KR101196665B1 - 열분해탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층의 이중코팅층이 형성된 보강섬유재를 포함하는 섬유강화복합재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유강화 세라믹복합재료의 제조에 있어서, 세라믹 복합재료에 가해지는 응력을 효과적으로 완화하고 변형저항성을 향상시키기 위해 보강섬유재를 이중으로 코팅하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 보강섬유에 열분해 탄소(PyC) 코팅층 및 질화붕소(BN) 코팅층을 차례로 형성한 후에 이를 섬유강화 복합재료의 제조에 이용하는 기술에 관한 것이다. 이중 코팅층 만을 섬유 계면에 적용하므로 다층 코팅에 비하여 경제적이며, 상기 이중의 코팅층은 탄화규소 섬유 등의 표면에 형성되어 우수한 산화저항성을 나타낼 뿐만 아니라 하중에 대한 응력완화성, 변형에 대한 저항성을 향상시키며, 기계적 강도가 우수하여, 쿡탑용 라디에이션, 에너지 절약형 열교환기, 원자로용 부품 등의 내구성을 증가시킨다.

Description

열분해탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층의 이중코팅층이 형성된 보강섬유재를 포함하는 섬유강화복합재료 {Fiber reinforced composites containing reinforcing fiber coated with an inner layer of PyC and an outer layer of BN}
본 발명은 섬유강화 세라믹복합재료의 제조에 있어서, 세라믹 복합재료에 가해지는 응력을 효과적으로 완화하고 변형저항성을 향상시키기 위해 보강섬유재를 이중으로 코팅하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 보강섬유에 하부층으로서 열분해 탄소(PyC) 코팅층을 형성하고, 그 위에 상대적으로 무른 소재인 질화붕소(BN) 코팅층을 형성한 후에 이를 섬유강화 복합재료의 제조에 이용하는 기술에 관한 것이다.
발전용 설비 및 항공기, 원자력산업, 에너지산업 및 쿡탑용 라디에이션 히터 등에 사용되는 세라믹스 복합재료는 열적, 구조적으로 특성이 우수한 특성을 갖고 있다. 문헌 [Fusin Engineering and Design 41권 1-4호, 15-24 페이지, 1998년]에서는 이러한 섬유강화복합재료의 장점을 잘 기술하고 있다. 이러한 복합재료는 기지(matrix)의 특성을 향상시키기 위하여 섬유(fiber)를 강화시켜 제조한다.
섬유를 강화시켜 제조할 때 섬유는 통상 탄소(C)나 탄화규소(SiC)의 소재가 많이 사용되는데, 이러한 소재는 고온에서 장시간 노출될 때 산소와 반응하여 산화층이 형성되어 기존의 고유한 기계적 특성을 유지하지 못하는 문제가 있어, 산화를 억제하기 위하여 산화보호층을 코팅하게 된다. 또한 섬유강화복합재의 파괴인성을 증진시키기 위하여 섬유 계면을 따라 균열의 경로를 변화시키는 것을 유도하기 위해 상대적으로 섬유보다 약한 기계적 특성을 갖는 소재를 코팅하기도 한다. 이러한 코팅에 의해 높은 온도에서도 산화저항성을 향상시킬 수 있으며, 복합재의 특성을 제어하는 것이 가능하고, 내산성 특징 및 우수한 기계적 특성을 갖도록 하게하는 것이 가능하다.
섬유의 코팅은 문헌 [Journal of Materials Science 29권 1795페이지, 1994년], [Thin Solid Film 77권 129-139페이지, 1981년]에서 제시한 용액/졸/슬러리 코팅법, 문헌 [Ceramic Engineering and Science Proceedings 18권 287-294페이지, 1997년]에서 제시한 바와 같은 화학적 증착법 (chemical vapor deposition, CVD), 문헌 [Ceramic Engineering and Science Proceedings 15권 1052-1059페이지, 1994년]에서 제시한 바와 같은 전기영동 증착법 (electrophoretic deposition, EPD) 등의 다양한 방법으로부터 이루어진다. 섬유의 계면코팅을 위한 주된 공정 중 화학증착법(chemical vapor deposition)은 약 900~1100℃ 이상의 온도에서 코팅재료의 source가 되는 기체의 분해에 의해 섬유에 코팅이 이루어지는 방법으로, 다양한 소재가 성공적으로 코팅이 이루어지고 있다. 더불어 용액/졸/슬러리 코팅기술에 의해서도 2 개층 이상의 다중코팅이 경제적으로 이루어지고 있다.
