[논문]액상가압성형 공정을 이용한 SiC 연속섬유 강화 마그네슘 복합재료 개발

조승찬; 이동현; 이영환; 신상민; 고성민; 김정환; 김양도; 이상관; 이상복

doi:10.7234/composres.2020.33.5.247

[국내논문] 액상가압성형 공정을 이용한 SiC 연속섬유 강화 마그네슘 복합재료 개발
Development of Continuous SiC Fiber Reinforced Magnesium Composites Using Liquid Pressing Process 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.5, 2020년, pp.247 - 250

초록
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본 연구에서는 액상가압성형 공정을 이용하여 SiC 연속섬유가 강화된 마그네슘 복합재료의 제조 가능성을 검토하였다. 액상가압성형 공정을 이용하여 SiC 섬유가 균일 분산된 AZ91 복합재료를 제조하였으며 열처리를 통하여 석출상을 제어하였다. SiC 섬유와 기지합금의 계면에 연속적인 Mg₂Si상이 형성되면서 계면 결합력이 향상되었고, 제조된 복합재료의 상온 인장강도는 479 MPa로 우수한 기계적 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the possibility of manufacturing a magnesium (Mg) composites reinforced with continuous silicon carbide (SiC) fibers was examined using a liquid pressing process. We fabricated uniformly dispersed SiC fiberAZ91 composites using a liquid phase pressing process. Furthermore, the precipitates were controlled through heat treatment. As a continuous Mg2Si phase was formed at the interface between the SiC fiber and the AZ91 matrix alloy, the interfacial bonding strength was improved. The tensile strength at room temperature of the prepared composite was 479 MPa, showing excellent mechanical properties.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic and experimental conditions of liquid pressing process
그림 Fig. 2. SEM images of as-fabricated SiC_f-AZ91 composites
표 Table 1. Properties of AZ91 alloy [9] and SiC fiber [10]
그림 Fig. 3. SEM-EDS analysis of as-fabricated SiC_f-AZ91 composites
그림 Fig. 4. SEM images of heat-treated SiC_f-AZ91 composites
그림 Fig. 5. SEM-EDS analysis of heat-treated SiC_f-AZ91 composites
그림 Fig. 6. EPMA images of heat-treated SiC_f-AZ91 composites
$Fig. 7. (a) Tensile stress-stain curve, and (b) fractured surface SEM images of heat-treated SiC<sub>f</sub>-AZ91 composites$ 그림 Fig. 7. (a) Tensile stress-stain curve, and (b) fractured surface SEM images of heat-treated SiC_f-AZ91 composites

AI 본문요약
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문제 정의

강화재와 기지합금의 계면에 균일한 반응상을 형성할 경우 계면 결합력을 향상시켜 복합재료의 전체 구조 강도를 향상시킬 수 있지만 불규칙하고 조대한 석출물이 기지합금이나 계면에 존재할 경우 오히려 복합재료의 강도 및 연신율을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 제조된 복합재료의 미세조직 균질화를 위하여 T4 용체화 열처리를 진행하였다.
본 연구에서는 분위기 제어 및 저압의 성형 압력을 이용하여 강화재에 액상의 금속을 효과적으로 함침시킬 수 있는 액상가압성형 공정을 이용하여 결함이 거의 없는 SiC연속 섬유가 균일하게 분산된 SiC_f -AZ91 복합재료를 성공적으로 개발하였다. 또한, 용체화 열처리를 통하여 조대한 Mg₁₇Al₁₂상의 제어가 가능함을 확인하였고 SiC_f와 AZ91 기지합금의 계면에 균일한 Mg₂Si 계면상이 형성되면서 계면 결합력을 향상시켜 479 MPa의 우수한 상온 인장강도를 나타내었다.

제안 방법

기지합금과 강화재의 열팽창계수 차이에 의한 잔류응력을 제거하기 위하여 263oC에서 1시간 열처리를 진행하였고 균질화(T4)를 위하여 413oC 에서 16시간 열처리 후 수냉하였다.
따라서, 본 연구에서는 분위기를 제어하면서 용융된 금속을 저압으로 가압하여 복합재료를 제조 가능한 액상가압성형공정(liquid pressing process)[7,8]을 이용하여 탄소섬유 및 SiC 장섬유가 강화된 마그네슘 복합소재를 제조하였다.
금형 크기로 절단한 SiC 섬유를 금형 내부에 AZ91 기지 금속과 함께 적층한 후 액상가압성형 장비에 장입하고 680^oC 에서 10 MPa 이하의 압력으로 가압하여 연속섬유 강화 마그네슘 복합재료를 제조하였다. 기지합금과 강화재의 열팽창계수 차이에 의한 잔류응력을 제거하기 위하여 263^oC에서 1시간 열처리를 진행하였고 균질화(T4)를 위하여 413^oC 에서 16시간 열처리 후 수냉하였다.
기지합금과 강화재의 열팽창계수 차이에 의한 잔류응력을 제거하기 위하여 263^oC에서 1시간 열처리를 진행하였고 균질화(T4)를 위하여 413^oC 에서 16시간 열처리 후 수냉하였다. 액상가압공정에 의해 제조된 SiC_f -AZ91 복합재료의 건전성을 평가하기 위해 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL) 및 electron probe micro-analyzer (EPMA)를 이용하여 미세조직을 분석하였다. 기계적 물성 평가를 위해 만능 시험기(Universal Testing Machine, 5882 model, Instron)를 이용하여 SiC 섬유 배향 방향으로 인장 시험을 하였다.
액상가압공정에 의해 제조된 SiC_f -AZ91 복합재료의 건전성을 평가하기 위해 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL) 및 electron probe micro-analyzer (EPMA)를 이용하여 미세조직을 분석하였다. 기계적 물성 평가를 위해 만능 시험기(Universal Testing Machine, 5882 model, Instron)를 이용하여 SiC 섬유 배향 방향으로 인장 시험을 하였다. 인장 시험은 두께 1.

