KR100624094B1 - The method of producing carbon fiber reinforced ceramic matrix composites - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법은 탄소섬유와 탄소 함유 폴리머 전구체를 혼합한 혼합물로 성형한 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하는 단계와; 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체를 고온 열처리하여 내부에서 외부로 증착속도를 빠르게 하면서 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 열분해 탄소를 증착하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계와; 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 단계로 된 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법은 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성을 향상시키는 효과가 있고, 종래의 모든 화학기상 침투공정에 비해 5 ~ 10배 이상의 증착속도로 열분해 탄소층을 증착할 수 있으므로, 제조공정과 제조시간 그리고 제조비용 면에서 월등히 향상된 효과를 발휘한다.The present invention relates to a method for producing a carbon fiber-reinforced ceramic composite material, and a method for manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention comprises the steps of: preparing a carbon fiber-reinforced resin composite molded from a mixture of carbon fibers and a carbon- Wow; Preparing carbon fiber reinforced carbon composites by depositing pyrolytic carbon in a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process while heating the carbon fiber reinforced resin composite at a high temperature to increase the deposition rate from the inside to the outside; And infiltrating the liquid silicon into the pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite. The method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite according to the present invention has an effect of improving the physical properties of a carbon fiber-reinforced ceramic composite material and is capable of depositing a pyrolytic carbon layer at a deposition rate of 5 to 10 times or more as compared with all conventional chemical vapor- So that it has a remarkably improved effect in terms of the manufacturing process, the manufacturing time and the manufacturing cost.

Description

탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법{The method of producing carbon fiber reinforced ceramic matrix composites}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon fiber-

도 1은 본 발명에 따른 탄소직물과 탄소섬유 혼합물 이용한 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite using carbon fiber and carbon fiber mixture according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 탄소 펠트 프리폼 이용한 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법을 도시한 블럭도이다.FIG. 2 is a block diagram illustrating a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite using the carbon felt preform according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 미세구조 사진이다.3 is a microstructure photograph of the carbon fiber-reinforced ceramic composite according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 급속 열구배 화학기상 침투법을 나타낸 개념도이다. 4 is a conceptual diagram showing a rapid thermal gradient chemical vapor deposition method according to the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]

101...탄소섬유101 ... carbon fiber

102...열분해 탄소102 ... pyrolysis carbon

103...탄화규소103 ... silicon carbide

104...잔류규소104 ... Residual silicon

본 발명은 고온에서 우수한 기계적 강도를 유지하고, 열·화학적 침식 등 혹 독한 환경에서 우수한 내식성, 내열성 그리고 마찰·마모 특성을 가지는 탄소섬유강화 세라믹 복합체 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite material having excellent mechanical strength at high temperature and excellent corrosion resistance, heat resistance, and friction / wear characteristics in a harsh environment such as thermal and chemical erosion.

섬유 강화 세라믹 복합체(ceramic matrix composites)는 경량이면서 고온에서 우수한 기계적·열적 특성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 섬유 강화 세라믹 복합체는 항공기와 육상용 운송수단의 브레이크 디스크 및 패드 등과 같은 마찰·마모 재료, 고온에서 기계적 강도, 내식성 그리고 내열성을 요하는 세라믹 엔진 그리고 로켓 노즐 부분의 초고온 내열재 등으로 응용되고 있다. 섬유 강화 세라믹 복합체는 세라믹 재료(Monolithic Ceramics)가 가지고 있는 취성파괴의 단점을 극복하기 위해 연구되었으며, 탄소섬유 또는 탄화규소 섬유로 제조된 프리폼의 기공을 열분해 탄소, 탄화규소 또는 질화붕소와 같은 내열 재료로 채워서 제조한다. Fiber-reinforced ceramic composites are lightweight and have excellent mechanical and thermal properties at high temperatures. With these properties, the fiber-reinforced ceramic composites can be applied to friction and wear materials such as brake discs and pads for aircraft and land vehicles, ceramic engines requiring high mechanical strength, corrosion resistance and heat resistance, and ultra-high temperature resistant materials for rocket nozzle parts. . Fiber-reinforced ceramic composites have been studied to overcome the disadvantages of brittle fracture of ceramic materials (monolithic ceramics). The pores of preforms made of carbon fiber or silicon carbide fiber are heat-decomposed by heat-resistant materials such as carbon, silicon carbide or boron nitride .

현재까지 섬유 강화 세라믹 복합체는 여러 가지 제조공정으로 제조되고 있으나 대부분의 경우 제조공정 중 기계적·열적 충격으로 섬유에 손상을 주게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 세라믹 복합체는 저밀도의 다공성 섬유 프리폼 내에 기체 상태의 전구체를 투입 후 열분해시켜 세라믹 기지상을 증착시킨다. 이러한 공정을 화학기상증착법(chemical vapor infiltration)이라 하며, 이 제조 공정은 낮은 온도와 압력 조건에서 기지상을 증착시킴으로 기존의 세라믹 복합체 제조에서 발생되는 섬유 손상의 문제점을 해결하였다. Until now, fiber-reinforced ceramic composites have been manufactured in various manufacturing processes, but most of them cause damage to the fiber due to mechanical or thermal impact during the manufacturing process. To solve this problem, ceramic composites deposit a precursor of gaseous state in a low density porous fiber preform and pyrolyze it to deposit a ceramic matrix. This process is called chemical vapor infiltration (CVD), and this fabrication process solves the problems of fiber damage caused by the fabrication of conventional ceramic composites by depositing the matrix at low temperature and pressure.

그러나 이러한 공정은 고가의 원료 물질과 제조 장비를 사용하며, 제조공정이 복잡하고 수백 시간 이상의 공정 시간을 필요로 하므로 그 응용 분야는 우주·항공과 같은 첨단 산업분야로 매우 제한적이다. However, since these processes use expensive raw materials and manufacturing equipment, and the manufacturing process is complicated and requires a process time of several hundred hours or more, its application fields are very limited to advanced industrial fields such as space and aviation.

기체 상태의 원료가스를 사용하는 화학기상침투공정과 달리 액상의 규소를 다공성의 탄소 프리폼에 함침하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조하는 공정이 개발되었다. Unlike a chemical vapor deposition process using a gaseous raw material gas, a process of producing a carbon fiber-reinforced ceramic composite by impregnating a liquid silicon with a porous carbon preform has been developed.

Walter krenkel 등은 특허 US 6,308,808, US 6,358,565 그리고 US 5,942,064에서, 절단된 탄소섬유, 액상 페놀 그리고 탄소 분말 혼합체를 고온·고압의 조건에서 성형한 후 고온 열처리 공정으로 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하였다. 이와 같이 제조한 탄소섬유 강화 탄소 복합체에 액상 규소를 침투시켜 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 육상용 차량의 브레이크 디스크 및 우주·항공 분야의 내열재료 응용 하였다. Walter Krenkel et al. Prepared carbon fiber-reinforced carbon composites by high temperature heat treatment process after forming the cut carbon fiber, liquid phenol and carbon powder mixture under high temperature and high pressure conditions in US 6,308,808, US 6,358,565 and US 5,942,064. The carbon fiber-reinforced carbon composite thus obtained was infiltrated with liquid silicon to apply the carbon fiber reinforced ceramic composite material to the brake disk of the land vehicle and the heat resistant material in the space and aviation field.