기지 상에 열적 및 기계적 응력이 가해질 때, 섬유가 응력을 지지해주지 못하거나 균열의 전파를 효과적으로 억제하지 못하면 손상을 입고 파괴가 일어나게 된다. 섬유는 기지상에 비하여 상대적으로 탄성계수와 기계적 강도가 높아 취성, 즉 일정한 하중 하에서 파손될 가능성이 높다. 만약 섬유가 응력을 효과적으로 완화시켜 준다면 섬유강화 복합재의 수명은 보다 향상될 수 있다. 한편 종래의 코팅층은 600℃이상의 고온에서 손실이 발생하는 문제점이 있으며, 기존의 코팅층은 코팅재를 한 종류를 선택하여 코팅하거나, 비경제적으로 다중의 코팅재를 선택하여 코팅하는 경우가 많았다.
이에 고온에서 안정하며, 섬유강화 복합재에 가해지는 응력을 보다 효과적이면서도 경제적으로 완화시켜 섬유강화 복합재로 만들어지는 구조체의 수명을 향상시키는 계면코팅 기술이 요구되어 왔다. 이에 본 발명자들은 보강섬유에 특정 순서를 가지는 이중 코팅층을 특정 두께로 형성하는 경우에 우수한 응력완화성, 변형저항성, 기계적 특성을 가지는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
그러므로 본 발명은 열분해 탄소(PyC) 코팅층 및 질화붕소(BN) 코팅층의 이중코팅층이 형성된 보강섬유재를 포함하여 하중에 대한 응력완화성과 변형저항성 및 고온 안정성을 가지는 섬유강화복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 섬유강화 복합재료의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 탄소 섬유 또는 탄화규소섬유 표면에 열분해 탄소(PyC) 코팅층 및 질화붕소(BN) 코팅층의 이중코팅층이 형성되어 이루어지는 보강섬유재를 포함하는 섬유강화 복합재료가 제공된다.
상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 섬유강화 복합재료를 구성하는 섬유는 상기 섬유강화복합재료의 전체 부피의 40%이하로 형성되는 것이 바람직하며, 17~40%로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 보강섬유 복합재료는 상기 보강섬유재와 탄화규소 기지의 결합에 의하여 형성될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,
탄화규소섬유를 직조하여 직물을 제조하는 단계; 상기 직물을 페놀수지용액에 함침 후 경화시키는 단계; 상기 페놀수지용액이 침투된 직물을 600~800℃에서 1~2시간 탄화하여 섬유 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 상기 탄소 코팅층위에 화학증착법(CVD)을 이용하여 열분해 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 졸겔/슬러리 코팅법을 이용하여 상기 열분해 탄소 코팅층 위에 질화붕소 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 이중 코팅된 섬유를 기지상과 혼합하여 열처리함으로써 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 섬유강화 복합재료의 제조방법이 제공된다. 이 때 상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 이중의 코팅층은 탄화규소 섬유 등의 표면에 형성되어 우수한 산화저항성을 나타낼 뿐만 아니라 하중에 대한 응력완화를 가져올 수 있고, 변형에 대한 저항성, 기계적 강도가 우수하여, 상기 이중 코팅층 형성 보강섬유재를 포함하는 섬유강화복합재로 제조되는 쿡탑용 라디에이션, 에너지 절약형 열교환기, 원자로용 부품 등의 내구성이 크게 향상되어 기계부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이중 코팅층을 갖는 보강섬유로 강화된 섬유강화복합재료의 단면을 확대한 사진도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 이중 코팅층을 갖는 보강섬유로 강화된 섬유강화복합재료의 압흔-변형율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 보강섬유 표면에 하부 코팅층인 PyC 코팅층과 상부 코팅층인 BN코팅층의 이중 코팅층을 형성하며, 특히 상기 코팅층의 두께 및 섬유의 부피비의 조정을 통하여 가장 우수한 응력완화효과, 변형저항성 및 기계적 특성을 가지는 섬유강화 복합재료를 제조하는데 그 기술적 특징이 있다.
