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폴리카보실란 전구체로부터 고온 산화성분위기서 기계적물성이 우수한 파이롯-규모의 탄화규소섬유 제조공정 개발
Development of Pilot-Scale Manufacturing Process of SiC Fiber from Polycarbosilane Precursor with Excellent Mechanical Property at Highly Oxidation Condition and High Temperature 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.2, 2017년, pp.116 - 125  

윤병일 (DACC Carbob Co., Ltd.) ,  최우철 (DACC Carbob Co., Ltd.) ,  김정일 (DACC Carbob Co., Ltd.) ,  김재성 (DACC Carbob Co., Ltd.) ,  강홍구 (KCF Co., Ltd.) ,  김명주 (DACC Carbob Co., Ltd.)

초록
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본 연구의 목적은 고온 산화성 분위기하에서 기계적물성이 우수한 탄화규소섬유(SiC Fiber)를 파일롯-규모로의 생산 제조공정을 개발하는 것이다. 프리세라믹 전구체로서 폴리카보실란(PCS)을 사용하여 탄화규소섬유를 제조하였다. 연속성의 PCS 섬유는 $300{\sim}350^{\circ}C$에서 PCS를 용융한 후에 용융방사로부터 얻었다. 열처리 전에 섬유의 불융화를 위하여 공기 분위기하에서 경화를하였다. 경화 전, 후에 측정한 FT-IR 스펙트라 피크로 부터 경화도를 계산하였다. 탄화규소섬유의 물성은 경화도에 따라 크게 영향을 받았다. 본 개발에서 열처리 중 섬유의 장력 조절로 우수한 물성을 갖는 탄화규소섬유를 얻었다. 탄화규소섬유의 화학조성과 기계적물성은 안정화섬유의 열처리시의 이송속도에 영향을 받았다. 탄화규소섬유를 공기분위기하 $1000^{\circ}C$에서 1분부터 50시간까지 노출한 후에 인장시험을 수행하였다. 그 결과 인장강도는 약 60%까지 감소함을 보여주었다. 장시간 노출시험시 낮은 인장 강도값을 나타내는 섬유는 화학성분 분석시 섬유의 표면에 많은 탄소량을 함유하고 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to develop silicon carbide fiber showing an excellent mechanical properties under highly oxidative conditions at high temperature. Polycarbosilane(PCS) as a preceramic precursor was used for making the SiC fiber. PCS fiber was taken by melt spinning method followed by me...

주제어

#탄화규소섬유   #폴리카보실란   #용융방사   #공기산화   #경화도   #열처리   #고온인장시험  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LEAP엔진에 세라믹 복합재 적용시 얻을 수 있는 이점은? 탄화규소 섬유를 사용하여 SiCf/SiC 복합재를 제작하여 보잉과 에어버스 항공기에 장착할 LEAP엔진에 적용을 시작하였다[2]. 이와 같은 세라믹 복합재를 적용시에는 무게를 1/3감소하고, 사용온도를 1500℃로 올리고, 사용수명은 10만시간 이상으로증가되며, 냉각시스템 설치가 필요없으며, 질소산화물 배출가스를 20% 줄이고, 그리고 연료 효율을 15% 증가시키는 효과를 가져오는 것으로 알려져 있다.
세라믹섬유에 세라믹 매트릭스를 사용한 복합재료(CMC)가 개발된 원인은 무엇인가? 이와 같이 탄소섬유는 비강도, 비강성, 내 피로성이 우수한 특성을 갖고 있다. 그러나 탄소섬유 자체는 공기 분위기하에서 고온에 노출시에는 아주 빠른 속도로 산화가 발생하여 강도가 급속하게 감소하여 이와 같은 환경에서는 사용이 불가능하다. 따라서 탄소섬유의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 세라믹섬유에 세라믹 매트릭스를 사용한 복합재료(CMC)가 개발되고 있고, 일부는 이미 실용화 되어 사용되고 있다.
탄소섬유의 특성은 무엇인가? 특히 항공기 분야에서 보잉사의 787Dreamliner는 무게비로 50%가 복합재료로 구성되어 있다. 이와 같이 탄소섬유는 비강도, 비강성, 내 피로성이 우수한 특성을 갖고 있다. 그러나 탄소섬유 자체는 공기 분위기하에서 고온에 노출시에는 아주 빠른 속도로 산화가 발생하여 강도가 급속하게 감소하여 이와 같은 환경에서는 사용이 불가능하다.
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참고문헌 (17)

  1. www.geaviation.com(Feb. 27, 2012). 