그러나 상기와 같이 액상 탄소 전구체를 혼합하여 제조한 탄소섬유 강화 수지 복합체는 제조비용 면에서는 기존 화학기상 침투공정에 비해 효율적이지만, 균일한 탄소섬유 보호층 형성이 어려워 액상 규소 함침공정 과정에서 액상 규소와 탄소섬유의 반응을 막기 힘들며, 이것은 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 기계적 물성을 급격히 감소시켰다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 한국특허출원번호 제 1999-7008146호와 미국특허 US 6079525, US 6030913 그리고 US 6231791에서는 액상 유기 바인더를 반복적으로 함침시키거나, 혼합체의 조성을 변화시켜 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조하였으나, 탄소섬유 침식에 의한 기계적 물성 저하 방지 및 고온 마찰·마모 특성의 향상을 얻지는 못하였다.However, the carbon fiber reinforced resin composite prepared by mixing the liquid carbon precursor as described above is more efficient than the chemical vapor infiltration process in terms of production cost, but it is difficult to form a uniform carbon fiber protective layer. Therefore, It is difficult to prevent the reaction of carbon fibers, which drastically reduced the mechanical properties of carbon fiber reinforced ceramic composites. In order to solve such problems, Korean Patent Application No. 1999-7008146, US Pat. Nos. 6079525, 6030913 and 6231791 repetitively impregnate a liquid organic binder or change the composition of a mixture to prepare a carbon fiber reinforced ceramic composite However, it has not been possible to prevent deterioration of mechanical properties due to carbon fiber erosion and to improve the high-temperature friction / wear characteristics.

상기와 다른 공정으로 미국특허 US 6221475와 한국특허출원번호 제 1999-7003211호에서는 탄소섬유를 직조하여 만든 프리폼을 등온/등압 화학기상침투 (Isothermal/Isobaric chemical vapor infiltration, ICVI) 공정으로 열분해 탄소를 증착한 후 다시 탄소 전구체를 액상 함침방법으로 밀도화 공정을 진행하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조하였다. 이러한 공정은 섬유 보호의 측면에서는 뛰어난 성능 향상을 이루었으나, 서로 다른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 하나의 구조물로 결합하기 어려워 복잡한 형상의 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조가 힘들다. 특히, 그 제조공정이 복잡하고 수백 시간 이상의 제조시간이 소요되므로 제조비용의 증가를 초래하였다.As another process, US Patent No. 6221475 and Korean Patent Application No. 1999-7003211 disclose a process for producing a carbon fiber preform by isothermal / isobaric chemical vapor infiltration (ICVI) Then, the carbon precursor was subjected to a densification process by a liquid impregnation method to prepare a carbon fiber reinforced ceramic composite. Although this process has achieved excellent performance improvement in terms of fiber protection, it is difficult to bond different carbon fiber reinforced ceramic composites to one structure, making it difficult to manufacture a complex shaped carbon fiber reinforced ceramic composite. In particular, the manufacturing process is complicated and requires a manufacturing time of several hundred hours or more, resulting in an increase in manufacturing cost.

현재까지의 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조 기술에 관한 문제점을 종합적으로 검토해보면, 대부분의 경우 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조를 위해 사용되는 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 제조공정에 많은 제조비용의 투입과 기술적 문제점을 안고 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 기존의 화학기상침투 공정의 경우 섬유 보호층으로 우수한 특성을 가지고 있으나 고가의 원료물질과 제조공정의 어려움으로 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 제조에 부적합하다. 그리고 탄소 성분을 함유한 유기바인더의 함침공정을 이용하여 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조할 경우 반복적인 함침 공정을 필요로 하며 섬유 보호 측면에서 그 효능이 감소함을 알 수 있다. Comprehensively examining the problems related to the manufacturing technology of the carbon fiber reinforced ceramic composites so far, it has been found that, in most cases, the manufacturing cost of the carbon fiber reinforced carbon composites used for manufacturing the carbon fiber reinforced ceramic composites is increased, It can be seen that there is a problem. For example, conventional chemical vapor deposition processes have excellent properties as a fiber protective layer, but are not suitable for the production of carbon fiber reinforced carbon composites because of expensive raw materials and difficulties in the manufacturing process. In addition, when carbon fiber reinforced resin composites are prepared by using the impregnation process of an organic binder containing a carbon component, repetitive impregnation process is required and the effect of the fiber protection is reduced.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조에 필요한 출발물질 및 탄소섬유 강화 탄소 복합체 제조 방법을 개선하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 열·기계적 물성을 향상 시키 고, 고가의 제조비용 및 공정으로 인한 상기의 문제점을 해결한 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법을 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to improve the thermal and mechanical properties of carbon fiber reinforced ceramic composites by improving starting materials and methods for producing carbon fiber reinforced carbon composites necessary for manufacturing carbon fiber reinforced ceramic composites. And to provide a method for manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite material which solves the above problems due to an expensive production cost and process.

본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위해 탄소 펠트 프리폼, 샌드위치 구조 또는 탄소섬유 혼합물을 출발물질로 하여 제조공정을 단순화하고, 빠르면서 저가의 공정으로 균일한 섬유 보호층을 가지는 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하기 위해 급속 열구배 화학기상침투공정을 적용하고, 이와 함께 액상 규소 침투공정을 이용하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.In order to solve the above problems, the present inventors have developed a carbon fiber-reinforced carbon composite material having a uniform fiber protective layer at a low cost and at a low cost by using a carbon fiber preform, a sandwich structure or a carbon fiber mixture as a starting material, The present invention is to provide a method for manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite by applying a rapid thermal gradient chemical vapor infiltration process, and using a liquid silicon infiltration process.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 (Cf/C-SiC)제조방법은 탄소섬유와 탄소 함유 폴리머 전구체를 혼합한 혼합물로 성형한 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하는 단계와; 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체를 고온 열처리하여 내부에서 외부로 증착속도를 빠르게 하면서 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 열분해 탄소를 증착하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계와; 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 단계로 된 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a carbon fiber-reinforced ceramic composite (C f / C-SiC) according to the present invention comprises the steps of: preparing a carbon fiber reinforced resin composite molded from a mixture of carbon fibers and a carbon- Wow; Preparing carbon fiber reinforced carbon composites by depositing pyrolytic carbon in a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process while heating the carbon fiber reinforced resin composite at a high temperature to increase the deposition rate from the inside to the outside; And infiltrating the liquid silicon into the pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite.

그리고 바람직하게 상기 혼합물에는 상기 탄소섬유가 10 ~ 60w%, 상기 탄소 함유 폴리머 전구체가 30 ~ 60wt% 로 포함된 것을 특징으로 한다.Preferably, the mixture contains 10 to 60 wt% of the carbon fibers and 30 to 60 wt% of the carbon-containing polymer precursor.

또한 바람직하게 상기 혼합물에는 탄화규소 분말 30wt% 이하, 탄소분말 30wt% 이하가 포함된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the mixture contains 30 wt% or less of silicon carbide powder and 30 wt% or less of carbon powder.

또한 바람직하게 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체는 상기 혼합물과 탄소직물이 교대로 적층된 것인 것을 특징으로 한다.Preferably, the carbon fiber-reinforced resin composite is characterized in that the mixture and the carbon fabric are alternately laminated.

또한 바람직하게 상기 성형체에는 혼합과정에서 혼합된 상기 혼합물에 의하여 탄소섬유와 규소의 반응을 막아주는 1차 표면층이 형성되고, 상기 1차 표면층은 상기 액상 규소를 침투시키는 단계에서 상기 액상 규소와 화학 반응하여 탄화규소와 규소로 이루어진 세라믹 기지층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, the formed body is formed with a primary surface layer for blocking the reaction between carbon fibers and silicon by the mixture mixed in the mixing process, and the primary surface layer is chemically reacted with the liquid silicon in the step of penetrating the liquid silicon And is formed of a ceramic base layer composed of silicon carbide and silicon.

또한 바람직하게 상기 성형체는 불활성 가스 분위기 하에서 900 ~ 2200℃의 온도로 열처리된 후, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 1차 표면층위에 2차 표면층인 열분해 탄소 기지층이 증착되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the shaped body is heat-treated at a temperature of 900 to 2200 ° C in an inert gas atmosphere, and then a pyrolytic carbon base layer, which is a secondary surface layer, is deposited on the first surface layer in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition .

