KR102309595B1 - 전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전파투과용 세라믹 복합재에 관한 것으로, 실리콘계 수지를 합성하고, 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시켜 실리콘계 수지가 함침된 프리폼이 형성되고, 상기 실리콘계 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재가 형성되고, 상기 예비 세라믹 복합재를 열분해되어 제조된 것으로 탄소를 포함한 불순물의 함량을 감소시켜 전파의 투과가 가능한 전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조방법{CERAMIC MATRIX COMPOSITE FOR TRANSMITTING ELECTROMAGNETIC WAVE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전파투과가 가능한 세라믹 복합재(Ceramic Matrix Composite)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복합재의 기지재(matrix)로 실리콘계 수지를 진공분위기에서 복합재의 강화재인 세라믹 섬유로 이루어진 프리폼에 함침시켜 적용함으로써 세라믹 복합재의 물성을 향상시킨 전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
복합재란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 조합하여 각각의 소재가 물리적, 화학적으로 원래의 상을 유지하면서 서로의 특성을 상호 보완하여 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 일컫는다. 일반적으로 복합재의 구성요소로는 금속, 세라믹, 고분자 등의 기지재(matrix)와 기지재(matrix)의 특성을 향상시키기 위하여 섬유(fiber), 입자(particle), 층(lamina) 등과 같은 물질로 이루어진 보강재(reinforcement materials)로 구성된다. 이러한 복합재는 기존의 금속재료와 비교하여 무게대비 강도 및 강성, 경량, 내충격성, 내화학성. 내부식성 등이 뛰어난 특성으로 첨단 항공우주용 및 방위산업의 부품소재로써 각광받고 있다.
세라믹(Ceramic)은 높은 경도, 금속대비 낮은 밀도, 높은 내열 특성을 갖는 대표적인 재료이나, 취성이 높아 원하는 형태로의 가공이 어렵고, 내열 충격성이 낮다는 단점이 있다. 이런 세라믹의 장점을 최대화하고 상기 언급된 단점을 최소화하여 열적, 구조적으로 특성이 우수한 세라믹 복합재(Ceramic Matrix Composite, 이하 'CMC'라고도 함)에 대해 연구되었다.
세라믹 복합재(CMC)는 보강재로 세라믹계 섬유를 사용하고, 기지재로 실리콘(silicone)계 수지 혹은 세라믹을 적용하여 제조된 복합재이다. 세라믹 복합재를 제조하는 일반적인 방법은 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)의 제조방법과 같이 프리프레그(prepreg) 적층을 통하여 열과 압력을 가하여 화학 경화시키고 열분해(pyrolysis) 과정을 통해 제조하였다. 이는 경화과정에서 실리콘계 수지 내부에서 발생하는 불순물이 문제되지 않지만 2차원인 프리프레그(prepreg)를 적층함에 따라 발생되는 특정방향에서의 기계적 물성 저하가 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0624094호
상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 실리카 섬유로 직조된 프리폼(preform)에 실리콘계 수지를 비교적 간단하게 진공 함침시켜 프리폼의 기공(void)을 실리콘계 수지로 채워지도록 제조하여 공정효율을 향상시키고, 탄소를 포함한 불순물의 함량도 감소시킴으로써 세라믹 복합재의 물성을 향상시켜 전파투과가 가능한 세라믹 복합재 전파투과용 세라믹 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재는 실리콘계 수지를 합성하고, 상기 실리콘계 수지를 진공분위기에서 프리폼에 함침시켜 실리콘계 수지가 함침된 프리폼이 형성되고, 상기 실리콘계 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재가 형성되고, 상기 예비 세라믹 복합재가 열분해되어 제조되는 것이다.
상기 프리폼은 세라믹의 소재로 이루어진 세라믹 섬유로써 알루미나 섬유, 및 실리카 섬유 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 섬유로 직조된 것을 사용할 수 있다.
상기 실리콘계 수지는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)과 3-글리시독시트리메톡시실란(3-glycidoxytrimethoxysilane)을 혼합한 혼합물을 반응기에 투입하여 졸-겔(sol-gel) 방법으로 합성된 것이다.
상기 실리콘계 수지가 함침된 프리폼은, 진공분위기에서 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 60℃ 내지 120℃ 온도로 2시간 내지 6시간 동안 함침된 것이다.
상기 예비 세라믹 복합재는 상기 실리콘계 수지가 함침된 프리폼이 120℃ 내지 180℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 경화된 것이다.
