[논문]SiCf/SiC 복합재료의 굽힘 강도 특성 및 균열 치유 효과

안석환; 도재윤; 문창권; 남기우

doi:10.9726/kspse.2013.17.4.094

SiCf/SiC 복합재료의 굽힘 강도 특성 및 균열 치유 효과
Bending Strength and Crack Healing of SiCf/SiC Composite Material 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.17 no.4, 2013년, pp.94 - 102

안석환 (부경대학교 링크사업단) , 도재윤 (한국폴리텍대학 부산캠퍼스) , 문창권 (부경대학교 재료공학과) , 남기우 (부경대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Manufactured $SiC_f/SiC$ composites by NITE method was investigated fracture characteristics according to the size of the surface crack. Coated surface crack with a $SiO_2$ colloid in several ways was evaluating the possibility of healing. The strength of CCS and UCS is 313 and 230MPa, respectively and it is about 1/3 of the SPS. Bending strength of $SiC_f/SiC$ composites has no effect with the pre-crack size to the critical crack size. $SiC_f/SiC$ composites can not generate large amount of $SiO_2$ oxides to the bottom of crack, and is only generated randomly on surfaces, and can not contribute to the recovery of bending strength.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고효율 가스 터-빈의 터빈 블레이드 및 핵융합로의 노벽구조에 사용될 SiC_f/SiC 복합재료를 제조한 후, 비커스 압자에 의한 미세 균열의 크기를 제어하여, 이에 따른 균열의 배향 상관성 및 상온 강도 특성을 분석하고 SEM을 통한 균열 진전 거동을 관찰하는 등의 기계적 특성 분석을 실시하였다.
또한 SiC_f/SiC 복합재료의 적용에 있어 신뢰성 및 경제성의 확보를 위하여 세라믹스의 균열 치유 현상을 SiC_f/SiC 복합재료에 적용시키기 위한 연구를 진행하였다. 특히 기존의 연구에서 균열 치유 물질로 알려진 SiO₂ 산화물의 효과적인 형성을 위하여 다양한 코팅법을 이용하여 SiO₂ 콜로이드를 코팅한 후, SiC_f/SiC 복합재료의 균열치유 현상을 조사하였다.
콜로이드를 도포하여 균열치유 가능성에 대하여 알아보았다. 또한 더욱 효과적인 균열 치유를 위하여 정수압으로 SiO₂ 나노 콜로이드를 균열 저부까지 침투시키는 방법을 적용하여 균열치유 가능성을 향상시키고자 하였다.

제안 방법

5 mm/min의 조건으로 3점 굽힘 시험을 실시하였다. SiC_f/SiC 복합재료의 균열부에 대한 열처리 전후의 표면 변화는 SEM을 통하여 관찰하였다.
SiC_f/SiC 복합재료의 균열치유를 위한 열처리는 SiC 단상 세라믹스의 최적 균열 치유 조건인 1,373K에서 1시간 동안 대기 중에서 유지하는 방법을 적용하여 실시하였다. 그리고 SiC_f/SiC 복합재료에 있어서 SiO₂ 나노 콜로이드의 코팅에 따른 균열 치유 효과를 확인하기 위하여 SiC 단상재의 최적 열처리 조건을 적용하였다.
SiO₂ 나노 콜로이드의 코팅 방법에 따른 표면균열의 강도 회복을 알아보기 위하여 담금(dip)코팅, 롤(roll)코팅 및 정수압(hydrostatic pressure)코팅의 세 가지 방법으로 표면 코팅을 실시하였다. 담금 코팅은 시험편을 SiO₂ 나노 콜로이드 용액에 담그는 방법이고, 롤 코팅은 코터바를 이용한 롤링 처리를 통하여 표면의 용액을 코팅하는 방법이다.
모재, 균열재 및 열처리재에 대한 굽힘 시험은 상온에서 스팬(span) 길이 16mm, 크로스헤드 속도 0.5 mm/min의 조건으로 3점 굽힘 시험을 실시하였다. SiC_f/SiC 복합재료의 균열부에 대한 열처리 전후의 표면 변화는 SEM을 통하여 관찰하였다.
본 연구에서는 NITE법을 이용하여 제조된 SiC_f/SiC 복합재의 표면균열 크기에 따른 파괴 특성을 조사하였으며, 표면 균열에 SiO₂ 콜로이드를 도포하여 균열치유 가능성에 대하여 알아보았다. 또한 더욱 효과적인 균열 치유를 위하여 정수압으로 SiO₂ 나노 콜로이드를 균열 저부까지 침투시키는 방법을 적용하여 균열치유 가능성을 향상시키고자 하였다.
시험편의 균열 치유 현상 및 강도 특성을 조사하기 위하여 3점 굽힘 시험 시 인장응력이 작용하는 경면 연마된 표면 중앙에 비커스 경도기를 이용하는 Indentation법으로 균열을 도입하였다. 특히 균열의 크기에 따른 파괴 양상을 조사하기 위하여 비커스 경도기를 이용하여 하중 24.5, 196N 및 Φ1 드릴로 예균열을 도입하였다. 이 때 비커스 압자압입 조건은 하중 부하 시간 5초, 유지 시간 10초, 제하 시간 5초였다.
/SiC 복합재료에 적용시키기 위한 연구를 진행하였다. 특히 기존의 연구에서 균열 치유 물질로 알려진 SiO₂ 산화물의 효과적인 형성을 위하여 다양한 코팅법을 이용하여 SiO₂ 콜로이드를 코팅한 후, SiC_f/SiC 복합재료의 균열치유 현상을 조사하였다.

