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로켓 노즐목 소재 C/SiC 복합재 고온 파괴 특성
Fracture Characteristics of C/SiC Composites for Rocket Nozzle at Elevated Temperature 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.11, 2016년, pp.927 - 933  

윤동현 (충남대학교 기계공학부 신뢰성평가실험실) ,  이정원 (충남대학교 기계공학부 신뢰성평가실험실) ,  김재훈 (충남대학교 기계공학부 신뢰성평가실험실) ,  신인철 (대양산업) ,  임병주 (대양산업)

초록
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고체 추진 기관에서 로켓 노즐은 고온 연소가스에 노출된다. 따라서 고온에서 기능을 발휘할 수 있는 적절한 재료의 선택이 중요하다. 탄소 섬유 강화 실리콘 카바이드 복합재(C/SiC)가 로켓 노즉목에 적용을 위해 연구되어 왔다. 그러나 전형적인 구조 재료들과 비교할 때 C/SiC 복합재는 준취성 거동을 가지고 고온에서 산화의 영향으로 인해 강도와 인성 관점에서 상대적으로 취약한 점이 있다. 그러므로 실제 적용을 위해 C/SiC 복합재의 열, 기계적인 특성을 평가하는 것은 중요하다. 본 논문에서는 액화 실리콘 용침(LSI) 공정을 통해 만들어진 C/SiC 복합재의 고온에서의 파괴 거동을 조사하는 실험적인 방법을 설명한다. 특히 온도와 하중, 산화 조건 그리고 탄소 섬유의 방향을 주요 변수로 설정하여 파괴 특성을 조사하였다. 파단면 분석은 SEM 촬영을 통하여 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In a solid propulsion system, the rocket nozzle is exposed to high temperature combustion gas. Hence, choosing an appropriate material that could demonstrate adequate performance at high temperature is important. As advanced materials, carbon/silicon carbide composites (C/SiC) have been studied with...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 추진기관에서 노즐부의 고온 열충격 상황을 고려, C/SiC 복합재의 열적, 기계적 특성 시험을 위하여 하중조건, 시험온도 및 시편의 산화 유무, 그리고 시편에서 섬유의 방향을 변수로 두어 파괴특성 경향에 대해 연구하였다. ASTM 규정에 준수하여 일축 인장 및 압축의 상태를 조성하였고, 온도는 상온, 500 및 900℃의 세 가지 조건에서 일반 시편 및 산화방지제 코팅된 C/SiC 복합재 시편에 대한 인장 및 압축 시험을 수행하였다.

