고에너지 밀링 및 반응 합성에 의해 제조된 Fe-TiC 복합재료분말의 소결에 관한 연구

이용희 울산대학교 대학원 2013 국내석사

TiC is a refractory compound with excellent hardness, thermal and corrosion resistance and chemical inertness. TiC-reinforced Fe-based matrix composite is a potential candidate to be responsible for costly WC-Co cements in applications of cutting tools and high-performance wear-resistant parts. Fe-TiC composite produced by various processes have been performed. Most of them were produced by the in-situ technique that reinforcements are formed in-situ and distributed in the Fe-based matrix by the chemical reaction between elements or their compounds during the fabrication process. The outstanding advantages of in-situ composites vs. ex-situ ones composed of uniform distribution and finer particles size of reinforcement, especially reinforcement-matrix agglutination is very good. Milling the pure Fe and TiC powders is conventional route to fabricate Fe-TiC composite powder. Fabrication of uniformly compound micro powder is expected to reduce of raw material cost by using the FeO, Carbon and TiH2 powders. In this study, Fe-TiC composite was prepared with three powder fabrication process. The first process includes Milling of precursors, and then Reduction & Synthesis are performed in a tube furnace. The FeO and 1.75 at% C powders were ground in a high-energy mill (AGO-2 mill) followed by a heat treatment process to reduce FeO by Carbon and the mixture would be Fe?0.75at%C powder after the reduction. In next step, this mixture would be added with sufficient amount of TiH2 powder to be expected to form a final product of Fe?30wt%TiC composite. The Fe?0.75at%C-TiH2 mixture was then milled again before synthesized in a tube furnace and sintering by the mean of SPS facility. In the second process, the Fe?0.75at%C-TiH2 mixture after milling again was synthesized and sintered simultaneously in a SPS chamber. Third process was performed on Fe and TiC precursor powders to fabricate an ex-situ Fe?30wt%TiC composite in order to compare with that of two processes above. It was a simple process by milling a mixture of Fe and TiC stating powders in the same mill, AGO-2 mill, and then the milled mixture was sintered by SPS facility. The optimal condition of first and second milling for high-energy planetary mill is 500 rpm for 1h. 10g of mixed powder is loaded into a jar with steel ball (Φ5)and the ball to powder ratio was kept at 20:1 in all milling processes. The jars were evacuated and filled with 0.3MPa pure Ar gas before each running to prevent oxidation during processing. Reduction & Synthesis processes both are carried out in the horizontal tube furnace, Therm Vac, working temperature 1750℃. Powder mixture is filled into a corundum boat and Ar gas is flowed in the furnace (180ml/min). The heating rate was 5℃/min, and the temperature was set at 900℃ for reduction and 1000℃ for synthesis. It should be maintain for 1hour and cool down. To examine the powder characteristic do FE-SEM shape observation, X-ray mapping analysis, LPSA particle size analysis, EDS composition analysis and XRD phase analysis. Those analysis results of M powder showed fine and uniform distribution (average size is 0.53㎛) The fabricated three type of Fe-TiC composite powder was densified by SPS system (Spark Plasma Sintering, 515S model) under the following condition; Sintering temperature of 1070℃, sintering pressure of 70MPa, heating rate of 50℃, holding time of 10 minutes and vacuum gauge of 1.33×10-5MPa. Using the data that comes from SPS draw the shrinkage curve and densification rate curve. Through the characteristic analysis, sintering behavior is identified with each section. M-R powder is the best properties which are fine particle size, uniform distribution and SHS effect among the powders. It is recognized from the sintering behavior. The relative density of sintered composite compounds are 91.6%(M process), 96.2%(M-R-S), and 98.9%(M-R), which means M-R sintered composite has a good characteristic. Microstructure observation showed that fine TiC particles with retained submicron<less than 1μm> size were uniformly distributed in Fe matrix. Vickers hardness of 720Hv10 was measured and expected composition was Fe-30wt%TiC. M-R powder which has the best characteristics was fabricated by pressureless sintering with stainless steel mould. After the compression molding, it is placed on horizontal tube furnace. The condition of sintering process is same as previous synthesis process. The result of pressureless sintering is relative density of 74.8% ~ 84.1%. 마이크론 크기 이하의 입자가 분산된 세라믹스 강화 재료는 WC 재료를 대체할 수 있는 공구재료로 각광받고 있다. WC의 경우 높은 녹는점을 가진 재료이며 고온에서의 고경도를 가지고 내마모성을 가진 재료이다. 하지만 가격이 비싸고 가공성이 좋지 않아 비슷한 성능을 가질 수 있는 대체 재료로 Fe계 세라믹스 분산강화재료가 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 그 중 Fe-TiC 복합재료는 높은 경도와 융점을 가지며, 내마모성과 열 및 화학적으로 안정한 대표적인 금속기지 복합재료로 알려져 있어 절삭공구 및 내마모 부품과 같은 첨단산업분야에 널리 사용되고 있다. 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 얻으면서, 동시에 WC 재료의 단점을 보완하기 위한 방법으로 Fe 기지상에 미세하고 균일한 크기의 TiC 입자를 강화상으로 균일 분산시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 분말공정에서는 순수 Fe 분말에 TiC 분말을 밀링하여 Fe-TiC 복합분말을 제조하였으나, FeO와 Carbon, TiH2 분말을 이용하면 원재료 단가의 감소와 함께 밀링 효과를 제고시킬 수 있어 균일혼합 미세분말 제조가 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 다음과 같은 세 가지 분말 제조공정을 사용하여 Fe-TiC 복합재료 분말을 준비하였다. 첫 번째 공정은 기존의 일반적인 분말야금에서 사용하는 단순 혼합 밀링(Milling; M)법으로 Fe 분말과 TiC 분말을 칭량하여 고에너지 밀링하는 방법이다. 두 번째 공정은 밀링, 환원 및 합성(Milling, Reduction & Synthesis; M-R-S)법이다. FeO 분말과 carbon 분말을 칭량하여 고에너지 밀링법으로 1차 밀링하고 환원하여 Fe + C 혼합분말을 만든다. 그 후에 이 혼합분말과 TiH2 분말을 함께 칭량하여 2차 밀링을 한 뒤, TiC로 합성하여 분말을 제조한다. 세 번째 공정은 밀링 및 환원(Milling&Reduction; M-R)법이다. M-R-S 방법과 2차 밀링공정까지 동일하며, TiC로의 합성은 하지 않고 소결과정에서 합성반응 시키는 방법이다. 1차 밀링 및 2차 밀링 조건은 고에너지 밀링장치(Planetary mill; P-100)를 이용하여 500rpm으로 1시간동안 밀링하였는데, 밀링 시 장입하는 분말의 총 양은 10g이고, 분말과 함께 강구(φ5)를 함께 용기에 장입한다. 용기와 강구의 재질은 stainless steel이며 분말과 강구의 장입 비율은 1 : 200 이다. 밀링 시 높은 에너지가 가해지게 되는데 이때 산화가 될 수 있으므로 분말 장입 후 용기 내에 Ar gas를 함께 주입하여 분위기를 치환해주었다. 1, 2차 밀링 후 환원공정 및 합성공정을 실시하였는데, 두 공정 모두 수평관상로를 이용하여 실험을 진행하였다. 분말을 세라믹 보트에 담아 관상로에 넣고, 산화를 막기 위하여 10분간 Ar gas 분위기로 치환하고 실험이 진행되는 동안 180ml/min의 속도로 흘려주었다. 승온 속도는 5℃/min이며, 환원 시 900℃까지, 합성 시 1000℃까지 승온한 뒤 1시간 유지 후 노냉하였다. 분말 특성을 조사하기 위해 FE-SEM 형상 관찰과 X-ray mapping 분석, LPSA 입도 분석, EDS 조성 분석 및 XRD 상 분석을 실시하였고, M 분말이 평균입도 0.53μm의 미세하고 균일 분포를 가진 분말이라는 것을 확인할 수 있었다. 준비된 세 가지 Fe-TiC 복합분말을 이용하여 방전플라즈마소결(Spark Plasma Singering; SPS)하여 시편을 제조하였다. 소결온도는 1070℃, 소결압력은 70MPa, 승온속도는 50℃/min, 유지시간은 10분, 진공도는 1.33×10-5MPa의 진공 분위기에서 소결을 진행하였다. 분말을 장입한 몰드와 펀치는 흑연재질이었다. 분말 장입 시 전기 전도의 상승 및 소결 후 몰드와 쉽게 분리하기 위하여 윤활제 역할을 하는 Carbon paper를 분말과 몰드 사이에 넣어 분리시켰다. 시편은 1.4g의 분말로 제조하였으며, 직경은 10mm, 높이는 2~4mm로 제조하였다. 방전플라즈마 소결 시 수축률 곡선 및 치밀화 속도곡선을 얻기 위하여 SPS 장비 내 프로그램을 이용하여 5초에 1회씩 수축량을 측정하고, 그 데이터를 이용하여 수축률 곡선 및 치밀화 곡선을 구하였다. 치밀화 속도 변화 구간을 구분하여 각 온도 범위의 시편을 제조하고 FE-SEM 형상 분석과 XRD 상 분석, EDS 조성 분석 및 경도 분석과 같은 특성분석을 실시하였으며, 각 구간별 소결거동을 확인하였다. 그 결과 M-R 분말이 미세하고 균일한 분포의 분말을 가지면서 자전합성반응에 의해 가장 특성이 높은 소결체를 제조하는데 성공하였고 소결거동에 관해 논하였다. 세 가지 공정으로 제조된 M, M-R-S, M-R 분말의 소결체는 각각 91.6%, 96.2%, 98.9%의 상대밀도를 나타내었으며, M-R 분말의 소결체가 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인하였다. M-R 분말 소결체는 1μm 내외의 TiC 입자들이 Fe 기지 내에 균일 분포한 형상을 나타내었으며, 상온에서의 비커스 경도는 720Hv10, 조성은 기대 조성인 Fe-30wt%TiC 임을 확인하였다. 가장 높은 특성을 가진 M-R 분말을 이용하여 상압소결을 실시하였다. Stainless steel 재질의 직경 10mm 시편을 제작할 수 있는 몰드에 M-R 분말을 각각 1.4g을 장입한 후 가압성형하고 이를 수평관상로에 넣어 상압소결체를 제조하였다. 소결조건은 합성공정과 동일한 조건으로 실시하였다. 즉 승온속도 5℃/min, 유지시간 1시간, Ar gas 분위기에서 실시하고 노냉하였다. 그 결과 상대밀도 74.8 ~ 84.1%를 갖는 소결체를 제조하였다.

