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Cyclohexene을 첨가한 PIP 공정 사용 Cf/SiC 복합재의 고밀도화
Densification of Cf/SiC Composite Using PIP with Adding of Cyclohexene 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.5, 2013년, pp.322 - 327  

배진철 (한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀) ,  조광연 (한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀) ,  김정일 (데크 주식회사) ,  임동원 (데크 주식회사) ,  박종규 (한국국방과학연구소) ,  이만영 (한국국방과학연구소) ,  이재열 (한국국방과학연구소)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (10)

  1. Dong, S., Wang, Z., Zhou, H., Kan, Y.M., Zhang, X., Ding, Y., Gao, L., Wu, B., and Hu, J., "Research Progress in SiC-Based Ceramic Matrix Composites", Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 49, No. 4, 2012, pp. 295-300. 

  2. 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. 

  3. 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. 

  4. 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. 

  5. Ian, A., Davies, J., and Rees D. Rawlings, "Mechanical Properties in Compression of CVI-densified Porous Carbon/carbon Composite", Composites Science and Technology, Vol. 59, 1999, pp. 97-104. 

  6. 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. 

  7. 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. 

  8. 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. 

  9. 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. 

  10. 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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