본 발명에 따르면 탄소 섬유 또는 탄화규소섬유 표면에 열분해 탄소(PyC) 코팅층 및 질화붕소(BN) 코팅층의 이중코팅층이 형성되어 이루어지는 보강섬유재를 포함하는 섬유강화 복합재료가 제공된다. 탄소 섬유 또는 탄화규소섬유의 보강섬유 표면상에 형성되는 상기 이중코팅층에 있어서, 상부 코팅층은 고온저항성과 응력완화성을 갖도록 탄성계수가 하부 코팅층보다 상대적으로 낮으며 산화저항성이 우수한 질화붕소(BN)층으로 구성되고, 하부층은 상부층보다는 높으나 섬유층보다는 매우 낮은 탄성계수를 갖는 열분해탄소(PyC) 코팅층으로 구성되는 것이다.
상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각의 두께가 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것이 바람직한데, 코팅층의 두께가 상기 범위 미만이면 제조된 섬유강화 복합재의 응력완화성 및 변형저항성 증가 효과를 얻을 수 없고, 상기 범위를 초과하게 되면 복합재 전체 탄성계수가 감소되는 문제가 있기 때문이다.
또한 상기 섬유강화 복합재를 구성하는 섬유는 상기 섬유강화복합재료의 전체 부피의 40% 이하로 형성되는 것이 바람직하며, 17~40%로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 섬유의 부피비가 상기 범위를 초과하는 경우에는 제조된 섬유강화 복합재에 굽힘응력이 발생하여 코팅재의 응력완화성 및 변형저항성 증가효과를 얻을 수 없으며, 상기 범위 미만인 경우에는 첨가된 섬유의 효과를 얻을 수 없기 때문이다.
또한 본 발명에서 코팅층을 2 개의 층으로 제한한 이유는 다중코팅으로 코팅하는, 그 효과가 이중 코팅에 비해 미미하며, 공정의 반복에 의한 비경제성 때문이다. 상기 코팅은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법으로 이루어지며 특별히 한정되지 않는다. 전자선 물리적 증착방법(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 전자영동법(EPD, Electrophoretic deposition), 물리적증착방법(PVD), 화학적증착방법(CVD), 졸겔 슬러리 코팅법 및 플라즈마 증착방법(APS, VPS, LPPS, SPPS) 등에 의하여 이루어질 수 있다. 바람직한 본 발명의 일 예로서 상기 보강섬유재는 탄화규소 기지와 결합하여 섬유강화 복합재료를 형성할 수 있다. 그러므로 본 발명은 탄화규소 섬유강화 탄화규소 세라믹 복합재료를 제조하는데 유용하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기의 단계를 포함하는 섬유강화 복합재료의 제조방법이 제공된다.
본 발명 섬유강화 복합재료는 탄화규소섬유를 직조하여 직물을 제조하는 단계; 상기 직물을 페놀수지용액에 함침 후 경화시키는 단계; 상기 페놀수지용액이 침투된 직물을 600~800℃에서 1~2시간 탄화하여 섬유 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 상기 탄소 코팅층 위에 화학증착법(CVD)을 이용하여 열분해 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 졸겔/슬러리 코팅법을 이용하여 상기 열분해 탄소 코팅층 위에 질화붕소 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 이중 코팅된 섬유를 기지상과 혼합하여 열처리함으로써 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 페놀수지 탄화코팅법에 의한 탄소 코팅층 형성은 탄화규소(SiC) 섬유표면에 탄소 코팅막을 형성시켜 탄소와 부가적인 Si의 반응에 의해 SiC 기지상을 치밀하게 채우기 위한 것이다. 이 때 상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 제조된 이중의 코팅층은 치밀한 층상 조직을 가진다. 상기 섬유와 기지상간의 계면에 포함된 코팅층으로 인하여 열교환기와 같은 부품 효율을 증대시키기 위한 고온 분위기에서도 우수한 물성을 유지하고, 외부 미세 입자에 의한 충돌 또는 기계 진동에 의한 피로하중, 내방사선 등에도 우수한 저항성을 나타내 각종 부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킬 수 있으므로 쿡탑용 라디에이션 히터, 에너지 절약형 열교환기, 발전설비의 각종 부품, 및 내열성이 요구되는 발전?기계요소 부품, 내방사능성이 요구되는 원자로용 부품 등에 유용하게 사용될 수 있다.
