B4C-Al 금속복합소재의 열물성 및 중성자 흡수 특성에 대한 강화재 크기와 체적률의 영향
Influence of Reinforcement Size and Volume Fraction on the Thermal Properties and Neutron Absorption of B4C-Al Metal Matrix Composites
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초록
본 연구에서는 B4C 와 Al 분말을 120 rpm으로 24시간 동안 볼 밀링(ball milling) 공정을 통해 혼합하여 분말을 제조하였고, 이렇게 제조된 분말을 SPS(Spark Plasma Sintering) 공정을 이용하여 B4C 입자가 분산된 알루미늄 금속복합소재를 제조하였다. 제조된 금속복합재료의 미세조직 및 열전도도，상대밀도，열중성자 흡수능 특성에 대해 분석하였다. 아르키메데스 밀도 측정법 통해 복합재료의 밀도를 측정한 결과 40 μm B4C 강화재가 적용된 복합소재는 상대밀도 100%를 보여 건전하게 제조되었음을 확인하였다. B4C-Al 복합소재의 경우 B4C의 낮은 열전도 특성 및 우수한 중성자 흡수 특성으로 인하여 B4C의 체적률이 높을 경우 열전도도는 감소하고, 중성자 흡수능은 증가하였다. 또한, 강화재의 크기가 증가할수록 열전도도는 증가하고 중성자 흡수능은 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 강화재 크기 및 체적률을 제어할 경우 복합소재의 물성을 제어할 수 있으며, 본 연구에서는 40μm B4C 강화재가 적용된 복합소재가 양호한 열전도도 및 중성자 흡수능을 가지는 것으로 판단되었다.
Abstract
In this study, B4C and Al powders were mixed via ball milling at 120 rpm for 24 hours to prepare the composite powder, and the resulting powder was used to fabricate an aluminum matrix composite with dispersed B4C particles through spark plasma sintering (SPS). The microstructure, thermal conductivity, relative density, and thermal neutron absorption properties of the fabricated composite were analyzed. The density of the composite was measured using the Archimedes method, revealing that the composite reinforced with 40 μm B4C achieved a relative density of 100%, confirming sound fabrication. For the B4C-Al composite, due to the low thermal conductivity and excellent neutron absorption characteristics of B4C, the thermal conductivity decreased while the neutron absorption capacity increased as the volume fraction of B4C increased. Additionally, as the size of the reinforcement increased, the thermal conductivity increased and the neutron absorption capacity decreased. Therefore, the properties of the composite can be controlled by adjusting the reinforcement size and volume fraction. In this study, the composite reinforced with 40 μm B4C was determined to exhibit favorable thermal conductivity and neutron absorption capacity.