또한 바람직하게 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 탄화수소 가스를 사용하여 열분해 반응 온도 700 ~ 1200℃, 반응압력 188 ~ 1130torr 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the thermal decomposition reaction is carried out at a pyrolysis reaction temperature of 700 to 1200 ° C. and a reaction pressure of 188 to 1130 torr using hydrocarbon gas in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process.

또한 바람직하게 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서, 증착 영역을 내부에서 외부로 적어도 복수 개로 나누고, 각각의 영역에서 서로 다른 속도로 증착하는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process, the deposition region is divided into at least a plurality of regions from the inside to the outside, and the regions are deposited at different rates in the respective regions.

또한 바람직하게 상기 증착 영역은 0.5 ~ 3.0 mm/hr의 증착속도 범위로 내부에서 외부로 증착되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the deposition region is deposited from the inside to the outside at a deposition rate ranging from 0.5 to 3.0 mm / hr.

또한 바람직하게 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체는 겉보기 밀도 1.0 ~ 1.7g/㎤, 상기 액상 규소의 침투 경로로 이용되는 열린 기공을 5 ~ 30% 가지는 것 을 특징으로 한다.Preferably, the carbon fiber-reinforced carbon composite material has an apparent density of 1.0 to 1.7 g / cm 3 and 5 to 30% of open pores used as a penetration path of the liquid silicon.

또한 바람직하게 상기 액상 규소를 침투시키는 단계는 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층시키고, 반응기 내부를 100torr 이하로 유지한 후 규소의 녹는점인 1410℃ 이상의 온도로 가열하여 액상 규소를 프리폼 내부로 침투시킴과 동시에 복수개의 탄소층과 화학반응을 유도하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step of impregnating the liquid silicon is performed by laminating the carbon fiber-reinforced carbon composite on a silicon powder, heating the interior of the reactor to not more than 100 torr, and then heating the silicon fiber to a temperature of 1410 ° C or higher, And induces a chemical reaction with a plurality of carbon layers.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법은 탄소 펠트 프리폼을 제조하는 단계와; 상기 탄소 펠트 프리폼을 내부에서 외부로 증착속도를 빠르게 하면서 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계와; 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 단계로 된 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite comprising: preparing a carbon felt preform; Depositing the carbon felt preform in a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process at a rapid deposition rate from the inside to the outside to produce a carbon fiber reinforced carbon composite; And infiltrating the liquid silicon into the pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite.

그리고 바람직하게 상기 탄소 펠트 프리폼은 옥시펜, 펜, 레이온, 핏치계 등의 탄소계 섬유 중 어느 하나로 된 것을 특징으로 한다.Preferably, the carbon felt preform is one of carbon fiber such as oxyphene, pen, rayon, and pitch.

또한 바람직하게 상기 탄소 펠트 프리폼은 매트의 적층을 0°/+60°/-60°와 같은 준등방성으로 하며, Z축으로 10mm 이하의 탄소섬유가 보강된 것을 특징으로 한다.Preferably, the carbon felt preform has quasi-isotropic properties such as 0 ° / + 60 ° / -60 ° in the lamination of the mat, and carbon fibers of 10 mm or less in the Z axis are reinforced.

또한 바람직하게 상기 탄소 펠트 프리폼에는 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에 의해 5 ~ 100㎛ 두께의 열분해 탄소층이 증착되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the pyrolytic carbon layer having a thickness of 5 to 100 μm is deposited on the carbon felt preform by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process.

또한 바람직하게 상기 액상 규소를 침투시키는 단계에서 상기 탄소섬유 보강 탄소 복합체에 액상 규소를 함침하여 X, Y, Z 3축으로 탄소섬유가 보강된 것을 특 징으로 한다.Also preferably, the step of infiltrating the liquid silicon is characterized in that the carbon fiber reinforced carbon composite is impregnated with liquid silicon to reinforce the carbon fibers in the X, Y, and Z axes.

또한 바람직하게 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 탄화수소 가스를 사용하여 열분해 반응 온도 700 ~ 1200℃, 반응압력 188 ~ 1130torr 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the thermal decomposition reaction is carried out at a pyrolysis reaction temperature of 700 to 1200 ° C. and a reaction pressure of 188 to 1130 torr using hydrocarbon gas in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process.

또한 바람직하게 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서, 증착 영역을 내부에서 외부로 적어도 복수개로 나누고, 각각의 영역에서 서로 다른 속도로 증착하는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process, the deposition region is divided into at least a plurality of regions from the inside to the outside, and the regions are deposited at different rates in the respective regions.

또한 바람직하게 상기 증착 영역은 0.5 ~ 3.0 mm/hr의 증착속도 범위로 내부에서 외부로 증착되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the deposition region is deposited from the inside to the outside at a deposition rate ranging from 0.5 to 3.0 mm / hr.

또한 바람직하게 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체는 겉보기 밀도 1.0 ~ 1.7g/㎤, 상기 액상 규소의 침투 경로로 이용되는 열린 기공을 5 ~ 30% 가지는 것을 특징으로 한다.Preferably, the carbon fiber-reinforced carbon composite material has an apparent density of 1.0 to 1.7 g / cm 3 and 5 to 30% of open pores used as a penetration path of the liquid silicon.

또한 바람직하게 상기 액상 규소를 침투시키는 단계는 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층시키고, 반응기 내부를 100torr 이하로 유지한 후 규소의 녹는점인 1410℃ 이상의 온도로 가열하여 액상 규소를 상기 탄소 펠트 프리폼 내부로 침투시킴과 동시에 복수개의 탄소층과 화학반응을 유도하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step of impregnating the liquid silicon is performed by laminating the carbon fiber-reinforced carbon composite on a silicon powder, maintaining the inside of the reactor at 100 torr or less, and then heating the liquid silicon at a temperature of 1410 ° C or higher, And permeates into the felt preform and simultaneously induces a chemical reaction with the plurality of carbon layers.

이하에서는 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 이하의 실시예에서의 각 혼합물의 조성 및 제조방법은 그 구성의 일부를 변형하여 보다 다양하게 변형 실시할 수 있을 것이다. 그러나 변형된 실시예들이 기본적으로 본 발명이 청구하고 있는 기술적 구성요소들을 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite according to the present invention will be described. The composition and the production method of each mixture in the following examples may be modified in various ways to modify a part of the constitution. However, it should be understood that the modified embodiments basically belong to the technical scope of the present invention if they include the technical elements claimed by the present invention.

먼저 출발물질의 측면에서 탄소섬유를 X, Y, Z 3축 방향으로 보강한 탄소 펠트 프리폼을 이용하거나, 또는 0.3∼150㎜의 길이를 가지는 탄소섬유(carbon fibers), 탄소 함유 폴리머 전구체, 탄화규소 분말 그리고 흑연 분말로 이루어진 혼합물과 탄소직물(carbon fabrics)을 교대로 적층시켜 제조한 샌드위치 구조를 적용하거나, 또는 상기의 혼합물로만 이루어진 탄소섬유 강화 수지 복합체(CFRP)를 사용할 수 있다.First, carbon fiber preforms reinforced with carbon fibers in the directions of X, Y and Z axes are used, or carbon fibers having a length of 0.3 to 150 mm, carbon-containing polymer precursors, silicon carbide A carbon fiber reinforced resin composite (CFRP) composed of the above-mentioned mixture may be used, or a sandwich structure produced by alternately laminating a mixture of carbon powder and graphite powder and carbon fabrics may be used.