유성 볼밀링으로 제조된 TiB2 입자강화 Fe 기지 복합재료 분말의 방전플라즈마소결

배선우 울산대학교 대학원 2016 국내석사

현재 마이크론 크기 이하의 세라믹스 입자가 분산된 강화 재료는 초경(WC-Co) 대체 재료로서 주목받고 있다. 초경재료는 높은 경도와 융점, 고 내마모성을 가지는 재료이지만, 가격이 비싸고 가공성이 비효율적인 이유로 Fe계 세라믹스 분산강화재료를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. Fe-TiB2 복합재료는 내마모성, 열적 안정성 등 우수한 특성의 TiB2 세라믹스 입자를 강화재로 사용하는 금속기지 복합재료이며, 초경재료와 비견되는 높은 경도와 융점을 가지지만 가격이 저렴하며 가공성이 용이하다. 일반적으로 금속기지 세라믹스 강화입자 복합재료 제조방법은 분말야금법이 많이 사용되는데, 우수한 기계적 특성과 열적 안정성을 위해서는 금속 기지상의 연결과 세라믹스 입자의 미세 균일 분포가 중요하다. 분말야금 중 고에너지 볼 밀링 공정은 미세하고 균일 분산된 복합분말을 제조할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 유성 볼밀을 사용하여 서로 다른 두 가지 Fe-TiB2 복합재료 분말을 준비하였다. 첫 번째 복합분말은 기존의 일반적인 분말야금에서 사용하는 단순 혼합 밀링법으로 Fe 분말과 TiB2 분말을 혼합한 FT 분말(ex-situ기법), 두 번째 복합분말은 FeB 분말과 TiH2 분말을 혼합 및 분쇄시킨 후 TiB2 합성온도에서 열처리한 FBT 분말(in-situ기법)이다. 분말 분석 결과, FT 분말의 평균입도는 1.1μm, FBT는 1.4μm로 두 가지 분말 모두 미세한 분말이 제조되었으나, 서로 다른 미세조직을 나타내었다. 두 복합분말 모두 등축상의 형상을 보였으나, FT 보다 FBT 분말의 입도 미세화, 입자 균일성, TiB2 분산성이 우수하였다. 소결 조건을 찾기 위해 제조된 복합분말들을 방전플라즈마 소결하여 수축률 곡선과 치밀화 곡선을 구하였으며, FT분말은 1150℃, FBT분말은 1080℃에서 수축이 더 이상 일어나지 않는 것을 확인했다. 치밀화 거동을 살펴보기 위해 각 온도별 구간을 정하여 소결체의 파단면을 조사하였다. 상대밀도는 FT 분말 소결체의 경우 1150℃에서 99.6%, FBT 분말 소결체의 경우 1080℃에서 99.8%이었다. 소결체 미세조직에서 FT 분말 소결체는 수 μm 이상의 조대한 TiB2 입자들이 Fe 기지 내에 불균일 분산되어 있으며, 반면에 FBT 분말 소결체는 아주 미세한 TiB2 입자들이 Fe 기지 내에 균일 분산되었다. 상온에서의 비커스경도는 각각 1821 Hv10, 1998 Hv10으로 FBT 분말 소결체가 더 우수한 결과를 보였다.

