3차원 니들펀칭 프리폼 구조에 따른 탄소/탄소 복합재의 밀도화 거동 및 기계적·열적 특성 평가 = Evaluation of densification behavior and mechanical and thermal properties of carbon/carbon composites based on three-dimensional needle-punched preform structures

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 3차원 니들펀칭 프리폼 구조 차이가 탄소/탄소(C/C) 복합재의 최종 밀도 및 기계적·열적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 프리폼은 UD층과 web층의 섬유 조합에 따라 A(탄소/탄소), B(옥시팬/옥시팬), C(옥시팬/탄소)로 구분하였으며, ISO-CVI 공정을 적용하여 밀도화를 수행하고 일부 시편에는 페놀레진 함침-탄화 공정을 추가 적용하였다.
초기 프리폼 밀도는 A 0.49 g/cm³, B 0.50 g/cm³, C 0.46 g/cm³로 확인되었다. 밀도화 이후 최종 밀도는 1.65~1.83 g/cm³ 범위로 나타났으며, 평균값 기준 B 프리폼이 가장 높은 밀도 수준을 보였다. 기계적 특성은 C 프리폼이 상대적으로 우수하여 압축강도 및 굴곡강도에서 가장 높은 값을 나타냈다. 반면 B 프리폼은 높은 밀도 수준에도 불구하고 기계적 강도는 상대적으로 낮아, 밀도 증가가 강도 향상으로 항상 직결되지는 않음을 확인하였다. 열적 특성에서는 B 프리폼의 열전도도가 가장 높게 나타났으며, 프리폼 구조 및 섬유 조합이 열전달 특성에 영향을 미칠 수 있음을 시사하였다. 본 연구 결과는 항공기 브레이크용 C/C 복합재 설계에서 프리폼 구조의 중요성을 제시하는 기초 자료로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The densification results and resulting properties of carbon/carbon (C/C) composites are strongly affected by the architecture of fiber preforms and their internal structural characteristics. In this study, the influence of three-dimensional needle-punched preform architecture on the densification characteristics and mechanical and thermal properties of C/C composites was systematically investigated. To isolate the effect of preform structure, three different preforms were designed by varying fiber composition and UD/web configurations while maintaining identical fabrication and evaluation conditions.
The preforms were fabricated using combinations of carbon fibers and oxidized PAN fibers, and three-dimensional reinforcement was introduced through a needle-punching process. All preforms were densified using an iso-thermal chemical vapor infiltration (ISO-CVI) process, and selected specimens were further densified through phenolic resin impregnation–carbonization. The densification characteristics were evaluated based on pre- and post-densification density characteristics. Mechanical properties were assessed through compressive and flexural strength tests, and thermal properties were evaluated by measuring specific heat and thermal conductivity.
The results showed that preform architecture had a significant influence on the densification characteristics and final density levels of the C/C composites. Mechanical properties varied depending on the preform structure, indicating that fiber combination and internal structural continuity play an important role in load transfer behavior. In particular, hybrid preforms exhibited superior mechanical performance despite relatively lower density levels, suggesting that increased density does not necessarily lead to improved mechanical strength. Thermal property evaluation revealed that thermal conductivity and specific heat characteristics were also influenced by preform architecture, reflecting differences in internal structural uniformity.
Overall, this study demonstrates that three-dimensional needle-punched preform design is a critical factor governing densification characteristics and the mechanical and thermal performance of C/C composites. The findings provide fundamental insights for optimizing preform architecture in the design of high-performance C/C composites for aircraft brake and high-temperature structural applications.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목차 ⅳ
• 그림 목차 ⅴ
• 국문 요약 ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구의 필요성 2
• 1.3 연구 목적 4
• 1.4 연구 범위 및 구성 4
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 탄소/탄소 복합재의 개요 6
• 2.1.1 탄소/탄소 복합재의 정의 및 특성 6
• 2.1.2 탄소/탄소 복합재의 적용 분야 7
• 2.2 3차원 니들펀칭 프리폼의 구조적 특징 8
• 2.2.1 3차원 니들펀칭 프리폼의 기본 구조 8
• 2.2.2 UD/web 조합에 따른 구조적 특성 9
• 2.2.3 프리폼 구조와 기공 분포 특성 10
• 2.3 밀도화 거동의 일반적 특성 12
• 2.3.1 밀도화 과정에서의 밀도 증가 거동 12
• 2.3.2 프리폼 구조에 따른 밀도화 거동 차이 13
• 2.3.3 밀도화 거동과 물성 특성의 상관관계 15
• 2.4 기계적 특성 이론 17
• 2.4.1 압축강도의 정의 및 평가 개념 17
• 2.4.2 굴곡강도의 정의 및 평가 개념 19
• 2.5 열적 특성 이론 20
• 2.5.1 비열의 정의 및 물리적 의미 21
• 2.5.2 열분석을 통한 열적 특성 평가 개념 22
• 2.5.3 프리폼 구조와 열적 특성의 관계 22
• 제 3 장 실험 재료 및 방법 24
• 3.1 재료 및 시편 구성 24
• 3.2 프리폼 제조 방법 및 구조 설계 26
• 3.3 탄소/탄소 복합재 제조 및 밀도화 공정 28
• 3.4 물성 평가 방법 30
• 3.4.1 밀도 측정 31
• 3.4.2 압축강도 평가 31
• 3.4.3 굴곡강도 평가 32
• 3.4.4 열적 특성 평가 32
• 제 4 장 프리폼 밀도 특성 및 밀도화 공정 33
• 4.1 프리폼 A, B, C 제작 후 최종 밀도 특성 33
• 4.2 화학기상증착(CVI) 공정을 통한 프리폼 밀도화 34
• 제 5 장 기계적·열적 특성 평가 결과 및 종합고찰 36
• 5.1 프리폼 구조에 따른 밀도 특성 36
• 5.2 프리폼 구조에 따른 기계적 특성 37
• 5.3 프리폼 구조에 따른 열적 특성 40
• 5.4 종합 물성 비교 및 구조 영향 분석 41
• 제 6 장 결론 47
• 참고문헌 50
• Abstract 53