본 연구에서는 반응소결 탄화규소(RS-SiC)의 제조공정 중에서 C/SiC 복합 비율(0.1, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 1.0)이 외부입자충격 손상 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 충격시험은 공기총(air-gun)을 사용하였으며, 직경 2 mm 강구를 113 m/s, 122 m/s, 180 m/s의 충격속도로 RS-SiC 판재($20\times20\times3$ mm)에 충격시켜 발생된 링크랙의 직경 변화 및 콘크랙의 발생 거동을 SEM 영상으로 평가하였다. 결과적으로 RS-SiC에 발생한 링크랙의 최대직경이 충격속도가 증가함에 따라 대체로 증가하였지만, C/SiC 복합 비율에 따라서는 급격한 변화를 보였다. 이는 C/SiC 복합 비율에 따라 잔류 Si 함량 및 굽힘강도 변화의 영향으로 볼 수 있다. 특히 C/SiC 복합 비율이 0.4~0.5 범위에서 콘크랙이 발생됨에 따라 링크랙에서 콘크랙의 발생으로 변화되는 충격손상 메커니즘의 임계영역으로 판단할 수 있다. 아울러 콘크랙의 발생 임계영역을 고려할 때, RS-SiC 최적 제조 공정으로서 C/SiC 혼합 비율을 최대 0.3으로 하는 것이 효과적이다.
본 연구에서는 반응소결 탄화규소(RS-SiC)의 제조공정 중에서 C/SiC 복합 비율(0.1, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 1.0)이 외부입자충격 손상 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 충격시험은 공기총(air-gun)을 사용하였으며, 직경 2 mm 강구를 113 m/s, 122 m/s, 180 m/s의 충격속도로 RS-SiC 판재($20\times20\times3$ mm)에 충격시켜 발생된 링크랙의 직경 변화 및 콘크랙의 발생 거동을 SEM 영상으로 평가하였다. 결과적으로 RS-SiC에 발생한 링크랙의 최대직경이 충격속도가 증가함에 따라 대체로 증가하였지만, C/SiC 복합 비율에 따라서는 급격한 변화를 보였다. 이는 C/SiC 복합 비율에 따라 잔류 Si 함량 및 굽힘강도 변화의 영향으로 볼 수 있다. 특히 C/SiC 복합 비율이 0.4~0.5 범위에서 콘크랙이 발생됨에 따라 링크랙에서 콘크랙의 발생으로 변화되는 충격손상 메커니즘의 임계영역으로 판단할 수 있다. 아울러 콘크랙의 발생 임계영역을 고려할 때, RS-SiC 최적 제조 공정으로서 C/SiC 혼합 비율을 최대 0.3으로 하는 것이 효과적이다.
In this study, the effect of the C/SiC composition ratio on the impact damage of a reaction sintered SiC (RS-SiC) plates was evaluated. An impact test was conducted by using an air gun. The impacter used was a steel ball with a diameter of 2 mm, and the impact velocities were 113, 122, and 180 m/s. ...
In this study, the effect of the C/SiC composition ratio on the impact damage of a reaction sintered SiC (RS-SiC) plates was evaluated. An impact test was conducted by using an air gun. The impacter used was a steel ball with a diameter of 2 mm, and the impact velocities were 113, 122, and 180 m/s. The RS-SiC plates were $20\times20\times3$ mm with different C/SiC composition ratios. The ring crack diameters damaged by a steel ball were determined using SEM images. It was observed that the maximum diameter increased with increasing impact velocity, and it rapidly changed with increasing C/SiC composition ratio because of the effect of residual Si and the variation flexural strength. Cone cracks were formed in the case of C/SiC composition ratios of 0.4~0.5, this indicated that the impact damage changed from a ring crack to a cone crack in this critical range of C/SiC composition ratios. The C/SiC composition ratio of 0.3 was determined to be the optimal ratio for the RS-SiC manufacturing process.
In this study, the effect of the C/SiC composition ratio on the impact damage of a reaction sintered SiC (RS-SiC) plates was evaluated. An impact test was conducted by using an air gun. The impacter used was a steel ball with a diameter of 2 mm, and the impact velocities were 113, 122, and 180 m/s. The RS-SiC plates were $20\times20\times3$ mm with different C/SiC composition ratios. The ring crack diameters damaged by a steel ball were determined using SEM images. It was observed that the maximum diameter increased with increasing impact velocity, and it rapidly changed with increasing C/SiC composition ratio because of the effect of residual Si and the variation flexural strength. Cone cracks were formed in the case of C/SiC composition ratios of 0.4~0.5, this indicated that the impact damage changed from a ring crack to a cone crack in this critical range of C/SiC composition ratios. The C/SiC composition ratio of 0.3 was determined to be the optimal ratio for the RS-SiC manufacturing process.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 C/SiC 복합 슬러리를 사용하여 제작한 RS-SiC에 대한 강구 입자충격 손상 거동과 손상 방지를 위한 최적 제조 공정의 기초 자료를 제공하는데 있다. 우선, 제조 공정에서 C/SiC 복합 비율이 충격손상 거동 메커니즘(링크랙 및 콘크랙의 발생)에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다.
