탄소섬유강화 SiC기지상 복합재는 우수한 산화저항성과 우수한 열충격저항성을 가진다. 그리고 이런 특성들은 탄소섬유강화복합재가 고온구조재로서 응용케하였다. 본 연구에서는 $C_f/SiC$ 복합재가 전구체 함침과 액상 함침이 동반된 열분해공정, Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정을 통해 제조되었다. 최종 제조된 $C_f/SiC$ 복합재는 5회 함침을 통해 $0.43g/cm^3$ 밀도를 갖는 탄소섬유프리폼에서 $1.76g/cm^3$의 밀도값을 나타내고 있다. 그리고 산화저항성 특성면에서 $C_f/SiC$ 복합재의 무게가 공기중 $1400^{\circ}C$에서 6시간 유지 후에 81%가 남았다. 결과적으로 Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정은 효과적으로 높은 치밀화와 증가된 산화저항성을 보이고 있다.
탄소섬유강화 SiC기지상 복합재는 우수한 산화저항성과 우수한 열충격저항성을 가진다. 그리고 이런 특성들은 탄소섬유강화복합재가 고온구조재로서 응용케하였다. 본 연구에서는 $C_f/SiC$ 복합재가 전구체 함침과 액상 함침이 동반된 열분해공정, Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정을 통해 제조되었다. 최종 제조된 $C_f/SiC$ 복합재는 5회 함침을 통해 $0.43g/cm^3$ 밀도를 갖는 탄소섬유 프리폼에서 $1.76g/cm^3$의 밀도값을 나타내고 있다. 그리고 산화저항성 특성면에서 $C_f/SiC$ 복합재의 무게가 공기중 $1400^{\circ}C$에서 6시간 유지 후에 81%가 남았다. 결과적으로 Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정은 효과적으로 높은 치밀화와 증가된 산화저항성을 보이고 있다.
Carbon fiber-reinforced SiC matrix composites have good oxidation resistance and thermal shock resistance. These properties have allowed the composites to be applied to high-temperature structures. In this study, $C_f/SiC$ composites were fabricated via precursor infiltration and pyrolysi...
Carbon fiber-reinforced SiC matrix composites have good oxidation resistance and thermal shock resistance. These properties have allowed the composites to be applied to high-temperature structures. In this study, $C_f/SiC$ composites were fabricated via precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process, including liquid phase infiltration and chemical vapor curing using cyclohexene. The final $C_f/SiC$ composites, which have gone through the PIP process five times, showed a density of $1.79g/cm^3$, as compared to a density of $0.43g/cm^3$ for pre-densified bare carbon fiber preform. As for the oxidation resistance characteristics, the weight of $C_f/SiC$ composite was maintained at 81% at $1400^{\circ}C$ in air for 6 hours. Chemical vapor curing (CVC) using cyclohexene has shown to be an effective method to achieve high densification, leading to increased oxidation resistance.
Carbon fiber-reinforced SiC matrix composites have good oxidation resistance and thermal shock resistance. These properties have allowed the composites to be applied to high-temperature structures. In this study, $C_f/SiC$ composites were fabricated via precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process, including liquid phase infiltration and chemical vapor curing using cyclohexene. The final $C_f/SiC$ composites, which have gone through the PIP process five times, showed a density of $1.79g/cm^3$, as compared to a density of $0.43g/cm^3$ for pre-densified bare carbon fiber preform. As for the oxidation resistance characteristics, the weight of $C_f/SiC$ composite was maintained at 81% at $1400^{\circ}C$ in air for 6 hours. Chemical vapor curing (CVC) using cyclohexene has shown to be an effective method to achieve high densification, leading to increased oxidation resistance.
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문제 정의
이 방식은 PCS를 Cyclohexene에 용융시켜 함침 용액으로 사용하여 탄소 섬유 프리폼 내부에서Cyclohexene과 PCS가 직접 경화 반응을 하는 방식으로 Cf/SiC composites 제조에 응용할 수 있는 가능성이 있다고 판단하여 이를 이용해 고분자 함침 열분해법을 시도했다. 본 연구에서는 경화 공정이 열처리 공정과 함께 이루어지는 공정의 단순화를 위하여 고안된 Cyclohexene을 이용한 화학적 경화 공정을 연구하였다. Cyclohexene을 이용한 PIP 공정과 비교하기 위해 PIP 공정에서 일반적으로 사용되는 Xylene + PCS 용액으로 총 5회의 PIP 공정을 진행했으며 각 용액으로 Cf/SiC composites 제조 후 공정 횟수에 따른 미세구조와 밀도(Density), 고온 내산화(Oxidation resistant) 특성을 비교 분석 하였다.