  2. http/www.cfmaeroengines.com, LEAP-Engines-CFM International 

  3. S. Yajima, Y. Haseegawa, J. Hayashi, and M. Iimura, "Synthesis of Continuous Silicon Carbide Fiber with High Tensile Strength and High Young's Modulus, Part 1. Synthesis of Polycarbosilane as Precursor", Journal of Materials Science, Vol. 13, 1978, pp. 2569-2576. 

  4. (www.coiceramics.com/pdfs/Sylramic.pdf 

  5. www.coiceramics.com/pdfs/Nicalon.pdf 

  6. www.ube-ind.co.jp 

  7. A. Idesaki, M. Narisawa, K. Okamura, M. Sugimpto, S. Tanaka, Y. Morita, T. Seguchi, and M. Itoh, "Fine SiC Fiber Synthesized from Organosilicon Polymers: Relationship between Spinning Temperature and Melt Viscosity of Precursor Polymers", Journal of Materials Science, Vol. 36, 2001, pp. 5565-5569. 

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  8. T. Ouyang and C. Balan, "Modeling of Fiber Spinning Flows of Pre-ceramic Polymer Melts", U.P.B. Sci. Bull., Series B, Vol. 72, Iss. 4. 2010. 

  9. Y. Wang, Y. Song, C. Feng, Z. Zou, Y. Zhao, and J. Long, "Studies of Spinnibility of Polycarbosilane and Spinning Technology of its Continuous Fibers", Key Engineering Materials, Vols. 164-165, 1999, pp. 33-38. Trans Tech Publications Swizerland. 

  10. H. Ichikawa, H. Teranishi, and T. Ishikawa, "Effects of Curing on Mechanical Properties of SiC Fiber(Nicalon)", Journal of Materials Science Letters Vol. 6, 1987, pp. 420-422. 

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  11. H. Q. Ly, R. Taylor, and R. J. Day, "Conversion of Polycarbosilane(PCS) to SiC-based Ceramic Part 1. Characterisation of PCS and Curing Products," Journal of Materials Science, Vol. 36, 2001, pp. 4037-4043. 

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  12. H. Wang, X. D. Li, X.-X. Li, B. Zhu, and D. P. Kim, "The Kinetics of Oxidation of Polycarbosilane Fibers", Korean Journal of Chemical Engineering, Vol. 21, No. 4, 2004, pp. 901-904. 

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  13. H. Suwardie, D. M. Kalyon, and S. Kovenklioglu, "Thermal Behavior and Curing Kinetics of Poly(carbosilane)", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 42, 1991, pp. 108701095. 

  14. Z. Chu, C. Feng, Y. Song, Y. Wang, X. D. Li, and J. Xiao, "Effect of Oxygen Content on Tensile Strength of Polymer-derved SiC fibers", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 12, No. 5, Oct. 2002. 

  15. G. Chollon, R. Pailler, and R. Naslain, "Thermal Stability of PCS-Derived SiC Fiber with a Low Oxygen Content(Hi-Nicalon)", Journal of Materials Science, Vol. 32, 1997, pp. 327-347. 

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  16. G. D. Soraru, F. Babonneau, and J. D. Mackenzie, "Structural Evolutions from Polycarbosilane to SiC Ceramic", Journal of Materials Science, Vol. 25, 1990, pp. 3886-3893. 

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  17. K. Morishita, T. Matsumoto, S. Ochiai, H. Okuda, T. Ishikawa, and M. Sato, "Degration Mechanism of Armorphous Silicon Carbide Fiber due to Air-exposure at High Temperature", Materials Transactions, Vol. 48, No. 2, 2007, pp. 111-116. 

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