공체의 중요한 인자인 비표면적에 대한 결과와 합금 분말의 입도, 성형 압력 제어, 기공형성제의 도입(종류 및 함량) 등을 통해 보다 높은 기공 율과 작은 기공 크기를 갖는 금속 다공체를 제조하고, 이에 따른 미세조직, 기공율, 기공크기 및 통기도 특성을 평가할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소 제조 공정에서 표면적을 넓히기 위해 어떠한 형상을 이용하는가?
따라서 SMR 공정과 관련된다공성 소재는 수소 시장을 선점할 수 있는 핵심 소재 기술이 된다. 기존 수소 제조 공정에 사용되는 다공성 세라믹 소재는 세라믹과 활성 물질을 혼합하여 압출하여 제조하는데, 표면적을 넓히기 위해 펠렛(pellet), 볼(ball), 작은 안장(small saddle)형상으로 제조되며 가장 널리 사용되는 것이 펠렛형이다[7]. 다공성 세라믹 소재는 비표면적이 낮아 높은 효율 달성을 위해서는 부피와 사용량을 늘려야 하는 단점이 있으며 이런 문제점을 해결하고자 다공성 세라믹 소재의 중앙 hole의 수량을 늘리고, 표면에 홈을 내는 등 많은 연구가 진행되었다.
수소 제조 공정에 사용되는 다공성 세라믹 소재를 금속 소재로 대체함으로 얻을 수 있는 이점은?
수소 제조 공정에 사용되는 다공성 세라믹 소재는 금속와이어(metal wires) 구조물, 금속 섬유(metal fibers) 소결체, 금속 폼(metal foams), 금속 분말(metal powder) 소결체 등의 다공성 금속 소재로 대체할 수 있다[9-11]. 이러한 다공성 금속 소재는 금속이 가지는 우수한 연성 및 기계적 강도로 인해 다양한 형상으로 성형이 가능하고, 높은 열전도도로 인한 수소 제조 공정시 공급되는 열에너지를 저감시킬 수 있고, 높은 기공율로 인해 배압이 낮으며, 다양한 제조 공정의 적용으로 기하학적 표면적의 증대가 가능하여 넓은 반응 사이트를 제공할 수 있어, SMR 반응기의 운전온도 및 압력 강하가 가능하여 수소 제조 효율의 증대가 가능할 것으로 예측되고 있다[8]. 특히 최근에는 연료 전지 차량과 가정 및 건물에 사용 가능한 수소 스테이션의 공급이 폭발적으로 늘어날 것으로 예측되면서 SMR 반응기의 소형화 및 고효율화가 필수적이며, 이를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[12-13].
SMR 공정의 대부분에 사용되는 소재는?
최근 암모니아 제조, 원유 정제, 메탄올 합성 및 연료전지 자동차 시장의 성장에 수소 사용량이 폭발적으로 늘어나면서 수소 제조와 관련된 소재 부품 기술 확보가 관련 산업의 성장에까지 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소가 되고 있다[1-4]. 현재 전 세계적으로 개질 반응에 소요되는 수소의 약 50% 이상이 메탄을 수증기로 개질하는 SMR(steam methane reforming) 공정으로 제조되고 있으며, SMR 공정의 대부분은 촉매가 코팅 된 다공성 세라믹 소재가 사용되고 있다[5-6]. 따라서 SMR 공정과 관련된다공성 소재는 수소 시장을 선점할 수 있는 핵심 소재 기술이 된다.
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