그리고 제조된 출발물질은 이하에서 설명하는 급속 열구배 화학기상침투공정으로 열분해 탄소층을 증착하여 다공성의 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하고, 액상 규소를 탄소섬유 강화 탄소 복합체 내의 열린 기공으로 침투시켜 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조한다. 상기의 탄소섬유 강화 세라믹 복합체는 겉보기 밀도 2.2g/㎤ 이상, 겉보기 기공율 1% 이하, 굽힘 강도 100㎫ 이상, 열전도도 35W/mk 이상의 물성 값을 가진다.The prepared starting material is prepared by depositing a pyrolytic carbon layer by a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process as described below to prepare a porous carbon fiber-reinforced carbon composite material. The liquid silicon is permeated into open pores in the carbon fiber- Fiber reinforced ceramic composite. The carbon fiber-reinforced ceramic composite has a bulk density of 2.2 g / cm 3 or more, an apparent porosity of 1% or less, a bending strength of 100 MPa or more, and a thermal conductivity of 35 W / mK or more.

본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조방법은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 출발물질에 따라 두 가지의 공정으로 나누어 질 수 있다.The method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite according to the present invention can be divided into two processes according to the starting materials as shown in FIGS. 1 and 2. FIG.

먼저 도 1에 도시된 공정은 0.3 ∼ 150㎜ 크기로 절단된 탄소섬유, 탄소 함유 폴리머 전구체, 탄화규소 분말 그리고 흑연 분말의 혼합물과 탄소직물을 이용하여 탄소섬유 강화 수지 복합체 제조하는 공정이다.The process shown in FIG. 1 is a process for producing a carbon fiber reinforced resin composite using a mixture of carbon fibers, a carbon-containing polymer precursor, a silicon carbide powder, and a graphite powder cut in a size of 0.3 to 150 mm and a carbon fabric.

탄소섬유 강화 수지 복합체 제조단계는 0.3 ∼ 150㎜ 크기로 절단된 탄소섬 유를 탄소 함유 폴리머 전구체, 탄화규소 분말 그리고 흑연 분말과 함께 증류수에 넣고 분산과 혼합 과정을 거쳐 균일한 혼합물을 제조한다. The carbon fiber reinforced resin composites are prepared by homogenizing the carbon fibers cut into 0.3 ~ 150 mm size with carbon-containing polymer precursor, silicon carbide powder and graphite powder in distilled water and dispersing and mixing.

그리고 이 혼합물은 탄소섬유 표면에 탄소 함유 폴리머 전구체, 탄화규소 분말 그리고 흑연 분말이 1차 표면층을 형성하며, 혼합 조성은 탄소섬유 10 ~ 60wt%, 탄소 함유 액상 전구체 30 ~ 60wt% 이다. 그리고 탄화규소 분말과 탄소 분말은 선택적으로 포함된다. 즉 탄화규소 분말 0 ~ 30wt% 그리고 탄소 분말 0 ~ 30wt% 로 조성될 수 있다.(S101)(S102)And the mixture is composed of carbon-containing polymer precursor, silicon carbide powder and graphite powder on the surface of the carbon fiber to form a primary surface layer. The mixture composition is 10 to 60 wt% of carbon fiber and 30 to 60 wt% of carbon-containing liquid precursor. And silicon carbide powder and carbon powder are optionally included. 0 to 30 wt% of silicon carbide powder and 0 to 30 wt% of carbon powder (S101) (S102)

이렇게 제조된 혼합물을 탄소직물과 함께 교대 적층하여 샌드위치 구조의 성형체(green body)를 만든다(S110). 탄소직물은 평직, 주자직, 능직 형태가 가능하다. 여기서 성형체 제조의 또 다른 방법으로는 탄소직물을 교대 적층하지 않고 혼합물만을 적층하여 제조할 수 있다.The thus-prepared mixture is alternately laminated with the carbon fabric to form a sandwich green body (S110). Carbon fabrics are available in plain weave, weave weave, and twill weave. Here, another method of producing a molded body can be produced by laminating only a mixture without alternately stacking carbon fabrics.

이후 제조된 성형체를 성형 몰드에 장입한 후, 80 ~ 250℃ 열과 1 ~ 20㎫의 압력을 동시에 가하여 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조한다. 이때 제조된 탄소섬유 강화 수지 복합체는 겉보기 밀도 1.2 ~ 1.6g/㎤ 그리고 겉보기 기공율 1 ~ 20%의 값을 가진다.(S110)(S120)(S130) The molded body thus prepared is charged into a molding mold, and a pressure of 1 to 20 MPa and a temperature of 80 to 250 캜 are simultaneously applied to produce a carbon fiber reinforced resin composite. The produced carbon fiber reinforced resin composite has an apparent density of 1.2 to 1.6 g / cm3 and an apparent porosity of 1 to 20% (S110) (S120) (S130)

이상의 탄소섬유 강화 수지 복합체의 제조방법은 본 출원인이 출원한 한국특허출원번호 1995-0069130과 한국특허출원번호 1997-0023344에 기재된 기술적 내용을 다른 실시예로 응용하여 적용할 수 있다.The method of manufacturing a carbon fiber reinforced resin composite as described above can be applied to other embodiments by applying the technical contents described in Korean Patent Application No. 1995-0069130 and Korean Patent Application No. 1997-0023344 filed by the present applicant.

다음으로 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계(S140)는 제조된 탄소섬유 강화 수지 복합체를 불활성 가스 분위기 하에서 700 ~ 2200℃의 온도로 열처리한 후, 급속 열구배 화학기상 침투 공정을 진행하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계이다.Next, in the step of depositing the carbon fiber-reinforced resin composite by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process (S140), the produced carbon fiber-reinforced resin composite is heat-treated at a temperature of 700 to 2200 ° C under an inert gas atmosphere and then subjected to a rapid thermal gradient chemical vapor deposition Carbon fiber-reinforced carbon composite.

구체적으로 설명하면 본 발명의 급속 열구배 화학기상 침투 공정은, 밀도 1.3g/㎤ 이상의 치밀한 탄소섬유 강화 탄소 복합체 제조를 위한 것으로, 이 급속 열구배 화학기상 침투 공정은 증착시켜야 할 영역을 적어도 3곳 이상으로 나누어서 각 구간에서 증착속도를 제어하여 보다 급속하게 증착이 이루어지도록 하는 것이다. 이때의 증착속도 제어는 화학기상증착장치 내부에 설치된 열전대를 성형체의 내부에서 외부로 점차 빠른 속도로 이동시켜 증착을 수행한다.Specifically, the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process of the present invention is for producing a dense carbon fiber-reinforced carbon composite material having a density of 1.3 g / cm 3 or more. The rapid thermal gradient chemical vapor deposition process includes at least three regions And the deposition rate is controlled in each section so that deposition is performed more rapidly. At this time, the deposition rate control is performed by moving the thermocouple provided inside the chemical vapor deposition apparatus from the inside to the outside of the formed body at a gradually higher speed.

즉 도 4에 도시된 바와 같이 반응기(300) 내부에 탄소섬유 강화 수지 복합체(500)를 설치하고, 중앙부에 발열체(400)를 설치한다. 그리고 공정가스로 탄화수소가스를 공급하며 실시한다. 그리고 증착속도 제어는 상술한 바와 같이 열전대(미도시)를 사용하여 실시하며, 증착은 내부에서 외부로 이루어진다. That is, as shown in FIG. 4, a carbon fiber reinforced resin composite 500 is installed inside the reactor 300, and a heating element 400 is installed at the center. And supplying hydrocarbon gas to the process gas. The deposition rate control is performed using a thermocouple (not shown) as described above, and the deposition is performed from the inside to the outside.

그리고 도면에 도시된 증착속도 화살표는 짧은 것이 증착속도가 느리다는 것을 표시하고, 긴 것이 증착속도가 빠름을 표시한다. 그리고 T1 부분이 고온이고 T2 부분이 저온을 나타내며, 이것은 열구배가 유도되는 것을 나타낸다. The deposition rate arrows shown in the figure indicate that the deposition rate is slow and the deposition rate is long. And the T1 portion is high temperature and the T2 portion is low temperature, which indicates that a troposphere is induced.

