CVI에 의한 Fiber강화 SiC/C 복합재료의

제조에서의 확산의 영향

김영준, 정귀영

홍익대학교 공과대학 화학공학과

Effects of Diffusion on the Fabrication of SiC/C Composites Reinforced with Fibers by CVI

Young-Joon Kim, Gui-Yung Chung

Department of Chemical Engineering, Hongik University

서론

CVI(Chemical vapor infiltration)에서는 섬유형태로 만들어진 프리폼에 전구체가스가 확산해 들어간다. 그런 후 기공벽에서 화학반응에 의해 메트릭스 물질이 증착된다. 이러한 방법으로 많은 복잡한 형태의 복합물질이 생산될 수 있었다 [1,2,3]. CVI에 의한 세라믹 SiC/C 복합재료가 제조되었다.

4겹, 6겹, 8겹의 옷감형태의 탄소화이버에 SiC가 증착되었다. tow 사이의 홀과 필라멘트주변 공간에의 증착이 고려되었다. 확산저항에 의한 프리폼내 반응가스의 농도구배로 인해 불균일한 증착이 형성되고 샘플내부에 완전한 증착이 일어나기 전에 샘플표면의 증착으로 인해 내부 증착이 중단된다[4,5]. 확산저항이 샘플내부로 갈수록 증착에 어떠한 영향을 미치는가 하는 것이 관찰되었다. DDS농도를 바꿔가면서 증착양상이 어떻게 변하는 지를 관찰하였다.

실험방법

실험에 사용된 샘플은 탄소섬유로 각 화이버의 단면은 직경이 8□인 원형이고 약 6000개의 화이버가 다발을 이루고 있다. 샘플 홀더 규격에 맞게 샘플을 같은 크기로 잘라 일정한 형태를 만들어 주었다. 샘플을 샘플 홀더에 고정시킨 뒤 무게를 측정한 흑연 튜브에 넣고 이 흑연 튜브를 석영관 중앙 즉 가열구간에다 놓았다. 계안의 공기를 완전 제거한 후 수소가스를 일정한 유속으로 계안에 보내면서 원하는 압력으로 조절하였다. 950 ℃를 유지하며 일정한 시간 간격으로 증착실험을 하였다.

증착반응이 끝난 후 샘플의 증착형태를 SEM, TGA, 기공도 측정장치(poresizer 9320) 로 분석하였다.

결과 및 토론

증착시킨 샘플기공의 부피변화가 Fig. 1에 나타나 있다. Fig. 1은 6겹 각 층의  기공도 부피변화를 나타낸 것으로 샘플에서 1st ply에서 3rd ply로 샘플 중앙으로 갈수록 빈공간이 훨씬 많이 남아 있는 것을 보여준다. 샘플내에서 확산저항의 영향을 잘 보여주고 있다. 100□와 5□의 기공직경부근에서 peak는 tow사이의 hole과 필라멘트주변의 gap이라 할 수 있다. 샘플안쪽의 경우 샘플내부의 공간이 막히기 전에 샘플 표면의 공간이 막혀 그림에서처럼 더 많은 공간이 존재함을 알 수 있다.

Fig. 2에서는 동일한 4% DDS농도에서의 기공직경에 따른 기공부피 변화의 그래프이다. 거의 모든 기공크기의 범위에서 8겹의 경우가 4겹에 비해 더 많은 공간을 가지고 있는 것을 보여주는데 이것은 8겹의 경우에 내부로의 확산이 4겹에 비해 더욱 어려워 결국 증착 후 빈 공간이 훨씬 많이 남게 되는 것이다.

Fig. 3은 TGA를 사용하여 샘플 각 층에서 증착된 SiC의 양을 측정한 것이다. 그림에서보는 바와 같이 바깥층이 안쪽보다는 질량감소가 적었다. 이것은 기공도 측정과 같은 결과로 샘플 표면의 hole과 gap이 막혀 안쪽에서의 증착이  바깥쪽에 비해 적은 것을 보여준다. 4겹 샘플의 경우 DDS 농도가 높은 6%때의 샘플이 가 4%때의 샘플에 비해 더 많은 증착이 이루어졌으며 6겹, DDS 6%는 다른 두 샘플에 비해 상대적으로 짧은 반응시간(10hr) 때문에 증착량이 적었던 것으로 생각된다.

Fig. 4부터 Fig. 6는 각각의 샘플 단면에서의 증착양상이다. SEM사진에 의해서도 앞의 결과와 같이 바깥층이 안쪽층보다 더 많은 증착이 일어났다. 이것은 샘플내부의 hole과 gap이 증착으로 완전히 채워지기 전에 샘플 바깥쪽이 먼저 채워졌기 때문이다.

결론

4, 6, 8겹의 탄소섬유에 CVI에 의한 증착실험이 수행되었다. 모든 샘플에서 바깥쪽의 hole과 gap이 증착되는 동안에 안쪽에서는 단지 약간의 증착만이 일어났다. 낮은 DDS농도에서도 반응시간을 길게하면 농도가 높고 짧은 반응시간의 샘플에 비해 많은 증착이 일어났다. 이와 같은 사실을 SEM, TGA, 기공도 측정으로 확인하였다.

참고 문헌

[1] Besmann, T. M., B. W. Sheldon, R. A. Lowden, and D. P. Stinton, "Vapor-Phase

Fabrication and Properties of Continuous Filament Ceramic Composites,"

Science, 253, 1104 (1991)

[2] Starr T.L., "Model for CVI of shot fiber preforms", Ceram. Engng. Sci.

Proc. 8(7), 951-957 (1987)

[3] Jensen K.F. and R.R Melkote, "Chemical vapor infiltration of short fiber       preforms", Extended Abstract presented at the 1989 AIChE Meeting, San

Franscisco, 54 (1989)

[4] Chung, G. Y., B. J. McCoy, and J. M. Smith,  Chem.Eng. Sci, 46(3), 723 (1991).

[5] Chung, G. Y., Cagliostro D.E., McCoy B.J., and Smith J.M., "Rate of chemical

vapor deposition of SiC and Si on single-layer woven fabrics", NASA T.M.          (1991)

Fig. 1. Changes of the incremental pore volume  Fig. 2. Changes of the incremental pore

in each ply of the 6-ply sample.                 volume with pore diameter of

reaction condition: 950 ℃; 10 torr; 6% DDS;       the 4-ply and  8-ply samples.

reaction time, 10 hr; flow rate, 500 □/min        reaction condition: 950℃; 10 torr;

4% DDS; reaction time, (4-ply                                                            sample) 100hr, (8-ply sample)

21hr; flow rate, 500 □/min

Fig. 3. Amounts of deposited SiC in each ply of the        Fig. 4. SEM photographs of the cross-section

4-ply and 6-ply samples.                                   of the 1st ply of the 6-ply sample.

reaction condition: 950 ℃; 10 torr; reaction time,             reaction condition: 950 ℃; 10 torr; 11%

(4-ply sample, 4% DDS) 100 hr, (4-ply sample,            DDS; reaction time, 60hr; flow rate,

6% DDS) 60 hr, (6-ply sample, 6% DDS) 10 hr;           900 □/min

flow rate, 500 □/min

Fig. 5. SEM photographs of the cross-section of       Fig. 6.  SEM photographs of the cross-section of

the 2nd ply of the 8-ply sample.                       the 3rd ply of the 8-ply sample.

reaction condition: 950 ℃; 10 torr; 11%                reaction condition: 950 ℃; 10 torr; 11%

DDS; reaction time , 16 hr; flow rate,                 DDS; reaction time , 16 hr; flow rate,

900 □/min                                          900 □/min