절연 보드에 흑색 탄화규소를 사용하는 이유는 무엇일까요?

절연 보드에 흑색 탄화규소를 사용하는 이유는 무엇일까요?

흑색 SiC는 고온 환경의 문제점을 직접적으로 해결하는 독특한 특성 조합 때문에 선택되었습니다.

1. 탁월한 열충격 저항성

이것이 가장 중요한 이유입니다. SiC는  열전도율이 매우 높습니다  (약 120~140W/m·K). 단열재로는 다소 역설적으로 보일 수 있지만, 다공성 단열 매트릭스 내에 골재로 사용될 경우 “열 고속도로” 네트워크 역할을 합니다.

• 작동 원리:  기판의 한쪽 면을 급속하게 가열하면 SiC 입자가 열에너지를 재료 전체에 빠르게 분산시켜 심각한 열 구배 형성과 그로 인한 균열 발생 원인인 응력 증가를 방지합니다. 주변의 다공성 매트릭스는 여전히 전체적인 절연 기능을 제공합니다.

2. 높은 기계적 강도 및 경도

• SiC는 현존하는 가장 단단한 재료 중 하나입니다(모스 경도 약 9.5). SiC를 첨가하면 기판의 성능이 크게 향상됩니다.

  • 상온 압축 강도:  이 보드는 상온에서 무거운 하중을 견딜 수 있습니다.

  • 내마모성:  이 보드는 가스 흐름이나 물리적 접촉으로 인한 마모가 덜 발생합니다.

  • 고온 강도(고온 파괴 탄성률):  다른 재료들이 연화되는 온도에서도 강도를 유지합니다.

3. 높은 열전도율 (전략적 이점)

앞서 언급했듯이, 이것은 단순히 열을 차단하는 것이 아니라 열을 관리하는 데 사용됩니다   . 이를 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 기판 손상 없이 더 빠른 가열 및 냉각 사이클을 제공합니다.

• 용광로 또는 가마 내부의 온도 분포가 더욱 균일해집니다.

4. 뛰어난 내화성

• 흑색 SiC는 높은 융점(약 2,730°C 또는 4,946°F)을 가지며, 약 1,600°C까지 불활성 또는 환원 분위기에서 안정적입니다. 따라서 가장 까다로운 고온 환경에도 적합합니다.

주요 고려 사항 및 과제

블랙 SiC를 사용하는 데에는 몇 가지 단점이 있으며, 제조 및 적용 과정에서 이러한 단점을 신중하게 관리해야 합니다.

1. 산화

• 문제점:  산화 분위기(공기)에서 약 900°C 이상의 온도에서 SiC는 산화되기 시작하여 표면에 실리카(SiO₂) 층을 형성합니다.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• 결과:

  • SiO₂ 층은 시간이 지남에 따라 SiC 입자의 점진적인 열화 및 약화를 초래할 수 있습니다.

  • 산화 과정은 약간의 부피 팽창을 일으키는데, 이로 인해 내부 응력이 발생할 수 있습니다.

• 완화책:  제조업체는 종종 산화 방지제(예: 금속 실리콘)를 혼합물에 첨가하는데, 이는 우선적으로 산화되어 SiC 입자를 보호합니다.

2. 비용

• 흑색 탄화규소는 소성된 부싯돌 점토, 보크사이트, 심지어 백색 용융 알루미나와 같은 다른 일반적인 내화 골재보다 가격이 더 비쌉니다. 이로 인해 단열 보드의 최종 비용이 증가합니다.

3. 단열을 위한 제어된 다공성

• SiC는 밀도가 높고 전도성이 뛰어나기 때문에 제조업체는 낮은 열전도율을 유지하기 위해 보드의 나머지 구조를 신중하게 설계해야 합니다. 이는 일반적으로 다음과 같은 방법으로 이루어집니다.

  • 알루미나 기포  나  멀라이트 구체 와 같이 다공성이 매우 높은 충전재를 사용합니다  .

  • 연소 과정에서 공기 주머니를 남기는 유기 재료를 사용합니다.

  • 미세하고 폐쇄적인 세포 기공 구조를 생성합니다.

SiC 강화 절연 보드의 일반적인 구성

일반적인 공식은 다음과 같습니다.

• 60-70%:  알루미나 기포/멀라이트 골재(주요 단열재)

• 15-25%:  흑색 탄화규소 입자(강화 골재)

• 10-15%:  반응성 알루미나 분말 + 점토(결합 매트릭스)

• 1-3%:  항산화 첨가제(예: 실리콘 금속 분말)

• + 결합제:  소성 전에 미성형체를 서로 결합시키기 위한 인산염 또는 콜로이드 실리카 등.

일반적인 응용 분야

검은색 SiC를 포함하는 기판은 가장 까다로운 분야에 사용됩니다.

• 용광로 고온면:  화염과 고온에 직접 노출되는 내부 내장재.

• 가마 덮개:  롤러 가마 또는 터널 가마에서 도자기를 고정하는 구조물로, 높은 강도와 ​​열충격 저항성이 요구됩니다.

• 버너 블록:  온도 변동이 극심한 고속 버너 주변을 둘러싸는 부품입니다.

• 열처리로:  빠른 순환 공정이 필요한 경우에 사용됩니다.

• 보강 단열재:  구조적 안정성을 제공하기 위해 고밀도 내화 캐스터블 뒤에 설치됩니다.

요약: 블랙 SiC와 대체재 비교

결론

흑색 탄화규소는 일반 세라믹 절연 보드를 고성능, 내구성, 열 안정성이 뛰어난 제품으로 변모시키는 고급 첨가제입니다.  주요 역할은 급격한 온도 변화와 기계적 스트레스가 끊임없이 발생하는 환경에서 탁월한 열충격 저항성과 구조적 안정성을 제공하는 것입니다. 높은 가격과 산화에 취약하다는 단점이 있지만, 중요한 응용 분야에서의 성능 향상은 흑색 탄화규소를 필수적인 소재로 만듭니다.