보온단열재 제조를 위한 화학기상침착공정에서의 열전달, 기체유동 및 화학반응에 대한 연구

Abstract

다공성 프리폼에 SiC를 증착시키는 CVI공정의 경우, 궁극적인 목표는 다공성 프리폼에 SiC를 얼마나 효율적으로 치밀화 시키는지가 그 목표이다. 하지만 일반적으로 CVI공정시간은 매우 길며 침착율은 반응기체의 종류와 유량, 반응기 내부의 압력 및 온도 등 다양한 공정변수의 영향을 받는다. 또한 PG-CVI나 TG-CVI공정에서는 반응기 내부의 형상이 ICVI에 비해 보다 복잡하여 반응기 형상에 따라 온도분포나 유동형태에 변화가 생기며 그에 따라 프리폼 내부에 균일한 침착이 이루어지지 않을 수도 있다. CVI공정은 보통 100시간을 넘기는 긴 공정이므로 실험에는 시간이나 비용의 제약이 크다. 따라서 공정의 설계나 반응기 설계에서는 실험을 통해 자료를 얻는 것보다 수치해석과 같은 이론해석을 통해 설계 자료를 얻는 것이 효율적이다. CFD를 통한 CVI공정해석은 이와 같은 효율성 측면에서 유리하며 또한 공정변수의 영향에 대한 연구가 실험을 통한 연구에 비해 보다 자유롭기 때문에 본 연구에서는 CFD를 이용한 해석을 시도하였다. CFD 해석을 통하여 CVI공정설계 과정에서 시간 및 비용을 절감할 수 있으며 좀 더 효율적인 치밀화를 위해 여러 변수들을 결정할 수 있다. 본 연구에서는 PG-CVI와 TG-CVI의 온도 분포 및 유동해석 등을 통하여 반응기 안의 반응 양상을 살펴보았다. 또한 PG-CVI 공정에서 다공성 프리폼의 효율적인 치밀화를 위한 여러 가지 공정변수 중 반응기체의 유량에 초점을 맞추어 입구에서의 유량을 변화시켰을 때 반응기 내부의 온도분포 및 유동에 대하여 해석연구를 진행하였다. 반응가스의 유량은 공정변수 중에서 가장 기본적이고 중요한 공정변수이다. 따라서 유량의 조절을 통하여 반응기 내부의 온도분포와 유동분포를 살펴봄으로서 유량이 CVI 공정에서 어떤 영향을 미치는 지 해석을 진행하였다.

Carbon composite materials such as SiC can be a possible material for thermal insulation for pipelines in buildings, ships or industrial plants, where pipelines are under a very severe thermal load. SiC composite materials are now usually used as thermal protection system materials at very high temperature circumstances such as at space vehicles, combustion chambers or engine nozzles because they have high specific strength and good thermal properties at high temperature. One of the most widely used fabrication methods of SiC composites is the chemical vapor infiltration(CVI) process. During the process, chemical gases including Si are introduced into porous preforms made by carbon fibers for infiltration. Since the processes take a very long time up to a few weeks, it is important to reduce the process time in designing the reactors and processes. And it is very difficult to obtain design parameters by using experiments even though small scale model is used. Therefore, in this study, both the gas flow, heat transfer and chemical reaction in the reactors during the processes were analyzed using a computational fluid dynamics method in order to obtain design parameters of reactors and processes for uniform, high quality SiC composites. Both of the pressure gradient CVI and temperature gradient CVI processes were considered. Gas flow and heat transfer were analyzed using both 2 dimensional and 3 dimensional model. Densification process in porous medium was predicted in 2 dimensional model. The results showed the velocity fields and temperature distribution at the preforms and in the reactor. Predicted temperature profiles in the preform from 2 and 3 dimensional models were well agreed with the measured one. Densification results from the simulations showed that there were some problems in the reactor design or process conditions. In order to solve the problems, design change including using two-zone heater and thermal insulation were proposed. The proposed design change, that is, using two-zone heater or thermal insulation gave better uniform temperature in the preform and resulting uniform densification result in the preform.