이때의 증착속도는 0.5 ~ 3.0 mm/hr의 범위로 내부에서 외부로 증착한다. 일예로 영역을 내부, 중간부 그리고 외부로 나눈 후 내부를 1.0mm/hr로 증착하고, 중간부를 1.5mm/hr로 증착하고, 외부를 2.0mm/hr로 증착하여 보다 신속하게 증착이 이루어지도록 한다. 이때 내부에서 증착속도를 느리게 한 것으로 성형체의 내부에서 증착이 외부보다 상대적으로 늦어지기 때문이다.At this time, the deposition rate is 0.5 to 3.0 mm / hr. For example, the inside is divided into the inside, the middle, and the outside, and then the inside is deposited at 1.0 mm / hr, the middle is deposited at 1.5 mm / hr, and the outside is deposited at 2.0 mm / hr, . In this case, since the deposition rate is slowed inside, the deposition is relatively delayed from the inside of the molded body.

이와 같이 증착속도를 제어하면, 복잡한 공정과 긴 제조 시간 때문에 많은 제조비용을 요구하는 등온/등압 화학기상침투법, 압력구배 화학기상침투법, 그리고 기존의 등속 열구배 화학기상침투법 등 기존의 모든 화학기상침투 공정에 비해 제조공정과 제조비용을 혁신적으로 개선할 수 있다.By controlling the deposition rate in this manner, it is possible to control the deposition rate at a high rate by controlling all of the existing methods such as isothermal / isostatic chemical vapor deposition, pressure gradient chemical vapor deposition, and conventional constant velocity thermal gradient chemical vapor deposition The manufacturing process and the manufacturing cost can be improved in comparison with the chemical vapor infiltration process.

이 급속 열구배 화학기상침투 공정은 본 출원인의 특허권인 한국등록특허 제 0198154 호인 열구배 화학기상침투 공정에 비해 증착속도를 5 ~ 10배 이상으로 빠르고, 치밀화 하게 진행함으로써 탄소섬유 표면에 5 ∼ 100㎛ 정도의 열분해 탄소층을 형성시킬 수 있다.This rapid thermal gradient chemical vapor deposition process is faster and more densified than the thermal gradient chemical vapor deposition process of Korean Patent No. 0198154, which is a patent right of the present applicant, at a deposition rate of 5 to 10 times or more, It is possible to form a pyrolytic carbon layer having a thickness of about 10 탆.

그리고 이때 형성된 열분해 탄소층은 액상 규소 함침 공정 시에, 액상 규소와 반응하여 탄화규소 기지상을 형성하는 반응층으로 작용한다. The pyrolytic carbon layer formed at this time acts as a reaction layer which reacts with the liquid silicon to form a silicon carbide matrix phase in the liquid silicon impregnation process.

이러한 본 발명의 급속 열구배 화학기상침투 공정으로 제조된 탄소섬유 강화 수지 복합체는 1.0 ∼ 1.7g/㎤의 겉보기 밀도와 5 ∼ 30%의 겉보기 기공율 값을 가진다.The carbon fiber reinforced resin composite produced by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process of the present invention has an apparent density of 1.0 to 1.7 g / cm 3 and an apparent porosity value of 5 to 30%.

다음으로 액상 규소 침투 공정은 급속 열구배 화학기상침투 공정으로 제조된 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 1㎛∼10㎜ 입자 크기 범위의 규소 분말 위에 위치시킨다.Next, the liquid silicon infiltration process places the carbon fiber-reinforced carbon composite produced by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process on the silicon powder in the range of 1 to 10 mm particle size.

이때의 공정 조건은 진공 분위기 하에서 규소의 녹는점인 1410℃ 이상의 온도로 가열한다. 1410℃ 이상의 고온에서 용융된 규소는 탄소섬유 강화 탄소 복합체 내에 존재하는 기공의 모세관력에 의해 불과 몇 분 내에 대부분의 기공을 채우고, 이와 동시에 탄소섬유 위의 탄소 반응층과 반응하여 탄화규소로 합성된다. 이렇게 최종 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체는 30 ∼ 60wt%의 탄소, 35 ∼ 60wt%의 탄화규소 그리고 5wt% 이하의 미반응 규소로 이루어진다.The process conditions are heated to a temperature of 1410 ° C or higher, which is the melting point of silicon in a vacuum atmosphere. The silicon melted at a high temperature of 1410 ° C or higher fills most of the pores within a few minutes due to the capillary force of the pores present in the carbon fiber-reinforced carbon composite material, and at the same time, reacts with the carbon reaction layer on the carbon fiber to synthesize silicon carbide . The finally produced carbon fiber-reinforced ceramic composite body is composed of 30 to 60 wt% of carbon, 35 to 60 wt% of silicon carbide, and 5 wt% or less of unreacted silicon.

다음으로 도 2에 도시된 바와 같이 출발물질로 탄소 펠트 프리폼으로 된 성형체를 이용하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조할 수 있다.Next, as shown in FIG. 2, a carbon fiber-reinforced ceramic composite body can be manufactured using a molded body made of a carbon felt preform as a starting material.

먼저 X, Y, Z 3축 방향으로 보강한 탄소 펠트 프리폼을 제조(S200)하는데, 구체적으로 설명하면, 옥시펜, 펜, 레이온, 핏치계 등의 탄소계 섬유를 멘드렐에 감아 일 방향 탄소 매트를 제작하며, 이 방법으로 제작된 탄소 매트를 적층한다. 적층 방법은 0°/+60°/-60°와 같은 준등방성으로 교대 적층한다.First, a carbon felt preform reinforced in three axial directions of X, Y and Z is manufactured (S200). Specifically, a carbon fiber such as oxyphene, pen, rayon and pitch is wound around a mandrel to form a one- And the carbon mat produced by this method is laminated. The lamination method is alternately laminated with quasi-isotropy such as 0 ° / + 60 ° / -60 °.

그리고 적층을 최소 두 개의 층을 한 후 니들을 이용하여 펀칭하여 각 층들을 Z축 방향으로 보강하며 상기 공정을 반복하여 두께 30mm 이상의 펠트 프리폼을 제작한다.After stacking at least two layers, each layer is reinforced in the Z-axis direction by punching using needles, and the above process is repeated to produce a felt preform having a thickness of 30 mm or more.

이 펠트 프리폼의 섬유 부피는 약 10 ~ 55%로 제작하며, 한 층의 두께는 약 0.1mm 이하, Z축의 섬유 길이는 10mm 이하이며 섬유비는 약 10%로 제작한다. 그리고 Z축은 15penetration/㎤ 밀도의 니들을 사용할 수 있다.The fiber volume of the felt preform is about 10 to 55%, the thickness of one layer is about 0.1 mm or less, the fiber length of the Z-axis is 10 mm or less, and the fiber ratio is about 10%. And a needle of 15penetration / cm3 density can be used for the Z axis.

이후 탄소 펠트 프리폼의 불순물을 제거하기 위하여 1700℃이상, 진공분위기 하에서 열처리를 수행한다. 이러한 탄소 펠트 프리폼 제조 방법에 관한 내용은 본 출원인이 출원한 미국특허출원 US 10-180778과 한국등록특허 제 27788 호의 실시예를 참고기술로 한다.Then, heat treatment is performed in a vacuum atmosphere at 1700 ° C or more to remove impurities of the carbon felt preform. Regarding the method of manufacturing such a carbon felt preform, reference is made to the embodiments of U.S. Patent Application Nos. 10-180778 and 27788 filed by the present applicant.

다음으로 급속 열구배 화학기상 침투 공정을 이용하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조(S210)하는데, 이때의 공정은 전술한 첫 번째 공정에서 언급한 급속 열구배 화학기상 침투 공정을 이용하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조(S220)한다.Next, a carbon fiber-reinforced carbon composite is prepared (S210) by using a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process. The carbon fiber-reinforced carbon composite is manufactured by using the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process mentioned in the first process, (S220).