가설 설정

  • LSI 공정은 고온 소결과 가압 프레스 작업을 통해 세라믹 슬러리를 용침하는 공정이다. LSI 공정은 고온, 고압 작업으로 인해 탄소 섬유의 기계적, 열적 및 화학적 손상을 주는 단점도 있지만, LSI 공정으로 제조된 C/C-SiC는 구조적 역할을 할 수 있는 섬유들의 높은 함유율을 갖는다. C/SiC 복합재의 준비에 있어서 제조공정에 따라 물성이 크게 변동을 보일 수 있기 때문에 제조 공정의 명시는 중요하다.
  • 따라서 반경방향에서 발생된 열 잔류 인장응력으로 인하여 복합재의 전체적인 강도가 감소되었다고 할 수 있다. 시험 온도가 공정온도와 상온의 사이에 있다면 열잔류응력의 발생량은 시험온도가 증가하면서 감소하게 된다. 결과적으로 재료는 시험온도가 공정온도에 가까 워지면서 보다 높은 압축 강도를 가지게 되는 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
추진기관 노즐목부에 사용되는 재료는 어떠한 특성을 가지고 있어야 하는가 열충격을 받는 구조물이 기대되는 성능을 정확하게 발휘하기 위해서는 열충격 저항성과 파괴인성이 우수한 재료를 선택하여 적용하여야 한다. 일반적으로 추진기관 노즐목부에 사용되는 재료는 높은 기계적 강도, 내열성, 내식성, 열충격 저항성, 침식 저항성, 열싱크와 높은 열전도도를 가져야 하 며, 열팽창 계수는 상대적으로 작아야 한다. 이러한 특성을 가지고 있는 재료로는 그라파이트(graphite)와 C/C(carbon fiber reinforced carbon composite) 및 C/SiC(carbon/silicon carbide) 등의 복합재료가 있는데, 그라파이트(graphite)는 복합재료에 비해 가격이 저렴하여 노즐목부 구조물에 많이 적용되고 있는 반면, 강도가 낮으며 고온에서 산화반응에 의한 재료 특성 저하 현상이 발생한다.
고체추진기관 부재중에서 노즐부가 열충격에 의한 파손 및 침식변형을 일으킬 가능성이 높은 이유는 무엇인가 고체추진기관 부재중에서 노즐부는 고온의 연소가스에 노출되어 있기 때문에 열충격에 의한 파손 및 침식변형을 일으킬 수 있는 가능성이 매우 높다. 특히 노즐목부(nozzle throat)는 로켓 추진기관의 성능을 좌우하는 중요한 부품으로 성능을 확보하기 위해서는 열충격에 의한 노즐부 형상과 기능 손실이 발생하지 않고 그대로 유지할 수 있는 재료를 사용해 야 한다.
추진기관 노즐목부에 사용되는 재료 중 그라파이트의 장점과 단점은 무엇인가 일반적으로 추진기관 노즐목부에 사용되는 재료는 높은 기계적 강도, 내열성, 내식성, 열충격 저항성, 침식 저항성, 열싱크와 높은 열전도도를 가져야 하 며, 열팽창 계수는 상대적으로 작아야 한다. 이러한 특성을 가지고 있는 재료로는 그라파이트(graphite)와 C/C(carbon fiber reinforced carbon composite) 및 C/SiC(carbon/silicon carbide) 등의 복합재료가 있는데, 그라파이트(graphite)는 복합재료에 비해 가격이 저렴하여 노즐목부 구조물에 많이 적용되고 있는 반면, 강도가 낮으며 고온에서 산화반응에 의한 재료 특성 저하 현상이 발생한다.(1) 따라서 노즐목부 같은 고온 구조물의 구조적 건전성을 고려하여 C/SiC 복합재 적용을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
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참고문헌 (10)

  1. Choi, W. K., Kim, B. J., Chi, S. H. and Park, S. J., 2009, "Nuclear Graphites (I) : Oxidation Behaviors," Carbon Letters, Vol. 10, No. 3, pp. 239-249. 

  2. Suo, T., Fan, X., Hu, G., Li, Y., Tang, Z. and Xue, P., 2013, "Compressive Behavior of C/SiC Composites over a Wide Range of Strain Rates and Temperatures," Carbon Letters, Vol. 62, pp. 239-249. 

  3. Mei, H., Xiao, S., Bai, Q., Wang, H., Li, H. and Cheng, L., 2015, "The Effect of Specimen Crosssectional Area on the Strength and Toughness of Two-dimensional C/SiC Composites," Ceramics International, Vol. 41, No. 2, Part B, pp. 2963-2967. 

  4. Mao, W. G., Chen, J., Si, M. S., Zhang, R. F., Ma, Q. S., Fang, D. N. and Chen, X., 2016, "High Temperature Digital Image Correlation Evaluation of In-situ Failure Mechanism: An Experimental Framework with Application to C/SiC Composite," Material Science and Engineering: A, Vol. 665, pp. 26-34. 

  5. YOON, B., 2014, "Ultra High Temperature Thermostructural Composites," KIC News, Vol. 17, No. 4, pp. 10-25. 

  6. ASTM Standard C695-15, 2015 "Standard Test Method for Compressive Strength of Carbon and Graphite," ASTM International. 

  7. ASTM Standard C749-15, 2015 "Standard Test Method for Compressive Strength of Carbon and Graphite," ASTM International. 

  8. Mei, H., 2008, "Measurement and Calculation of Thermal Residual Stress in Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites," Composites Science and Technology, Vol. 68, No. 15-16, pp. 3285-3292. 

  9. Zhang, Y., Zhang, L., Cheng, L. and Xu, Y., 2008, "Tensile Behavior and Microstructural Evolution of a Carbon_silicon Carbide Composite in Simulated Re-entry Environments," Material Science and Engineering: A, Vol. 473, No. 1-2, pp. 111-118. 

  10. Choi, W. K., Kim, B. J., Kim, E. S., Chi, S. H. and Park, S. J., 2010, "Nuclear Graphites (II) : Mechanical Properties," Carbon Letters, Vol. 11, No. 1, pp. 41-47. 

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