치과용 수복재 PAEKs(polyaryletherketones)의 임상적용에 관한 연구

우창우 배재대학교 2016 국내박사

치과용 수복재 PAEKs(Polyaryletherketones)의 임상적용에 관한 연구 최근 치과보철물에 사용되는 재료들이 새롭게 개발되어지고 출시되고 있으며 특히 치과 분야에 소개된 PAEKs(Polyaryletherketone s)은 치과 보철물로서 우수한 강도와 자연치와 유사한 물성을 가지고 있는 물질이다. PAEKs는 high-performance semicrystalline thermo plastic resin으로 keto-와 ether-group의 비율에 따라 다른 family member들로 나뉜다. 고성능 열가소성 플라스틱 소재인 PAEKs는 열에 의해 성형된 이후 고온에 노출된 상태에서 물리적, 화학적인 성질이 유지되는 항구적 물성 유지와 우수한 기계적 강도와 경도를 가지고 있으며 난연성으로 항공분야의 구조재로 고성능 분야에서도 활용하 는 재료이다. 또한 매우 낮은 수분 흡수력과 전기절연성 또한 가지고 있다. 이러한 특성은 반도체, 전기부품, 각종 정밀기기부품 등에 사용가능하다. 치과분야 이전에 의료분야 전반과 항공우주 산업 등 다양한 용도로 사용되어져 왔던 소재이고 유럽에서는 이 소재와 관련된 연구를 오래전부터 진행해 왔다. 특히 독일의 일부 회사에 의해 제품이 출시되어 최근 치과시장에 사용되어져 왔다. 우리나라에서도 최근 식약처(Korea Food and Drug Administration)로 부터 승인을 받아 치과보철 수복재료로 사용되고 있다. 또한 PAEKs 소재가 치과재료로서의 우수한 특징은 자연치의 상아질과 유사한 탄성계수(Modulus of Elasticity)를 가지고 있다는 것이다. 자연치의 구조는 법랑질과 상아질로 구성하고 있으며 단단한 법랑질과는 다르게 상아질은 낮은 탄성계수를 가지고 있어 Periodontal ligament와 함께 구강 내에서 발생되는 저작시의 충격으로부터 자연치를 보호 유지를 할 수 있다. 특히 단단한 치조골에 고정되어 있는 임플란트 보철에서 기존의 높은 수치의 탄성계수를 가지고 있는 보철재료 대신에 자연치와 유사한 낮은 탄성계수의 수치를 가지고 있는 PAEKs소재의 사용은 교합력에 대한 Shock absorbing을 할 수 있다. 앞으로 치과시장에 출시되는 보철재료는 자연치와 유사한 광학적인 특성과 물성을 가지고 있는 재료로 발전할 것이다. 고분자재료인 PAEKs은 자연치와 유사한 물성을 가지고 있어 앞으로 치의학분야에서 치과보철 수복재료로 많은 활용이 기대되는 재료이다. 본 연구에서는 PAEKs(Polyaryletherketones)군에 속해 있는 PEKK(Polyetherketoneketone)에 대한 임상적합도와 관련하여 Composite resin과의 결합력, CAD/CAM을 이용하여 밀링 후 보철물의 내면의 적합도, 그리고 생체적합성에 대해 연구하고자 한다.

Fe계 자성분말-에폭시 복합재의 전자파 흡수특성

홍성민 忠南大學校 大學院 2009 국내박사

Recently, the use of wireless telecommunication systems and high-frequency circuit devices has increased dramatically. Electronic devices such as cellular phones and personal computers emit electromagnetic wave that cause serious electromagnetic interference phenomena and result in wave pollution problems. As the best method for preventing such phenomena, electromagnetic wave absorbers are generally used. The electromagnetic wave absorbers are defined as materials that can effectively attenuate the intensity of electromagnetic wave by magnetic or dielectric loss. Spinel ferrite-polymer composites are representative narrow-band absorbers for the several hundreds megahertz to several gigahertz frequency range and have been most widely used due to their adequate absorption efficiency (>20 dB) and easiness in theoretical design for practical applications. The major limitation to expanding the application of these ferrite-polymer composites lies in their thick thickness for obtaining high absorption efficiency caused by their low real parts of complex permeability and permittivity values. In order to overcome this problems, the development of new absorbers using magnetic amorphous alloy-polymer composites has been attempted. Although amorphous alloy-polymer composites have very high potentiality for thinner absorber, it is demanded to understand the relationship between materials constants and absorption properties for the development of thinner absorber. However, very few systematical reports have been made on the electromagnetic properties and electromagnetic wave absorption properties of the absorber using amorphous alloy composites. The purpose of this dissertation is to understand the relationship between the structure of amorphous alloy-polymer composites and their electromagnetic wave absorption properties, and to propose a new thinner electromagnetic wave absorber for several gigahertz frequency range. In order to achieve these objectives, various amorphous alloy-epoxy composites with different fabrication conditions such as amorphous alloy particle fraction, size have been fabricated using Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 amorphous alloy nano particles. The electromagnetic properties of these composites including materials constants in high frequency and electromagnetic wave absorption properties have been invested.