그리고 액상 규소 침투 공정을 이용하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체를 제조한다. 이 액상 규소 함침 공정은 전술한 첫 번째 공정 실시 예와 동일하게 적용된다. Then, a carbon fiber reinforced ceramic composite is manufactured by using a liquid silicon infiltration process. This liquid-phase silicon impregnation process is applied in the same manner as the first process embodiment described above.

이하 이상과 같은 방법에 대한 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the above method will be described.

<실시 예 1>&Lt; Example 1 >

30㎜ 크기로 절단된 탄소섬유 30wt%, 페놀 수지 40wt%, 탄소 분말 5wt% 그리고 탄화규소분말 5wt%의 혼합물을 만들어 20wt%의 주자직 형태의 탄소직물과 교대 적층하여 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 성형 몰드에 넣고 2㎫의 압력으로 10분 동안 가압과 동시에 경화시켜 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하였다.A mixture of 30 wt% carbon fiber cut to a size of 30 mm, 40 wt% of a phenolic resin, 5 wt% of a carbon powder, and 5 wt% of a silicon carbide powder was alternately laminated with 20 wt% The prepared molded body was put into a molding mold and cured at a pressure of 2 MPa for 10 minutes under pressure to prepare a carbon fiber reinforced resin composite.

상기의 탄소섬유 강화 수지 복합체를 불활성 가스 분위기 하에서 고온 열처리하였다. 그리고 급속 열구배 화학기상침투 공정조건에서 열분해 탄소를 증착시켜 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하였다. The above carbon fiber-reinforced resin composite was heat-treated at a high temperature in an inert gas atmosphere. And carbon fiber reinforced carbon composites were prepared by depositing pyrolysis carbon under rapid thermal gradient chemical vapor deposition process conditions.

상기와 같이 제조된 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층하고, 진공 분위기 하에서 1550℃ 온도로 가열하여 액상 규소를 함침시켜 탄소섬유 강화 탄소 세라믹 복합체를 제조하였다. 이때 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성은 표 1과 같다.The carbon fiber-reinforced carbon composite thus prepared was laminated on a silicon powder, and heated to a temperature of 1550 ° C in a vacuum atmosphere to impregnate the liquid silicon to prepare a carbon fiber-reinforced carbon-ceramic composite. Table 1 shows the physical properties of the carbon fiber-reinforced ceramic composite thus produced.

<실시 예 2>&Lt; Example 2 >

30㎜ 크기로 절단된 탄소섬유 55wt%, 페놀 수지 35wt%, 탄소 분말 5wt% 그리 고 탄화규소분말 5wt%의 혼합물을 만들어 성형체를 제조하였다. 실시 예 2에서는 탄소직물을 이용한 교대 적층은 하지 않았다. 제조된 성형체를 성형 몰드에 넣고 2㎫의 압력으로 10분 동안 가압과 동시에 경화시켜 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하였다.A mixture of 55 wt% of carbon fiber cut to a size of 30 mm, 35 wt% of a phenol resin, 5 wt% of a carbon powder, and 5 wt% of a silicon carbide powder was produced. In Example 2, alternate lamination using a carbon fabric was not performed. The prepared molded body was put into a molding mold and cured at a pressure of 2 MPa for 10 minutes under pressure to prepare a carbon fiber reinforced resin composite.

상기의 탄소섬유 강화 수지 복합체를 불활성 가스 분위기 하에서 고온 열처리하였다. 그리고 급속 열구배 화학기상침투 공정조건에서 열분해 탄소를 증착시켜 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하였다. The above carbon fiber-reinforced resin composite was heat-treated at a high temperature in an inert gas atmosphere. And carbon fiber reinforced carbon composites were prepared by depositing pyrolysis carbon under rapid thermal gradient chemical vapor deposition process conditions.

상기와 같이 제조된 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층하고, 진공 분위기 하에서 1550℃ 온도로 가열하여 액상 규소를 함침시켜 탄소섬유 강화 탄소 세라믹 복합체를 제조하였다. 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성은 표 1과 같다.The carbon fiber-reinforced carbon composite thus prepared was laminated on a silicon powder, and heated to a temperature of 1550 ° C in a vacuum atmosphere to impregnate the liquid silicon to prepare a carbon fiber-reinforced carbon-ceramic composite. Table 1 shows the physical properties of the carbon fiber-reinforced ceramic composite thus produced.

<실시 예 3>&Lt; Example 3 >

320K 옥시펜 섬유를 멘드렐에 감아 일 방향 탄소 매트를 제작하여, 상기 방법으로 제작된 탄소 매트를 적층하였다. 적층 방법은 0°/+60°/-60°의 방법으로 교대 적층하였다. 320K oxyphene fiber was wound around a mandrel to prepare a one-direction carbon mat, and the carbon mat produced by the above method was laminated. The lamination method was alternately laminated by the method of 0 ° / + 60 ° / -60 °.

적층을 최소 두 개의 층을 한 후 니들을 이용하여 펀칭하여 각 층들을 Z축 방향으로 보강을 하며, 상기 공정을 반복하여 두께 30mm의 프리폼을 제작하였다. 프리폼의 옥시펜 섬유 부피비는 약 45%로 제작하였으며, 한 층의 두께는 약 0.9mm, z축의 섬유비는 약 10%로 제작하였다. At least two layers were laminated and punched using needles to reinforce each layer in the Z axis direction. The above process was repeated to prepare a 30 mm thick preform. The oxyphene fiber volume fraction of the preform was about 45%, the thickness of one layer was about 0.9 mm, and the fiber ratio of the z axis was about 10%.

상기와 같이 제작한 프리폼을 1700℃, 진공분위기 하에서 열처리하여 불순물 을 제거하였다. The preform thus prepared was heat-treated at 1700 ° C in a vacuum atmosphere to remove impurities.

제조된 탄소 펠트 프리폼을 급속 열구배 화학기상침투 공정조건에서 열분해 탄소를 증착시켜 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하였다. The carbon fiber reinforced carbon composites were prepared by depositing pyrolytic carbon under the conditions of rapid thermal gradient chemical vapor deposition.

상기와 같이 제조된 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층하고, 진공 분위기 하에서 1550℃ 온도로 가열하여 액상 규소를 함침시켜 탄소섬유 강화 탄소 세라믹 복합체를 제조하였다. 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성은 표 1과 같다.The carbon fiber-reinforced carbon composite thus prepared was laminated on a silicon powder, and heated to a temperature of 1550 ° C in a vacuum atmosphere to impregnate the liquid silicon to prepare a carbon fiber-reinforced carbon-ceramic composite. Table 1 shows the physical properties of the carbon fiber-reinforced ceramic composite thus produced.

<비교 예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

130mm 크기로 절단된 탄소섬유 54wt%를 페놀 수지 36wt%, 탄소 분말 10wt%와 혼합하여 혼합물을 만들어 성형 몰드에 넣고 3㎫의 압력으로 가압과 동시에 경화시켜 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하였다.54 wt% of the carbon fiber cut to a size of 130 mm was mixed with 36 wt% of phenol resin and 10 wt% of carbon powder to prepare a mixture, and the mixture was put into a molding mold and cured at the same pressure with 3 MPa pressure to prepare a carbon fiber reinforced resin composite.

상기의 탄소섬유 강화 수지 복합체를 불활성 가스 분위기 하에서, 900℃로 열처리하여 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하였다. 이와 같이 제조한 탄소섬유 강화 수지 복합체를 규소 분말 위에 적층하고, 진공 분위기 하에서 1600℃ 온도로 가열하여 액상 규소를 함침시켜 탄소섬유 강화 탄소 세라믹 복합체를 제조하였다. 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성은 표 1과 같다.The above carbon fiber-reinforced resin composite was heat-treated at 900 캜 under an inert gas atmosphere to prepare a carbon fiber-reinforced resin composite. The carbon fiber-reinforced resin composite thus prepared was laminated on silicon powder, heated to a temperature of 1600 캜 in a vacuum atmosphere, and impregnated with liquid silicon to prepare a carbon fiber-reinforced carbon ceramic composite body. Table 1 shows the physical properties of the carbon fiber-reinforced ceramic composite thus produced.