이하 하기 실시예 및 시험예등을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기의 예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1:보강섬유재의 제조
코팅용 고분자로는 변성 레졸 페놀 수지(KRD-HM2, Kolon chemical, Korea)를 사용하였으며, 점도 조절제로는 에탄올(ethanol)을 사용하였다. 5 ~ 100% 부피비의 페놀과 0 ~ 95%의 부피비의 페놀-에탄올 용액이 사용되며, 이 때의 점도 범위는 0~740 cps의 범위 내에서 제어된다. 탄화규소 섬유는 평직(plain weave)의 형태로 직조되며, 직경이 8.5㎛이며, Si 50wt%, C 30wt%, O 18wt% 그리고 Ti 2wt%를 포함하는 섬유로부터 직조된다. 본 발명에 사용된 섬유는 하나의 번들(bundle)에 1600가닥의 섬유가 포함되어 있다.
5% 페놀수지용액에 상기 탄화규소섬유를 함침 및 경화시킨 후 600℃(5 ℃/min.), N2(140cc/min.)의 분위기에서 페놀 수지를 1hr 동안 탄화하여 SiC 섬유 표면에 탄소 코팅막을 형성시킨다. 섬유에 대한 페놀용액 함침은 VARTM(vacuum assisted resin transfer molding)법을 사용하였는데, 이는 진공백 내부에 섬유를 위치시키고 진공압을 내부에 인가하여 압력 차이에 의해 외부로부터 액상 고분자가 내부로 들어가 섬유를 함침시키는 방법이다. 함침이 완료된 후 진공압은 페놀 수지의 경화반응이 완전히 끝날 때까지 유지해 주었다.
상기 탄소 코팅막 위에 아래와 같은 화학증착법을 이용하여 열분해 탄소 코팅층을 50~400nm의 두께로 형성하였다. CVD PyC 코팅은 프로판과 질소 가스를 14:140cc의 비율로 흘려주어 화학반응이 일어나도록 하였으며, 코팅 온도는 800~1100℃내외에서 조절하였다.
상기와 같이 PyC가 코팅된 섬유에 유기물과 BN층이 혼합된 슬러리를 진공함침시켜 BN 코팅막을 형성하였다. 본 실시예에서는 평균입경이 1㎛미만을 갖는 BN원료를 사용하였다. 각 질화붕소 원료에 바인더를 질량비로 3% 첨가하였으며, 카복시메틸셀룰로오즈를 1%첨가하였고, 분산제 2%, 소포제 1%, 그리고 용매인 물은 원료 100에 대해 200~250이 되도록 첨가하였고 지르코니아(ZrO2) 볼(ball)과 함께 폴리에틸렌 용기에 넣은 후 24시간동안 볼 밀링(ball mill)하여 습식혼합하여 코팅용 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 진공용기에 넣은 후 상기의 섬유를 함침시킨 후 진공을 빼주는 작업을 수회 반복하여 50~500nm 두께의 BN코팅층이 형성되도록 하였다.
비교예 1:보강섬유재의 제조
상기 실시예 1의 방법에 따라, PyC 코팅을 행하지 않고, BN 코팅층 일층의 코팅층만을 형성하여 보강섬유재를 제조하였다.
비교예 2:보강섬유재의 제조
상기 실시예 1의 방법에 따라, BN 코팅을 행하지 않고, PyC 코팅층 일층의 코팅층만을 형성하여 보강섬유재를 제조하였다.
비교예 3:보강섬유재의 제조
상기 실시예 1의 방법에 따라, PyC와 BN코팅을 모두 행하지 않고, 표면에 전혀 코팅되지 않은 섬유만을 사용하여 보강섬유재를 제조하였다.
비교예 4~5 :보강섬유재의 제조
상기 실시예 1의 방법에 따라, 하기의 표 1과 같이 PyC와 BN 코팅층의 두께를 달리하여 보강섬유재를 제조하였다.
비교예 4 비교예 5
섬유 직경에 대한 BN 코팅층의 두께비 1% 3.5%
섬유 직경에 대한 PyC 코팅층의 두께비 1% 3.5%
시험예 1: 압흔 변형에 의한 응력계산
상기 실시예 내지 비교예에서 제조된 섬유강화복합재의 응력완화성을 알아보기 위해 한 개의 섬유에 상기의 코팅층이 존재한다고 가정 및 동일한 부피비, 두께비의 구조체를 가정한 다음, 압축응력을 가하여 10㎛변위를 일으켰을 때 발생하는 응력을 Abaqus를 이용하여 계산하였다. 이 때 얻어진 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
면내 최대 주응력 (MPa)
섬유 A 섬유 B
실시예 1 145.9 152.4
비교예 1 451.3 437.7
비교예 2 686 685
비교예 3 3522 3872
비교예 4 2538 2760
비교예 5 584 604
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이 섬유직경의 3~6% 두께로 형성된 BN-PyC 이중 코팅층의 실시예 1의 경우에 동일한 변형 하에서 발생하는 응력의 최대값이 가장 작음을 알 수 있다. 이는 상기 이중 코팅에 의한 응력의 완화가 일어났음을 의미하며, 변형저항성이 크다는 것을 나타낸다.