Fe계 비정질 분말과 연질 Cu분말의 복합화 및 소결거동

류호진 울산대학교 일반대학원 2008 국내석사

Todays, almost materials used in industry have crystalline and research of improving the characteristics of them are in progress. Amorphous materials have non crystalline structure which have higher strength, toughness, high corrosion resistance and good mechanical characteristics. Researches of amorphous materials have been done in many related fields. In this study, the experiment to improve bulk characteristic is progressed with Fe amorphous composite powders. Fe amorphous alloy used in this experiment is a slag composition. In case of industrial application, the cost is expected to be sharply reduced. A gas atomization which has rapidly cooling speed has been used to synthesize the amorphous powder. X-ray diffraction(XRD) was used for analysis of the amorphization. Ductile Cu powder was composited with Fe amorphous powders to increase the ductility and plastic deformation. Mechanical milling, was used to synthesis the Fe-Cu composite powders. Spark Plasma Sintering System(SPS) was applied to consolidate the produced composite powders. The sintering for high densification was done under 500MPa pressure, the vacuum conditioned, 530℃ for 5min holding time for using glass transition temperature. Density and hardness were measured to analyze changes in mechanical properties with different Cu compositions. The results of experiment shows that amorphous powders synthesized with the gas atomization has under 90㎛ in size and 73.73% of amorphous production ratio. Glass transition temperature(Tg) of the amorphous powders was 505℃~514℃. Crystalline temperature(Tx) of the amorphous powders was 544℃~548℃. Glass transition temperature range(△Tx) was reduced from 41K to 34K~39K. The composite powders were deformed after milling with AGO-2. Surface of amorphous powders was composited with Cu phase which was needles like shape andd 200nm~400nm in size. Small Fe amorphous powders caused Cu flattening effect. Cu component of 10wt% showed the best compositions. In case of sintering, densification of Fe amorphous powders without Cu powders, was occurred by the plastic deformation of each particles in spite of less temperature than that of normal sintering temperature. Such densification showed the possiblity of sintering at glass transition temperature range. Densification of Fe amorphous - Cu composited powders, was also occurred with plastic deformation of each particles and Cu phase. The sintered samples by AGO-2 milled under 500rpm had the best Cu dispersion of Cu phase and the smallest size of Cu pool. The With decrease the size of Fe amorphous , the Cu dispersion increased in the sintered sample. The Sintered samples at Cu 10wt% components had the best Cu dispersion. Sintered samples of Cu composite showed higher densification than non Cu composited Fe amorphous powders. But Density of 90㎛ in size of Fe amorphous - Cu samples were lower than non Cu composited Fe amorphous samples. The smaller powders showed higher density. Under 43㎛ size, the density was similar with the that of the non Cu composited samples. The conclusion showed that the samples under 43㎛ will have better mechanical properties than other samples. Sintered samples of AGO-2 milled under 500rpm and processed SPS had the lowest properties. But, under 90㎛ in size, the mechanical properties showed the highest value. So 500rpm milling and SPS process condition is the best method for making Fe-Cu composite materials. 지금까지 산업에서 사용되는 재료들은 거의 대부분 결정상을 포함하고 있는 재료로 이루어져 있으며, 이러한 재료들의 물성 및 특성들을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 추세에 발맞춰 최근에는 금속재료의 미세조직을 원자, 분자 수준의 크기까지 제어함으로써 재료의 특성을 획기적으로 향상시키는 미세구조 제어기술이 요구되고 있으며, 이러한 요구에 따라 비정질 재료의 연구가 시작되었다. 비정질 재료는 미세구조가 결정화 되지 않은 원자배열을 가지고 있으며, 이러한 독특한 원자구조 배열 때문에 결정질 금속재료보다 훨씬 더 높은 인장강도를 가지며, 인성 및 내식성 등 우수한 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 비정질 금속재료의 벌크화 가능성이 제시되고 있으며, 많은 연구들이 진행되고 있다. 이런 연구에 발맞춰 본 연구에서는 Fe 비정질 재료를 선정하여 벌크화 특성을 개선하는 실험을 진행하였다. 본 연구에서 사용된 Fe 비정질 재료는 슬래그 조성으로써 상업화 할 경우 저가격 재료를 구현할 수 있는 매력적인 조성이다. 비정질 재료의 합성은 비정질화를 유도할 수 있는 빠른 냉각속도를 얻기 위하여 가스분무법을 사용하였으며, 비정질화 정도를 판단하기 위하여 XRD를 이용하여 분석하였다. 또한 소성가공성을 높이고, 고인성을 부과하기 위하여 연질의 Cu를 복합화 하였으며, 저가격 공정구현을 위해 보다 쉬운 외인성 복합화 중 기계적 밀링 방법을 사용하였다. 복합화된 분말의 소결은 방전플라즈마소결(Spark Plasma Sintering System)을 사용하였으며, 치밀화를 유도하기 위하여 500MPa로 가압하고 진공분위기에서 소결을 진행하였다. 소결온도는 유리천이온도영역인 530℃까지 분당 10℃로 승온하였으며, 목적온도에서 5분간 유지하여 특성온도영역에서의 소성변형 및 최대치밀화를 유도하였다. 또한 Cu wt%를 달리하여 기존의 BMG가 지니고 있는 취성이 얼마나 개선되는지도 연구하였으며, 소결후 변화한 기계적 특성을 측정하기 위하여 밀도와 경도값을 측정하였다. 위 실험결과로부터 본 실험에서 생산된 분말들의 특성을 살펴보면, 가스분무법으로 생산된 분말중 비정질 원료분말로 사용할 수 있는 부분은 90㎛이하의 입도를 가진 분말로, 생산수율은 73.73%이다. 비정질화된 분말의 비정질 특성온도는 유리천이온도(Tg)가 505℃~514℃범위에서 측정되었으며, 결정화 온도(Tx)가 544℃~ 548℃까지 분포하는 것을 확인하였으며, 유리천이온도 영역인 △Tx 구간은 34~39K로 본래의 41K에 비해 다소 감소한 값을 보여주었다. 분말을 복합화 하였을 시 AGO-2 500rpm으로 복합화 한 분말의 변성정도가 가장 심하였으나 Fe비정질 분말표면에 약 200~400nm 정도의 침상형 Cu가 복합화 되는 것을 확인하였으며, 분말입도가 작아질수록 Cu의 판상화 현상이 두드러 지는 것을 확인하였다. 기본적인 복합화 외에 Cu 분말을 5~15wt%까지 변화시켰을 때, Cu 10wt%가 가장 균일하게 복합화 되었으며, 소결결과도 가장 좋을 것으로 판단되었다. 기본적인 소결 결과를 살펴보면, Fe 비정질 분말만으로 소결했을 경우 일반적인 소결온도 이하임에도 각 입자들의 소성변형에 의해 치밀화가 이루어 진 것을 볼 수 있으며, 따라서 비정질 재료의 특성온도영역에서의 소결은 가능할 것으로 판단되었다. Cu를 복합화 하였을 경우 AGO-2 500rpm으로 복합화한 분말의 소결체가 Cu의 분산정도가 가장 좋으며, Cu pool의 크기도 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 원료분말의 입도가 미세해 질수록 Cu의 분산정도는 향상되는 것을 확인할 수 있다. Cu의 조성에 따른 소결형상을 살펴보면 Cu 10wt%일 때 분산정도가 가장 좋으며, 균일한 분포를 가지고 있다. 그러나 15wt%의 경우 Cu pool의 성장이 두드러지는 것으로 볼 때, Cu의 복합화 조성은 Cu 10wt% 부근이 가장 적당할 것으로 판단된다. 소결체 시편의 밀도를 살펴보면 Cu를 복합화 하였을 때 치밀화정도가 상승하지만 90㎛부근의 분말의 경우 분말자체의 변형정도로 인하여 Cu를 복합화 하였음에도 비정질 분말만으로 소결한 결과값보다 낮은 밀도값을 보여준다. 그러나 75㎛이하의 분말에서 입도가 작아질수록 밀도값이 상승하며, 43㎛이하에서 비정질 분말만으로 소결한 결과값과 비슷한 수치를 보이는 것을 관찰할 수 있다는 것으로 보아 비정질 분말의 소결은 43㎛이하의 입도에서 실험한다면 좋은 밀도값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 경도값의 경우 비정질 분말의 변형정도에 따라 변화하며, AGO-2 500rpm으로 복합화한 소결시편의 결과값이 가장 낮은 수치를 보이나, 90㎛이하의 분말에서 경도값이 일정해 지는 것으로 볼 때, 균일한 기계적 강도를 지닌 Fe BMG를 제작하기 위한 방법으로 AGO-2 500rpm 과 SPS를 이용한 공정이 가장 적합한 것으로 판단된다.

