[논문]HfC-코팅 C/C 복합재료의 유효 물성 산출을 위한 미시역학 전산 해석

노경욱; 김호석; 신의섭

doi:10.5139/jksas.2020.48.12.961

HfC-코팅 C/C 복합재료의 유효 물성 산출을 위한 미시역학 전산 해석
Micromechanical Analysis for Effective Properties of HfC-coated Carbon/Carbon Composites 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.12, 2020년, pp.961 - 968

노경욱 (Department of Aerospace Engineering, Jeonbuk National University) , 김호석 (High-Enthalpy Plasma Research Center, Jeonbuk National University) , 신의섭 (Department of Aerospace Engineering, Jeonbuk National University)

초록
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본 연구에서는 미시역학 전산 모형을 통해 열 보호 시스템에 사용되는 내열 코팅 재료의 유효 열전도도와 탄성 계수를 산출하고 분석하였다. 상용 프로그램 Simpleware를 이용하여 HfC로 코팅된 탄소/탄소 복합재료의 삼차원 전산 모형을 생성한 후 유한요소 해석을 수행하였다. 유효 물성의 경향을 확인하기 위해 코팅층의 기공도와 두께 변화를 고려하였다. 또한, 실제 시편을 제작하여 실험에서 온도에 따라 측정된 열전도도와 해석에서 산출된 열전도도를 서로 비교하였으며 해석 결과가 측정값에 근접하였다. 이를 통해 내열 코팅 재료의 유효 물성을 산출하는데 있어서 미시역학 전산 해석이 적절함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effective thermal conductivity and elastic modulus of heat-resistant coating materials are analyzed by using micromechanical computational models. Three-dimensional computational models for HfC-coated carbon/carbon composites were created with Simpleware, and finite element analysis was performed. The porosity and thickness changes in the coating layer were taken into account to identify the tendency of effective material properties. In addition, the coupon specimen was produced to compare the thermal conductivity measured by experiments with the one obtained by finite element analysis according to temperature changes, and the analysis results were close to the measured values. This confirms that micromechanical computational analysis is appropriate in the calculation of effective material properties of coating composites.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 내열 코팅 재료의 유효 물성 산출을 위한 미시역학 전산 해석을 수행하였다. 내열 코팅 재료는 화학 기체 반응을 통해 SiC 층이 형성되도록 하고 진공 플라즈마 용사법을 이용하여 HfC를코팅하였다.
본 연구에서는 미시역학 전산 모형을 이용한 내열 코팅 재료의 유효 열전도도와 탄성 계수를 산출하여 분석하였다. 전산 모형은 주로 코팅층 위주로 구성한 모형과 탄소/탄소 복합재료를 반영한 모형을 개발하였다.

가설 설정

있다. Dirichlet 경계 조건은 각 면에서 온도가 균일하다고 가정하며, Neumann 경계 조건은 열 유속이 균일하다고 가정한다. 마지막으로 혼합 경계 조건은 Dirichlet 경계 조건과 Neumann 경계 조건을 혼합한 형태이다.
Kinematic 경계 조건은 변형도가 균일하다고 가정하며, Static 경계 조건은 응력이 균일하다고 가정한다. 혼합 경계조건은 Kinematic과 Static 경계 조건을 혼합한 형태이다[13].
탄소/탄소 복합재료는 코팅층과의 상대적인 두께를 고려하기 위해 130, 260, 650 μm의 세 가지 경우를 선택하였다. 각 계면에서 미세 균열과 같은 접합 상태는 초기 선형 물성에 상대적으로 영향이 크지 않으므로 완전 결합 상태를 가정하였다. 탄소/탄소 복합재료의 두께만 변화를 주기 위해 HfC 층의 기공도, 모양, 위치는 Model 1과 동일하다.