대상 데이터

SiC_f/SiC 복합재료(SiC fiber reinforced SiC matrix)는 NITE(Nano-powder Infiltration and Transient Eutectic)법을 이용하여 제조하였다.⁶⁾ 섬유 보강재로서 열분해탄소(PyC)가 코팅된 SiC 섬유(Tyranno SA, 섬유직경 7.5㎛, PyC층 두께 500nm, 1600f/b, Ube Industries, Ltd, Ube, Japan)를 사용하였다.⁷⁾
/SiC 복합재료의 소결은 고온가압소결(Hotpress)방식으로 실시하였으며, 건조된 성형체를 20MPa의 압력 하의 아르곤 분위기에서 2,123K, 1시간 유지한 후 로냉을 실시하여, 40 × 40 × 3mm의 소결체를 얻었다. SiC_f/SiC 복합재료는 3 × 4 × 18㎜ 크기로 절단하여 3점 굽힘 시험편을 제작하였으며, 인장 응력이 작용하는 표면의 결함을 제거하기 위하여 연삭 가공한 후 경면 연마하였다. Fig.
4㎛)를 90:10의 비율로 에탄올과 혼합한 후 24시간 볼 밀링(Ball-milling)을 실시하여 슬러리를 제조하였다. 그리고 보강재로 사용된 1600f/b의 Tyranno-SA SiC 장섬유는 소결체의 사이즈에 맞게 커팅한 후, 슬러리가 가능한 치밀하게 함침되도록 필라멘트를 분리하여 배향시켰다. 이때 섬유의 배향에 따른 특성을 분석하기 위하여 섬유를 일방향 및 직교 방향으로 배향하여 적층시켰으며, 이에 제조한 슬러리를 롤링 처리함으로서 섬유를 함침시켰고(섬유체적비율 40-50%), 이를 통해 제작된 SiC_f/SiC 성형체를 자연 건조시킨 후, 소결하였다.
원료 분말은 90wt.% β-SiC 나노입자(Hefei Kiln Nanometer Technology Development Co., Ltd, 평균 입경 100nm)에 소결보조제 6wt.% Al₂O₃(고순도 화학, 일본, 평균 입경 0.3㎛) 및 4wt.% Y₂O₃(고순도 화학, 일본, 평균 입경 0.4㎛)를 90:10의 비율로 에탄올과 혼합한 후 24시간 볼 밀링(Ball-milling)을 실시하여 슬러리를 제조하였다. 그리고 보강재로 사용된 1600f/b의 Tyranno-SA SiC 장섬유는 소결체의 사이즈에 맞게 커팅한 후, 슬러리가 가능한 치밀하게 함침되도록 필라멘트를 분리하여 배향시켰다.

이론/모형

8MPa의 압력으로 10분간 유지하는 방법으로 실시하였다. SiC_f/SiC 복합재료는 담금 코팅과 정수압 코팅법을 각각 적용하였다. 균열 치유에 대한 코팅 방법의 영향을 조사하기 위한 열처리는 1,373K에서 1시간 동안 대기 중에서 실시하였다.
시험편의 균열 치유 현상 및 강도 특성을 조사하기 위하여 3점 굽힘 시험 시 인장응력이 작용하는 경면 연마된 표면 중앙에 비커스 경도기를 이용하는 Indentation법으로 균열을 도입하였다. 특히 균열의 크기에 따른 파괴 양상을 조사하기 위하여 비커스 경도기를 이용하여 하중 24.

