연구 개요

SiC_f/SiC 복합체는 고온에서 높은 강도와 우수한 파괴인성, 부식 저항성, 화학적 안정성 등을 가지며 우수한 조사 저항성을 나타내어 가스 터빈, 열교환기과 같은 고온 구조재료와 차세대 원자로 반응기 부품 등으로의 응용에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 복합체 내의 SiC 섬유와 SiC 기지상의 계면은 생성된 균열이 계면을 따라 휘어지게 만들어 SiC_f/SiC복합체의 파괴인성을 향상시키는 데 매우 중요한 역할을 담당한다. SiC 섬유에 코팅되는 계면상은 층상구조를 가지고 있는 PyC 와 h-BN 이 가장 널리 적용되고 있으며 계면상으로 적용 시 복합체에서 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 그러나 PyC 와 h-BN 은 고온에서 산화에 취약한 단점을 가지고 있어 SiC_f/SiC복합체가 고온 구조재료로 응용되기 위해서는 계면상의 산화저항성을 향상시킬 필요가 있다. 또한 원자로 구성 요소로 응용되는 경우 계면상이 중성자 조사 환경에서 높은 안정성과 우수한 고온산화 저항성을 나타내어야 한다.

Ti₃SiC₂ MAX phase는 금속 탄화물 삼성분계 세라믹스로 낮은 열팽창계수를 가지며 열적, 전기적으로 우수한 성질을 나타내고 고온 강도가 우수하며 탄성적으로 stiff한 성질을 가지고 있다. 그러나 한편으로 MAX phase는 금속과 비슷한 성질을 나타내어 고온 산화와 열충격에 매우 안정하며, 쉽게 가공되고 충격에 강한 특성을 갖는다. Ti₃SiC₂ MAX phase는 kink bands 와 delamination crack 의 형성으로 쉽게 휘어지는 특성을 가지며, 육방구조로 (001) 기저면에서 층상구조를 형성하여 비등방성 구조를 나타낸다. 따라서 MAX phase 를 계면상으로 적용하는 경우 계면상에서 균열이 휘어지며, 섬유상이 복합체 내에서 쉽게 pull-out 되어 파괴인성이 향상되는 등의 우수한 기계적 특성과 내산화성을 갖는 세라믹 기지상 복합체를 제조할 수 있을 것이다. MAX phase 를 코팅하기 위해 다양한 연구가 진행되었으며 그 중에서 CVD 를 이용한 연구가 주로 진행되었다. 그러나 CVD 로 MAX phase 를 코팅하는 경우 기저면이 기판에 수직한 방향으로 형성되게 되어 복합체의 계면상으로 적용될 때 복합체의 파괴인성 향상에 기여하지 못한다. 그 외에 여러가지 CVD 방법으로 시도가 있었으나 섬유와 평행한 방향으로 층상구조를 나타내도록 증착된 연구는 아직 없다. 전기영동법 (Electrophoretic Deposition, EPD)은 전기장을 통해 suspension 내에 하전되어 있는 분말을 프리폼 내로 침착시키는 방법으로 SiC_f/SiC 복합체에서 기지상을 침착시켜 복합체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. EPD를 통해 MAX phase를 코팅하는 경우 MAX phase 분말의 비등방성에 기인하여 SiC 섬유에 평행한 방향으로 입자 내 층상구조가 배열되도록 코팅이 가능할 수 있다.

최종목표

EPD법을 이용한 Ti₃SiC₂ 계면상의 균일한 코팅

• SiC 섬유에 Ti₃SiC₂ 분말 균일 코팅을 위한 최적 조건 도출

• Ti₃SiC₂ 계면상이 코팅된 SiC_f/SiC 복합체 제조 및 특성평가

주요 연구내용

• Ti₃SiC₂ 계면상 코팅기술 확립
• SiC_f/SiC 복합체 제조 공정 최적화
• 물리적, 기계적 특성 평가
• VHTR, LWR 환경 저항성 평가

주요 연구성과

전기영동법을 이용하여 Ti₃SiC₂ MAX phase 분말을 SiC 섬유 표면에 균일 코팅하였다. Ti₃SiC₂ 분말은 볼 밀링을 통해 코팅을 위한 최적의 크기로 조절되었으며, suspension 내에 PEI 를 이용하여 분산시켜 전기영동 효율을 높였다. Ti₃SiC₂ 분말 suspension의 zeta potential 측정한 결과 IEP는 7.5를 나타내고 pH 가 감소할수록 큰 양전압을 나타내었으며, Ti₃SiC₂ 분말과 PEI를 첨가한 suspension의 zeta potential 은 pH 9 이하에서 약 15 mV 의 양전압을 나타내었다. PEI 분산제를 사용하지 않은 Ti₃SiC₂ suspension은 SiC 섬유 위에 잘 코팅되지 않았으나 PEI 를 0.3 wt.% 첨가한 suspension 에서 pH를 8로 조정하고 실험한 결과 잘 분산된 Ti₃SiC₂ 입자가 SiC 섬유 위에 코팅 되는 것을 확인하였다. SiC 섬유 천 내부에 균일하게 Ti₃SiC₂ 입자를 코팅하기 위해 전기영동법 실험 조건을 최적화하였다. 0.03 wt.% Ti₃SiC₂ 분말에 0.3 wt.% PEI를 분산제로 첨가한 suspension에서 전압 10V 조건에서 2 시간 동안 코팅하였을 때 SiC 섬유에 고르게 코팅 되는 것을 확인하였다. 전기영동법을 통해 SiC 섬유에 Ti₃SiC₂ MAX phase 분말을 성공적으로 코팅할 수 있었으며, 향후 SiC_f/SiC 복합체의 계면상으로의 응용으로 산화저항성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대 된다.

그림 2. Ti₃SiC₂ suspension에 0.3 wt% PEI의 첨가유무에 따른 제타포텐셜 값의 변화

그림 3. 전기영동 조건에 따른 Ti₃SiC₂ 계면상의 증착 거동

참고문헌

[1] R. Naslain, “Fibre-matrix Interphases and Interfaces in Ceramic Matrix Composites Processed by CVI,” Compos. Interface, 1 253-86 (1993). [2] Y. Kagawa, “Two Approaches for Interface Design of Continuous Fiber Ceramic Matrix Composites,” Ceram. Trans., 99 179-85 (1998). [3] A. Ivekovic, S. Novak, G. Drazic, D. Blagoeva, and V. S. Gonzalez, “Current Status and Prospects of SiC_f/SiCforfusionstructuralApplications,”J. Eur. Ceram. Soc., 33 1577-89 (2013). [4] S. Novak, K. Rade, K. Konig, and A.R. Boccaccini, “Electrophoretic Deposition in the Production of SiC/SiC Composites for Fusion Reactor Applications,” J. Eur. Ceram. Soc., 28 2801–7 (2008). [5] A. Ivekovic, G. Drazic, and S. Novak, “Densification of a SiC-matrix by Electrophoretic Deposition and Polymer Infiltration and Pyrolysis Process,” J. Eur. Ceram. Soc., 31 833–40 (2011)

document ID: d20160012