저항용접 전극재료용 Cu-TiB2 나노복합분말의 제조 및 치밀화 특성에 관한 연구

금종원 울산대학교 일반대학원 2008 국내석사

저항용접용 전극재료인 Cu 합금은 고온, 고압 하에서 우수한 기계적 성질 및 전기적 성질을 요구한다. 현재 Cu-Cr, Cu-Cr-Zr 등의 석출경화형 Cu 합금을 주로 사용하고 있으나 이러한 석출경화형 합금의 경우 사용 온도가 올라갈수록 석출상이 조대해져 기계적 성질이 저하된다. 따라서 고온에서의 분산상 조대화를 최소화할 수 있는 분산강화형 합금에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 목적으로 최근 개발되어 사용되고 있는 대표적인 분산강화형 합금으로는 Cu-Al₂O₃ 복합재료가 있으나, 강도는 높지만 전기전도도가 낮은 세라믹분말을 분산강화입자로 사용함으로써 전기전도도가 저하하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 Al₂O₃보다 강도와 전기전도도가 모두 우수한 TiB₂ 세라믹분말을 분산강화입자로 사용하여 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지는 Cu-TiB₂ 복합재료분말을 제조하였다. Cu 기지상에 미세한 TiB₂ 입자를 균일하게 분산시키기 위해 기계적 활성화 및 고온자전합성법으로 분말을 제조하였으며 이렇게 제조한 Cu-2.5wt.%TiB₂ 복합분말은 상압소결, 고온압축소결, 고온압출, 방전플라즈마소결을 실시하였다. 소결체 밀도, 경도, 전기전도도를 측정한 결과 방전플라즈마소결체가 밀도 98%, 경도 74HRB, 전기전도도 84%IACS로 가장 우수한 물성을 가지는 소결체가 제작되었다. Cu-TiB₂ 방전플라즈마소결체의 연화특성온도를 측정하면 900℃ 이상의 높은 고온 안정성을 가졌다. 상용 TiB₂ 입자가 균일분산시킨 Cu-TiB₂ 방전플라즈마소결체의 경우는 밀도 98%, 경도 77HRB, 전기전도도 77%IACS로 우수한 물성을 가지지만 연화특성온도가 600℃로 열적 안정성이 낮으며, 600℃ 이후 기지상과 강화상 간의 열팽창계수 차이에 의해 결함(crack)이 발생하고 성장하였다. Cu-TiB₂와 상용전극재료(Cu-Cr, Cu-Al₂O₃)의 저항용접 전극수명을 실시하면 Cu-Cr과 Cu-TiB₂ 전극재료는 100회, Cu-Al₂O₃는 2000회 이상으로 측정되었다. Cu-Cr은 석출물의 조대화, Cu-TiB₂는 일축하중으로 소결을 함으로 전극수명평가 시 밀도 저하부에 결함(crack)이 발생하였다. Cu alloys used spot welding electrode materials due to their good mechanical and electrical properties at high temperature and pressure. However, in the case of the precipitation-hardened copper alloys (such as Cu-Zr and Cu-Cr) with high strength, there is a problem in that the mechanical properties deteriorate substantially due to the presence of a coarse precipitate phase at high temperature. This problem limits the use of copper alloys for electrical and resistance welding applications Several efforts have been made to develop copper alloys that exhibit good mechanical properties even at elevated temperature. Copper metal -matrix composites with reinforcing ceramic particles such as oxide, borides and carbides in the copper matrix were developed as electrode materials because the ceramic particles are stable at high temperatures. TiB₂ was also found to be a potential candidate for the reinforcement of the copper alloy because of its high melting point, hardness, thermal conductivity, and electrical conductivity. Great attention has been given to mechanicla activation(MA) and self-propagating high-tmeperature synthesis(SHS), which is one of the in situ producing Cu-TiB₂ (metal-metrix composites; MMCs). The Cu-2.5wt.%TiB₂ composite powder had pressureless sintering, hot press, extrusion and spark plasma sintering. The spark plasma sintered sample had the density 98%, the hardness 74HRB , and the electric conduction 84%IACS. The spark plasma sintered sample had the best property. Softening temeprature of spark plasma sintered Cu-TiB₂ had good thermal stability with 900℃. The Cu-TiB₂ dispersed commercial TiB₂ had the density 98%, the hardness 77HRB , and the electric conduction 77%IACS. The sample had good properties, but softening temperature was 600℃. It occured crack after 600℃ by matrix and a reinforcement coat thermal expansion coefficient difference. Cu-Cr, Cu-Al₂O₃ and Cu-TiB₂ tested Spot welding electrode life. Cu-TiB₂ and Cu-Cr electrode had 100 cycle, and Cu-Al₂O₃ electrode had more 2000 cycle. The Cu-Cr due to the presence of a coarse precipitate phase. The Cu-TiB₂ while welding by a shock the crack occurred on the inside

Effect of the manufacturing process on equivalency qualification, mechanical properties, and microstructure of composites for aircraft : 항공기용 복합재료의 제조공정이 동등성 입증, 기계적 특성 및 미세구조에 미치는 영향

