[논문]화학기상침착법에 의한 SiCf/SiC 복합체의 제조

박지연; 김대종; 김원주

doi:10.7234/composres.2017.30.2.108

화학기상침착법에 의한 SiCf/SiC 복합체의 제조
Fabrication of SiCf/SiC Composite by Chemical Vapor Infiltration 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.2, 2017년, pp.108 - 115

박지연 (Nuclear Materials Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute) , 김대종 (Nuclear Materials Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute) , 김원주 (Nuclear Materials Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute)

초록
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$SiC_f/SiC$ 복합체를 제조하는 공정들 중에서 화학기상 침착(Chemical Vapor Infiltration) 공정은 저온에서 실형상이나 복잡한 형상을 제조할 수 있고, 기지상의 미세구조를 제어할 수 있으며, 고순도를 지닌 $SiC_f/SiC$ 복합체를 제조할 수 있는 효과적인 방법이다. 그러나 잔유 기공을 가지며 공정시간이 긴 단점이 있다. 기공률을 줄이고 효과적인 기지상 채움을 위하여 휘스커(whisker) 성장과 기지상 채움공정을 연속하여 수행하는 whisker growing assisted 화학기상침착공정이 개발되었다. 기지상 채움 전에 프리폼에 SiC 휘스커를 미리 성장시키면 섬유간이나 번들간에 존재하는 큰 기공을 작게 분할하여 기지상 채움 효율을 증진할 수 있다. 본 논문에서는 $SiC_f/SiC$ 복합체 제조를 위한 화학기상침착법공정의 기초와 일반적인 화학기상침착공정과 whisker growing assisted 화학기상침착공정으로 제조한 $SiC_f/SiC$ 복합체의 실험결과들을 간략히 서술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Among several fabrication processes of $SiC_f/SiC$ composites, the chemical vapor infiltration (CVI) process has attractive advantages in manufacturing complex net-or near-net-shape components at relatively low temperatures, easily controlling the microstructure of the matrix and obtaining the highest SiC purity level. However, it has disadvantages in that the ratio of residual pores in matrix is higher than other processes and processing time is relatively long. To reduce the residual porosity, the whisker-growing-assisted CVI process, which is composed of whisker growth and matrix filling steps has been developed. The whiskers grown before matrix filling may serve to divide the large natural pores between the fibers or bundles so that the matrix can be effectively filled into the finely divided pores. In this paper, the fundamentals of the CVI process for preparation of $SiC_f/SiC$ composites and some experimental results prepared by CVI and whisker-growing-assisted CVI processes are briefly introduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 화학기상 침착법(chemical vapor infiltration, 이하 CVI로 표기)법에 의한 SiCf/SiC 복합체 제조에 대하여 서술하고, 본 연구팀에서 수행하고 있는 SiCf/SiC 복합체 치밀화 연구 결과를 간략히 서술하고자 한다[11,12].
앞에서 언급하였듯이 일반적인 CVI 공정에서는 낮은 증착온도로 치밀화 속도가 느리며, 섬유 bundle 또는 fabric 층들 사이에 존재하는 큰 기공이 잔류기공으로 존재할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구팀에서는 CVI법으로 SiCf/SiC 복합체를 제조할 때 기지상 치밀화 공정 전에 SiC 휘스커 또는 nanowire 등의 증착물을 SiC 프리폼에 성장시켜 기지상의 치밀화 효율을 증가시키고 복합체 내의 잔류 기공률을 최소화하는 방법을 개발하였으며, 이 방법을 whisker growing assisted CVI (WA-CVI)이라고 명명하였다[25-28]. WA-CVI 법으로 SiC_f/SiC 복합체를 제조하는 각 공정의 흐름도는 Fig.

제안 방법

CMC에서 파괴인성을 증진시키기 위하여 SiC 섬유에 PyC계면을 코팅하였듯이 WA-CVI 공정에서도 성장된 휘스커를 PyC로 코팅하고 기지상을 채우므로 파괴인성 증진 효과를 높이려고 시도하였다. Fig.
, 99%)와 H₂의 혼합기체가 사용되었고, pyrolytic carbon(PyC) 증착은 CH₄ 기체를 이용하여 1,000^oC에서 수행하였다. SiC 휘스커의 성장은 MTS를 이용하여 SiC를 침착하듯이 휘스커가 성장할 적정 조건을 유지하면서 기상 화학 반응에 의하여 1,100^oC에서 수행하였다. Fig.
SiC_f/SiC 복합체를 제조하기 위하여 F-CVI 공정을 수행하였다. 출발물질로 MTS(Aldrich Co.
기지 채움 공정이 이루어지는 과정을 이해하기 위하여휘스커를 성장시킨 프리폼과 성장시키지 않은 프리폼을 각각 5시간 동안 부분적으로 기지 채움 공정을 수행하고, 제조된 복합체들의 미세구조를 Fig. 7에 각각 나타내었다. Fig.
이를 극복하기 위하여 원료기체 공급부와 배출부 사이에 온도와 압력구배를 두어 침착효율을 향상시키는 방법이 이용된다. 본 연구팀에서는 기지상 채움 공정 전에 SiC 휘스커를 먼저 성장시키고 기지상을 채우는 WA-CVI(whisker growing assisted CVI) 공정을 개발하였다. CVI 공정에서 SiC 휘스커를 성장시키거나 PyC로 코팅된 SiC 휘스커를 추가로 성장시키면 기지상 내에서도 휘스커의 강화 및 pull out 거동에 의하여 강도와 파괴인성을 향상시킨 SiC_f/SiC 복합체를 제조할 수 있다.
일반적인 CVI(휘스커 성장 없음) 공정, WA-CVI 공정 및 WA-CVI 공정 중에 휘스커를 PyC 코팅하여 계면을 성장시킨 뒤 기지상을 채운 3종류의 SiC_f/SiC 복합체를 제조하여 3점 곡강도를 평가하고, 강도와 변형 곡선을 Fig. 11과 같이 얻었다. 곡강도는 일반적인 CVI법으로 제조한 복합체가 520MPa이었고, WA-CVI 및 whisker를 PyC로 코팅한 WA-CVI법으로 제조한 복합체들이 각각 616과 560 MPa이었다.

