연구개요
SiC 섬유강화 복합소재는 초고온 등의 극한환경에서 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도 특성을 유지하는 소재로 우주·항공, 방위산업, 원자력 등 고신뢰도가 요구되는 산업분야의 필수 소재이다. 그러나, 초고강도 고온용 SiC 섬유 및 SiC 복합재료는 전략물자로 분류된 수입제한 품목으로서 국산화 원천소재의 개발이 절대적으로 요구되며, 차세대원자로 구조재료, 로켓노즐, 송전선 등 응용범위가 급속히 확대되고 있다. 따라서, SiC 섬유강화 복합소재 개발을 위한 원천 요소기술을 확보하기 위해 프리폼 설계 및 형상화 기술, 고밀도 기지상 제조에 관한 연구가 수행되었다.
SiC 복합체 제조
SiCf/SiC 복합체는 약 10 um직경의 완전히 결정화된 SiC 섬유에 수백 나노미터 두께의 열분해탄소(PyC)층을 증착시킨 다음, 섬유사이의 빈공간을 다시 고순도의 SiC 기지상을 채움으로서 제조가 된다.
SiC 기지상의 밀도, 강도, 인성 향상을 동시에 구현하기 위해, SiC 섬유 프리폼 내에 수백 나노미터 직경의 SiC 나노와이어를 성장시키는 공정을 개발하였으며, 고순도의 SiC 기지상을 얻기 위해, 다시 화학기상침착법으로 SiC 기지상을 증착하여 SiCf/SiC 복합체를 제조하였다. 이를 통해 제조된 복합체는 기존 공정을 통해 제조된 복합체에 비해 40% 이상의 강도 증가 효과를 나타내었다. 또한 열분해탄소층의 최적 증착조건을 도출하여 곡강도를 10% 이상 향상시켰으며, 파괴인성 또한 21.2±1.0 MPa·m1/2로서 우수한 특성을 나타내었다. 기존 공정으로 제조한 복합체의 경우 인장강도가 232 MPa, PLS 값이 143 MPa인 반면, 휘스커 또는 나노와이어로 강화한 복합체는 인장강도가 286 MPa이고, PLS가 230 MPa 이었다. 또한 변형률도 0.20%에서 0.31%로 증가하였다. PLS 값은 부품의 설계응력 계산 시 주요한 인자가 되는데, 이 값의 증가는 결국 설계 여유도의 증가를 가져올 수 있으므로 부품의 신뢰도 향상에 기여하게 된다.
그림 1. 열분해탄소층이 증착된 SiC 섬유에 SiC 나노와이어를 성장시킨 모습
그림 2. SiC 나노와이어 성장에 의한 파괴인성 강화효과