고밀도 섬유강화 탄화규소 기지 복합체 제조 공정 개발에 관한 연구 = Process development for high density fiber reinforced SiC matrix composites

국문 초록 (Abstract)

탄소 섬유 및 탄화규소 섬유에 대해 등온-등압 화학 기상 침착법(ICVI)을 이용하여 고밀도 섬유 강화 탄화규소 기지 복합체 제조 공정을 개발하였다. 기존의 ICVI법은 침착 공정이 진행됨에 따라, 반응기상의 침투 및 확산이 기지 물질에 의해 막혀서 더 이상의 침착이 진행되지 못해 많은 닫힌 기공이 남게되는 canning 현상을 유발하여 고밀도의 복합체 제조에 어려움이 있었다. 이러한 ICVI법의 문제점을 해결하고자, 본 연구에서는 새로운 연속적 휘스커 성장 및 기지 채움 공정을 고안하였고, 고안된 공정에 따라 섬유 강화 탄화규소 기지 복합체를 제조하였다.
탄소 섬유 강화 탄화규소 기지 복합체의 경우, 1100℃의 침착 온도와 입력 기체비 20의 조건에서 탄화규소 휘스커가 성장하였고, 고안된 공정에 따라 제조하였을 때 기존의 ICVI법으로 제조한 복합체보다 닫힌 기공율이 작은 고밀도의 복합체를 얻을 수 있었다. 복합체의 파괴인성을 높이기 위해 ICVI 공정전에 열분해 탄소를 1000℃에서 코팅하였으며, 열분해 탄소 코팅층이 0.1㎛일 때 복합체는 최대의 flexural strength를 가졌다. Flexural strength 측면에서도 본 연구에서 고안된 공정으로 제조된 복합체가 기존의 ICVI법으로 제조된 복합체보다 우수하다는 사실이 밝혀졌다.
탄화규소 섬유 강화 탄화규소 기지 복합체의 경우, 1100℃의 침착 온도와 입력 기체비 15의 조건에서 탄화규소 휘스커가 성장하였고, 고안된 공정에 따라 제조하였을 때, 닫힌 기공이 작은 고밀도의 복합체를 얻을 수 있었다.
고안된 연속적 휘스커 성장 및 기지 채움 공정은 고밀도의 섬유 강화 탄화규소 기지 복합체를 얻을 수 있는 공정임이 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A novel process called in-situ whisker growing and matrix filling was designed to overcome conventional ICVI problem which make composites porous. Fiber reinforces SiC matrix composites were successfully fabricated by the process in the present study.
In the case of C/SiC composites, SiC whisker was grown at 1100℃ and input gas ratio of 20. C/SiC composites obtained by the suggested process were denser than ones by conventional ICVI. Pyrolytic carbon was coated to increase fracture toughness at 1000℃. The flexural strength of C/SiC composites was maximum at 0.1㎛ thickness of pyrolytic carbon coating layer. C/SiC composites obtained by the suggested process had higher flexural strength than ones by conventional ICVI.
In the case of SiC/SiC composites, SiC whisker was grown at 1100℃ and input gas ratio of 150. SiC/SiC composites obtained by the suggested process were denser than ones by conventional ICVI.
It revealed that in-situ whisker growing and matrix filling suggested as the novel process was effective to fabricate high density fiber reinforced SiC matrix composites. The whisker growing process introduced in the present study will be available to obtain composites with high density by modifying the pore structure and keeping diffusion path open.

목차 (Table of Contents)

• 차례
• List of Tables
• List of Figures
• 국문요약
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 문헌 조사 및 이론적 배경 = 3
• 제1절 탄화규소 = 3
• 제2절 화학 기상 침착법 (Chemical Vapor Infiltration) = 3
• 2.2.1. 화학 기상 침착법의 개요 = 3
• 2.2.2. 화학 기상 침착법에서의 반응기구 = 4
• 2.2.2. 섬유의 코팅 = 6
• 제3장 실험방법 = 9
• 제1절 탄소/탄화규소 복합체의 제조 및 특성 분석 = 9
• 3.1.1. 시편준비 = 9
• 3.1.2. 코팅 및 화학 기상 침착장치 = 9
• 3.1.3. 코팅 및 화학 기상 침착 공정 = 11
• 3.1.4. 특성분석 = 12
• 3.1.4.1. 미세구조 관찰 = 12
• 3.1.4.2. 3점 꺾임 강도 = 14
• 제2절 탄화규소/탄화규소 복합체의 제조 및 특성 분석 = 15
• 3.2.1. 시편준비 = 15
• 3.2.2. 화학 기상 침착 공정 = 15
• 3.2.3. 미세구조분석 = 16
• 제4장 결과 및 고찰 = 17
• 제1절 탄소/탄화규소 복합체 = 17
• 4.1.1. 침착 온도 및 희석 기체에 따른 영향 = 17
• 4.1.2. 새로운 고밀도 복합체 제조 공정 개발 = 20
• 4.1.3. 열분해 탄소 중간층 두께 변화의 영향 = 22
• 4.1.3. 미제구조 분석 = 26
• 제2절 탄화규소/탄화규소 복합체 = 29
• 4.2.1. 침착 온도 및 입력 기체비의 영향 = 29
• 4.2.2. 새로운 고밀도 복합체 제조 공정 개발 = 35
• 제5장 결론 = 38
• References = 40
• Abstract = 44