본 연구에서는 유기 용매를 이용하여 고분자 전구체를 함침 시키는 LP PIP 공정의 시간적인 단축을 위해 진행 되었으며 PCS의 경화 반응에 직접 참여 하는 것으로 알려진 Cyclohexene을 이용하여 비교하는 실험을 진행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 경화 공정이 열처리 공정과 함께 이루어지는 공정의 단순화를 위하여 고안된 Cyclohexene을 이용한 화학적 경화 공정을 연구하였다. Cyclohexene을 이용한 PIP 공정과 비교하기 위해 PIP 공정에서 일반적으로 사용되는 Xylene + PCS 용액으로 총 5회의 PIP 공정을 진행했으며 각 용액으로 Cf/SiC composites 제조 후 공정 횟수에 따른 미세구조와 밀도(Density), 고온 내산화(Oxidation resistant) 특성을 비교 분석 하였다.
각각의 경화 공정에 대한 PCS 수율의 변화를 알아보기 위해 TG-DTA(METTLER)를 이용하여 각각 경화 된 PCS를 측정하였다. Fig.
고분자 세라믹 전구체인 폴리카보실란(PCS)의 화학 기상 경화(CVC)법에 대한 특성 변화를 알아보기 위해 TGDTA(METTLER)를 이용하여 불활성기체(아르곤) 중 1000℃까지 분당 10℃의 속도로 감소되는 PCS의 질량을 측정하였다. 경화과정이 완료된 PCS의 구조적인 변화를 확인하기 위해서 FT-IR(JASCO)를 이용하여 측정하였다.
총 5회 함침 공정을 하는 Cf /SiC 복합재는각공정 횟수마다 Archimedes법을 이용하여 밀도와 기공률을 측정했고 FE-SEM(JEOL1000) 분석을 통하여 PIP공정 횟수에 따른 복합재의 밀도화 정도를 확인하였다. 내산화 특성은 TG-DTA(METTLER) 를 이용하여 산소 중 1400℃에서 6시간 동안 유지하고 무게 감소량을 측정하여 산화 분위기에서의 내열특성을 측정하였다.
SiC 섬유를 제조하기 위한 경화 공정으로 유기용매인 Cyclohexene은 PCS를 가교결합 시킬 수 있는 curing agent로써의 연구가 진행 되었으며 Chemical vapor curing method 를 이용하여 PCS를 경화시키게 된다[25]. 이 방식은 PCS를 Cyclohexene에 용융시켜 함침 용액으로 사용하여 탄소 섬유 프리폼 내부에서Cyclohexene과 PCS가 직접 경화 반응을 하는 방식으로 Cf/SiC composites 제조에 응용할 수 있는 가능성이 있다고 판단하여 이를 이용해 고분자 함침 열분해법을 시도했다. 본 연구에서는 경화 공정이 열처리 공정과 함께 이루어지는 공정의 단순화를 위하여 고안된 Cyclohexene을 이용한 화학적 경화 공정을 연구하였다.
250℃ 의 건조가 끝나면 함침·건조과정을 2회 반복 한 후 650℃ 열처리를 한 후에 아르곤분위기, 10℃/min의 승온속도로 1300에서 1시간 동안 열처리 하였다. 이와 같은 방식으로 Cf -Preform은 총 5회 함침-열처리하였다.
경화과정이 완료된 PCS의 구조적인 변화를 확인하기 위해서 FT-IR(JASCO)를 이용하여 측정하였다. 총 5회 함침 공정을 하는 Cf /SiC 복합재는각공정 횟수마다 Archimedes법을 이용하여 밀도와 기공률을 측정했고 FE-SEM(JEOL1000) 분석을 통하여 PIP공정 횟수에 따른 복합재의 밀도화 정도를 확인하였다. 내산화 특성은 TG-DTA(METTLER) 를 이용하여 산소 중 1400℃에서 6시간 동안 유지하고 무게 감소량을 측정하여 산화 분위기에서의 내열특성을 측정하였다.
Polycarbosilane(PCS)을 용해시키기 위해 용매로 Xylene(Aldrich)와 Cyclohexene(Aldrich)을 사용하였다. 함침액은 Xylene + PCS(30 wt%) 용액과 Cyclohexene + PCS (30wt%) 배합으로 제조하였다. Fig.