김동철 경북대학교 대학원 2023 국내박사

GFRP 복합재료는 금속보다 높은 비강도, 비강성의 특성으로 경량화가 가능하고, 낮은 열 팽창 계수 및 우수한 내부식성의 장점을 가진다. 물성 설계 요구 조건이 중요하고, 무게를 줄여야 하는 우주항공 재료로 많이 적용되고 있다. 복합재는 강화재와 기지재의 종류 및 특성에 따라 달라진다. 섬유 길이, 섬유 함유량, 섬유 방향, 수지 함유량 및 공극 함유율은 기계적 특성에 직접적인 영향을 미친다. 주요 변수를 제어한 복합재료의 기계적 물성에 대한 많은 연구가 보고되었다. 그러나 동일 조성의 복합재료를 이용하여 제작 공정을 제어함으로써 나타나는 미세한 내부 구조적 변화에 따른 기계적 물성 변화에 대한 연구는 미미한 실정이다. 제작 공정에 따른 미세구조 변화로 인해서 복합재료를 항공 부품에 적용하기 위해서는 데이터베이스를 기반으로 복합재료의 물성을 비교하는 동등성 시험(Equivalency test)이 기본적으로 요구된다. 동등성 시험을 성공적으로 완료하기 위해서는 기계적 물성에 영향을 주는 요소를 제어하는 것이 중요하다. 복합재의 적용 분야가 넓어짐에 따라서 적용되는 부품의 크기도 증가하고 있다. 사용되는 prepreg 크기의 제한으로 인해서 큰 제품에 1 sequence에 1ply로 적용하는데 어려움이 있다. 이를 해결하고자 prepreg의 결합 영역을 설계하여 1 sequence에 여러 ply를 적용하는 lay-up 방법이 제안되었다. 또한, 실제 부품에 적용하기 위해서 체결부의 관한 기계적 물성 시험이 중요하다. 통상적으로 bearing test의 시편의 두께는 2~4 mm이며, 실제 부품의 두께를 반영한 연구는 부족하다. 실제 부품의 두께를 반영하여 시편 설계 및 치구를 설계하여 bearing test 및 FEM을 수행했다. 본 연구에서는 동일한 조성을 가지는 복합재료를 autoclave 및 OoA를 기반으로 bagging 공정에 사용되는 부자재의 종류를 제어하여 다른 수지 함유량을 가지는 laminate 및 joint 복합재료 시편을 제작하고 기계적 물성을 측정했다. 또한, 시편의 두께와 밀도를 측정하고, 고온 연소법을 적용하여 각 시편의 수지 함유량, 섬유 함유량 및 공극 함유율을 계산했다. 이를 바탕으로 경화 시 레진과 공기의 흐름을 유추하고 이를 미세구조와 연결하여 설명했다. 특히, 수지의 거동은 복합재의 두께, 밀도 및 공극을 결정했고 이는 복합재의 기계적 물성의 차이를 발생시키는 요인으로 작용했다. 추가적인 autoclave 압력은 공기와 수지의 흐름을 가속화시켜 공극 제거에 효과적인 것으로 나타났다. 이를 기반으로 NCAMP에서 제안한 동등성 시험 및 수락 시험의 절차서를 기반으로 항공기용 레이돔에 적용되는 GFRP에 대해서 동등성 시험을 수행했다. 또한 동등성 시험 간에 발생하는 문제점에 대한 원인을 분석했고, 시편의 수지 함유량, 밀도, 및 공극 함유율이 기계적 물성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 공정에 따라서 제작된 Laminate 시편의 인장 강도의 큰 차이는 발생하지 않았으나, 공극 함유율이 최대인 시편에서 최소 강도 값이 나타났다. 수지 함유량이 증가하면 Young’s modulus는 감소했다. 강도 및 강성의 평균 변화율은 각각 ~4.6 %, ~4.7 %의 차이를 확인했다. Joint 시편은 공극 함유율이 증가하면 강도는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 joint 영역에 발생된 공극의 영향으로 시편의 접착력을 감소시킨 것으로 추론했다. Butt와 overlap 시편의 강도의 평균 변화율은 각각 ~14.5 %, ~17.3 %의 차이를 확인했다. 공극 함유율이 제어된 공정에서 laminate 시편과 비교하면, butt와 overlap 시편의 강도는 각각 ~ -41.9 %, ~ -31.4 %정도 감소한 것으로 나타났다. Bearing test 결과, RTD 인장 강도 시편과 비교하면 ETD, ETW 시편은 각각 -17.6 %, -16.3 % 감소했다. 압축강도의 ETD, ETW 시편은 RTD 시편대비 각각 -11.1 %, -11.3 % 감소한 것으로 나타났다. RTD 시험에 비해서 ETD, ETW 시험은 높은 온도에서 수행되었기 때문에, 고분자 수지의 연성화가 촉진되어 섬유와 수지 간의 계면특성이 감소하여 기계적 강도가 낮아진 것으로 나타났다. 이러한 요소가 제어된 개선된 공정을 적용하여 동등성 입증을 최종적으로 완료했고, Bearing 시험과 FEM 분석 결과를 비교했다. The GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) composite material can be lightweight due to the characteristics of higher specific strength and specific stiffness than metal, and also has a low CTE (Coefficient of Thermal Expansion) and excellent corrosion resistance. It is widely applied as a material for aerospace parts where the materials design requirements are important and the lightweight needs to be reduced. Composite materials vary depending on the type and characteristics of the reinforcement and matrix. Fiber length, fiber volume content, fiber orientation, resin content, and void content have a direct effect on mechanical properties. Many studies have been reported on the mechanical properties of composite materials with controlled main parameters. However, studies on changes in mechanical properties due to fine internal structural changes appearing by controlling the manufacturing process using a composite material of the same composition are insignificant. Due to the microstructural change according to the manufacturing process, an equivalency test that compares the mechanical properties of composite materials based on a database is basically required to apply composite materials to aircraft parts. For the successful completion of the equivalency test, it is important to control the factors affecting the mechanical properties. In addition, as the field of application of the composite material increases, the size of the applied part is also increasing. Due to the size limitation of the prepreg, when the size of the part increases, it is very difficult to apply 1 ply of prepreg to 1 sequence. To solve this problem, a lay-up method that applies multiple plies to 1 sequence by designing the joint areas of the prepreg was proposed. In addition, in order to apply to actual parts, it is important to test the mechanical properties of the jointed part. In general, the thickness of the specimen for bearing test is 2~4 mm, and studies reflecting the thickness of the actual parts are insufficient. Bearing test and FEM were performed by designing the specimen and jig by reflecting the thickness of the actual parts. In this study, laminate and joint composite material specimens with different resin content were manufactured and mechanical properties were measured by controlling the types of subsidiary material used in the bagging process based on autoclave and OoA for composite materials having the same composition. In addition, the thickness and density of the specimens were measured, and a high-temperature combustion method was applied to calculate the resin content, fiber volume content, and void content of each specimens. The flow of resin and air during the cure process was inferred and explained by connecting it with the microstructure. Specifically, the behavior of the resin determined the thickness, density, and void of the composites, which acted as a factor causing the difference in mechanical properties of the composite materials. Additional autoclave pressure has been shown to be effective for void removal by accelerating the air and resin flow. Based on this, an equivalency test was performed on the GFRP applied to the aircraft radome based on the procedure of the equivalency test and acceptance test proposed by NCAMP. The causes of problems occurring between equivalency tests were analyzed. It was found that the resin content, density, and void content of the specimen affected the mechanical properties. There was no significant difference in the tensile strength of the laminate specimens manufactured according to the process, but the minimum strength value was shown in the specimen with the maximum void content. As the resin content increased, the young's modulus decreased. The average change rate of strength and Young's modulus confirmed the difference of ~4.6% and ~4.7%, respectively. The joint specimen showed a decrease in strength as the void content increased. It was deduced that the adhesion of the specimen was reduced due to the effect of voids in the joint areas. The average rate of change of the strength of the butt and overlap specimens confirmed the difference of ~14.5% and ~17.3%, respectively. Compared with the laminate specimen in a process with controlled void content, the strengths of butt and overlap specimens were decreased by ~-41.9 % and ~-31.4 %, respectively. As a result of the bearing test, compared with the RTD tensile strength specimen, the ETD and ETW specimens decreased by -17.6 % and -16.3 %, respectively. The compressive strength of ETD and ETW specimens decreased by -11.1 % and -11.3 %, respectively, compared to RTD specimens. Compared to the RTD test, since the ETD and ETW tests were performed at a higher temperature, the ductility of the polymer resin was promoted, and the interfacial properties between the fibers and the resin were reduced, resulting in lower mechanical strength. The equivalency qualification was finally completed by applying an improved process in which these factors were controlled, and the bearing test and FEM analysis results were compared.