시편Psalter 겉보기 밀도Apparent density 겉보기 기공율Apparent porosity 굴곡강도Flexural strength 열전도도Thermal conductivity 마찰계수Coefficient of friction (g/㎤)(g / cm3) (%)(%) (㎫)(MPa) W/mKW / mK 실시 예1Example 1 2.32.3 0.50.5 125125 4040 0.450.45 실시 예2Example 2 2.42.4 0.30.3 120120 4242 0.450.45 실시 예3Example 3 2.32.3 0.70.7 140140 4040 0.430.43 비교 예1Comparative Example 1 2.12.1 0.90.9 8080 3535 0.400.40

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법은 급속 열구배 화학기상침투공정으로 제조한 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 탄소섬유는 균일하게 증착된 열분해 탄소층을 가지고 있으며, 이러한 열분해 탄소층은 액상 규소 함침공정 시, 규소와 반응하여 탄화규소로 합성되는데, 열분해 탄소층은 액상 규소 함침공정에서 가장 문제점인 탄소섬유의 침식을 막아주는 섬유 보호층으로의 역할뿐만 아니라, 탄화규소를 합성하는 반응층으로서 우수한 특성을 가지고, 또한 탄소섬유와 탄화규소 기지상 사이에 새로운 계면을 형성하여 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 기계적 물성 향상시킨다.The carbon fiber-reinforced carbon composite material produced by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process has a uniformly deposited pyrolytic carbon layer, and the pyrolytic carbon layer Is synthesized as silicon carbide by reacting with silicon in the liquid silicon impregnation process. The pyrolytic carbon layer serves not only as a fiber protective layer which prevents the carbon fiber erosion which is the most problem in the liquid silicon impregnation process, Has excellent properties as a reaction layer and also forms a new interface between the carbon fiber and the silicon carbide base so as to improve the mechanical properties of the carbon fiber reinforced ceramic composite.

이러한 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 미세구조는 도 3에 도시된 바와 같이 탄소섬유 주위의 어두운 회색 부분은 열분해 탄소층(102), 밝은 회색 부분은 탄화규소층(103) 그리고 가장 밝은 부분이 잔류 규소층(104) 이다. 탄소섬유 주위의 열분해 탄소층에 의해 탄소섬유의 침식은 거의 없으며, 열분해 탄소층 주변에 탄화규소가 합성된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, the fine structure of the carbon fiber-reinforced ceramic composite produced according to the method of the present invention is such that the dark gray portion around the carbon fiber is composed of the pyrolytic carbon layer 102 and the light gray portion is the silicon carbide layer 103 ) And the brightest part is the residual silicon layer (104). It can be seen that the carbon fiber is hardly eroded by the pyrolytic carbon layer around the carbon fiber and the silicon carbide is synthesized around the pyrolytic carbon layer.

그리고 본 발명에서 급속 열구배 화학기상 침투공정은 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 제조 시간을 고려할 때, 기존의 화학기상 침투공정에 비해 10배 이상, 종래의 열구배 화학침투공정에 비해 5배 이상의 증착속도로 열분해 탄소층을 증착시킬 수 있으므로 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 제조비용을 현저히 줄일 수 있다.In the present invention, the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process is performed at a deposition rate of 10 times or more as compared with a conventional chemical vapor deposition process, and a deposition rate of 5 times or more as compared with a conventional thermal gradient chemical vapor deposition process It is possible to reduce the manufacturing cost of the carbon fiber-reinforced carbon composite material.

또한, 탄소 함유 액상 전구체를 이용한 탄소섬유 강화 수지 복합체 제조공정에서와 같은 반복적인 밀도화 공정없이, 단 일회의 공정으로 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조할 수 있고, 급속 열구배 화학기상 침투공정과 액상 규소 함침공정의 조합으로 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 제조공정을 단순화하고 제조비용을 현저히 줄일 수 있으므로, 다양한 분야에서 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 응용이 가능하다.In addition, it is possible to produce a carbon fiber-reinforced resin composite in a single step without repeated densification steps as in the case of a carbon fiber reinforced resin composite manufacturing process using a carbon-containing liquid precursor, and a rapid thermal gradient chemical vapor phase- The combination of the silicon impregnation process simplifies the manufacturing process of the carbon fiber reinforced ceramic composite material and significantly reduces the manufacturing cost, so that it is possible to apply the carbon fiber reinforced ceramic composite material in various fields.

그리고 0.3 ~ 150㎜ 크기의 탄소섬유를 탄소 함유 폴리머 전구체, 탄화규소 분말 그리고 탄소 분말과 혼합한 후 탄소직물과 교대 적층하거나 혼합물만으로 제조한 성형체는 분산과 혼합이 균질하며, 탄소섬유 및 탄소직물의 1차 표면층을 형성하는데 우수한 특성을 가진다. 또한 1000℃ 이상의 고온 열처리 시 수축이 거의 일어나지 않으므로 치수 변화가 없어 치수 및 형상 가공에 필요한 비용을 대폭 절감할 수 있다.In addition, the molded bodies prepared by mixing carbon fibers having a size of 0.3 to 150 mm with a carbon-containing polymer precursor, silicon carbide powder and carbon powder and alternately laminated or mixed with a carbon fabric are homogeneous in dispersion and mixing, And has excellent properties in forming a primary surface layer. Further, since the shrinkage hardly occurs during the high-temperature heat treatment at 1000 占 폚 or more, there is no change in the dimension, and the cost required for the dimension and shape processing can be greatly reduced.

이상과 같은 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 세라믹 복합체는 제조방법 탄소섬유 강화 세라믹 복합체의 물성을 향상시키는 효과가 있고, 종래의 모든 화학기상 침투공정에 비해 5 ~ 10배 이상의 증착속도로 열분해 탄소층을 증착할 수 있으므로, 제조공정과 제조시간 그리고 제조비용 면에서 월등히 향상된 효과를 발휘한다.The carbon fiber-reinforced ceramic composite according to the present invention has the effect of improving the physical properties of the carbon fiber-reinforced ceramic composite material. The carbon fiber-reinforced ceramic composite material according to the present invention has the effect of improving the physical properties of the carbon fiber- It is possible to achieve a remarkably improved effect in terms of the manufacturing process, the manufacturing time, and the manufacturing cost.

Claims (21)

