Thin SiC film has been introduced as protective layer in TRISO nuclear fuel particle of high temperature gas cooled reactor (HTGR) due to excellent mechanical stability at high temperature. So the strength evaluation method of thin SiC coating layer is important to inhibit the fracture of the TRISO particles.
In present work, thin silicon carbide coating was fabricated using chemical vapor deposition process with different microstructures and thicknesses. Processing condition and surface status of substrate affect on the microstructure of SiC coating layer, round columnar or faceted structure. Sphere indentation method on triilayer configuration was conducted to measure the strength of thin film. Nanoindenation technique was used to characterize the other mechanical properties, elastic modulus, hardness. The finite-element analysis on a model graphite/glass/polycarbonate system is carried out to obtain the equation of strength evaluation, By this empirical equation, the mechanical properties of several grades of SiC film coating with different microstructure and thicknesses were characterized. Relationships between microstructure and mechanical property of CVD SiC thin film were discussed and processing condition for optimum SiC flirn for high stability fuel particle was suggested.
탄화규소는 밀도가 낮고, 우수한 기계적 특성을 가지고 있으며 특히, 고온에서 높은 강도와 좋은 산화 저항성을 나타낸다. 특히 차세대 원자력 에너지원으로 연구되고 있는 고온가스냉각로(High Temperature Gas cooled Reactor)의 입자형 핵연료 (TRISO)에 응용되어 내부의 핵연료와 핵연료를 둘러싼 열분해 탄소 층, 탄화규소 층, 그리고 열분해 탄소 층의 층상구조로 이루어진 TRISO 입자에서 기계적 강도를 유지하는 역할을 담당한다. 본 연구에서는 탄화규소 코팅층의 기계적 특성을 평가하기 위하여 CVD 를 이용하여 흑연에 탄화규소를 증착하였으며 온도에 따라 다양한 미세구조와 결정 방위를 갖는 탄화규소 코팅층을 증착하였다. 나노 인덴테이션을 이용하여 증착한 탄화규소의 경도와 탄성율 값을 측정하였다. 층상소재의 강도를 측정하는 방법을 이용하여, 삼중층 구조를 이용한 강도 평가 기법을 제시하고 이를 적용하였다. 삼중층 구조의 유한요소법 해석을 통해 층상 소재의 강도 평가 방법을 연구하여 삼중층 강도 평가식을 제안하였으며, 실험을 통해 식을 검증할 수 있었다. 제안한 삼중층 식을 이용하여 탄화규소의 강도 측정 결과, 각 탄화규소 코팅층은 두께가 증가할수록 강도 값이 증가하는 경향을 보였으며, 1300 ℃ 이상에서 증착된 탄화규소 코팅층은 800 ~ 1000 MPa 의 강도 값을 나타내어 실제 TRISO 입자에 잘 응용 될 수 있을 것으로 확인되었다.