대상 데이터

SiC 섬유 강화 Mg 복합재료 제조에 사용된 기지합금은 AZ91이며 강화재는 β-SiC 결정구조를 가지는 NicalonTM SiC fiber를 사용하였다.
인장 시험은 두께 1.5 mm, 폭 2 mm, 게이지길이 5 mm 규격의 시험편을 사용하였으며, 3.33 × 10-4/s의 속도로 시험하였다.
SiC fiber를 사용하였다. Table 1에 실험에 사용된 AZ91 및 SiC fiber의 물성을 정리하였다.

성능/효과

열처리 전과 비교하여 SiCf의 분산 및 거시적인 미세조직의 변화는 없었지만 고배율 SEM 이미지에서 알 수 있듯이 기지합금의 결정립 크기는 약 20~30 μm 로 결정립계가 확실하게 관찰되었으며 기지합금의 조대한 석출물이 감소한 것을 확인하였다.
저배율 SEM 이미지에서 알 수 있듯이 SiC_f 사이로 AZ91이 균일하게 함침되어 있음을 알 수 있다. 고배율 이미지에서 일부 SiC_f 사이의 국부적인 응집이 관찰되지만 기공이나 결함이 거의 없는 건전한 복합재료가 제조되었고, AZ91 기지합금에 석출상이 형성되어 있는 것을 확인하였다.
3에 나타내었다. SiC 섬유와 AZ91 기지합금의 계면에 Mg₂Si 석출상이 형성되어 있음을 알 수 있었고 기지합금에 Mg₁₇Al₁₂ 석출상의 형성도 관찰되었다. Mg₂Si상의 경우 액상의 Mg와 SiC의 반응에 의하여 SiC 표면을 따라 형성된 것을 알 수 있다.
SEM-EDS 분석을 진행한 결과, 용체화 처리 후 SiC_f 주위에 미세한 Al₈Mn₅상이 존재하는 것을 확인하였으며 입계 에 존재하던 Mg₁₇Al₁₂상의 경우 Mg 기지로 고용된 것을 알 수 있었다. Mg₁₇Al₁₂상 및 Al₈Mn₅상의 경우 AZ91 합금에서 일반적으로 발견되는 금속간 화합물로 SiC_f -AZ91 복합재료에서도 동일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
상의 경우 Mg 기지로 고용된 것을 알 수 있었다. Mg₁₇Al₁₂상 및 Al₈Mn₅상의 경우 AZ91 합금에서 일반적으로 발견되는 금속간 화합물로 SiC_f -AZ91 복합재료에서도 동일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, SiC_f 주위에 미세한 Mn이 석출되어있고 동일 부위에 Al의 농도가 감소한 것으로 보아 부분적인 Al₈Mn₅의 형성을 알 수 있다. 따라서 SiC_f -AZ91 복합재료의 경우 SiC_f와 AZ91기지합금의 계면 반응에 의하여 Mg₂Si 계면 석출상이 형성되지만 용체화 열처리에 의하여 조대한 Mg₁₇Al₁₂상을 제어할 수 있음을 확인하였다.
7a). 문헌에 보고되는 AZ91의 인장강도가 약 275 MPa임을 고려할 때 SiC_f를 첨가함에 따라 약 200 MPa 이상의 인장강도가 향상되었음을 알 수 있다. Fig.
7b의 SEM 파단면 분석 결과에서도 소성 변형이 거의 없는 취성 파괴 양상을 확인할 수 있었으며 SiC_f의 개별적인 박리도 관찰되지 않고 깨끗한 파단면을 형성하였다. 따라서 SiC_f와 AZ91 기지합금의 계면에 Mg₂Si가 형성됨으로 인해 계면 결합력이 향상시킨 결과 기지합금에서 SiC_f 로 효과적인 하중전달이 일어나면서 복합소재의 인장강도가 증가한 것으로 판단된다.
-AZ91 복합재료를 성공적으로 개발하였다. 또한, 용체화 열처리를 통하여 조대한 Mg₁₇Al₁₂상의 제어가 가능함을 확인하였고 SiC_f와 AZ91 기지합금의 계면에 균일한 Mg₂Si 계면상이 형성되면서 계면 결합력을 향상시켜 479 MPa의 우수한 상온 인장강도를 나타내었다. 공정최적화를 통한 SiC_f의 분산성 향상 및 계면 반응상의 정밀 제어를 통하여 구조 물성의 추가적인 향상이 기대되며, 상온 물성뿐만이 아니라 내열성 및 고온강도의 향상이 기대된다.

후속연구

또한, 용체화 열처리를 통하여 조대한 Mg₁₇Al₁₂상의 제어가 가능함을 확인하였고 SiC_f와 AZ91 기지합금의 계면에 균일한 Mg₂Si 계면상이 형성되면서 계면 결합력을 향상시켜 479 MPa의 우수한 상온 인장강도를 나타내었다. 공정최적화를 통한 SiC_f의 분산성 향상 및 계면 반응상의 정밀 제어를 통하여 구조 물성의 추가적인 향상이 기대되며, 상온 물성뿐만이 아니라 내열성 및 고온강도의 향상이 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

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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