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고온내산화성 실리콘카바이드 섬유의 국내·외 기술개발 동향
윤병일(B. I, Yoon),최우철(W. C, Choi),김재성(J. S, Kim),김정일(J. I, Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5
초고온에서 단시간 혹은 장시간 사용할 수 있는 내열성과 구조성을 갖춘 소재는 오늘날 우주항공, 국방, 원자력발전소 및 일반산업분야에 까지 대단히 매력적이고 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 산화성이 강한 분위기하에서 작동하는 각종 엔진은 고온성과 내산화성을 갖춘 소재가 요구된다. 이의 하나가 실리콘카바이드섬유(SiC fiber)에 실리콘카바이드(SiC)를 매트릭스로 한 SiC/SiC 세라믹복합재이다. 또한 SiC 섬유는 전자기파 흡수력이 우수하여 항공기 등의 스텔스 소재로서 유망하다. 본 논문에서는 SiC/SiC를 구성하고 있는 SiC 섬유의 국내외에서의 기술 개발과, 그리고 SiC/SiC 복합재의 특성과 적용분야 현황을 실펴보고자 한다. The high temperature resistant thermal structural materials which are able to be used during a short or long time are very attractive and also hold key position in the area of aerospace, defense, nuclear power plant and general industry. All sorts of engines working particularly at highly oxidative environment require extremely oxidative resistant materials. One of them is SiC/SiC ceramic composite. It is also gretely promising material in the future due to thr excellent microwave absorbing feature. In this paper the technology development status of silicone carbide fiber at home and abroad and the characteristics and applications of SiC/SiC composite are introduced.
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차세대 엔진용 세라믹복합재의 강화재로서 CVC공정에 의한 내산화성능이 우수한 고성능 탄화규소섬유 개발
윤병일(B.I, YOON),최우철(W.C, CHOI),김재성(J.S, KIM),김정일(J.I, KIM),강홍구(H.G, KANG),김명주(M.J, KIM) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12
The purpose of this study is to develop highly oxidative resistant silicon carbide fiber with less than 2 wt% of oxygen content for CMC composite applicable to various engines which can be used at above 1300℃ during long-term duration . In order to do that, we have developed CVC(chemical vapor curing) process to make the sic fiber with much lower oxygen content by using unsaturated hydrocarbon vapor than Si-O-C fiber cured by air oxidation atmosphere. The sic fiber cured by CVC process shows very low oxygen content similar to that of sic fiber obtained by electron beam curing. We found that the mechanism in curing process between air oxidation and CVC process were completely different. The mechanical property in the final sic fiber shows higher value in tensile strenth. As a results, this grade of sic fiber with low oxygen content will be available to apply as a fiber reinforcement of CMC for various gas turbine engines for aircraft, space and ultra high speed vehicles using ramjet or scramjet engine.
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폴리카보실란 전구체로부터 고온 산화성분위기서 기계적물성이 우수한 파이롯-규모의 탄화규소섬유 제조공정 개발
윤병일 ( B. I. Yoon ),최우철 ( W. C. Choi ),김정일 ( J. I. Kim ),김재성 ( J. S. Kim ),강홍구 ( H. G. Kang ),김명주 ( M. J. Kim ) 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.2
본 연구의 목적은 고온 산화성 분위기하에서 기계적물성이 우수한 탄화규소섬유(SiC Fiber)를 파일롯-규모로의 생산 제조공정을 개발하는 것이다. 프리세라믹 전구체로서 폴리카보실란(PCS)을 사용하여 탄화규소섬유를 제조하였다. 연속성의 PCS 섬유는 300~350℃에서 PCS를 용융한 후에 용융방사로부터 얻었다. 열처리 전에 섬유의 불융화를 위하여 공기 분위기하에서 경화를 하였다. 경화 전, 후에 측정한 FT-IR 스펙트라 피크로부터 경화도를 계산하였다. 탄화규소섬유의 물성은 경화도에 따라 크게 영향을 받았다. 본 개발에서 열처리 중 섬유의 장력 조절로 우수한 물성을 갖는 탄화규소섬유를 얻었다. 탄화규소섬유의 화학조성과 기계적물성은 안정화섬유의 열처리시의 이송속도에 영향을 받았다. 탄화규소섬유를 공기분위기하 1000℃에서 1분부터 50시간까지 노출한 후에 인장시험을 수행하였다. 그 결과 인장강도는 약 60%까지 감소함을 보여주었다. 장시간 노출시험시 낮은 인장 강도값을 나타내는 섬유는 화학성분 분석시 섬유의 표면에 많은 탄소량을 함유하고 있었다. The purpose of this study is to develop silicon carbide fiber showing an excellent mechanical properties under highly oxidative conditions at high temperature. Polycarbosilane(PCS) as a preceramic precursor was used for making the SiC fiber. PCS fiber was taken by melt spinning method followed by melting the PCS at 300~350℃ in N2 gas. The Curing of PCS fiber was carried out in air oxygen chamber, prior to high temperature pyrolysis. Degree of cure was calculated by characteristic peak`s ratio of Si-H to Si-CH<sub>3</sub> in FT-IR spectra before and after curing of PCS fiber. The properties of SiC fiber was affected greatly by the degree of cure. The SiC fiber produced by controlling fiber tension during heat treatment showed good properties. The SiC fiber exposed to 1000℃ at air from 1 min. up to maximum 50 hrs showed around 60% reduction in tensile strength. We found that large amount of carbon content on the fiber surface after long-term exposure has resulted in lower tensile strength.
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최우철(W. C, CHOI),윤병일(B. I, YOON),김재성(J. S, KIM),김정일(J. I, KIM),강홍구(H. G, KANG) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12
폴리다이메칠실레인(Polydimethylsilane)의 열분해 및 중합 반응에 의해 제조된 3000 ~ 4500의 중량 평균 및 1000 ~ 1250의 수 평균 분자량을 가지는 폴리카보실레인(Polycarbosilane)으로 용융방사를 수행하여 그린(green)섬유를 얻었고, 공기 중에서 열적 안정화와 1,200℃ 질소분위기에서 열처리를 수행하여 실리콘카바이드(SiC) 섬유를 제조하였다. 이 SiC 섬유 표면에 다양한 전기 비저항 값을 부여하기위해 구리와 탄소를 각각 코팅하였다. 기계적 절단으로 단 섬유화 하고 페놀레진과 결합시켜 다양한 종류의 SiC 섬유 복합재료 시편을 제조하여 전파흡수 특성을 조사하였다. 섬유의 낮은 전기 비저항 값에 의한 높은 유전율 값을 가지는 시편에서 우수한 전파흡수율 특성을 보였다. Polycarbonsilane(PCS) was synthesized by thermal decomposition and condensation of polydimethylsilane. The synthesised PCS had the average molecular weight of 3000~4500 and the number average molecular weight of 1000~1250. The continuous SiC fibers were prepared by melt-spinning of the PCS and stabilizing of the PCS fibers in air, and finally pyrolysis of the stabilized PCS fiber at 1200℃ in nitrogen atmosphere. The SiC fiber composites were fabricated by combining the SiC fiber chopped with phenolic resin. A comparative investigation on microwave absorbing properties for several kinds of SiC fiber composites, which have carbon and copper layer on the surface of SiC fibers respectively, was performed with the material properties such as electrical resistivity and complex permittivity. The specimen having higher permittivity induced by lower electrical resistivity showed an excellent microwave absorption rate.
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