탄소섬유와 탄소 함유 폴리머 전구체를 포함한 혼합물로 성형한 탄소섬유 강화 수지 복합체를 제조하는 단계와;Producing a carbon fiber-reinforced resin composite molded from a mixture containing carbon fibers and a carbon-containing polymer precursor; 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체를 700 ~ 2200℃의 온도로 열처리하고, 열처리된 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체의 내부에서 외부로 증착속도를 증가시키면서 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 열분해 탄소를 증착하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계와;The carbon fiber-reinforced resin composite is heat-treated at a temperature of 700 to 2200 ° C to deposit pyrolytic carbon in a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process while increasing the deposition rate from the inside to the outside of the heat-treated carbon fiber- Reinforced carbon composite; 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 단계로 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.Wherein the step of penetrating the liquid silicon into the pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite material is performed. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물에는 상기 탄소섬유가 10 ~ 60w%, 상기 탄소 함유 폴리머 전구체가 30 ~ 60wt% 로 포함된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the mixture contains 10 to 60 wt% of the carbon fibers and 30 to 60 wt% of the carbon-containing polymer precursor. 제 2항에 있어서, 상기 혼합물에는 탄화규소 분말과 탄소분말 중 적어도 하나가 더 포함된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.3. The method of claim 2, wherein the mixture further comprises at least one of silicon carbide powder and carbon powder. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 탄소섬유 강화 수지 복합체는 상기 혼합물과 탄소직물이 교대로 적층된 것인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method according to claim 2 or 3, wherein the carbon fiber-reinforced resin composite comprises the mixture and the carbon fabric alternately laminated. 제 4항에 있어서, 상기 성형체에는 혼합과정에서 혼합된 상기 혼합물에 의하여 탄소섬유와 규소의 반응을 막아주는 1차 표면층이 형성되고, 상기 1차 표면층은 상기 액상 규소를 침투시키는 단계에서 상기 액상 규소와 화학 반응하여 탄화규소와 규소로 이루어진 세라믹 기지층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method according to claim 4, wherein the formed body is formed with a primary surface layer that prevents reaction between carbon fibers and silicon by the mixture mixed in the mixing process, and wherein the primary surface layer is a mixture of the liquid silicon And forming a ceramic base layer composed of silicon carbide and silicon. 제 1항에 있어서, 상기 성형체는 불활성 가스 분위기 하에서 900 ~ 2200℃의 온도로 열처리된 후, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 1차 표면층위에 2차 표면층인 열분해 탄소 기지층이 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method according to claim 1, wherein the formed body is heat-treated at a temperature of 900 to 2200 캜 under an inert gas atmosphere, and then the pyrolytic carbon base layer, which is a secondary surface layer, is deposited on the primary surface layer in the deposition step by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition Wherein the carbon fiber-reinforced ceramic composite is produced by a method comprising the steps of: 제 1항에 있어서, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 탄화수소 가스를 사용하여 열분해 반응 온도 700 ~ 1200℃, 반응압력 188 ~ 1130torr 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The carbon fiber reinforced ceramic composite material manufacturing method according to claim 1, wherein the carbon nanofibers are formed by using a hydrocarbon gas at a pyrolysis reaction temperature of 700 to 1200 ° C. and a reaction pressure of 188 to 1130 torr in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process. Way. 제 1항에 있어서, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서, 증착 영역을 내부에서 외부로 적어도 복수개로 나누고, 각각의 영역에서 서로 다른 속도로 증착하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method according to claim 1, wherein in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process, the deposition region is divided into at least a plurality of regions from the inside to the outside, and the regions are vapor- Lt; / RTI &gt; 제 1항에 있어서, 상기 증착 영역은 0.5 ~ 3.0 mm/hr의 증착속도 범위로 내부에서 외부로 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.2. The method of claim 1, wherein the deposition area is deposited from the inside to the outside in a deposition rate range of 0.5 to 3.0 mm / hr. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체는 겉보기 밀도 1.0 ~ 1.7g/㎤, 상기 액상 규소의 침투 경로로 이용되는 열린 기공을 5 ~ 30% 가지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbon fiber-reinforced carbon composite material has an apparent density of 1.0 to 1.7 g / cm 3 and 5 to 30% of open pores used as a penetration path of the liquid silicon. . 제 1항에 있어서, 상기 액상 규소를 침투시키는 단계는 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층시키고, 반응기 내부를 100torr 이하로 유지한 후 규소의 녹는점인 1410℃ 이상의 온도로 가열하여 액상 규소를 프리폼 내부로 침투시킴과 동시에 복수개의 탄소층과 화학반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.The method of claim 1, wherein the step of impregnating the liquid silicon comprises: laminating the carbon fiber-reinforced carbon composite on a silicon powder; maintaining the inside of the reactor at 100 torr or less; Is introduced into the preform and a chemical reaction with the plurality of carbon layers is induced. 탄소 펠트 프리폼을 제조하는 단계와;Producing a carbon felt preform; 상기 탄소 펠트 프리폼을 내부에서 외부로 증착속도를 빠르게 하면서 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하여 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 제조하는 단계와;Depositing the carbon felt preform in a rapid thermal gradient chemical vapor deposition process at a rapid deposition rate from the inside to the outside to produce a carbon fiber reinforced carbon composite; 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 단계로 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조 방법.Wherein the step of penetrating the liquid silicon into the pores of the carbon fiber-reinforced carbon composite material is performed. 제 12항에 있어서, 상기 탄소 펠트 프리폼은 옥시펜, 펜, 레이온, 핏치계 등의 탄소계 섬유 중 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the carbon felt preform is one of carbon fiber such as oxyphene, pen, rayon, and pitch. 제 12항에 있어서, 상기 탄소 펠트 프리폼은 매트의 적층을 0°/+60°/-60°와 같은 준등방성으로 하며, Z축으로 10mm 이하의 탄소섬유가 보강된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The carbon fiber preform as set forth in claim 12, wherein the carbon felt preform has quasi-isotropic properties such as 0 ° / + 60 ° / -60 ° lamination of the mat, and carbon fibers of 10 mm or less in the Z- Ceramic composite. 제 12항에 있어서, 상기 탄소 펠트 프리폼에는 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에 의해 5 ~ 100㎛ 두께의 열분해 탄소층이 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein a pyrolytic carbon layer having a thickness of 5 to 100 mu m is deposited on the carbon felt preform by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process. 제 12항에 있어서, 상기 액상 규소를 침투시키는 단계에서 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체에 액상 규소를 함침하여 X, Y, Z 3축으로 탄소섬유가 보강된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of manufacturing a carbon fiber-reinforced ceramic composite material according to claim 12, wherein the step of impregnating the liquid silicon includes impregnating the carbon fiber-reinforced carbon composite with liquid silicon to reinforce the carbon fibers in the X, Y, and Z axes . 제 12항에 있어서, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서 탄화수소 가스를 사용하여 열분해 반응 온도 700 ~ 1200℃, 반응압력 188 ~ 1130torr 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.[12] The method of claim 12, wherein hydrocarbon gas is used in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition, and the pyrolysis reaction temperature is 700 to 1200 DEG C and the reaction pressure is 188 to 1130 torr. Way. 제 12항에 있어서, 상기 급속 열구배 화학기상 침투공정으로 증착하는 단계에서, 증착 영역을 내부에서 외부로 적어도 복수개로 나누고, 각각의 영역에서 서로 다른 속도로 증착하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein, in the step of depositing by the rapid thermal gradient chemical vapor deposition process, the deposition region is divided into at least a plurality of regions from the inside to the outside, Lt; / RTI &gt; 제 12항에 있어서, 상기 증착 영역은 0.5 ~ 3.0 mm/hr의 증착속도 범위로 내부에서 외부로 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the deposition area is deposited from the inside to the outside in a deposition rate range of 0.5 to 3.0 mm / hr. 제 12항에 있어서, 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체는 겉보기 밀도 1.0 ~ 1.7g/㎤, 상기 액상 규소의 침투 경로로 이용되는 열린 기공을 5 ~ 30% 가지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the carbon fiber-reinforced carbon composite material has an apparent density of 1.0 to 1.7 g / cm 3 and an open pore size of 5 to 30% used as a penetration path of the liquid silicon. . 제 12항에 있어서, 상기 액상 규소를 침투시키는 단계는 상기 탄소섬유 강화 탄소 복합체를 규소 분말 위에 적층시키고, 반응기 내부를 100torr 이하로 유지한 후 규소의 녹는점인 1410℃ 이상의 온도로 가열하여 액상 규소를 상기 탄소 펠트 프리폼 내부로 침투시킴과 동시에 복수개의 탄소층과 화학반응을 유도하는 것을 특 징으로 하는 탄소섬유 강화 세라믹 복합체 제조방법.13. The method of claim 12, wherein the step of infiltrating the liquid silicon comprises: laminating the carbon fiber-reinforced carbon composite on a silicon powder, maintaining the inside of the reactor at 100 torr or less, Wherein the carbon fiber reinforced ceramic material is impregnated into the carbon felt preform and a chemical reaction is induced with a plurality of carbon layers.
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