시험예 2:굽힘 변형에 의한 응력계산
상기 실시예 내지 비교예에서 제조된 섬유강화복합재의 응력완화성을 알아보기 위해 한 개의 섬유에 상기의 코팅층이 존재한다고 가정하고, 동일한 부피비, 두께비의 구조체를 가정한 다음, 굽힘응력을 가하여 중심축이 10㎛변위를 일으켰을 때 발생하는 응력을 Abaqus를 이용하여 계산하였다. 이 때 얻어진 결과를 하기 표 3 에 나타내었다.
면내 최대 주응력 (MPa)
섬유 A (인장) 섬유 B (인장) 섬유 A (압축) 섬유 B (압축)
실시예 1 447.1 494.4 -216.5 -234.4
비교예 1 470.0 517.6 -186.8 -204.5
비교예 2 457.6 505.4 -202.9 -220.8
비교예 3 480.3 528.3 -179.2 -197.2
비교예 4 467.5 518.9 -191.1 -209.2
비교예 5 463.5 512.8 -192.6 -211.5
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, BN-PyC가 섬유직경의 3~6% 두께로 이층으로 코팅된 실시예 1의 경우에 인장응력은 상대적으로 가장 작게 작용하며, 압축응력은 절대값이 가장 크게 작용하여 보다 강도가 우수함을 나타내고, 동일한 변형 하에서 발생하는 굽힘응력의 최대값 역시 가장 작음을 알 수 있다. 이러한 결과 역시 이중 코팅에 의한 응력의 완화가 일어났음을 의미하며, 변형저항성이 크다는 것을 나타낸다.
실시예 2:섬유강화 복합재료의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 보강섬유재를 이용하여 하기의 방법에 따라 섬유강화복합재를 제조하였다.
상기 실시예 1에서 제조된 이중 코팅 보강섬유재의 양쪽을 탄화규소 기지상의 분말로 패킹(packing)한 상태에서 1750℃에서 25MPa의 압력으로 열처리하여 치밀한 복합재를 제조하였다. 이 경우 상기 섬유가 섬유강화 복합재료 전체 부피의 30%가 되도록 조정하였다. 도 1은 이중 코팅층을 갖는 보강섬유로 강화된 섬유강화복합재료의 단면을 확대한 사진도이다.
실시예 3:섬유강화 복합재료의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 이중 코팅 보강섬유 두 장을 적층하고, 코팅면이 계면이 되도록 양쪽을 탄화규소 기지상으로 패킹(packing)한 상태에서 상기 실시예 2의 방법에 따라 치밀한 복합재를 제조하였다. 이러한 제조를 통하여 이중 코팅은 보강 섬유의 양면에 이루어지게 된다.
비교예 7:섬유강화 복합재료의 제조
상기 비교예 1에서 제조된 보강섬유재(BN 코팅층 형성)를 이용하여 상기 실시예 2의 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예 8:섬유강화 복합재료의 제조
상기 비교예 2에서 제조된 보강섬유재(PyC 코팅층 형성)를 이용하여 상기 실시예 2의 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예 9:섬유강화 복합재료의 제조
상기 비교예 3에서 제조된 보강섬유재(코팅층 미형성)를 이용하여 상기 실시예 2의 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예 10:섬유강화 복합재료의 제조
상기 비교예 3에서 제조된 보강섬유재(코팅층 미형성) 2장을 적층하여 상기 실시예 2의 방법으로 섬유강화 복합재를 제조하였다.
비교예 11:섬유강화 복합재료의 제조
섬유가 섬유강화 복합재료 전체 부피의 42%가 되도록 조정한 것을 제외하고는 상기 실시예 2의 방법과 동일하게 하여 섬유강화 복합재료를 제조하였다.
