[논문]우주발사체용 탄소섬유 강화 탄화규소 복합소재

한인섭; 김세영; 우상국; 김정일; 정용희

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문제 정의

따라서 본고에서는 탄소섬유 강화 탄화규소 복합체 제조기술을 위주로 한 국내외 기술동향과 시장전망에 관해 간략히 기술하고자 한다.

제안 방법

한국세라믹기술원은 초고온용 섬유제조를 위한 고분자 전구체 제조기술 및 개질에 대한 기초기술 및 SiC 섬유 제조 기초기술을 개발을 수행한 바 있으며, 이 사업을 통해 촉매공정을 통한 폴리카보실란 (polycarbosilane)의 상압반응 합성기술을 개발하였고, 이로부터 반결정형 SiC 섬유의 제조기술을 확립하였다. 또한 알루미늄의 직접도핑기술 개발과 이로부터 제조된 개질 고분자 전구체를 이용하여 섬유를 만들고, 1800℃ 이상에서 소결하여 치밀하고 완전 결정화된 섬유를 제조하는데 성공하였다. 최근에는 그 후속으로 섬유제조 방법을 다양화하여 제조되는 SiC 섬유의 사이즈와 형상을 조절함으로써 그 응용 분야를 개척하는 시도를 하고 있다.
이 기술은 현재 ‘NITE-SiC/SiC’ 상품명으로 SiCf-SiC 복합소재 제조를 위한 신공정을 개발함으로써 기존의 SiCf-SiC 복합소재 보다 우수한 특성을 갖는 소재에 대한 양산기술이 확보되어 자국 내에 5,000만엔의 자본금을 출자하여 (株)エネテック總硏 회사를 설립하고 SiC 섬유강화 복합소재, SiC 섬유, SiC 나노 분말 등의 사업화를 시작하였다 (Fig. 8참조).

후속연구

최근 미국과 일본은 JUPITTER-II Project를 통해 원자력 반응기의 협동연구를 진행하고 있으며, 여기에 NITE 공정과 CVI/NITE 하이브리드 공정 등이 적용되고 있다. 향후 방사능 노출에 의한 swelling과 열전도도 변화, 열충격에 의한 균열 발생 등의 개선에 대한 연구가 진행될 예정으로 있다.
독일 정부로부터 연구를 지원받아 산업체와 협동으로 이미 C_f-SiC 복합소재의 브레이크 패드 개발을 완료하여 FCT Ingenieurkeramik GmbH에서 성공적으로 생산하고 있다. 현재까지 재사용 가능한 Space Vehicle의 경량 열차폐막 개발, 자동차 및 산업용 마찰패드 개발, 고온에서 변형이 없는 측정장치 부품 개발, 내열 및 내마모 성능이 우수한 로켓용 부품 개발, 발전설비용 고온 열교환기 및 경량 개인 방호부품 등에 기술을 확보한 상태이며, 향후 1000℃ 이상의 고온 적용이 가능한 SiC 섬유 강화 복합재료 개발, CFRP preform 제조기술 개발, 복잡한 형상의 부품 개발과 제작된 제품의 비파괴 검사 기술개발 등의 기술 확보를 위해 연구를 진행 중에 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

몰리브데늄, 탄탈륨, 텅스텐을 대체하여 세라믹 소재가 대체소재로 개발 및 적용되고 있는 이유는?

항공우주용 첨단 신소재인 발사체의 노즐 부분은 고온, 고압의 가스가 배출되는 부분으로 기존의 사용되는 금속 재인 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 텅스텐 등은 gas stream 에 의한 erosion 및 corrosion 저항성이 낮아 그 수명이 매우 짧기 때문에 이에 대한 저항성이 우수한 세라믹 소재가 대체소재로 개발 및 적용되고 있다.

CVI 기술이란 무엇인가?

CVI 기술은 서로 다른 성분의 소재, 즉 계면 (interface), 기지상 (matrix) 및 외부 코팅층 등을 가스상 전구체 (precursor)를 매개로 하여 복합소재를 제조하는 기술로서 탄화규소 섬유강화 탄화규소 (SiCf-SiC) 복합소재 제조공정으로 가장 많이 이용되고 있는 기술이다. 이들 복합소재는 원자로 반응기용 (nuclear reactor) 소재로 개발되기 시작하여 현재에는 우주항공용 복합소재로 적용하기 위한 시도가 광범위하게 진행되고 있는 기술이다 (Fig.

LSI 공정의 장점은 무엇인가?

이에 비해 LSI 공정은 제조된 복합소재 기지상 내에 잔류 free Si이 존재하며, 또한 미반응 탄소 성분이 존재할 수 있는 가능성과 탄소와 용융 실리콘과의 반응 시 발생하는 발열반응에 의해 탄소 섬유나 탄화규소 섬유가 손상을 당하여 기계적이나 열적 특성이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 높은 소결밀도와 낮은 기공율에 따른 치밀화가 가능하며, 우수한 열전도도 특성을 갖는 복합소재를 빠른 공정시간으로 제조할 수 있기 때문에 제조단가가 낮으며, 생산성이 우수한 장점을 가지고 있다. 또한 저가의 진공소성장비를 사용하여 3차원의 대형·복잡 형상의 제품을 제조할수 있는 특징이 있기 때문에 섬유강화 복합소재 제조공정 중 상용화 공정으로 유망한 공정으로 채택되고 있다.

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