[논문]탄화규소섬유와 탄소섬유 하이브리드 직물을 강화재로 한 SiC 매트릭스 세라믹복합재의 기계적물성, 산화 및 삭마 저항성 개선 연구

윤병일; 김명주; 김재성; 권향주; 윤성태; 김정일

doi:10.7234/composres.2019.32.3.148

탄화규소섬유와 탄소섬유 하이브리드 직물을 강화재로 한 SiC 매트릭스 세라믹복합재의 기계적물성, 산화 및 삭마 저항성 개선 연구
Study on Improvement of Mechanical Property, Oxidation and Erosion Resistance of SiC Matrix Ceramic Composites Reinforced by Hybrid Fabric Composed of SiC and Carbon Fiber 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.3, 2019년, pp.148 - 157

윤병일 (Dacc Carbon Co., Ltd) , 김명주 (Dacc Carbon Co., Ltd) , 김재성 (Dacc Carbon Co., Ltd) , 권향주 (Dacc Carbon Co., Ltd) , 윤성태 (Dacc Carbon Co., Ltd) , 김정일 (Dacc Carbon Co., Ltd)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 탄소섬유, 탄화규소섬유 그리고 하이브리드섬유를 강화재로 하여 TGCVI와 PIP 혼합 공정으로 $C_f/SiC$, $SiC_f/SiC$, $C_f-SiC_f/SiC$의 세라믹복합재를 제조하였다. 열충격싸이클시험, 3점 굴곡시험과 Oxy-Acetylene 토취 시험후에 그들의 기계적물성, 산화저항성과 내삭마성을 평가하였다. $C_f/SiC$복합재는 온도 증가에 따라서 기계적물성의 감소와 준 연성의 파단모드, 그리고 높은 삭마량을 보였다. $SiC_f/SiC$복합재는 $C_f/SiC$ 복합재에 비하여 강한 기계적물성, 낮은 삭마량을 그리고 취성의 파단모드를 나타냈다. 한편 하이브리드 복합재는 가장 우수한 기계적물성과 $SiC_f/SiC$보다는 연성의 파단모드 그리고 $C_f/SiC$ 보다 낮은 삭마량의 결과를 나타냈다. Oxy-Acetylene 토취 시험 중에 SiC매트릭스는 산화되어 $SiO_2$층을 형성하였으며, 특히 이 층은 $C_f-SiC_f/SiC$와 $SiC_f/SiC$ 복합재에서 섬유의 추가적인 삭마를 막는 역할을 하는 것으로 나타났다. 결론적으로 낮은 기공율을 갖는 하이브리드 복합재를 제조한다면, $C_f/SiC$의 산화로 인한 기계적물성의 감소와 $SiC_f/SiC$ 복합재의 취성 파단모드의 개선으로 고온 산화분위기에서 고온열구조재로의 적용이 높을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, $C_f/SiC$, $SiC_f/SiC$ and $C_f-SiC_f/SiC$ ceramic composites reinforcing carbon fiber, SiC fiber and hybrid fiber were fabricated by hybrid TGCVI and PIP process. After the thermal shock cycle, 3-point bending and Oxy-Acetylene torch test, their mechanical behavior, oxidation and erosion resistance were evaluated. The $C_f/SiC$ composite showed a decrease in mechanical property along with increasing temperature, a pseudo-ductile fracture mode and a large quantity of erosion. The $SiC_f/SiC$ composite exhibited stronger mechanical property and lower erosion rate compared to the $C_f/SiC$, but brittle fracture mode. On the other hand, hybrid type of $C_f-SiC_f/SiC$ composite gave the best mechanical property, more ductile failure mode than the $SiC_f/SiC$, and lower erosion rate than the $C_f/SiC$. During the Oxy-Acetylene torch test, the $SiO_2$ formed by reaction of the SiC matrix with oxygen prevented further oxidation or erosion of the fibers for $C_f-SiC_f/SiC$ and $SiC_f/SiC$ composites particularly. In conclusion, if a hybrid composite with low porosity is prepared, this material is expected to have high applicability as a high temperature thermo-structural composite under high temperature oxidation atmosphere by improving low mechanical property due to the oxidation of $C_f/SiC$ and brittle fracture mode of $SiC_f/SiC$ composite.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Thermal shock test apparatus and thermal shock conditions
그림 Fig. 2. Oxy-Acetylene Torch Tester (a) and Test specimen (b)
그림 Fig. 3. Density change at each process step for 3 different CMC Specimens
그림 Fig. 4. SEM image of SiC_f/SiC composite
그림 Fig. 5. SEM-EDAX analysis of SiC_f/SiC composite
표 Table 1. Porosity data of CMC test specimens
그림 Fig. 6. Thermogravimetric Analysis (TGA) of CMC (C, H, S type) up to 1,000℃ at Air atmosphere
그림 Fig. 7. Change in weight loss of CMC after thermal shock cycle at 650℃ (a) and 950℃ (b) for 3 different CMC specimen
표 Table 2. Chemical composition datas by SEM-EDAX analysis
그림 Fig. 8. Photographs of CMC specimens after 3-point bending test
그림 Fig. 9. Load vs Displacement curves from 3-point bending test for 3 types of CMC specimens before and after thermal shock cycle test at (a) RT and 650 and 950℃ respectively
표 Table 3. Bending properties of CMC specimens before and after thermal shock cycle test
그림 Fig. 10. SEM images of 3 type of CMC specimens after thermal shock cycle test at 950℃
그림 Fig. 11. Photographs of eroded surface of 3 different CMC test specimens after Oxy-Acetylene torch test
표 Table 4. Thermal conductivity measured at RT, 600℃ and 900℃ respectively for CMC specimens
그림 Fig. 12. Surface temperature recording for 30 s ablation test of 3 kind of CMC specimens
그림 Fig. 13. Ablation morphologies of CMC reinforced with carbon fiber (a), SiC fiber (b) and hybrid fiber (c) by Oxy-Acetylene torch testing
표 Table 5. Ablation rate in weight of CMC materials by Oxy-Acetylene Torch Test