제안 방법

전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware의 +CAD 모듈을 사용하여 개발하였다. FE Grid 방식으로 1개의 복셀(voxel)을 5개의 이차 사면체 요소(quadratic tetrahedra element) 로메싱(meshing)하여 전산 모형을 생성하였다. 복 셀은 삼차원 공간에서 영상을 구성하는 정육면체 정규 격자 단위의 값을 나타낸다.
Simpleware의 +Laplace, +Solid 모듈을 이용하여 온도에 따른 코팅층의 유효 열전도도 및 탄성 계수를 산출하였다. HfC 층의 기공도 및 두께에 따른 유효 열전도도와 탄성 계수의 경향을 확인하였다. 실제 시편의 실험을 통해 측정된 열전도도와 해석을 통해 산출된 열전도도를 비교하였고 서로 근접하는 것을 확인하였다.
탄소/탄소 복합재료는 코팅층의 두께를 고려하여 130, 260, 650 μm로설정하였다. HfC 층의 내부 기공은 랜덤 코드에 의해 재료 내부에 배치하였고 탄소/탄소 복합재료의 두께만 변화를 주기 위해 HfC 층의 기공도, 모양, 위치는 동일하게 설정하였다. 재료 물성 중 HfC, SiC 는 문헌 값을 참고하고 탄소/탄소 복합재료는 실험으로 측정된 물성을 사용하였다.
전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware +CAD 모듈을 이용하여 개발 목적에 따라 코팅층의 기공도, 두께, 탄소 복합재료를 반영한 모형으로 분류하였다. Simpleware의 +Laplace, +Solid 모듈을 이용하여 온도에 따른 코팅층의 유효 열전도도 및 탄성 계수를 산출하였다. HfC 층의 기공도 및 두께에 따른 유효 열전도도와 탄성 계수의 경향을 확인하였다.
HfC 내의 30개 기공은 랜덤 코드에 의해 분포시켰으며, 경계면에서의 영향을 줄이기 위해 기공은 재료 내부에만 배치하였다. 기공의 형상은 기본적인 경향을 살펴보기 위해 구형을 사용하였다. 전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware의 +CAD 모듈을 사용하여 개발하였다.
열전도도와 마찬가지로 모든 온도 범위에서 구성 재료의 상한과 하한에 영향을 받는다. 기공이 포함된 HfC의 과도한 변형을 방지하기 위해 이후 해석에서는 Kinematic 경계 조건을 선택하였다.
제작 과정의 기공도 및 두께의 변화에 따른 유효 열전도도 및 탄성 계수의 경향을 확인하기 위해 전산모형을 개발하고 분석하였다. 또한 실제 코팅된 시편실험을 통해 측정한 열전도도와 비교하기 위해 코팅층과 탄소/탄소 복합재료를 고려한 전산 모형을 개발하고 유한요소 해석을 수행하였다.
내열 코팅 재료는 화학 기체 반응을 통해 SiC 층이 형성되도록 하고 진공 플라즈마 용사법을 이용하여 HfC를코팅하였다. 또한, 실제 코팅된 시편의 실험을 통해 측정한 열전도도와 비교하기 위하여 코팅층과 탄소/ 탄소 복합재료를 고려한 전산 모형을 개발하고 유한요소 해석을 수행하였다. 전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware +CAD 모듈을 이용하여 개발 목적에 따라 코팅층의 기공도, 두께, 탄소 복합재료를 반영한 모형으로 분류하였다.
서브볼륨 및 경계 조건의 영향을 확인하기 위해 Simpleware를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 전산 모형으로 Fig.
또한, 실제 코팅된 시편의 실험을 통해 측정한 열전도도와 비교하기 위하여 코팅층과 탄소/ 탄소 복합재료를 고려한 전산 모형을 개발하고 유한요소 해석을 수행하였다. 전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware +CAD 모듈을 이용하여 개발 목적에 따라 코팅층의 기공도, 두께, 탄소 복합재료를 반영한 모형으로 분류하였다. Simpleware의 +Laplace, +Solid 모듈을 이용하여 온도에 따른 코팅층의 유효 열전도도 및 탄성 계수를 산출하였다.
기공의 형상은 기본적인 경향을 살펴보기 위해 구형을 사용하였다. 전산 모형은 CATIA V5 및 Simpleware의 +CAD 모듈을 사용하여 개발하였다. FE Grid 방식으로 1개의 복셀(voxel)을 5개의 이차 사면체 요소(quadratic tetrahedra element) 로메싱(meshing)하여 전산 모형을 생성하였다.
여기서는 VPS 장비로 탄소/ 탄소에 HfC를 코팅한 시편을 해석 대상으로 하였다. 제작 과정의 기공도 및 두께의 변화에 따른 유효 열전도도 및 탄성 계수의 경향을 확인하기 위해 전산모형을 개발하고 분석하였다. 또한 실제 코팅된 시편실험을 통해 측정한 열전도도와 비교하기 위해 코팅층과 탄소/탄소 복합재료를 고려한 전산 모형을 개발하고 유한요소 해석을 수행하였다.
영향을 줄일 수 있다. 중앙이 고정된 상태에서 관심 영역을 비례적으로 축소하여 적절한 영역을 확보하여 계산한다. 실제 전산 모형에서는 경계면에서의 기공의 영향을 피하기 위해 전산 모형보다 작은 영역을 사용한다.
코팅층에서 HfC의 기공도를 고려한 유효 열전도도 및 탄성 계수를 산출하기 위해 전산 해석을 수행하였다. 전산 모형은 Model 1의 HfC의 기공도를 고려하여 코팅 재료로 사용되는 HfC의 기공도를 0부터 0.
코팅층에서 HfC의 두께를 고려하여 유효 열전도도와 탄성 계수를 산출하기 위한 전산 해석을 수행하였다. 전산 모형은 Fig.
코팅층에서 온도에 따른 유효 물성을 산출하기 위해 코팅층을 이루는 HfC와 SiC의 열전도도와 탄성계수는 참고문헌 값을 참조하였다[14, 15]. 모재인 탄소/탄소 복합재료 및 코팅 시편의 열전도도는 한국세라믹기술원에서 레이저 플래시법에 의해 측정된 데이터를 참조하였으며, 탄성 계수는 참고문헌 값을 참조하였다[16].
2의 Model 2를 사용하였다. 탄소/탄소 복합재료는 코팅층의 두께를 고려하여 130, 260, 650 μm로설정하였다. HfC 층의 내부 기공은 랜덤 코드에 의해 재료 내부에 배치하였고 탄소/탄소 복합재료의 두께만 변화를 주기 위해 HfC 층의 기공도, 모양, 위치는 동일하게 설정하였다.