핫프레스 성형 시 금형의 냉각온도 변화에 따른 열가소성 복합재료의 결정화도 및 기계적 특성 평가

한석희 한국해양대학교 대학원 2019 국내석사

고분자 기반의 섬유 강화 복합재료는 금속재료 대비 우수한 내식성, 비강도 및 비강성을 가지고 있어, 항공기, 선박, 자동차 등 수송 산업 분야에 금속재료의 대체품으로 적용 가능성이 확대되고 있다. 특히, 열경화성 고분자 복합재료와 비교하여 가공성이 용이하고 재활용이 가능한 열가소성 고분자 복합재료의 연구가 많이 진행되고 있다. 열가소성 고분자 복합재료는 열성형(Thermoforming)이 가능하며 가열, 가압 성형 및 냉각 과정을 통해 성형을 이루어진다. 대부분의 열가소성 고분자 복합재료는 반결정질 (Semi-Crystalline) 분자 구조를 이루며, 냉각 온도에 따른 결정화도에 따라 성형 후의 기계적 특성이 달라진다. 기존의 열경화성 복합재료는 오토클레이브를 이용해 높은 기계적 물성을 획득할 수 있는 장점이 있지만 높은 제작 단가와 성형시간이 오래 걸린다는 단점을 가지고 있다. 반면에, 열가소성 복합재료의 경우, 열성형을 비롯하여 오토클레이브 공정 없이 프레스 장비 등을 이용한 탈오토클레이브(Out-Of-Autoclave) 공정이 가능하기 때문에, 공정 비용 및 제작 시간의 효율성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 항공기의 2차 구조물이나 단순 부품에 적용 가능한 Polyphenylene Sulfide(PPS)를 이용하여 프레스 성형 공정 변수를 도출하고 냉각속도에 따른 시편 제작을 통해 물성 평가를 수행하였다. 일반적으로 Hot-Press를 이용한 공정은 가열, 가압 성형, 냉각 과정을 통하여 열가소성 복합재료의 성형을 수행한다. 본 논문에서는 적외선(InfraRed)을 이용하여 열가소성 복합재료의 성형가능온도(Processing Temperature)까지 가열한 이후, 압력을 가하여 성형 공정을 수행하였으며, 냉각 속도에 따른 물성 평가를 위하여 금형 온도를 변화시키며 시편을 제작하였다. 또한, 오븐을 이용한 진공성형공정으로 동일한 시편을 제작하여 Hot-Press 성형공정으로 제작한 시편과 비교 및 분석을 진행하였다. 냉각 속도에 따른 결정화도는 Differential Scanning calorimetry(DSC)를 이용하였고 냉각 속도가 느릴수록 높게 측정되는 경향을 보였다. 또한, 인장 및 압축 등 기계적 특성 역시 결정화도가 높을수록 높게 측정됨을 알 수 있었고, 결정화도에 따른 재료의 표면상태 및 파단 거동을 분석하기 위하여 Scanning Electron Microscope(SEM) 으로 표면 및 파단면을 관찰하였다. 본 연구를 통해 열가소성 복합재료를 이용한 Hot-Press 성형 시 냉각 속도에 따른 결정화도와 기계적 특성 변화의 양상을 살펴 보았다. 본 연구 결과를 토대로 PPS 및 PEKK(Poly Ether Ketone Ketone) 등의 열가소성 복합재료를 이용한 실제 부품 성형 시 활용될 수 있을 것이라 예상된다. Polymer-based fiber-reinforced composites have superior corrosion resistance, specific strength and specific rigidity compared to metal materials, and are being applied as a substitute for metal materials in transportation industry such as aircraft, ship, and automobile. Particularly, research on thermoplastic polymer composites which can be easily processed and recycled compared to a thermosetting polymer composite material is being studied. Thermoplastic polymer composites can be thermoformed and molded through heating, pressing, and cooling processes. Most thermoplastic polymer composites have a semi-crystalline molecular structure, and the mechanical properties after molding depend on the degree of crystallization depending on the cooling temperature. Conventional thermosetting composites have the advantage of obtaining high mechanical properties by using an autoclave, but they are disadvantaged in that they require high production cost and long molding time. On the other hand, in the case of the thermoplastic composite material, since the out-of-autoclave process using the press equipment can be performed without the autoclave process, including the thermoforming process, the process cost and the production time efficiency can be increased It has advantages. In this study, the parameters of the press forming process were derived by using Polyphenylene Sulfide (PPS) applicable to the secondary structure or simple parts of the aircraft and physical properties were evaluated by preparing specimen according to the cooling rate. Generally, the process using Hot-Press performs molding of a thermoplastic composite material through heating, press-molding, and cooling processes. In this paper, Infrared is used to heat up to the processing temperature of thermoplastic composites, and then the molding process is performed by applying pressure. The mold temperature is changed to evaluate the properties according to the cooling rate, Respectively. In addition, the same specimen was fabricated by the vacuum forming process using the oven and compared with the specimen produced by the hot-press molding process. The crystallization degree according to the cooling rate was measured by differential scanning calorimetry (DSC) and the higher the cooling rate, the higher the tendency to be measured. In addition, the mechanical properties such as tensile and compression were also measured to be higher as the crystallinity was higher. Surface and fracture surfaces were observed with a Scanning Electron Microscope (SEM) to analyze the surface state and fracture behavior of the material according to the degree of crystallization. Through this study, we investigated the crystallization and mechanical properties of hot - press molding using thermoplastic composite according to the cooling rate. Based on the results of this study, it is expected that it can be utilized in the actual part molding using thermoplastic composite materials such as PPS and PEKK (Poly Ether Ketone Ketone).