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹복합재(CMC)의 공정방법은 무엇이 있는가?	세라믹복합재(CMC)는 주로 PIP(Polymer Impregnation & Pyrolysis), CVI(Chemical Vapour Infiltration) 및 SMI(Silicon Melt Infiltration) 공정에 의하여 제조한다[21]. PIP공정은 프리폼에 고분자 프리-세라믹 전구체를 반복적으로 함침과 열분해를 수행하여 기공을 채우는 방법으로서 이 공정은 저렴한 제조 비용이 큰 장점이나, 잔류 기공율이 높고 열전도도가 낮고 매트릭스 구조가 주로 무정형이라는 단점이 있다.
	탄화규소섬유(SiC Fiber)의 특징은?	한편 탄화규소섬유(SiC Fiber)는 비강도와 비강성이 높고, 고온의 공기 분위기하에서 장시간 노출 시에도 산화에 대한 저항성이 뛰어나, 고온에서 강도를 유지하는 우수한 장점을 갖고 있다[15]. 이와 같은 특성때문에 SiC 섬유에 SiC를 매트릭스로 하는 SiCf/SiC 세라믹 복합재는 공기를 흡입하여 연료와 혼합하여 연소함으로써 산화성 분위기가 강한 가스터빈, 제트엔진, 램제트 엔진과 스크램제트 엔진 등에서 연소실 내부의 부품이나, 극초음속 비행체의 각종 내열구조물로서 가장 유망한 소재로 등장하고 있다[16,17].
	탄소섬유를 강화재로 하고 탄화규소(SiC)를 매트릭스로 하는 복합재의 단점은?	세라믹복합재 중에서 탄소섬유를 강화재로 하고 탄화규소(SiC)를 매트릭스로 하는 복합재(Cf/SiC)는 낮은 밀도, 높은 비강도와 비강성, 우수한 열적 안정성의 특징을 갖고 있어 오늘날 우주왕복선이나 극초음속 비행체의 구조물로서 가장 각광을 받고 있는 재료 중 하나이다[10]. 그러나 이 소재는 강화재로 사용하고 있는 탄소섬유가 500oC 전부터 공기와의 반응으로 인하여 산화가 일어나 기계적 강도가 감소하는 단점을 갖고 있다[11,12]. 이와같은 현상을 억제하기 위하여 Cf/SiC 복합재는 일반적으로 SiO2의 Oxide, BN의 Nitride, SiC의 Carbide 등으로 코팅을 하여 산화를 억제하고 있다[13,14].

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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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