SiC/SiC복합재료는 뛰어난 고온특성, 내산화성 및 크립(Creep)에 대한 저항성이 우수하고 또한 중성자에 의한 조사 손상이 다른 세라믹스에 비해서 적게 받는다는 장점으로 인하여 핵융합로의 블랑켓(Blanket), 제1벽(First-wall) 및 다이버터(Di-vertor)등의 후보재료로 적용이 기대되고 있다. SiC/SiC복합재료 제조시 가장 큰 문제점은 높은 소결온도와 압력으로 인하여 탄화규소 섬유가 손상되어 복합재료의 특성이 저하되는 것이므로 이들 재료의 전단강도 특성 평가는 매우 중요하다, 본 연구에서는 SiC제조특성과 소결온도에 대한 전단강도 특성의 평가한다.
SiC/SiC복합재료는 뛰어난 고온특성, 내산화성 및 크립(Creep)에 대한 저항성이 우수하고 또한 중성자에 의한 조사 손상이 다른 세라믹스에 비해서 적게 받는다는 장점으로 인하여 핵융합로의 블랑켓(Blanket), 제1벽(First-wall) 및 다이버터(Di-vertor)등의 후보재료로 적용이 기대되고 있다. SiC/SiC복합재료 제조시 가장 큰 문제점은 높은 소결온도와 압력으로 인하여 탄화규소 섬유가 손상되어 복합재료의 특성이 저하되는 것이므로 이들 재료의 전단강도 특성 평가는 매우 중요하다, 본 연구에서는 SiC제조특성과 소결온도에 대한 전단강도 특성의 평가한다.
In this study, joining methods with SiC powder as the joining adhesives were studied in order to avoid the residual stresses coming from CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch between substrate and joining layer. The shear strength and microstructure of joined material between SiC substrate...
In this study, joining methods with SiC powder as the joining adhesives were studied in order to avoid the residual stresses coming from CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch between substrate and joining layer. The shear strength and microstructure of joined material between SiC substrates are investigated. The commercial Hexoloy-SA (Saint-Gobain Ceramics, USA) used in this work as substrate material. The fine ${\beta}$-SiC nano-powder which the average particle size is below 30 nm, $Al_2O_3$, $Y_2O_3$, and $SiO_2$ were used as joining adhesives. The specimens were joined with 20MPa and $1400-1900^{\circ}C$ by hot pressing in argon atmosphere. The shear test was performed to investigate the bonding strength. The cross-section of the joint was characterized by using an optical microscope and scanning electron microscopy (SEM).
In this study, joining methods with SiC powder as the joining adhesives were studied in order to avoid the residual stresses coming from CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch between substrate and joining layer. The shear strength and microstructure of joined material between SiC substrates are investigated. The commercial Hexoloy-SA (Saint-Gobain Ceramics, USA) used in this work as substrate material. The fine ${\beta}$-SiC nano-powder which the average particle size is below 30 nm, $Al_2O_3$, $Y_2O_3$, and $SiO_2$ were used as joining adhesives. The specimens were joined with 20MPa and $1400-1900^{\circ}C$ by hot pressing in argon atmosphere. The shear test was performed to investigate the bonding strength. The cross-section of the joint was characterized by using an optical microscope and scanning electron microscopy (SEM).
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문제 정의
Fig. 5(c)에서 1800℃ 접합온도에서는 약 120MPa의 전단강도를 나타내었으며, 모재의 파단으로 인하여 정확한 접합재의 전단강도의 측정은 불가능한 경우를 해결하기 위하여 본 연구의 목적인 고강도 접합재의 제작을 달성하기 위하여 접합 방법을 개선하였다.
본 연구에서는 SiC세라믹스 접합재의 전단강도를 평가하기 위하여 ASTM C-1492에 규격화 되어 있는 비대칭 4점 굽힘시험을 실시하였다. 시험편은2.
제안 방법
각 접합온도에서 얻어진 접합재를 1μm의 다이아몬드 연마기로 연마후, SEM를 이용하여 관찰하였다.
본 연구에서는 Hexoloy-SA의 모재와 평균입자의 크기30nm의 SiC분말과 Al2O3, Y2O3, SiO2의 접합첨가제를 혼합한 접합제를 이용하여 NITE법에 의해1400℃~ 1900℃의 온도에서 접합을 실시하였다. 제조된 SiC세라믹스 접합재의 전단강도에 미치는 접합온도의 영향과 접합재 치수의 제어가능성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는1400~1900℃의 접합온도, 20MPa의 접합압력으로 접합을 실시하여, SiC세라믹스 접합재의 전단강도에 미치는 접합온도의 영향을 조사하였다. Fig.
3mm/min으로 설정하였다. 접합층과 그 결정은 주사전자현미경(Model JSM-6700F, JEOL, Japan)을 사용하여 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 SiC접합재의 강도특성에 있어서 모재의 영향을 줄이기 위하여 시판되고 있는 Hexoloy-SA(Saint-Gobain Ceramics, USA)를 모재로서 사용하였으며, 그 특성을 Table 1에 나타내었다. 접합에 이용한 분말로서는 평균 입자 크기가 30nm인 β-SiC를 사용하였으며, Al2O3, Y2O3, SiO2(High Purity Chemical, Japan)가 접합 첨가제로 사용되었다.
시험편은2.6(W)×3.0(T)×46(L) mm의 크기로 가공하였으며, 실온, 대기중에서 INSTRON(Model 5581, USA)장비를 이용하여 실시하였다.