대상 데이터
Carbon fiber Pre-form은 니들펀칭 된 0/90o 구조이며 Polycarbosilane(PCS)은 국내 ToBeM tech에서 제조된 것을 사용하였으며 평균분자량(Mw)은 1400이며 녹는점은 161℃ 이다. Polycarbosilane(PCS)을 용해시키기 위해 용매로 Xylene(Aldrich)와 Cyclohexene(Aldrich)을 사용하였다.
구조이며 Polycarbosilane(PCS)은 국내 ToBeM tech에서 제조된 것을 사용하였으며 평균분자량(Mw)은 1400이며 녹는점은 161℃ 이다. Polycarbosilane(PCS)을 용해시키기 위해 용매로 Xylene(Aldrich)와 Cyclohexene(Aldrich)을 사용하였다. 함침액은 Xylene + PCS(30 wt%) 용액과 Cyclohexene + PCS (30wt%) 배합으로 제조하였다.
이론/모형
고분자 세라믹 전구체인 폴리카보실란(PCS)의 화학 기상 경화(CVC)법에 대한 특성 변화를 알아보기 위해 TGDTA(METTLER)를 이용하여 불활성기체(아르곤) 중 1000℃까지 분당 10℃의 속도로 감소되는 PCS의 질량을 측정하였다. 경화과정이 완료된 PCS의 구조적인 변화를 확인하기 위해서 FT-IR(JASCO)를 이용하여 측정하였다. 총 5회 함침 공정을 하는 Cf /SiC 복합재는각공정 횟수마다 Archimedes법을 이용하여 밀도와 기공률을 측정했고 FE-SEM(JEOL1000) 분석을 통하여 PIP공정 횟수에 따른 복합재의 밀도화 정도를 확인하였다.
성능/효과
FE-SEM 분석을 통하여 Cyclohexene을 이용한 PIP 공정과 Xylene을 이용한 PIP 공정을 비교하였을 때 Cyclohexene을 이용한 PIP 공정이 보다 높은 밀도 증가 효율을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 Cyclohexene을 이용하여 화학 기상 경화(CVC)법으로 경화된 PCS의 세라믹 수율이 42%에서 79%로 증가한 결과로 Xylene을 이용했을 때 보다 횟수 당 밀도 증가량이 높았기 때문이다.
반면 동일한 측정 조건에서 Cf /SiC 복합재는 1400℃까지의 온도에서 질량이 유지되는 결과를 보인다. Xylene + PCS 용액과 Cyclohexene + PCS 용액으로 함침되어 총 5회의 PIP 공정으로 제조된 각각의 Cf /SiC 복합재는 각각 69%, 81%의 잔류량을 보였다. 이는 Cf /SiC 복합재 표면의 탄소 성분이 산소와 반응하여 이산화탄소(Carbon dioxide) 혹은일산화탄소(Carbon monoxide)로 열분해 되어 나타나는 결과로써 충진 된 기지상의 밀도에 따라 잔류량이 결정되어지는 것으로 생각된다.
고분자 함침 열분해(PIP)법과 화학 기상 경화(CVC)법을 이용하여 제조된 Cf /SiC 복합재의 공정 횟수 당 밀도 증가 효율이 Xylene을 이용하여 제조된 Cf /SiC 복합재보다 높은 것을 확인할 수 있었으며 결과적으로 동일한 횟수의 공정으로 제조된 복합재의 내산화 특성 또한 화학 기상 경화(CVC) 법으로 경화과정이 진행된 Cf /SiC 복합재가 더욱 높은 고온 잔류량을 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 화학 기상 경화(CVC)법을 이용하여 PIP 공정을 진행할 경우 경화 공정의 단순화, 공정 시간의 단축이라는 장점을 가지게 되어 후에 양산공정으로 이용할 수 있는 가능성을 기대 할 수 있다.
Cyclohexene을 이용하여 PCS를 경화 시키면 PCS에 Cyclohexene이 직접 경화반응에 참여하여 수율을 증가시킨다. 이 결과로 42%의 세라믹 수율을 가지는 PCS가 79%까지 증가할 수 있는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CMCs를 제조하는 방식에는 무엇이 있나요?