대상 데이터

참고문헌 값을 참조하였다[14, 15]. 모재인 탄소/탄소 복합재료 및 코팅 시편의 열전도도는 한국세라믹기술원에서 레이저 플래시법에 의해 측정된 데이터를 참조하였으며, 탄성 계수는 참고문헌 값을 참조하였다[16]. 모든 재료 물성은 온도 별로 고려하여 이를 Table 1, 2에 제시하였다.
본 연구에서 사용된 탄소/탄소 복합재료는 니들펀칭(needle punching) 프리폼을 이용하여 제작하였다. 니들 펀칭 프리폼은 제조 공정이 간단하고 생산성 및 성형성이 우수한 장점이 있다.
2에서 Model 1은 실제 시편 중 HfC와 SiC로 구성된다. 실제 시편 정보를 반영하여 HfC는 100 μm, SiC는 30 μm로 설정하였다. 실제 시편의 기공 도가 16.
전북대학교 고온플라즈마응용연구센터의 55 kW 급 진공 플라즈마 용사(vacuum plasma spray, VPS) 코팅 시스템은 고온의 아크 플라즈마를 이용하여 고융점의 재료를 용융 분사시켜 기판에 적층 및 코팅층을 형성하는 장비이다. 여기서는 VPS 장비로 탄소/ 탄소에 HfC를 코팅한 시편을 해석 대상으로 하였다. 제작 과정의 기공도 및 두께의 변화에 따른 유효 열전도도 및 탄성 계수의 경향을 확인하기 위해 전산모형을 개발하고 분석하였다.
HfC 층의 내부 기공은 랜덤 코드에 의해 재료 내부에 배치하였고 탄소/탄소 복합재료의 두께만 변화를 주기 위해 HfC 층의 기공도, 모양, 위치는 동일하게 설정하였다. 재료 물성 중 HfC, SiC 는 문헌 값을 참고하고 탄소/탄소 복합재료는 실험으로 측정된 물성을 사용하였다.
전산 모형은 Fig. 2의 Model 1에서 HfC의 두 께를 30, 100, 170, 240 μm로 설정하였다. 구형 기공은 재료 내부에 배치하였으며 기공도는 0.
168, 각 코팅층의 두께는 HfC는 100 μm, SiC는 30 μm로 설정하였다. 탄소/탄소 복합재료는 코팅층과의 상대적인 두께를 고려하기 위해 130, 260, 650 μm의 세 가지 경우를 선택하였다. 각 계면에서 미세 균열과 같은 접합 상태는 초기 선형 물성에 상대적으로 영향이 크지 않으므로 완전 결합 상태를 가정하였다.