외측, 내측 스팬(Span)길이가 각각 44mm, 12mm의 지그(Jig)가 사용되었으며, 지그와 개념도를 Fig. 2에 나타내었다. 크로스헤드 스피드는 0.
접합에 이용한 분말로서는 평균 입자 크기가 30nm인 β-SiC를 사용하였으며, Al2O3, Y2O3, SiO2(High Purity Chemical, Japan)가 접합 첨가제로 사용되었다.
성능/효과
(1) 접합온도가 증가할수록 SiC접합재의 전단강도는 증가하였으며, 1700℃ 이상의 접합온도에서는 모재보다 높은 강도 특성을 나타내어 본 연구의 목적인 고강도 접합재의 제작에 성공하였다.
(2) 접합온도에 따른 접합재의 파단 위치의 변화가 확인되었으며, 접합온도에 의한 SiC접합제의 소결성의 정도가 SiC세라믹스 접합재의 전단 강도를 결정짓는 요인임을 확인하였다.
(3) 120MPa를 초과하는 고강도 SiC세라믹스 접합재의 경우 정확한 접합재의 전단강도의 평가는 불가능 하였으며, 고강도 접합재의 강도 평가법의 개발의 필요성을 확인하였다.
(4) 접합온도의 변화에 의해 접합층의 치수, 구조, 특성의 제어가 가능하였다.
1700℃, 1600℃, 1500℃의 접합 층내에는 1800°C에서는 발견되지 않았다. 그리고 Al, Y에 의한 부화점이 확인되었으나, 모든 경우의 접합층에서는 접합첨가제에 의한 편석, 반응 층은 발견되지 않았다. 또한, 접합온도에 따른 접합층 두께의 변화가 확인되었으며, 접합층의 치수, 구조, 특성이 접합온도에 의해 제어되는 것이 확인되었다.
그리고 Al, Y에 의한 부화점이 확인되었으나, 모든 경우의 접합층에서는 접합첨가제에 의한 편석, 반응 층은 발견되지 않았다. 또한, 접합온도에 따른 접합층 두께의 변화가 확인되었으며, 접합층의 치수, 구조, 특성이 접합온도에 의해 제어되는 것이 확인되었다.
이결과 접합온도에 따른 전단강도의 변화를 알 수있으며, 접합온도에의따른 파단면의 형상이 다르게 나타났다. 이때 파단위치 및 파면형상은 Fig.
5(c)에서 1800℃ 접합온도에서는 약 120MPa의 전단강도를 나타내었으며, 모재의 파단으로 인하여 정확한 접합재의 전단강도의 측정은 불가능한 경우를 해결하기 위하여 본 연구의 목적인 고강도 접합재의 제작을 달성하기 위하여 접합 방법을 개선하였다. 이결과 접합온도에 의해 접합재의 파단 위치가 다른 것을 확인하였으며, 접합층의 SiC입자의 소결이 접합 강도에 영향이 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 1400℃, 1500°C에서는 모재/접합층의 계면에서의 소결이 불충분하며, 1600℃에서는 접합층 내부에서의 소결성보다 모재/접합층 계면에서의 소결이 촉진되어 1700℃이상의 접합온도에서는 모재 이상의 강도를 나타내는 것으로 판단되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SiC/SiC복합재료는 어떤 곳에 적용 기대를 하고 있는가?
SiC/SiC복합재료는 뛰어난 고온특성, 내산화성 및 크립(Creep)에 대한 저항성이 우수하고 또한 중성자에 의한 조사 손상이 다른 세라믹스에 비해서 적게 받는다는 장점으로 인하여 핵융합로의 블랑켓(Blanket), 제1벽(First-wall) 및 다이버터(Di-vertor) 등의 후보재료로 적용이 기대되고 있다.(1,2) SiC/SiC복합재료 제조시 가장 큰 문제점은 높은 소결온도와 압력으로 인하여 탄화규소 섬유가 손상되어 복합재료의 특성이 저하되는 것이다.
SiC/SiC복합재료에 사용되는 NITE법은 어떤 방법인가?
(3) 이 문제점을 해결하기 위하여 교토대학교 이공학 연구소에서는 NITE(Nano Infiltration Transient-Eutectic Phase)법을 개발하여 고강도･고인성 SiC/SiC복합재료의 개발에 성공하였다.(4~7) NITE법은 30nm의 초미립자 SiC분말과 SiC섬유(TyrannoTM-SA)를 사용하여 종래의 액상소결법에서는 불가능하였던 저온(~1800°C)에서 섬유･계면의 손상없이 SiC매트릭스를 치밀화하는 것이다.
SiC/SiC복합재료는 어떤 장점을 가지고 있는가?
SiC/SiC복합재료는 뛰어난 고온특성, 내산화성 및 크립(Creep)에 대한 저항성이 우수하고 또한 중성자에 의한 조사 손상이 다른 세라믹스에 비해서 적게 받는다는 장점으로 인하여 핵융합로의 블랑켓(Blanket), 제1벽(First-wall) 및 다이버터(Di-vertor) 등의 후보재료로 적용이 기대되고 있다.(1,2) SiC/SiC복합재료 제조시 가장 큰 문제점은 높은 소결온도와 압력으로 인하여 탄화규소 섬유가 손상되어 복합재료의 특성이 저하되는 것이다.
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