우주 재진입체용 비정질 SiC기반 삭마소재 제조 및 기계적 특성 = Fabrication and Mechanial Properties of Amorphous SiC-Based Ablator for Space Re-entry Vehicles

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 polymer-derived ceramic(PDC) 공정을 이용하여 비정질 SiC 기반 다공성 삭마소재를 제조하고, 대기권 재진입용 열방호시스템(TPS) 소재로서의 적용 가능성을 평가하였다. SiC 다공 구조는 polycarbosilane(PCS)의 가압 열분해 공정을 통해 제조되었으며, 이때 적용 압력이 PCS 발포 과정에서 기포의 성장과 팽창을 직접적으로 제어할 수 있는 핵심 인자임을 확인하였다. 이를 통해 적절한 가압 조건에서 균일한 다공 구조 형성이 가능함을 확인하였다. PCS 유래 다공체는 산화적 큐어링 공정 없이 비정질 SiC 폼으로 전환되었으며, 그 결과 산소 함량이 비교적으로 낮은 1.84 wt%를 갖도록 하는 비정질 SiC foam으로 제조할 수 있었다. 복합 삭마소재 제조를 위해 SiC 폼에 페놀 레진을 대기 및 진공 조건에서 함침한 후 제어된 조건으로 경화하였다. 진공 함침 복합재는 기존 SiC 다공체 대비 현저히 향상된 기계적 특성을 나타내어, 압축강도 4.69 MPa 및 굽힘강도 2.09 MPa를 달성하였다. 또한 낮은 열확산도(0.185 mm²/s)를 나타내어 삭마 과정에서 열 전달을 효과적으로 억제하고, 안정적인 char 층 형성에 유리한 특성을 보였다. 개발된 비정질 SiC 기반 삭마 복합재는 기존 PICA 대비 동등하거나 우수한 열적 및 기계적 안정성을 나타내었으며, 전구체 전환 과정에서 산화 큐어링 공정을 배제함으로써 낮은 산소 함량을 유지하였다. 이러한 결과는 polymer-derived 비정질 SiC 삭마소재가 차세대 TPS 소재로서 적용 가능함을 의미하며, 향후 우주 재진입체용 고성능 열방호시스템의 국산화 개발을 위한 기초 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, an amorphous SiC-based porous ablator was developed usingpolymer-derived ceramic (PDC) processing and evaluated as a candidate thermalprotection system (TPS) material for atmospheric re-entry applications. Porous SiCstructures were fabricated via pressure-assisted pyrolysis of polycarbosilane (PCS),where the applied pressure was identified as a key parameter directly governingbubble growth and expansion during the foaming process, thereby enabling theformation of a uniform porous architecture under optimized conditions.
The PCS-derived porous bodies were converted into amorphous SiC foamswithout an oxidation curing process, resulting in a remarkably low oxygen contentof 1.84 wt%, which is beneficial for oxidation resistance under high-temperatureenvironments. To prepare composite ablators, the SiC foams were impregnatedwith phenolic resin under atmospheric and vacuum conditions followed bycontrolled curing. Vacuum-impregnated composites exhibited significantly enhancedmechanical performance, achieving a compressive strength of 4.69 MPa and aflexural strength of 2.09 MPa, compared with pristine SiC porous bodies. Inaddition, a low thermal diffusivity of 0.185 mm²/s effectively suppressed heattransfer during ablation, promoting stable char layer formation. Compared withconventional PICA, the developed amorphous SiC-based ablative compositesdemonstrated comparable or superior thermal and mechanical stability, whilemaintaining low oxygen content due to the advanced fabrication process withoutoxidation curing during precursor conversion. These results confirmed the feasibilityof polymer-derived amorphous SiC ablators as alternative TPS materials andprovide a foundation for the development of domestically producedhigh-performance thermal protection systems for space re-entry vehicles.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1 Thermal Protection System(TPS) 소재 5
• 2.1.1 TPS소재의 종류과 역할 5
• 2.1.2 재진입체용 TPS 소재 특성 9
• 2.2 PICA(Phenolic Infiltrated Carbon Ablater) 11
• 2.2.1 PICA 제조공정 11
• 2.2.2 PICA 특성 13
• 2.2.3 차세대 삭마소재 개발 방향 15
• 2.3 전구체 폴리머 20
• 2.3.1 세라믹전구체 폴리머 특성 20
• 2.3.2 폴리카보실란의 특성 23
• 3. 실험 방법 26
• 3.1 SiC기반 다공체 제조 26
• 3.1.1 다공체용 PCS 선정 26
• 3.1.2 압력에 따른 PCS 다공체 제조 27
• 3.1.3 고온 열처리 온도에 따른 SiC기반 다공체 28
• 3.2 페놀 함침 SiC기반 삭마소재 제조 및 특성평가 29
• 4. 결과 및 고찰 31
• 4.1 PCS 전구체의 특성 31
• 4.1.1 GPC 분석에 따른 PCS의 분자량 특성 31
• 4.1.2 TG 분석을 통한 열분해 특성 33
• 4.1.3 FT-IR 분석을 통한 화학 구조 비교 35
• 4.2 가압 및 고온 열처리에 따른 다공체 39
• 4.2.1 PCS 다공체의 형상 및 특성 39
• 4.2.2 SiC 다공체의 미세구조 및 결정화 거동 55
• 4.3 페놀 함침 복합재의 물성 평가 68
• 5. 결 론 78
• 참고문헌 80
• Abstract 86