본 연구에서는 RS-SiC의 제조 공정에서 C/SiC 복합 비율에 따른 강구 입자충격 손상 거동(링크랙 및 콘크랙의 발생)을 조사하기 위하여 지름 2 mm인 강구를 충격시켜 형성된 최대 링크랙의 직경 변화를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 C/SiC 복합 슬러리를 사용하여 제작한 RS-SiC에 대한 강구 입자충격 손상 거동과 손상 방지를 위한 최적 제조 공정의 기초 자료를 제공하는데 있다. 우선, 제조 공정에서 C/SiC 복합 비율이 충격손상 거동 메커니즘(링크랙 및 콘크랙의 발생)에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다.
제안 방법
각 시험편 조건 별로 얻은 SEM 영상에서 발생된 크랙의 관찰 및 크기를 측정하기 위하여 각각 배치 순서에 따라 배율 x50, x100, x500, x1K, x3K로 확대하였으며, 다중 링크랙 발생의 확인은 배율 x3K 영상에서 최종 확인한 후, 배율 x100 영상에서 링크랙을 측정하였다.
강구의 충격 속도는 총신 끝 부근에 100 mm 간격을 두고 설치한 2개의 광센서로부터 캐리어의 이동시간을 측정하여 계산하였다. 그리고 강구 입자충격속도는 공기압력을 조정해서 30 m/s에서 250 m/s까지 조정할 수 있다.
시험편의 충격손상은 시험 후, 광학현미경과 주사형 전자현미경(SEM, Scanning electron microscope)을 사용하여 관찰하였다. 특히 콘크랙의 형상을 측정하기 위하여 파단된 시험편을 수직으로 절단한 후 콘 각도를 측정하였다.
충격속도 113 m/s(KE=0.0215 J), 122 m/s(0.025 J) 및 180 m/s(0.0284 J) 각각에 대하여 충격시험을 실시하였다. 이 결과 중 충격속도 122 m/s 인 경우의 손상 예를 Fig.
시험편의 충격손상은 시험 후, 광학현미경과 주사형 전자현미경(SEM, Scanning electron microscope)을 사용하여 관찰하였다. 특히 콘크랙의 형상을 측정하기 위하여 파단된 시험편을 수직으로 절단한 후 콘 각도를 측정하였다.
표면의 균열을 잘 관찰하기 위하여 다이아몬드 연마기로 표면을 0.2 μm로 연마하였다.
대상 데이터
025 J 이었다. 또한 충격속도 113 m/s(공기압력 6 atm), 180 m/s(공기압력 8 atm)로 운동에너지는 각각 0.0215 J, 0.0284 J 인 조건을 사용하였다.
본 실험에 사용한 RS-SiC 시험편은 일본 교토대학교로부터 제공받은 것으로 Fig. 1, Fig. 2에 보인 바와 같이 크기는 40x40x3 mm이다. 또한 부족한 시료수를 늘이기 위하여 Fig.
그리고 강구 입자충격속도는 공기압력을 조정해서 30 m/s에서 250 m/s까지 조정할 수 있다. 본 실험에서는 직경 2 mm의 강구를 사용하였다.
성능/효과
(1) 링크랙의 최대직경이 충격속도가 증가함에 따라 대체로 증가하였지만, C/SiC 복합 비율에 따라서는 급격한 변화를 보였다.
(2) C/SiC 복합 비율이 0.4~0.5 범위에서 콘크랙이 발생됨에 따라 링크랙에서 콘크랙의 발생으로 변화되는 충격손상 메커니즘의 임계영역으로 판단할 수 있다.
(3) 콘크랙의 발생 임계영역을 고려할 때, 제조공정에서 C/SiC 혼합 비율을 최대 0.3으로 하는 것이 효과적이다.
3의 조건이 가장 적합하다고 제시하였다.(7) 또 다른 연구 결과에 의하면, C/SiC 복합 비율을 0.3, 0.5, 0.7로 제조하였을 경우, 잔류 Si 함량이 각각 30 %, 19 %, 27 %, 굽힘강도는 각각 390 MPa, 530 MPa, 450 MPa의 결과를 보이며, 복합 비율이 0.5인 조건이 가장 적합하다고 제시하였다.(8) 이 결과의 차이는 RS-SiC 제조 공정 조건으로서, C/SiC 복합 비율, 소결압력, 소결온도, 소결시간, C 및 SiC 입자 크기 및 pH 농도 등의 다양한 인자의 영향이 복합적으로 작용하였다고 볼 수 있다.
