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SiCf-SiC 복합재료의 내환경 코팅 및 열, 기계적 내구성 평가
Thermal and Mechanical Evaluation of Environmental Barrier Coatings for SiCf-SiC Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.2, 2017년, pp.84 - 93  

채연화 (Department of Mechanical Design, Kookmin University) ,  문흥수 (Sewon Hard Facing Co.) ,  김세영 (Korea Institute of Energy Research) ,  우상국 (Korea Institute of Energy Research) ,  박지연 (Korea Atomic Energy Research Institute) ,  이기성 (School of Mechanical Engineering, Kookmin University)

초록
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본 논문에서는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합재료에 내환경 코팅을 수행한 후, 열 기계적 특성평가에 대한 연구를 수행하였다. 초기분말은 성형공정도중 흐름성을 좋게 하기 위해 분무건조법으로 구형의 분말을 제조하였다. 내환경 코팅재는 복합재료가 산화되거나 고온 수증기와 반응하는 것을 방지하기 위해 행하여 지는데, 본 연구에서는 액상침투법(LSI)으로 제조한 복합재에 실리콘으로 본드코팅을 하고 그 위에 대기플라즈마용사법으로 뮬라이트(mullite)와 무게비로 12% 이터븀 실리케이트(ytterbium silicate)가 혼합된 복합재를 코팅하였다. 대기플라즈마 코팅공정 시 성형변수로서 분무거리를 100, 120 그리고 140 mm로 변화시켰다. 그 후 $1100^{\circ}C$의 온도에서 100시간동안 유지하는 실험과 $1200^{\circ}C$의 온도에서 열충격을 가하는 싸이클을 3000회 반복하였다. 열내구성 시험동안 계면 박리는 일어나지 않았지만, 현저한 균열들이 코팅층 내에서 발견되었다. 균열밀도와 균열의 길이는 코팅도중의 분무거리에 의존하여 변화하였다. 열 내구성 시험 후, 압흔 시험을 통해 기계적 열화거동을 분석하였는데, 시험의 방식이나 조건들이 하중-변위 곡선의 거동에 영향을 주었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study investigates thermal and mechanical characterization of environmental barrier coating on the $SiC_f-SiC$ composites. The spherical environmental barrier coating (EBC) powders are prepared using a spray drying process for flowing easily during coating process. The powders consis...

주제어

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문제 정의

  • ) 등이 연구되다가 최근에는 희토류가 첨가된 실리케이트(rare earth silicate) 등이 수증기에 대한 부식저항성이 상대적으로 우수하여 많은 연구가 되고 있다[16-18].내환경 코팅의 방법으로서는 물리적 증착법(PVD), 화학적증착법(CVD) 등도 연구되었지만[19] 보호막 두께를 두껍게 코팅하기 어렵고 형상의 제한을 받기 때문에 상대적으로 후막 코팅과 복잡한 형상도 쉽게 코팅이 가능한 대기플라즈마 용사법(air plasma spray, APS)이 많이 활용되어[20]본 연구에서는 용사법 코팅에 대한 연구를 수행하였다. 용사 코팅 시 분말공급속도, 분사속도 등 성형공정변수가 최종 미세구조에 영향을 주어 특성이 변화되는데[21,22], 본연구에서는 분사거리(spray distance)를 제어하여 그의 영향을 고찰하였다.
  • 또한 본 연구에서는 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합재료가 고온에서 장시간 유지될 때와 열충격이 작용하는 환경 하에서의 기계적 특성 열화정도를 평가하였다. 최근의 연구결과들에 의하면 고온노출 시 내환경 코팅층과 모재간의 열팽창계수 차이에 의해 코팅층에 균열이 발생한다는 보고가 일반적이며[23], 이를 방지하기 위해 균열의거동에 대한 이해가 중요하다고 할 수 있다.
  • 내환경 코팅의 방법으로서는 물리적 증착법(PVD), 화학적증착법(CVD) 등도 연구되었지만[19] 보호막 두께를 두껍게 코팅하기 어렵고 형상의 제한을 받기 때문에 상대적으로 후막 코팅과 복잡한 형상도 쉽게 코팅이 가능한 대기플라즈마 용사법(air plasma spray, APS)이 많이 활용되어[20]본 연구에서는 용사법 코팅에 대한 연구를 수행하였다. 용사 코팅 시 분말공급속도, 분사속도 등 성형공정변수가 최종 미세구조에 영향을 주어 특성이 변화되는데[21,22], 본연구에서는 분사거리(spray distance)를 제어하여 그의 영향을 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄화규소는 고온에서 표면에 산화규소가 형성되었을때 발생하는 문제점은? 한편 고온에서는 산화반응이 쉽게 일어나므로 산화저항성이 높은 세라믹스라 하더라도 산화에 의한 취성이 발생할 수 있는데, 탄화규소의 경우는 고온에서 산소와 반응하여 그 표면에 산화규소(SiO2)가 형성된다. 이 산화층은 일반적으로 탄화규소보다 열적, 기계적 물성이 낮고 탄화규소 기지와의 특성불일치로 인하여 문제를 야기시킬 수 있다. 또 최근의 연구결과들에 의하면 고온의 수증기와 반응할 경우, 탄화규소 복합재의 질량이 감소된다고 보고되고있고[12,13], 이에 대한 대책으로 내환경코팅(environmental barrier coating)을 통해 수증기와의 접촉을 방지하는 연구가 활발히 일어나고 있다[14,15].
세라믹스 섬유강화 복합재의 장점은? 세라믹스 섬유강화 복합재는 플라스틱 섬유강화 복합재보다 고온에서 사용할 수 있는 장점이 있다[1-4]. 이는 세라믹 기지(matrix)상이 이온결합, 공유결합의 화학결합으로 주로 구성되어 있어서 큰 결합력에 의하여 녹는점이 높기때문이다.
내환경코팅 소재로 연구되어 온 재료는? 내환경코팅 소재로는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), BSAS계 결정화유리(barium strontium aluminosilicate), 지르코니아(yttrium stabilized zirconia, YSZ), 알루미나(Al2O3),이트리아(Y2O3) 등이 연구되다가 최근에는 희토류가 첨가된 실리케이트(rare earth silicate) 등이 수증기에 대한 부식저항성이 상대적으로 우수하여 많은 연구가 되고 있다[16-18].내환경 코팅의 방법으로서는 물리적 증착법(PVD), 화학적증착법(CVD) 등도 연구되었지만[19] 보호막 두께를 두껍게 코팅하기 어렵고 형상의 제한을 받기 때문에 상대적으로 후막 코팅과 복잡한 형상도 쉽게 코팅이 가능한 대기플라즈마 용사법(air plasma spray, APS)이 많이 활용되어[20]본 연구에서는 용사법 코팅에 대한 연구를 수행하였다.
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참고문헌 (29)

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  3. Kowbel, W., Bruce, C.A., Tsou, K.L., Patel, K., Withers, J.C., and Youngblood, G.E., "High Thermal Conductivity SiC/SiC Composites for Fusion Applications", Journal of Nuclear Materials, Vol. 283-287, Part 1, 2000, pp. 570-573. 

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  29. Bermejo, R., and Danzer, R., "High Failure Resistance Layered Ceramics Using Crack Bifurcation and Interface Delamination as Reinforcement Mechanisms", Engineering Fracture Mechanics, Vol. 77, 2010, pp. 2126-2135. 

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