C/SiC 복합체 제조를 위한 F-CVI반응기에서 확산과 반응속도의 영향

김희1, 정귀영1, 구형회2, 백운형2

홍익대학교 공과대학 화학공학과1, 국방과학연구소2

heeregina@hanmail.net

Effects of diffusion and reaction rates in the F- CVI reactor

for the preparation of C/SiC composites

Hee Kim, Gui-Yung Chung, Hyung-Hoi Koo , Woon-Hyung Baek

Department of Chemical Engineering, Hong-ik University1, ADD2

heeregina@hanmail.net

서론

본 연구에서는 화학증기침착(Chemical Vapor Infiltration)법으로 삼염화메틸규소로부터 탄화규소를 침착시켜 C/SiC 복합체를 제조하는 강제대류 화학증기침착(F-CVI)반응기의 수치모사가 이루어졌다.  기공들이 프리폼내 실린더형으로 존재한다고 가정하였다.  수치모사에 의해 시간에 따른 반응기내의 농도, 압력, 기공도 변화 등이 예견되었다

이론

수치모사에서 설정된 가정은 다음과 같다.  반응기안은 위치에 관계없이 등온이다.  반응기내에서 가스는 수소와 MTS가 프리폼의 한 쪽면에서 다른 쪽으로 강제대류에 의해 흐른다.  반응물의 몰조성은 가스의 진행방향인 z의 함수라고 가정한다.  화이버와 기공은 프리폼내에 균일하게 위치하고 있으며, 증착은 프리폼내 원통형 화이버의 바깥쪽 표면에 이뤄진다고 가정하였다. 반응기에서 1몰의 MTS가 반응하여 1몰의 SiC와 3몰의 HCl을 생성할 때 그로부터 얻어지 반응기 내의 가스상의 MTS에 대한 물질수지식은 다음과 같이 구해진다.

여기서 Q는 전체 가스의 부피유속(cm3/s), rf는 화이버 반경(cm), W는 프리폼 단위 면적당 화이버 개수(#/cm2), k는 1차 증착반응 속도상수(cm/s)이다.

운동량 수지식으로 적층탑에 대한 식을 사용하였다.

증착에 의한 화이버 반경의 변화식은 다음과 같다.

여기서 q는 MTS 1 mole로부터 증착되는 SiC의 mol수로는 1이다.  Mm(g/gmol)과 (g/cm3)은 각각 SiC의 분자량과 밀도이다. 위의 식에서 구해진 시간 t에서의 화이버 반경으로 프리폼 단면적 당 증착량 (Dz, [g/(cm2 프리폼 단면)]와 기공도(εz)가 다음과 같이 얻어진다.

수치모사에 사용된 반응조건과 프리폼의 특성치는 Table 1에 나타나 있다.

결과 및 고찰

수치모사에 의해 시간에 따른 반응기내의 농도, 압력, 프리폼의 기공도, 증착량등이 예견되었다. 반응속도 상수를 10[cm/min]으로 하여 수치모사를 수행하였다.

Fig. 1은 프리폼의 여러 위치에서의 시간에 따른 압력변화이다.  반응기내에서 프리폼 아래에서 위쪽 방향(z -방향)으로 가스의 흐름이 있으며, 프리폼의 z-방향으로 (z=0)인 부분은 가스의 흐름과 프리폼이 제일 처음 만나는 구간이며, (z=H) 부분이 프리폼의 가장 윗부분이다. 프리폼 가장 윗부분의 가스가 나가는 출구부의 압력을 100 torr로 일정하다고 가정하고 계산이 수행되었다. 반응이 진행되고 시간이 지남에 따라 화이버의 기공에 SiC 가 증착이 되어 반응가스가 프리폼을 통과할 수 있는 기공의 크기가 줄어들기 때문에 가스가 프리폼을 처음 만나는 (z=0) 영역의 압력이 급격히 증가함을 보여준다.

Fig. 2는 프리폼내 여러 위치에서 시간에 따른 화이버의 반경변화를 나타내는 그래프이다.  프리폼의 전 영역에서 시간이 지남에 따라 화이버의 반경이 점차 증가하는 것을 볼 수 있다.  가스입구 (z=0) 구간에서 반경변화가 가장 크고, 가스출구(z=H)로 갈수록 반경변화가 느리게 일어나고 있다. z=0.05H, 0.1H에서는 화이버의 반경이 거의 일정하게 증가하다가 z=0부분이 막히는 시점인 120분 근처에서증가율이 둔화되는 것을 보이고 있다.

반응 시간대 별로 프리폼내 기공도 분포를 나타낸 그래프가 Fig. 3이다. 반응시간이 130 min 정도 진행이 되었을 때 시료의 입구부분에서는 기공이 거의 막혔을 때의 기공도인 0.093에 가까운 것을 알 수가 있다.

시료내 각 위치에서의 시간에서의 농도변화가 Fig. 4이다.  프리폼 내에서는 시간에 따라서 그다지 큰 변화가 없으나 프리폼 가스입구 부위에서는 압력이 증가함에 따라 120분 근처에서 급격하게 증가함을 보이고 있다.

프리폼내 MTS의 조성분포의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프가 Fig.5이다. 시간이 지남에 따라 프리폼 내부로 갈수록 MTS가 소모되어 MTS분율이 줄어들고 있다. 입구쪽에서는 농도가 높아 반응속도가 빠르므로 더 급하게 줄어들고 있다. 반응시간 130분경에는 (z=0.1H) 부근에서 이미 MTS 분율이 0이 되었다. 이는 입구가 막혀 농도가 줄어든데다 침착에 의해 침착표면적이 증가하여 (z=0.1H) 부근에서 이미 MTS가 다 소모되어 버리기 때문이다.

Fig. 6는 시간에 따른 몇 위치에서의 증착량과 그들의 합인 시료의 총 증착량을 나타낸 그래프이다.  증착량은 시간이 지남에 따라 서서히 증가하고 있다.   (z=0)인 곳에서는 120 min 때부터 MTS 농도가 급격하게 증가하기 때문에 증착량도 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다.

결론

프리폼내 위치에 따라 시료의 가스 입구에서 출구쪽으로 갈수록 압력이 급격하게 감소하는 양상을 보였다.  반응시간이 130 min 정도 지났을때 프리폼내 가스 입구쪽 기공이 막히는데, 가스 입구가 막혀감에 따라 가스 입구쪽 압력이 급격하게 증가함을 보였다.

참고문헌

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감사의 글

본 연구는 국방과학연구소의 연구비지원에 의해 연구되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.

Fig. 1. Changes of pressures            Fig. 2. Changes of the fiber radius

at differen positions in                 with time at different positions

the preform with time                  in the preform

Fig 3. Distributions of the local        Fig. 4. Concentration of the total gas

porosity in the preform                 vs. time at different positions

at different times.                       in the preform.

Fig. 5. Distributions of mole fraction    Fig. 6. Changes of the amountof

of MTS in the preform                  of deposition per unit

at different times.                       cross-sectional area

of the preform at different

positions in the preform.

Table 1. Dimensions of the sample and deposition conditions.

Deposition temperature (T)	1,273 K
Pressure at the exit	100 torr
Thickness of the preform	1.2 ㎝
Side length of a hole in a layer	3.3×10-3 cm
Diameter of the proform	5 ㎝
Diameter of a fiber (2r0)	7 ㎛
Number of fibers in a bundle	3000
Thickness of one layer	0.588 mm
Initial porosity of the sample	0.617