5인 조건이 가장 적합하다고 제시하였다.(8) 이 결과의 차이는 RS-SiC 제조 공정 조건으로서, C/SiC 복합 비율, 소결압력, 소결온도, 소결시간, C 및 SiC 입자 크기 및 pH 농도 등의 다양한 인자의 영향이 복합적으로 작용하였다고 볼 수 있다.(3,6,8)
기존의 연구결과에 의하면, 반응소결 탄화규소(RS-SiC) 제조공정 조건 중에서 C/SiC 복합 비율을 0.1, 0.3, 1.0로 제조하였을 경우, 잔류 Si 함량이 각각 47.0 %, 24.4 %, 45.2 %, 굽힘강도(Flexural strength)는 각각 424 MPa, 645 MPa, 318 MPa의 결과를 보이며, 잔류 Si 함량이 가장 적고 굽힘강도가 가장 큰 복합 비율 0.3의 조건이 가장 적합하다고 제시하였다.(7) 또 다른 연구 결과에 의하면, C/SiC 복합 비율을 0.
대체적으로 충격속도가 증가함에 따라 다중 링크랙의 최대직경은 증가하였지만, 충격입자와 시험편의 접촉길이와 관련되는 최소직경은 거의 일정한 값을 보였다. 이는 강구 입자의 소성변형에 의한 것이며, 결국 이전 연구결과(9,14)와 같이 링크랙의 발생은 식 (6)의 반경방향 응력에 의해 표면미소 결함으로부터 발생되었다.
물론 세라믹과 같은 취성재료의 특성상 실험 결과의 편차가 매우 심하지만, 파괴인성의 저하 방지를 고려한 제조 공정으로서 본 연구결과인 임계영역에서는 콘크랙의 발생 가능성이 높기 때문에 C/SiC 복합 비율을 최대 0.3 정도로 제조하는 것이 효과적일 것이다.
이전 연구에서 C/SiC 복합 비율이 0.3인 경우에 굽힘강도가 645 MPa(7), 그리고 0.5인 경우에 530 MPa(8)로서 최대 굽힘강도를 얻은 결과를 참고로 하여, 본 연구의 결과인 Fig. 7에서 C/SiC 복합 비율이 0.4~0.5인 영역에서 충격속도가 다름에도 불구하고 링크랙의 최대직경의 변화가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있었다. 이는 잔류 Si 함량의 영향으로 굽힘강도외에도, 외부 충격에 의한 링크랙에서 콘크랙으로의 손상 발생 메커니즘의 전환점인 임계영역으로 볼 수 있다.
본 연구에서는 시험편의 수량이 매우 적었기 때문에 각 조건별 시험 수량은 1회의 결과를 나타내었다. 충격속도 및 C/SiC 의 복합 비율이 증가할수록 링크랙의 최대 직경 이 대체로 증가하였지만, C/SiC 복합 비율이 0.4~ 0.5에서는 감소하다가 증가하였고, 0.6~0.7에서는 급격한 변화를 보였다. 이는 잔류 Si 함량과 굽힘 강도의 영향인 것으로 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄화규소(SiC) 세라믹의 장점은 무엇인가?
탄화규소(SiC) 세라믹은 핵융합로 구조재료 및 고성능의 가스터빈 부품소재로서 요구되는 고 기능성, 극 고온 구조용 재료에 적합하며, 이 소재의 개발에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.(1~8) 이 세라믹은 고온에서 안정되고, 융합 중성자의 방사선 노출 하에서 우수한 파괴인성의 특성을 보이고, 유도활성의 영향이 적다고 알려져 있으며, 부식 손상 저항에 우수한 특성을 보이고 있다.(1,5)
탄화규소(SiC) 세라믹의 용도는?
탄화규소(SiC) 세라믹은 핵융합로 구조재료 및 고성능의 가스터빈 부품소재로서 요구되는 고 기능성, 극 고온 구조용 재료에 적합하며, 이 소재의 개발에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.(1~8) 이 세라믹은 고온에서 안정되고, 융합 중성자의 방사선 노출 하에서 우수한 파괴인성의 특성을 보이고, 유도활성의 영향이 적다고 알려져 있으며, 부식 손상 저항에 우수한 특성을 보이고 있다.
취성재료는 어떤 단점이 존재하는가?
그러나 세라믹과 같은 취성재료는 낮은 파괴인성과 인장강도로 인해 외부입자충격(FOD)에 의해 복잡한 파괴양상과 미세한 균열의 발생에도 급격한 파손을 나타낸다. 세라믹 부재에 균열의 발생은 에로죤과 같은 재료의 탈락을 초래하여 설계강도의 저하를 가져온다.
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