성능/효과

(1) UCS와 CCS의 강도는 각각 313MPa, 230MPa로 SPS의 3분의 1정도이었다. 이것은 45-50%의 섬유 보강에 의하여 형성된 계면에서 균열 발생 및 매트릭스의 체적 감소가 원인이며, 빔 형상의 구조일 경우, 길이방향에 수직 배향된 섬유를 포함하고 있는 CCS는 더욱 낮은 굽힘 강도를 나타내었다.
(2) SiC_f/SiC 복합재의 표면균열은 파괴의 기점이 되지만, 균열진전에너지가 섬유/섬유 혹은 섬유/매트릭스의 계면접착강도를 극복하는데 소모되어 단상체 세라믹스와 같은 취성파괴는 일어나지 않는다. 즉, SiC_f/SiC 복합재의 굽힘 강도는 임계 균열 크기까지 예균열의 크기와는 무관한 것으로 판단된다.
(3) SiC_f/SiC 복합재는 섬유/섬유 또는 섬유/매트릭스의 계면 분리에 의하여 균열이 진전되므로 SiC 단상체와 같은 하중 조건에서 형성되는 균열의 크기가 크고 폭 또한 넓다. 따라서 SiO₂ 나노 콜로이드를 담금 코팅하거나 정수압 코팅 처리를 하고 열처리를 하여도 SiO₂ 산화물이 균열 저부까지 충분히 생성되지 않고 표면에만 불규칙적으로 생성되어 굽힘 강도의 회복에는 기여할 수 없다.
(4) SiC 단상 세라믹스의 최적 열처리 조건을 SiC_f/SiC 복합재에 적용시킬 경우, SiC 세라믹스에서 보이는 강도의 회복, 균열 치유 거동은 일어나지 않으며, 오히려 계면 접착 강도가 감소하여 파괴 인성이 저하되는 것으로 판단된다.
/SiC 복합재는 섬유/섬유 또는 섬유/매트릭스의 계면 분리에 의하여 균열이 진전되므로 SiC 단상체와 같은 하중 조건에서 형성되는 균열의 크기가 크고 폭 또한 넓다. 따라서 SiO₂ 나노 콜로이드를 담금 코팅하거나 정수압 코팅 처리를 하고 열처리를 하여도 SiO₂ 산화물이 균열 저부까지 충분히 생성되지 않고 표면에만 불규칙적으로 생성되어 굽힘 강도의 회복에는 기여할 수 없다.
/SiC 복합재의 표면균열은 파괴의 기점이 되지만, 균열진전에너지가 섬유/섬유 혹은 섬유/매트릭스의 계면접착강도를 극복하는데 소모되어 단상체 세라믹스와 같은 취성파괴는 일어나지 않는다. 즉, SiC_f/SiC 복합재의 굽힘 강도는 임계 균열 크기까지 예균열의 크기와는 무관한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SiCf/SiC 복합재료는 무엇을 사용하여 제조하는가?	SiCf/SiC 복합재료(SiC fiber reinforced SiC matrix)는 NITE(Nano-powder Infiltration and Transient Eutectic)법을 이용하여 제조하였다.6) 섬유 보강재로서 열분해탄소(PyC)가 코팅된 SiC 섬유(Tyranno SA, 섬유직경 7.
	SiCf/SiC 복합재료에 대한 연구에는 무엇이 진행되고 있는가?	SiCf/SiC 복합재료는 내열구조재료로서 세계적으로 연구되고 있다.1,2) 특히 섬유에 코팅층을 형성시킨 SiCf/SiC 복합재료를 만들어 인성의 향상을 도모하고3), 또 다양한 SiC 복합재료를 제조하여 강도 평가 및 균열 치유를 실시하는 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.4,5) 그러나 차세대 에너지원으로 기대되는 핵융합 발전 특히, 핵융합로 블랭킷 제1벽에 적용될 SiC계 세라믹스의 균열재 치유 연구는 아직 미흡한 상태이다.
	SiCf/SiC 복합재료의 원료분말은 어떻게 제조하는가?	원료 분말은 90wt.% β-SiC 나노입자(Hefei Kiln Nanometer Technology Development Co., Ltd, 평균 입경 100nm)에 소결보조제 6wt.% Al2O3(고순도 화학, 일본, 평균 입경 0.3㎛) 및 4wt.% Y2O3(고순도 화학, 일본, 평균 입경 0.4㎛)를 90:10의 비율로 에탄올과 혼합한 후 24시간 볼 밀링(Ball-milling)을 실시하여 슬러리를 제조하였다. 그리고 보강재로 사용된 1600f/b의 Tyranno-SA SiC 장섬유는 소결체의 사이즈에 맞게 커팅한 후, 슬러리가 가능한 치밀하게 함침되도록 필라멘트를 분리하여 배향시켰다.

참고문헌 (9)

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A. Kohyama, M. Seki, K. Abe, T. Muroga, H. Matsui, S. Jitsukawa and S. Matsuda, 2000, "Interactions between fusion materials R&D and other technologies", Journal of Nuclear Materials, Vol. 283-287, pp. 20-27.

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W. Yang, H. Araki, A. Kohyama, H. Suzuki and T. Noda, 2005, "Effects of SiC sub-layer on mechanical properties of Tyranno-SA/SiC composites with multiple interlayers" Ceramics International, Vol. 31, pp. 525-531.

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K. W. Nam and J. S. Kim, 2010, "Critical crack size of healing possibility of SiC ceramics", Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp. 3236-3239.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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