시험예 3: 압흔 변형에 의한 응력계산
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 섬유강화복합재의 응력완화성을 알아보기 위해 상기 실시예 2와 비교예 7~9에 대하여, 압축응력을 가하여 10㎛변위를 일으켰을 때 발생하는 응력을 Abaqus를 이용하여 계산하였다. 이 때 얻어진 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
면내 최대 주응력 (MPa)
실시예 2 303.316
비교예 7 337.807
비교예 8 389.479
비교예 9 453.412
비교예 11 1320.215
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, BN-PyC가 섬유직경의 3~6% 두께로 이층으로 코팅된 실시예 2의 경우에 면내 최대 주응력이 가장 작으며, 따라서 이러한 결과 역시 이중 코팅에 의한 응력의 완화가 일어났음을 의미하며, 변형저항성이 크다는 것을 나타낸다.
시험예 4: 하중-변위 곡선 분석
본 발명에 따른 섬유강화 복합재의 변형에 의한 하중 변화 특성을 알아보기 위해 하기와 같이 수행하였다.
코팅여부에 따른 섬유강화 복합재의 변형-하중 관계는 헤르찌안 구형압자 압흔법에 의해 수행하였다. 이때 구형압자는 1.98 내지 12.7mm의 반경을 갖는 초경(WC)구를 선택하였으며 압입 하중은 0.2mm/min의 속도로 압입하여 압입 변형에 따른 하중 곡선을 얻었으며 이 때 최대하중이 500N이 되면 멈추도록 하였다. 그 결과 도 2와 같은 기계적 거동 결과를 얻었다. 도 2에서 non-single은 하나의 보강섬유재로 강화된 복합재로서 코팅하지 않은 시험편을, non-double은 두 개의 보강섬유재로 강화된 복합재로서 코팅하지 않은 시험편을, coated-single은 이중 코팅을 한 하나의 보강섬유재로 강화된 복합재를, coated-double은 이중 코팅을 한 두 개의 보강섬유재로 강화된 복합재를 각각 나타낸다. 이를 분석한 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 비교 예 11의 결과에서와 같이 섬유가 40%를 초과하는 경우, 굽힘응력이 작용하여 시험 도중 파손이 일어나게 된다.
변위 하중(N)
실시예 2 실시예 3 비교예 9 비교예 10 비교예 11
0.01 98 80 30 65 152
0.02 201 185 90 160 250
0.03 302 295 175 265 353
0.04 450 405 275 375 failure
상기 표 5 및 도 2에서 확인되는 바와 같이, 이중 코팅층이 형성된 보강섬유재를 포함하는 실시예 2와 실시예 3에서 제조된 섬유강화복합재는 비교예 9, 비교 예 10과 비교해 볼 때 동일한 변위를 일으키는데 보다 큰 하중이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이는 섬유의 표면에 코팅층이 도입됨으로써 기계적 특성이 향상되었음을 의미한다. 또 비교 예 11과 비교해 볼 때 굽힘응력을 방지하여 우수한 손상내구성을 갖는다는 것을 의미한다.

Claims (7)

  1. 탄소 섬유 또는 탄화규소섬유 표면에 열분해 탄소(PyC) 코팅층 및 질화붕소(BN) 코팅층의 이중코팅층이 형성되어 이루어지는 보강섬유재를 포함하며, 섬유는 섬유강화복합재료의 전체 부피의 17～40%로 형성되는 것임을 특징으로 하는 섬유강화복합재료.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것임을 특징으로 하는 섬유강화복합재료.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보강섬유 복합재료는 상기 보강섬유재와 탄화규소 기지의 결합에 의하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 섬유강화복합재료.
  5. 탄화규소섬유를 직조하여 직물을 제조하는 단계; 상기 직물을 페놀수지용액에 함침 후 경화시키는 단계; 상기 페놀수지용액이 침투된 직물을 600~800℃에서 1~2시간 탄화하여 섬유 표면에 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 상기 탄소 코팅층위에 화학증착법(CVD)을 이용하여 열분해 탄소 코팅층을 형성하는 단계; 졸겔/슬러리 코팅법을 이용하여 상기 열분해 탄소 코팅층 위에 질화붕소 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층이 형성된 섬유를 기지상과 혼합하여 열처리함으로써 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 섬유강화 복합재료의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열분해 탄소 코팅층 및 질화붕소 코팅층은 각각 섬유 직경에 대해 3~6%의 두께비를 가지도록 형성되는 것임을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료의 제조방법.
  7. 삭제
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