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탄화규소섬유와 탄소섬유 하이브리드 직물을 강화재로 한 SiC 매트릭스 세라믹복합재의 기계적물성, 산화 및 삭마 저항성 개선 연구
윤병일,김명주,김재성,권향주,윤성태,김정일 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.3
In this study, Cf/SiC, SiCf/SiC and Cf-SiCf/SiC ceramic composites reinforcing carbon fiber, SiC fiber and hybrid fiber were fabricated by hybrid TGCVI and PIP process. After the thermal shock cycle, 3-point bending and Oxy-Acetylene torch test, their mechanical behavior, oxidation and erosion resistance were evaluated. The Cf/SiC composite showed a decrease in mechanical property along with increasing temperature, a pseudo-ductile fracture mode and a large quantity of erosion. The SiCf/SiC composite exhibited stronger mechanical property and lower erosion rate compared to the Cf/SiC, but brittle fracture mode. On the other hand, hybrid type of Cf-SiCf/SiC composite gave the best mechanical property, more ductile failure mode than the SiCf/SiC, and lower erosion rate than the Cf/SiC. During the Oxy-Acetylene torch test, the SiO2 formed by reaction of the SiC matrix with oxygen prevented further oxidation or erosion of the fibers for Cf-SiCf/SiC and SiCf/SiC composites particularly . In conclusion, if a hybrid composite with low porosity is prepared, this material is expected to have high applicability as a high temperature thermo-structural composite under high temperature oxidation atmosphere by improving low mechanical property due to the oxidation of Cf/SiC and brittle fracture mode of SiCf/SiC composite. 본 연구에서는 탄소섬유, 탄화규소섬유 그리고 하이브리드섬유를 강화재로 하여 TGCVI와 PIP 혼합 공정으로 Cf/SiC, SiCf/SiC, Cf-SiCf/SiC의 세라믹복합재를 제조하였다. 열충격싸이클시험, 3-점 굴곡험과 Oxy-Acetylene토취 시험후에 그들의 기계적물성, 산화저항성과 내삭마성을 평가하였다. Cf/SiC복합재는 온도 증가에 따라서 기계적물성의 감소와 준 연성의 파단모드, 그리고 높은 삭마량을 보였다. SiCf/SiC복합재는 Cf/SiC 복합재에 비하여 강한 기계적물성, 낮은 삭마량을 그리고 취성의 파단모드를 나타냈다. 한편 하이브리드 복합재는 가장 우수한 기계적물성과 SiCf/SiC보다는 연성의 파단모드 그리고 Cf /SiC 보다 낮은 삭마량의 결과를 나타냈다. Oxy-Acetylene토취 시험 중에 SiC매트릭스는 산화되어 SiO2층을 형성하였으며, 특히 이 층은 Cf-SiCf/SiC 와 SiCf/SiC 복합재에서 섬유의 추가적인 삭마를 막는 역할을 하는 것으로 나타났다. 결론적으로 낮은 기공율을 갖는 하이브리드 복합재를 제조한다면, Cf/SiC의 산화로 인한 기계적물성의 감소와 SiCf/SiC 복합재의 취성 파단모드의 개선으로 고온 산화분위기에서 고온열구조재로의 적용이 높을 것으로 기대한다.
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화학기상침투법 반응로 내부 유동에 따른 탄소/탄소 복합재 밀도화
김혜규 ( Hye-gyu Kim ),지우석 ( Wooseok Ji ),권향주 ( Hyang Joo Kwon ),윤성태 ( Sungtae Yoon ),김정일 ( Jung-il Kim ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.4
본 논문에서는 화학기상침투법(CVI) 공정으로 제작되는 탄소/탄소 복합재의 밀도화 과정을 수치해석적으로 연구하였다. 이를 위해 선행 연구에서 개발된 전산유체역학 모델과 반응로 내 주요 화학 반응 모델을 연계한 다중물리 수치해석 모델을 이용하여, 섬유 프리폼의 밀도와 공극률 변화를 다양한 측면에서 분석하였다. 특히 프리폼 주변 기체 유동의 형태에 따른 밀도화 변화를 알기 위해, 특정 형상의 구조물을 프리폼 주변에 배치시켜 유동을 변화시킨 후 프리폼의 밀도화를 계산하였다. 총 4가지 다른 형태의 구조물로 해석한 결과 프리폼 주변의 유동 형태 및 속도 분포를 구조물 형상으로 제어할 수 있었으며, 프리폼의 평균 밀도를 높이거나 밀도 편차를 감소시키는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 사용되는 반응로와 공정 조건을 모델로 이용하였다. In this paper, the densification of a carbon/carbon composite during a chemical vapor infiltration (CVI) process is studied using a chemo-mechanical model. The multi-physics numerical model, developed in the previous research, couples computational fluid dynamics and major chemical reactions in the reactor. The model is especially utilized to study the effect of flow behavior around the preform on the densification. Four different types of “flow-guide” structures are placed to alter the gas flow around the preform. It is shown that the flow pattern and speed around the preform can be controlled by the guide structures. The process simulations demonstrate that the average density and/or density distribution of the preform can be improved by controlling the gas flow around the perform. In this study, a full industrial-scale reactor and process parameter were used.
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