세라믹기지 복합재료

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세라믹기지 복합재료에 대한 보고서 자료입니다.

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기지 복합재료와 반대이다. 후자의 경우에서는 보강섬유의 파괴연신율이 기지재료에 비하여 대단히 낮아 복합재료의 파괴를 섬유가 유발하는데 비하여, 세라믹 복합재료는 기지재료가 먼저 파괴되게 된다.
복합 강화기구는 보강섬유의 세장비(섬유길이/섬유지름)에도 영향을 받지만 일반적으로 섬유와 기지 계면이 전단응력에 의하여 우선적으로 파괴되기 때문에 계면거동이 강화기구에 중요한 역할을 하게 된다.
섬유강화 세라믹 복합재료의 파괴는 섬유와 기지의 계면이 전단응력에 의하여 파괴된 후 기지로부터 섬유가 뽑힘으로써 일어난다. 섬유강화 세라믹 복합재료에서 섬유의 계면 결합력에 영향을 주는 요인 중의 하나로 섬유와 기지재료 간의 열팽창계수의 차이를 들 수 있는데, 열팽창계수의 차이에 따라 계면에서 압축응력 또는 인장응력이 걸리는 수가 있고, 너무 큰 차이로 인하여 제조 후 냉각과정 중에 균열이 발생되기도 한다.
그림> 기지재료와 보강섬유의 열팽창계수
섬유의 계면 결합력에 영향을 주는 또 다른 중요한 요인은 기지와 섬유 간의 화학 반응성이다. 예를 들면, 계면에서 화학반응이 진행되어 섬유와 기지 간에 강한 접합이 일어나면 계면 파괴가 순조롭게 진행되지 않고 섬유가 뽑히기 전에 쉽게 절단되는 경향이 있다. 그리고 계면접합이 너무 약하면 섬유가 뽑히기 보다는 층간박리에 의하여 복합재료가 파괴된다.
이와 같이 섬유강화 세라믹 복합재료의 특성은 계면 및 계면 주위의 결정상태를 적당히 제어함으로써 크게 증진될 수 있다. 다음 표에서 섬유로 강화된 세라믹 복합재료는 강화되지 않은 것보다 1000배 정도 증진된 것을 알 수 있다.
재료
물성
장섬유 강화 세라믹 복합재
강화되지 않은 세라믹
질화규소기지
물라이트기지
질화규소
물라이트
밀도
2.55
2.56
3.20
3.15
열린 기공율
5.70
2.40
<0.1
<0.1
파괴인성값
28.1
41.8
18.0
18.2
6.0
5.8
2.6
파괴에너지
10∼30*103
10∼30*103
10∼40
10∼40
탄성계수
310
215
220
190
280
220
굴곡강도
690
532
610
882
1000
600
380
380
열팽창계수
5.4*10-7
4.3*10-6
3.1*10-7
5.2*10-6
3.0*10-6
4.8*10-6
표>탄소섬유 강화 세라믹 복합재료의 특성
그리고 CMC 와 MMC의 XRD 사진을 비교해 보겠다.
그림> CMC
그림> MMC
섬유강화 세라믹 복합재료는 섬유의 개발과정에 따라 발전되어 왔다고 볼 수 있다. 다음 표에 세라믹 섬유의 발전과정을 정리하였다.
연대
내용
1942
유리섬유 강화 폴리에스테르
1958
위스커 강화 복합재료의 발전을 예측
티탄산칼륨 위스커 (Du Pont)
1959
보론 섬유의 개발(AFML)
1961
PAN계 탄소섬유의 개발
1962
보론섬유 강화 플라스틱
1964
고탄성, 고강도 탄소섬유의 개발
1965
피치계 탄소섬유의 개발
탄소섬유 강화 플라스틱, 보론섬유 강화 알루미늄 등의 복합재료연구개발의 광범화
1966
CVD-탄소규소의 섬유의 개발
1967
SiC 위스커의 합성
1975
탄화규소 섬유의 개발
Fiber-FP(Du Pont)
Nextel(3M)
1976
규화 알루미나섬유
1981
Si-Ti-C-O 섬유 개발
1981∼89
차세대 복합재료의 연구개발
1982
Si-N-C 섬유
Si-C섬유
1983
탄화규소 섬유의 공업화
1984
Si-N-O계 섬유의 합성
1985
Si-Ti-C-O 섬유의 공업화
1986
Si3N4섬유의 개발
1988
B-N섬유의 개발
1989
SiCN섬유의 제조
1989
초내환경성 최신 복합재료의 개발
표>세라믹 섬유의 발전과정
섬유강화 세라믹 복합재료는 섬유를 기지 내에 균일하게 분산시킨 후 밀한 소결체로 제조되어야 하는데, 아직 제조공정상 많은 어려움이 남아 있다.
최근 입자강화 세라믹 복합재료의 새로운 개념으로 세라믹 나노 복합재료의 제조가 시도되고 있는데, 이는 분산상으로 10-9m 크기의 세라믹 입자를 기지 세라믹 입자 내에 분산시킴으로써 제조된다. 다음 표에서는 나노 복합재료로 제조됨으로써 현저하게 증가된 기계적 특성값을 보여 주고 있다.
복합구조
파괴인성값
강도
최대사용온도
Al2O3
3.54.8
3501520
8001200
Al2O3/Si3N4
3.54.7
350850
8001300
MgO/SiC
1.24.5
340700
6001400
Si3N4/SiC
4.57.5
8501550
12001400
표>세라믹 나노 복합재료의 기계적 특성
● 제조 방법
열간 압연법
- 단섬유가 방향성 없이 보강된 복합재료는 단섬유를 기지재료 분말과 기계적으로 잘 섞어 열간 압연함으로써 제조할 수 있다. 다음 그림은 연속섬유를, 분말 기지재료를 유기용매에 섞은 슬러리에 통과시켜, 기공도가 적고 균일한 섬유분포를 가진 박판 중간재(Green- Sheet)를 만드는 공정을 나타낸 것이다.
적당한 크기로 잘라 원하는 방향성으로 박판중간재를 적층한 다음, 유기용매를 태워 열간 압연함으로써 복합재료를 만들게 된다. 섬유의 체적비는 슬러리의 기지재료 분말과 섬유의 양을 조절함으로써 비교적 용이하고, 약 60% 까지의 섬유 체적비를 갖는 복합재료를 제조할 수 있다.
그림>섬유강화 세라믹 복합재료의 제조공정
열간 압연법에서 주요조건은 온도, 압력과 가열속도이다. 탄소섬유로 보강된 붕규산 유리복합재료의 경우, 약 550℃까지 0.35Mpa의 압력하에서 천천히 가열한 뒤 550℃에 이르면 1.05Mpa로 압력을 상승시킨다. 800℃에 이르러 압력을 6에서 10Mpa로 올린 후, 최고온도 1400℃까지 압력을 유지시킨다. 성형이 끝난 후 약 500℃로 냉각될 때까지 압력을 유지한다. 만일, 압력을 미리 제거하면 많은 기공이 생기게 된다. 최고온도, 압력 등은 기공도 및 기지와 섬유의 결합력 등에 영향을 미치게 된다. 세라믹 복합재료의 강도는 기공도가 큰 영향을 미친다.
고온 가압 소결(Hot pressing)
- CMC를 응고시켜 주기 위해 사용되는 가장 일반적인 기술이며, 아마도 가장 비싸게 드는 기술 가운데 하나이다. 그 이유는 어떤 다른 방법으로도 세라믹을 가공하기는 아주 어렵기

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