실리카 다공체의 기공 구조에 따른 열전도 특성에 관한 연구

Abstract

실리카 광물을 출발 원료로 하여 고기공률 실리카 세라믹 다공체를 제작하였다. 제작된 다공체의 기공 구조에 따른 열전도 특성을 파악하고 단열재로의 응용 가능성에 대해 평가하였다. 제작된 다공체를 대상으로 가스흡착법 및 아르키메데스법을 이용하여 벌크 밀도 및 기공 구조를 평가하였다. FE-SEM 사진 및 수은주입법을 이용하여 다공체의 기공 크기를 측정하였다. 제작된 다공체의 전체 기공률이 67.0% 에서 84.8% 까지 증가함에 따라 열린 기공률 및 평균 기공 크기가 증가함을 확인하였다. 제작된 다공체의 열전도율을 보호열판법(Guarded hot plate method)을 이용하여 측정하였으며, 기공 구조에 따른 다공체의 유효 열전도율을 예측하였다. 실리카 다공체의 기공률이 증가함에 따라 상온에서의 열전도율은 0.191 W/m·K 에서 0.079 W/m·K 까지 감소하였으며, 이는 유효 열전도율 예측 결과와 유사하였다. 측정 온도가 증가함에 따라, 출발 원료 및 기공 내 기체의 열적 특성으로 인해 다공체의 열전도율이 증가함을 확인하였다. 제작된 다공체를 일정 크기로 가공한 후, 시험로에 장착하여 단열재로서의 성능을 평가하였다. 제작된 다공체의 기공률이 68.9%에서 84.8%까지 증가함에 따라, 1 cycle 당 소비되는 전력량은 2.65 kWh에서 1.85 kWh로 감소하였으며, 이는 열전도율 측정 결과와 부합하였다. 기공률 84.8%를 가지는 세라믹폼 단열재를 사용하였을 경우 전력소비량은 섬유형 단열재에 비해 약 10% 감소하였으며, 이를 통해 실리카 다공체의 단열재로의 응용 가능성을 확인하였다.; Porous silica ceramics with high porosity were prepared using silica minerals as raw materials. Thermal conductivity characteristics of silica ceramic foams according to pore structures were determined and the applicability of insulation material was evaluated. Bulk density and porosity of silica ceramic foams were evaluated by gas pycnometer and Archimedean method. Pore size of silica ceramic foams were measured by using FE-SEM images and mercury intrusion porosimetry. As total porosity of silica ceramic foams increased from 67.0% to 84.8%, the open porosity and the average pore size increased. Thermal conductivity values of silica ceramic foams were measured by guarded hot plate method and effective thermal conductivity values according to pore structure were predicted using structure models. As total porosity of silica ceramic foams increased, thermal conductivity values at room temperature decreased from 0.191 W/m·K to 0.079 W/m·K, which is similar to the predicted effective thermal conductivity values. As the measurement temperature increased, it was figured out that thermal conductivity of ceramic foams increased due to the thermal properties of raw materials and gas-filled pores. Thermal insulation performance of silica ceramic foam was evaluated. As the porosity of silica ceramic foam increased from 68.9% to 84.8%, the average power consumption per 1 cycle decreased from 2.65 kWh to 1.85 kWh, which was consistent with the measured thermal conductivity values. As the power consumption was reduced by about 10% compared to fiber insulation when ceramic foam with porosity of 84.8% was used, the applicability of using silica ceramic foam as an insulating materials was evaluated.