반응소결된 텅스텐 나노복합재료의 기계적 특성에 미치는 미세조직의 영향 연구

Abstract

텅스텐 및 텅스텐 복합재료는 녹는점이 높고 고온강도 및 탄성계수, 부식 저항성이 뛰어나며, 낮은 열팽창 계수를 가지기 때문에 로켓의 노즐 또는 러더, 미사일의 노즈 캡 등과 같은 고온의 삭마 환경에서 사용되고 있다. 지난 20년간 이러한 고온 환경에서 사용되는 재료의 수요가 급격하게 증가하고 있으나 요구되는 특성에 부합하는 단일 재료가 없는 실정이며 텅스텐의 경우에도 $1000\degC$에서 강도가 상온에서 보다 60% 감소하는 단점을 가지고 있다. 고온에서 텅스텐의 강도를 향상시키기 위하여 세라막 강화 텅스텐 복합재료를 제조하였다. 강화재인 SiC 나노와이어는 탄소나노튜브와 일산화탄소 분말을 이용해 합성하였으며, 합성된 SiC 나노와이어와 SiC 나노입자를 텅스텐 분말에 균일하게 혼합하기 위하여 분부건조법을 이용해 SiC/W 나노복합분말을 제조하고 이를 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여 소결한 후 경도시험, 압축강도시험, 굽힘시험을 통해 기계적 특성을 평가하고 미세조직이 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. SiC/W 나노복합분말의 소결 결과 SiC가 소결 과정에서 분해되어 텅스텐 카바이드와 텅스텐 실리사이드 상이 생성되는 것을 확인하였으며, 텅스텐 나노복합재료의 기계적 특성은 강화상의 부피분율이 증가함에 따라 향상되는 결과를 나타내었다. 텅스텐 나노복합재료의 이론밀도는 W-Si-C 3원계 상태도를 이용해 구하였으며, 이를 아르키메데스 법을 이용하여 구한 실제 밀도와 비교하였다. 텅스텐 나노복합재료의 경도와 압축강도는 텅스텐 카바이드와 텅스텐 실리사이드의 분율이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 SiC 나노와이어를 강화재로 사용한 복합재료가 SiC 나노입자를 강화재료 사용한 복합재료보다 높은 기계적 특성을 나타냈는데 이는 텅스텐 실리사이드 상의 형상에 따른 차이로 인한 것으로 생각된다. 텅스텐의 고온 산화 거동을 분석하기 위해 고온 산화 시험을 실시한 결과 복합재료의 표면에서 텅스텐이 산화되어 텅스텐 산화물이 생성되었으며, 텅스텐 실리사이드 또한 산화되어 표면에 산화피막을 형성하여 텅스텐의 산화를 방지하는 것을 관찰할 수 있었다.