β의 효과

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12287(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

고밀도 카본 블록은 기계적, 열적, 전기적 특성이 뛰어납니다. 특히, 이들 블록은 열악한 환경에서도 우수한 물성을 유지하면서 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 본 연구에서는 특정 조건에서 제조된 무바인더 코크스를 이용하여 50~250MPa의 다양한 압력 조건에서 녹색체(GB)를 형성하고, 이를 탄화시켜 고밀도 탄소블록(CB)을 형성하였다. 다음으로 무바인더 코크스의 β-수지와 산소관능기가 성형압력에 따라 고밀도 카본 블록의 기계적 성질에 미치는 영향을 고찰하였다. 200MPa 이하의 압력에서 성형하는 경우에는 O와 C의 비율(O/C)의 영향이 커지며, O/C가 클수록 기계적 성질이 높아집니다. 한편, 250MPa의 고압에서 성형하는 경우에는 β수지 함량이 낮을 때와 기계적 물성이 충분히 저하될 때 β수지 함량이 더 큰 효과를 가지며 꾸준히 증가한다. 특히, β-수지 함량이 3.7wt%로 가장 높은 CB-N7A3-250의 경우 밀도는 1.79g/cm3, 굴곡강도는 106MPa, 쇼어 경도는 99HSD로 나타났다.

고밀도 카본 블록은 금속보다 훨씬 가볍고 기계적, 열적, 전기적 특성이 뛰어납니다. 특히, 초고온, 고압, 화학성분 등 가혹한 환경에서도 우수한 물성을 유지합니다. 이로 인해 고밀도 카본블록은 자동차, 항공기, 로켓 등에 사용되어 연비 향상을 위해 사용되며, 각종 방열재, 단열재, 전자기 간섭(EMI) 차폐재 등에 사용되기도 합니다. .뛰어난 전기적 및 열적 특성을 기반으로 합니다1,2,3,4,5,6.

고밀도 카본블록을 생산하기 위한 원료는 개수에 따라 1차 원료와 2원 원료로 구분됩니다. 첫째, 메조카본 마이크로비드(MCMB)는 자체 소결성을 갖고 추가적인 바인더 재료 ​​없이 성형할 수 있는 물질인 1차 재료의 전형적인 예입니다7,8,9. β수지라는 바인더 물질을 자발적으로 포함하고 있기 때문이다. 베타수지는 용매의 종류에 따른 용해도의 차이로 정의할 수 있으며, 일반적으로 퀴놀린과 톨루엔의 용해도의 차이를 의미합니다. 즉, 퀴놀린에 녹고 톨루엔에 녹지 않는 물질을 베타수지10라고 합니다. 이들 물질은 유동상을 갖고 있어 고체상 사이의 빈 공간을 채워 단단하게 붙일 수 있다. 또한, 소결 중에 부피 수축이 발생하고 밀도가 증가할 수 있습니다11,12,13. 반면, 이원재료에는 β-수지가 포함되어 있지 않기 때문에 성형 시 바인더 재료가 반드시 필요하며 대표적인 재료로는 니들코크스, 흑연 등 결정성이 높은 탄소재료가 있다14,15. 이러한 재료는 탄화되고 함침되어 기계적 특성을 향상시킵니다. 또한, 전기 전도성, 열 전도성 등 특정 물리적 특성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브(CNT), 탄소섬유, 카본 블랙 등을 첨가합니다16,17,18,19,20.

이러한 원료를 사용하여 냉간 압착 또는 열간 압착을 통해 성형체를 생산합니다. 이후 800~1500℃까지 열처리하면서 탄화과정을 거쳐, 2000℃ 이상에서 열처리하면서 흑연화 과정을 거쳐 고밀도 카본블록을 제조한다21.

카본블록 제조과정에서 가장 큰 문제점 중 하나는 스웰링 현상이다22. 생지내의 휘발물질이 급속히 방출되면서 팽윤이 발생하고 기공이 형성된다23. 팽윤 현상으로 인해 기공률이 증가하고 기계적 성질이 감소합니다. 따라서 이러한 문제를 예방하기 위해 많은 연구가 이루어졌습니다. Mochidaet al. 성형 전 원료가 산화안정화되어 고온에서도 시험편이 변형되지 않고, 휘발물질을 제거하여 팽윤이 억제된 후 성형 및 열처리를 실시하였다고 보고하였다4,25,26,27. 또한, Ragan et al. 산화된 니들코크스에 결합강도에 기여할 수 있는 수산기, 카르보닐기, 카르복실기 등을 부여하고, 콜타르 바인더 피치와 혼합하여 성형 및 열처리를 거친다. 그리고 니들코크스의 산화 정도에 따라 산소관능기의 양과 빠져나가는 산소의 양을 비교한 결과, 산소관능기가 가장 많은 니들코크스를 성형했을 때 높은 기계적 성질이 나타나는 것으로 보고되었다28. 또한 저분자 물질의 휘발성 성분은 진공열처리를 통해 제거될 수 있다29.