A study on the Cf/SiC ceramic composites by liquid silicon infiltration process

Abstract

본 연구 논문은 Liquid silicon infiltration (LSI) 공정을 이용한 carbon fiber reinforced ce-ramic composite 제조를 위한 공정 변수 design을 통한 소재의 성능 향상을 위한 연구 내용이다. Fiber reinforced ceramic matrix composite material은 크게 matrix와 reinforce-ment인 섬유로 나눌 수 있는데, 각각 구성 요소들의 특성뿐만 아니라 이들 상호간의 연계 효과에 의해 복합소재의 최종 물성이 결정 된다. 즉, ceramic matrix composite (CMC)의 물성 향상을 위해서는 섬유의 특성, matrix의 특성 그리고 이들간의 계면특성을 향상시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 탄소섬유로 강화되고 LSI 공정으로 제조된 CMC의 matrix 특성 향상, 섬유와 matrix간의 계면 코팅 처리 그리고 고성능 섬유 적용 가능성에 대한 연구를 수행 하였다. Matrix의 특성 향상을 위해서는 carbon black filler, Si and carbon filler 그리고 Si-Cr alloy infiltration의 공정 변수를 연구 하였으며, 섬유의 계면 코팅을 위해서는 Pyrolytic carbon (PyC), PyC/Si3N4, PyC.SiC 그리고 BN을 사용하였다. 또한, 탄소섬유와 비교해 내열 및 내산화 성능이 우수한 SiC 섬유를 LSI 공정에 적용하여 공정 중 발생하는 문제점 및 향후 가능성에 대한 연구 역시 함께 수행 하였다. 1. LSI 공정에서 matrix는 탄화 과정 후 액상 Si의 침투에 의해 형성된다. 이때 액상 Si는 탄화 과정 중 발생하는 carbon matrix의 균열을 통해 모세관력으로 소재 내부로 침투하고 반응되어 형성된다. Carbon matrix의 균열은 탄화 과정 중 고분자의 열분해 수축과 강화 섬유간의 수축률 차이에 의해 발생하게 되며, 최종 복합소재의 물성을 좌우 하는 매우 중요한 공정이다. 이러한 공정 중 발생하는 균열을 조절하기 위해 본 연구에서는 carbon black 분말을 페놀 수지에 혼합하였으며, 이를 통해 탄화 고정 중 균열의 크기와 양을 조절 할 수 있었다. Carbon black에 의해 transversal crack 밀도와 partial delamination의 양이 증가 하였으며, 이러한 현상은 탄화 matrix의 filler에 의한 탄화 수축 변화와 기공률 증가 때문으로 확인되었다. 또한, filler에 의해 복합소재의 강도는 증가하는 효과를 나타내었지만, 소재의 물성 안정성은 낮아지는 결과를 보였다. 2. 내마모 특성 향상을 위해 filler가 적용된 Liquid Silicon Infiltration 공정을 통해 C/C-SiC 복합소재가 제조되었다. Filler는 Si : Carbon black = 1 : 1이며, phenol resin에 혼합하여 적용되었다. Filler에 의한 residual free Si의 변화량을 측정하였으며 약 0.7%의 감소량을 보였다. XRD 및 dilatometer를 이용해 matrix의 reaction bonded SiC가 filler에 의해 생성됨을 확인하였으며, wear rate가 2.5배이상 감소하여 내마모 특성이 크게 향상되는 결과를 얻었다. 반면 flexural strength는 filler 함량에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 3. 또한, 섬유와 matrix의 계면은 균열의 propagation을 방해 할 뿐 아니라 파손 시 섬유의 pull-out 현상을 유도해 복합소재의 인성을 크게 향상 시키는 중요한 역할을 한다. 이를 위해 Chemical vapor deposition 방법을 이용해 섬유의 표면에 PyC, PyC/Si3N4 그리고 PyC/SiC 코팅층을 형성 시켰으며, 각 코팅층이 적용 되었을 경우 복합소재의 특성 변화를 연구 하였다. PyC의 경우 LSI 공정 도중 infiltration 된 molten Si가 반응하여 코팅 층의 유실이 발견 되었으며, Si3N4 및 SiC를 multi-layer로 적용 할 경우 이를 크게 완화 시킬 수 있음을 확인 하였다. 그러나, Si3N4는 matrix인 SiC와 다른 4.3×10-6/℃의 열팽창계수를 가져 복합소재의 기계적 물성을 향상 시키지는 못했다. 반면 PyC/SiC 코팅을 적용 할 경우에는 200MPa의 flexural strength를 보여 가장 LSI 공정에 적합한 코팅 소재임을 나타냈다. 그러나, CVD법에 의한 섬유 코팅은 고가 이며 크기 및 형상의 제약을 받게 되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 액상 BN precursor를 합성 하여 쉬운 dipping and dry 방법으로 섬유에 코팅층을 형성하는 연구를 수행 하였다...