향상된 성능을 갖는 거대기공 다공질 탄화규소 세라믹스의 새로운 제조공정 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The optimal microstructural design of porous materials is one of the central issues in ceramic processing and science, since the size and shape of the pore space as well as the porosity in porous ceramics directly relates to their ability to perform a desired function in a particular application. Taking into account the decisive influence of the processing method on the materials microstructure and properties, the selection of the processing route for the production of porous SiC ceramics depends primarily on the final properties and application aimed.

Several processing routes such as template method, replication method, and direct foaming method are nowadays available for the production of macroporous SiC ceramics. The techniques differ greatly in terms of final microstructures and properties achieved. For the macroporous SiC ceramics, a number of emerging applications such as diesel particulate filters, hot-gas filters, vacuum chucks, catalytic converters, rocket nozzles, gas diffusers, membrane supports for hydrogen separation, and thermal shock-resistant refractory plates, have been appeared and attracted attention because of their growing markets and the growing interest for clean environments. Due to strict requirements in mechanical and functional properties for the emerging applications, future work should be directed towards the development of new processing routes that control the microstructure and properties of the final macroporous ceramics deliberately.

This research aims to develop cost-effective processing routes for the microstructure and property optimization of macroporous SiC ceramics. It is considered of utmost importance that cost-effective polymer processing techniques and the concept of microstructure control in ceramic processing science are merged in the development of new processing routes of the macroporous SiC ceramics with improved performance. Therefore, the research is intended to be done on the basis of an interdisciplinary co-operation of a professor in mechanical engineering (Canadian side) and a professor in materials science and engineering (Korean side).

In particular, we attempt to develop new processing strategies to optimize mechanical strength and performance of the macroporous SiC ceramics by using compression molding and steam chest molding by starting from cost-effective ceramic precursors and ceramic fillers.

As a result of this research, a new process based on steam chest molding has been developed for fabricating macropouos ceramics, and two papers has been published in SCI-enlisted international journals and a paper has been submitted to a SCI-enlisted international journal.

● Y.-W. Kim, J. H. Eom, C. B. Park, W. Zhai, Y. Guo, and M. Balasubramanian, "Processing of Silicon Oxycarbide Foams by Steam Chest Molding and Pyrolysis," J. Am. Ceram. Soc., 93 [10] 3099-3101 (2010).
● W. Zhai, Y.-W. Kim, and C. B. Park, "steam Chest Molding of Expanded Polypropylene Foams. 1. DSC Simulation of bead Foam Processing," Ind. Eng. Chem. Res., 49, 9822-9829 (2010).
● B. V. Manoj Kumar, W. Zhai, J. H. Eom, Y.-W. Kim, C. B. Park, "Processing Highly Porous SiC Ceramics Using Poly (Ether-co-Octene) and Hollow Microsphere Templates," J. Mater. Sci. in review.

국문 초록 (Abstract)

다공질 세라믹스의 기공 형상과 크기 및 기공률 등의 물성은 여러 가지 응용에서 요구되는 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 다공질 세라믹스의 미세조직 설계는 다공질 세라믹스 분야에서 매우 중요한 연구주제이다. 한편, 다공질 소재의 제조공정은 다공질 소재의 미세조직과 물성에 직접적인 영향을 미치므로, 성능이 우수한 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하기 위한 최적 공정의 개발은 최종 응용 분야와 그에 요구되는 물성을 구현하는데 필수적이다.
거대기공 다공질 탄화규소 세라믹스(macroporous SiC ceramics)를 제조하는 공정은 템플레이트법 (template method), 복제법 (replication method) 및 직접기공형성법 (direct foaming method) 등의 세 가지 공정이 보고되었다. 각각의 방법으로 제조된 다공질 탄화규소 세라믹스는 서로 다른 미세조직과 물성을 나타낸다. 거대기공 다공질 SiC 세라믹스는 다양한 분야에서 응용되고 있는데, 특히 디젤분진필터(diesel particulate filters), 고온 가스 필터 (hot-gas filters), 진공척 (vacuum chucks), 촉매 담체 (catalytic converters), 로켓 노즐 (rocket nozzles), 기체 분무기 (gas diffusers), 수소 분리막용 지지대 (membrane supports for hydrogen separation) 및 열충격 저항성이 향상된 내화판 (thermal shock-resistant refractory plates) 등의 분야에서 시장의 빠른 성장이 이루어지고 있다. 또한, 친환경적인 배출가스 규제 등에 기인하여 친환경소재로서도 거대기공 다공질 SiC 세라믹스에 대한 연구와 관심이 증가하고 있다. 그러나 상기 응용 분야에서 요구하는 기계적 및 기능적인 물성은 현재 개발된 제조공정으로는 만족하기가 어렵고, 향상된 성능을 갖는 거대기공 다공질 SiC 세라믹스를 제조할 수 있는 새로운 공정을 필요로 한다. 이러한 사회적 및 산업적 필요를 만족시키기 위해서는 미세조직과 물성이 제어된 거대기공 다공질 SiC 세라믹스를 제조할 수 있는 경제적이면서도 새로운 공정의 개발이 필수적이다.
본 방문연구의 목적은 미세조직과 물성이 최적화된 거대기공 다공질 SiC 세라믹스를 제조할 수 있는 경제적인 제조공정을 개발하는 것이다. 이를 위해 거대기공 다공질 SiC 세라믹스 제조에 가격 경쟁력이 뛰어난 고분자 공정 기술 (polymer processing techniques)과 미세조직 제어(microstructure control) 개념의 도입을 추구할 예정이다. 따라서 본 연구는 캐나다 방문대학의 기계공학(보다 세밀하게는 고분자 생산공학) 배경의 교수와 신소재공학과 세라믹공학 전공교수 (방문교수) 간의 학제간 연구로 진행하였다.
특히 경제적인 고분자 성형 방법인 압축성형(compression molding) 및 steam chest molding 공정을 사용하고, 경제적인 세라믹 전구체와 세라믹 필러를 출발원료로 사용하여 거대기공 다공질 SiC 세라믹스의 기계적 강도와 성능을 최적화하는 연구를 시도하였다.

본 연구의 결과로 steam chest moilding을 사용하는 새로운 거대기공 다공질 세라믹스 제조공정이 개발되었고, 본 연구의 결고하는 다음과 같이 SCI 등록 journal에 2건의 논문이 게재되었고 1건이 투고중이다.
● Y.-W. Kim, J. H. Eom, C. B. Park, W. Zhai, Y. Guo, and M. Balasubramanian, "Processing of Silicon Oxycarbide Foams by Steam Chest Molding and Pyrolysis," J. Am. Ceram. Soc., 93 [10] 3099-3101 (2010).
● W. Zhai, Y.-W. Kim, and C. B. Park, "steam Chest Molding of Expanded Polypropylene Foams. 1. DSC Simulation of bead Foam Processing," Ind. Eng. Chem. Res., 49, 9822-9829 (2010).
● B. V. Manoj Kumar, W. Zhai, J. H. Eom, Y.-W. Kim, C. B. Park, "Processing Highly Po