複合材料에 對한 境界要素 彈性解析 및 異種材料 接合材의 接合界面 龜裂 擧動에 關한 硏究

이갑래 성균관대학교 대학원 1991 국내박사

Recently, various new materials have been developed for the purpose of high strength and lightening of structure, and the use of composite materials is gradually increasing. Therefore it is important to evaluate and analyse the strength and fracture behaviour of composite materials. And because the interface cracks problems in anisotropic bimaterials are considered recently, the definition of stress intensity factors of inteface crack in anisotropic bimaterials are necessary. This thesis is composed by the two part as following Part Ⅰ: An BEM Analysis of Composite Materials Composite materials can be generally treated as anisotropic or orthotropic materials. The orthotropic materials are divided into three groups depending upon the characteristic roots, First, the Characteristic roots which have only imaginary parts, but these roots are not same each other. Second, the characteristic roots which have imaginary and real parts not equal each other and third, the characteristic roots which have only imaginary parts equal each other. Conventional BEM analysis of orthotropic material, however, mainly used for he first case. It was difficult to analyse the orthotropic materials of the second and third cases by conventional BEM method for orthotropic materials. In BEM analysis the fundamental solutions different from FEM are used. To the author's best knowledge, however, he fundamental solutions of BEM for the second and third cases of orthotropic materials have not been found open literatures. When the characteristic roots are equal the fundamental solutions of two-dimensional BEM for orthotropic or anisotropic materials have singularity. In this case, the numerical analysis can not be done by conventional BEM analysis of orthotropic materials. In this thesis, the fundamental solutions of BEM are systematically classified and analysed according to the group of characteristic roots for anisotropic or orthotropic materials. In particular, the singular problems are analysed by the analogy method for isotropic materials. And, the range of existing orthotrpic materials for the second case is clarified by the positive definition of strain energy density. The numerical results by BEM are shown in the thesis. Part Ⅱ: Interface Crark in Bimaterial Anisotropic Media In this thesis, the stress intensity factors for the interface crack in the dissimilar anisotropic materials were analysed by the eigenvectors. Bimaterial stress intensity factor K_(1) and K_(2) for the interface crack between two anisotropic blocks are not associated with symmetric and skew-symmetric load respectively and are fuctions of an arbitrary length parameter. An extrapolation method for the numerical method such as FEM or BEM which can determine the stress intensity factors of an interface crack in anisotropic dissimilar materials is proposed in this thesis using he expression of eigenvectors. BEM analysis were performed on various cases for different material combination by the proposed method. The validity of the proposed method was verified by good agreement between the numerical results and other published ones. The fatigue crack growth behavior was investigated by load constant fatigue test. From the experimental results, the relationship between da/dN and interfacial stress intensity factor(ΔK_(i) or ΔK_(1)) can be expressed by Paris law for homogeneous materials. Because few experimental data of interface crack have been reported, experimental results obtained in this thesis will provide the basic information to the further experiment of interface crack.

탄소나노튜브의 함침 또는 즉석성장을 통한 탄소나노튜브 강화 탄소/탄소 복합재료의 제조

신현규 경남대학교 대학원 2006 국내석사

Carbon/carbon(C/C) composites as a new essential material in the field of high-technology industries require durable heat-resistance at high temperature. It has been used in space, aeronautic and defense fields. In particular, this material has excellent properties in friction, abrasion and thermal shock resistance and therefore it had been used for carbon brakes of fighters, large passenger planes, etc. since 1970's. The purpose of this study was to fabricate the carbon nanotube(CNT) reinforced C/C composites by impregnation or in-situ deposition of carbon nanotubes inside three dimensional (3D) preform for the improvement of thermal properties and characterize them. CNT reinforced C-C composites were prepared by the immersion of CNT in the C/C composites and in situ deposition of CNT using catalyst in the TG-CVI (Thermal Gradient Chemical Vapor Deposition) process. For making CNT reinforced C/C composites using impregnation process, CNT and epoxy resin were immersed in 3D preform and C/C composites with different densities. The thermal conductivity of all specimens was found increased after impregnation of CNT. Especially, in case of 1.0 wt%, the amount of increment of thermal conductivity was the highest. For in-situ deposition of carbon nanotubes, three kinds of catalysts were used. The Ni compound showed good catalytic efficiency for manufacturing CNT reinforced C/C composites. Pyrolitic carbon was deposited around the carbon fibers in the 3D preform, and also the CNT on the carbon fiber and matrix surface. The long CNT was 25~50 ㎚ in diameter and several ㎜ in length, and the short CNT was under 10 ㎚ in diameter and several ㎛ in length. The present study showed that C-C composites with nano scale fillers such as CNT had superior thermal properties and in situ CNT deposition method turned out to be very efficient way to make CNT reinforced C-C composites. 탄소/탄소 복합재료는 고온에서 지속적 열안정성을 갖고 있는 첨단 신소재이며 우주, 항공 및 방위 산업에 사용되고 있다. 특히, 우수한 마찰, 마모 및 열 충격 안정성으로 1970 년대부터 전투기나 대형 여객기의 브레이크 디스크로 활용되고 있다. 본 연구의 목적은 함침방법이나 즉석성장 방법을 통하여 3D 프리폼을 이용하여 탄소나노튜브가 보강된 탄소/탄소 복합재료를 제조하고 특성평가하는 것이다. 최근 주목받고 있는 고기능성 탄소나노튜브를 탄소/탄소 복합재료에 첫째, 함침시키거나 둘째, 열구배 화학기상증착 (TG-CVD)을 통하여 복합재료 내부에 즉석으로 성장시키거나 두 가지 방법을 시도하였고 그 제조공정 조건을 조사하였으며 제조한 복합 재료의 특성을 평가하였다. 첫째 함침법으로는 탄소섬유 프리폼 또는 기공을 갖고 있는 탄소/탄소 복합재료에 탄소나노튜브를 분산시킨 에폭시 수지를 함침하는 방법을 사용하였다. 그 결과, 함침공정으로 제조한 탄소나노튜브 탄소/탄소 복합재료의 열전도도는 함침전보다 25% 증가하였다. 특히, 탄소나노튜브를 1.0 % 포함하는 탄소/탄소 복합재료가 가장 높은 열전도도 값을 나타내었다. 둘째, 즉석성장법은 탄소섬유 프리폼을 니켈, 철, 또는 크롬의 세 가지 촉매로 전 처리한 후 화학기상증착하는 방식을 사용하였다. 그 결과, 니켈 화합물이 가장 우수한 것으로 나타났다. 복합재료 내부에 탄소섬유 주변에 열분해탄소가 증착되었으며, 탄소나노튜브가 탄소섬유 및 탄소기지의 표면에 성장한 것이 관찰되었다. 본 연구로 개발한 CNT 즉석성장법은 복합재료의 증착공정 중에 즉석으로 간단히 공정조건만을 변화시킴으로써 탄소/탄소 복합재료 내부에 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다는 점에서 큰 의미가 있을 것이다.