이론/모형

이러한 제조과정을 거친 탄소/탄소 복합재료는 화학 기체 반응 (chemical vapor reaction, CVR)을 통해 Si(실리콘)이표면의 C(탄소)와 반응해 30 μm의 SiC 층이 형성되도록 하였다. C/C-SiC 복합재료의 내산화 및 내마모성을 향상시키기 위해 진공 플라즈마 용사법을 이용하여 100 μm의 HfC를 코팅하였다. 또한 열전도도를 측정하기 위해서 제작된 탄소/탄소 복합재료와 HfC 코팅체의 시편은 Fig.
위한 미시역학 전산 해석을 수행하였다. 내열 코팅 재료는 화학 기체 반응을 통해 SiC 층이 형성되도록 하고 진공 플라즈마 용사법을 이용하여 HfC를코팅하였다. 또한, 실제 코팅된 시편의 실험을 통해 측정한 열전도도와 비교하기 위하여 코팅층과 탄소/ 탄소 복합재료를 고려한 전산 모형을 개발하고 유한요소 해석을 수행하였다.
전산 해석은 Synopsys사의 Simpleware를 사용하였다. Simpleware는 Micro-CT 이미지 또는 삼차원 데이터를 이용하여 전산 모형을 생성하고 유한 요소해석을 수행할 수 있다.

성능/효과

산출된 열전도도를 보면 Fig. 9(a)에서 RM-2가 됐을 때 평균 11.5%, RM-3이 됐을 때 26.2% 증가하였다. Fig.
실제 시편의 실험을 통해 측정된 열전도도와 해석을 통해 산출된 열전도도를 비교하였고 서로 근접하는 것을 확인하였다. 내열 코팅 재료의 물성을 산출하기 위해서는 미시역학 전산 해석이 유효함을 확인하였다.
8에 나타내었다. 상온에서 탄성 계수는 두께가 70 μm씩 증가할 때 E₁은 평균 3.0%, E₃은 평균 3.1% 감소하는 경향을 보였다. 2,000 ℃에서 E₁은 평균 8.
HfC 층의 기공도 및 두께에 따른 유효 열전도도와 탄성 계수의 경향을 확인하였다. 실제 시편의 실험을 통해 측정된 열전도도와 해석을 통해 산출된 열전도도를 비교하였고 서로 근접하는 것을 확인하였다. 내열 코팅 재료의 물성을 산출하기 위해서는 미시역학 전산 해석이 유효함을 확인하였다.
7% 증가함을 보였다. 이로서 탄소/탄소 복합재료의 체적비가 적절히 반영된 전산 해석 결과는 실제 측정한 HfC 코팅 체의 실험값에 근접함을 확인하였다. 산출한 탄성 계수 결과를 Fig.
5% 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 HfC 층의 기공도가 증가함에 따라 유효 열전도도와 탄성 계수가 감소함을 확인하였다.

후속연구

향후 Micro-CT로 촬영된 이미지 영상을 기반으로 전산 모형을 개선하면[17] 보다 현실성 있는 유효 물성 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 예를 들어계면 인근의 미세 균열, 층간 분리 등을 고려하면 접합 강도 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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