대상 데이터

/SiC 복합체를 제조하기 위하여 F-CVI 공정을 수행하였다. 출발물질로 MTS(Aldrich Co., 99%)와 H₂의 혼합기체가 사용되었고, pyrolytic carbon(PyC) 증착은 CH₄ 기체를 이용하여 1,000^oC에서 수행하였다. SiC 휘스커의 성장은 MTS를 이용하여 SiC를 침착하듯이 휘스커가 성장할 적정 조건을 유지하면서 기상 화학 반응에 의하여 1,100^oC에서 수행하였다.

이론/모형

일반적으로, 탄화규소 휘스커는 결정학적으로 β상의 [111] 방향으로 성장한다. 본 연구에서는 MTS를 출발 원료로 기상-고상 성장기구를 통한 SiC 휘스커의 성장법을 이용하였다.

성능/효과

5배 이상의 빠른 무게 증가율을 보이는데 이는 성장된 휘스커의 높은 비표면적으로 인해 증착효율이 증가되었기 때문이라 생각된다. 두 방법에서 침착시간이 늘어남에 따라 무게 증가율은 낮아지지만, SiC 휘스커을 공정시킨 공정을 적용하면 침착시간에 관계없이 더 많은 무게 증가율을 얻게 됨을 알 수 있으며, 이에따라 더 치밀한 기지상을 얻을 수 있다고 생각된다.
첫째, 공정이 평형 제어 조건일 때는 침착 혹은 증착시키려는 대상물의 인접한 boundary layer 내에서 평형에 근접하기 때문에 증착 생성물은 열역학적 조건에 의존하게 된다. 이때 얻어지는 증착층은 SiC + Si, SiC, SiC + C 또는 no condensed phase 등이다.

후속연구

이러한 휘스커는 섬유와 섬유 사이의 기공을 새롭게 나누어 주면서 기지가 채워질 수 있는 열린 통로(open channel)를 제공하여 준다. 또한 성장된 휘스커는 SiC가 증착될 수 있는 새로운 자리로 작용하게 될 수 있으며, 이에 따른 기지 채움 공정이 원활하게 진행될 수 있으리라 생각된다. 그러나 휘스커를 성장시키지 않고 기지 채움만 수행하면 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SiCf/SiC 복합체의 특징은?	SiCf/SiC 복합체는 비산화물계 CMC로 높은 열전도도, 우수한 내식성 및 내마모성, 낮은 열팽창율 및 경량으로 인하여 항공우주용 부품으로 aircraft thrust deflector, jet vane, combustion chamber, elevons, body flap, shingle, 가스터빈 엔진 부품으로 inner scroll (Cf/SiC), inner scroll support, inner shroud, extension liner, combustion liner, outer shroud, turbine rotor에 적용하려 하며, 이외에도 차세대 엔진 부품, 열병합 발전용 가스터빈 부품, 열교환기 및 원자력 산업의 가스냉각형 원자로의 노심 구조재료와 핵융합로 블랭킷 구조재료 등으로 응용하기 위해 연구개발이 진행되고 있다[2,4-8]. SiCf/SiC 복합체는 1970년대 중반에 SiC 섬유가 개발된 이후 본격적으로 개발되기 시작하였으며,경제성과 기술적인 문제점 등으로 일반 산업용보다 특수한 용도로만 적용되고 있다.
	CVI 공정에서 치밀화 속도가 느린 문제점을 해결하기 위해 사용되는 방법은?	일반적인 CVI 공정에서는 낮은 증착온도로 치밀화 속도가 느리며, 섬유의 bundle 또는 fabric 층들 사이에 존재하는 큰 기공이 잔류기공으로 존재하게 된다. 이를 극복하기 위하여 원료기체 공급부와 배출부 사이에 온도와 압력구배를 두어 침착효율을 향상시키는 방법이 이용된다. 본 연구팀에서는 기지상 채움 공정 전에 SiC 휘스커를 먼저 성장시키고 기지상을 채우는 WA-CVI(whisker growing assisted CVI) 공정을 개발하였다.
	SiCf/SiC 복합체의 제조방법에는 무엇이 있는가?	SiCf/SiC 복합체를 치밀하게 제조하는 방법에는 고온가압 소결법[13], 슬러리 함침법(slurry infiltration method) [12,14], 용융 함침법(melt infiltration method)[15] 및 화학기상 침착법(CVI)[16] 등이 있다. CVI 방법은 강화재 프리폼 내에 세라믹 기지를 화학기상증/침착시킴으로서 복합체를 제조하는 공정으로 비교적 낮은 온도에서 제조 공정이 이루어지므로 세라믹 섬유의 손상을 최소화 할 수 있고, 수축이 없어서 원하는 치수의 실형상을 제조할 수 있고, 소결조제 사용이나 열분해 공정이 포함되지 않으므로 고순도의 복합체를 제조할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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