따라서 CMCs의 제조에는 간단한 Cf-preform의 선택과 낮은 비용, 그리고 빠른 프로세스의 선택이 필요하다[5]. CMCs를 제조하는 방식에는 고분자 함침열분해(PIP)법[7], 화학 침착(CVI)법[8], 반응 결합(RB)법, 핫 프레싱(HP)법이 있다[9]. 여러 가지 제조 방식 중 고분자 함침 공정(PIP)은 낮은 제조 단가와 간단한 공정 절차로Cf/SiC 복합재를 제조할 수 있다는 강점이 있다.
고분자 함침 공정의 한계점은?
여러 가지 제조 방식 중 고분자 함침 공정(PIP)은 낮은 제조 단가와 간단한 공정 절차로Cf/SiC 복합재를 제조할 수 있다는 강점이 있다. 하지만 PCS를 직접 함침 하는 과정에서 경화 공정을 추가해야 하며 PCS자체의 점도가 저온에서 매우 높기 때문에 상대적으로 높은 온도(200oC)를 필요로 하게 되고 이때의 점도가 Cf-preform에 침투 할 수 있는 충분한 점도가 되지 못하기 때문에 기공이 닫혀 밀도증진에 한계가 생긴다[12]. Cf/SiC Composites의 제조과정에서 고분자 함침 열분해(PIP)법은 PCS를 사용하여 경화 공정을 거치게 되는데 이 공정은 PCS가 용융되어 형상이 변하는 것을 방지하고 세라믹 수율을 증가시키기 위해 사용된다.
Cf /SiC Composites는 어디에 사용되는가?
특히 탄소 섬유 프리폼(Cf -Preform)을 이용 한 Cf /SiC Composites는 복합화 방법 중 장섬유 강화법으로 기지에 응력이 가해져 균열이 전파 될 때 섬유가 에너지를 흡수하는 역할 때문에 인성 증진에 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다[1]. 내열성, 내산화성, 내마모성이 우수한 소재로서 Cf /SiC Composites는 현재 일본, 미국을 포함하여 독일 중국 등 여러 나라에서 항공우주 산업 및 국방 산업에 주로 로켓, 우주왕복선, 미사일 등의 추진체나 브레이크 디스크 등 고급 고온 구조 재료로 사용된다[4]. 현재 전구체의 기상, 액상의 함침 공정을 이용한 CMCs의 제조 방식이 지속적으로 발전하고 있지만 오랫동안 유지해야 하는 확산 제어 처리와 섬유 코팅 과정 때문에 CMCs의 제조에는 높은 비용이 든다.
참고문헌 (10)
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Camus, G., Guillaumat, L., and Baste, S., "Development of Damage in a 2D Woven C/SiC Composite under Mechanical Loading: I. Mechanical Characterization", Composites Science and Technology Vol. 56, 1996, pp. 1363-1372.
Colombo, P., Mera, G., Riedel, R., and Soraru, G.D., "Polymer Derived Ceramics: 40 Years of Research and Innovation in Advanced Ceramics", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 93, No. 7, 2010, pp. 1551-2916.
Chen, S., Hu, H., Zhang, Y., He, X., and Mei, M., "Rapid Densification of C/SiC Composites by Joint Processes of CLVD and PIP", Materials Letters, Vol. 65, 2011, pp. 3137-3139.
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Taguchi, T., Hasegawa, Y., and Shamoto, S., "Effect of Carbon Nanofiber Dispersion of the Properties of PIP-SiC/SiC Composites", Journal of Nuclear Materials, Vol. 417, 2011, pp. 348-352.
Xingui, Z., Yua, Y., Changrui, Z., Boyun, H., and Xueye, L., "Effect of Carbon Fiber Pre-heat-treatment on the Microstructure and Properties of Cf/SiC Composites", Materials Science and Engineering, Vol. 433, 2006, pp. 104-107.
Taki, T., Maeda, S., Okamura, K., Sato, M., and Matsuzawa, T., "Oxidation Curing Mechanism of Polycarbosilane Fibres by Solid-state 29Si high-resolution NMR", Journal of Materials Science Letters, Vol. 6, 1987, pp. 826-828.
Takeda, M., Sakamoto, J., Imai, Y., and Ichikawa, H., "Thermal Stability of the Low-oxygen-content Silicon Carbide Fiber, Hi- NicalonTM, Composites", Science and Technology, Vol. 59, 1999, pp. 813-819.
Mao, X.H., Song, Y.C., Li, W., and Yang, D.X., "Mechanism of Curing Process for Polycarbosilane Fiber with Cyclohexene Vapor", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 105, 2007, pp. 1651-1657.
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