붕소섬유

붕소섬유(boron fiber)는 텅스텐 또는 탄소섬유 등을 시선으로 하여 붕소(보론)를 화학증착 (CVD)법에 의해 피복하여 지름 100㎛ 이상인 선제로 만들어진 것을 말한다.

개요

붕소섬유는 복합 재료용 소재를 목적으로 제조된 가볍고 강한 섬유의 일종이다.

붕소섬유는 1959년에 높은 강도, 높은 강성(剛性), 그리고 저밀도의 연속 섬유로 발표되었다. 이 섬유의 대표적인 제조방법은 화학 증착법(化學蒸着法)에 의한다. 기본적으로는 수소 분위기에서 가열한 텅스텐 섬유와 카본 섬유 표면에 보론을 부착한 것이다. 보론 섬유는 1960년대에 이미 기본적인 제조 기술이 확립되어, 현재는 탄소 섬유를 심(芯)으로 하고, 그 표면에 보론을 CVD법으로 부착시키는 방법을 쓰고 있다. 그 반응은 다음 화학식에 따르고 있다.

2BCl₃ + 3H₂ ⇄ 2B + 6HCl

이 반응에 따라 보론이 섬유상에 석출되는 셈인데, BCl₃에서 실제로 보론이 되는 양은 2% 정도이다. 이처럼 텅스텐 섬유를 심(芯)으로 하는 방법으로는 얻어지는 재료의 중량도 무거워지기 때문에 1969년에 심선(芯線)을 탄소 섬유로 바꾸어 제조하고 있다. 제조 방법은 텅스텐 섬유의 경우와 기본적으로는 동일하다. 보론 섬유는 "corncob"라는 호칭처럼, 표면은 미소한 요철로 덮여 있으며, 매트릭스와의 접착이 좋은 것으로 판단되고 있다.

상세

화학증착에 의한 탄화규소 섬유의 반응기 개략도

붕소 필라멘트는 화학증착(CVD) 공정에 의해 제조된다. 붕소는 텅스텐 중심사, 유리나 흑연의 중심사에 증착 된다. 이렇게 제조된 섬유들은 0.1~0.2mm에 공칭직경을 갖는다. 그것들은 낮은 밀도, 높은 장력, 높은 탄성계수의 특성을 나타낸다. 예를 들어, 유리섬유보다 5배 더 강직한 것처럼 그것은 매우 강직하다. 이 강직함은 붕소 필라멘트를 짜거나(제직), 꼬임을 주거나 비틀기는 어렵지만, 수적법과 필라멘트를 감는 공정을 통해 수지함침 테입으로 형성 될 수 있다. 붕소 필라멘트의 높은 가격으로 인해 시험적으로 항공기와 우주항공의 응용에 제한적으로 사용된다.

붕소섬유의 상업제품은 화학증착(CVD)법을 이용한다. CVD는 하나의 물질이 증착금속을 위해 작은 입자 크기와 이론밀도에 가깝게 생산되어 표면기질에 증착되는 공정이다. CVD에서 원료는 가느다란 필라멘트에 증착된다. 원료는 표면기질 위에 점점 자라나고 더 두꺼운 필라멘트를 만든다. 가늘고 촘촘한 구조로 증착된 원료는 섬유의 강도와 탄성계수를 결정한다. CVD에 의한 붕소섬유의 제조는 붕소3염화물에 수소를 섞고 붕소는 반응에 따라 증착된 된다.

이 과정에서 원자는 WB4와 W2B5의 생산과 완전 붕소화와 생성하기 위해 텅스텐 중심사로 확산된다. 처음에 10um 직경의 텅스텐 섬유가 사용되고 12um까지 증가한다. 이 과정에서 섬유에 중요한 잔류응력을 유발한다. 그 중심은 압축의 시작하고 이후 붕소표면에 장력을 받는다. 붕소섬유의 CVD 방법이 오른쪽 사진에 보여진다.

주요 기능

• 모노필라멘트 섬유
• 섬유자체가 복합체
• 원형단면
• 섬유직경은 평균 33-400um, 일반적으로 직경은 140um
• 붕소는 깨지기 쉬운 관계로 대구경의 직경의 결과 유연성이 낮다.
• 붕소와 텅스텐 사이의 온도 계수 불일치의 결과로 상온으로 냉각하는 동안 열 잔류 응력 발생
• 용융금속과 접촉시 표면을 보호하도록 붕소섬유는 일반적으로 SiC 또는 B4C로 코팅되는데 이것은 경합금을 강화할 때 사용된다.
• 신장과 압축에 모두 강함
• 650℃에서 응력변형률이 선형으로 나타남

붕소섬유의 특성

붕소섬유는 우주항공에 응용을 위해 최초 고강도, 높은 계수, 저밀도를 보강하여 개발되었고, 35년 동안 생산되어 판매되었다. 섬유의 대부분이 100um의 직경이지만 142um직경 또한 판매된다. 두 직경의 일반적인 특성을 아래 사진에 나타내었다.

붕소섬유의 다양한 특성

응용과 전망

보론 섬유는 인장강도가 400㎏/㎟ 이상, 탄성률 48000㎏/㎟로 우수한 성질을 갖고 있으므로 섬유강화 복합재료의 소재로 사용되고 있다. 금속 매트릭스와는 반응하기 쉽기 때문에 표면 처리가 되어 있다. 미국에서는 우주항공기 재료용 소재로 사용되고, 스페이스셔틀, 인공위성용 안테나 구조용 복합재료의 강화 섬유로, 그 사용 범위가 확대되고 있다.

참고자료

• 〈보론 섬유〉, 《첨단산업기술사전》
• 〈붕소섬유〉, 《지식사전》
• 〈붕소섬유 연구 : 리뷰〉, 《섬유소재솔루션센터》

같이 보기

• 붕소
• 텅스텐
• 탄소섬유
• 유리섬유
• 복합재료

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