상기 열분해는 상기 예비 세라믹 복합재를 500℃ 내지 700℃온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행된 것이다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법은 (a) 실리콘(silicone)계 수지를 합성하는 단계, (b) 진공분위기에서 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 함침시켜 수지 함침 프리폼을 형성하는 단계, (c) 상기 수지 함침 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재를 형성하는 단계, 및 (d) 상기 예비 세라믹 복합재를 열분해(pyrolysis)하는 단계를 포함할 수 있다.
전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법에서 (a) 단계는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)과 3-글리시독시트리메톡시실란(3-glycidoxytrimethoxysilane)을 혼합한 혼합물을 반응기에 투입하여 졸-겔(sol-gel) 방법으로 실리콘계 수지를 합성할 수 있다.
상기 (b) 단계는, 진공분위기에서 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 60℃ 내지 120℃ 온도로 2시간 내지 6시간 동안 함침시킬 수 있다.
상기 (c) 단계는, 상기 실리콘계 수지가 함침된 수지 함침 프리폼을 120℃ 내지 180℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 경화시킬 수 있다.
상기 (d) 단계는, 상기 세라믹 복합재를 500℃ 내지 700℃온도에서 1시간 내지 3시간 동안 열분해 반응하여 전파투과용 세라믹 복합재를 형성할 수 있다.
전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법에서 상기 (d) 단계 이후에, 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는지 판단하는 판단 단계를 포함할 수 있다.
상기 판단 단계에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는 것으로 판단될 경우에는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조과정을 종료한다.
상기 판단 단계에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 있는 것으로 판단될 경우에는 다시 상기 (b) 단계로 되돌아가 이하 단계를 순차적으로 재수행할 수 있다. 열분해 반응 후에 세라믹 복합재의 무게 변화가 없을 때까지 이 과정을 반복 수행한다.
본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법은 종래 프리프레그(prepreg) 적층을 이용한 세라믹 복합재의 제조방법에서와 같이 많은 장비와 시간이 필요한오토클레이브(autoclave)나 일반 프레스(press) 공법을 적용하지 않고, 간단하게 프리폼(preform)에 실리콘계 수지를 진공 함침 공정과 열분해(pyrolysis) 반응을 수행하고, 진공 함침과 열분해(pyrolysis) 반응 공정의 횟수를 최소함으로써 공정시간을 단축시켜 공정의 효율이 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재는 탄소를 포함한 불순물의 함량도 감소시켜 전파투과가 가능할 뿐만 아니라 기계적 물성도 우수한 세라믹 복합재로 다양한 분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일예에 따른 전파투과용 세라믹 복합재 제조방법의 순서도이다.
도 2는 실리콘계 수지합성 및 열분해(pyrolysis) 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 3은 비교예 1에 따른 전파투과용 세라믹 복합재 제조방법의 개략적인 순서도이다.
도 4는 비교예 2에 따른 전파투과용 세라믹 복합재 제조방법의 개략적인 순서도이다.
도 5는 비교예 3에 따른 전파투과용 세라믹 복합재 제조방법의 개략적인 순서도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 세라믹 복합재에서 합성된 실리콘계 수지의 열중량 분석(Thermogravimetircic analysis, TGA) 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1 에 따라 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 시편 파단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 2 에 따라 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 시편 파단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 10은 본 발명의 비교예 3 에 따라 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 시편 파단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1 에 따라 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 시편 파단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "구성된다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 가지 구성 요소 및 과정 단계를 반드시 포함하는 것이 아니고, 그 중 일부 구성 요소 및 과정 단계를 포함하지 않을 수 있고, 추가적인 구성 요소 및 가정 단계를 더 포함되는 것으로 해석해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전파투과용 세라믹 복합재 제조방법의 순서도이다.
도 1에서처럼 본 발명의 전파투과용 세라믹 제조방법은, (a) 실리콘계 수지를 합성하는 단계(S100), (b) 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시켜 수지 함침 프리폼을 형성하는 단계(S200), (c) 상기 수지 함침 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재를 형성하는 단계(S300), (d) 상기 예비 세라믹 복합재를 열분해하는 단계(S400), 및 열분해 후 세라믹 복합재의 무게 변화를 판단하는 판단 단계(S500)를 포함하여 수행된다.
먼저 (a) 단계(S100)는, 본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재에서 기지재(matrix)로 사용될 실리콘계 수지를 합성하는 단계로 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)과 3-글리시독시트리메톡시실란(3-glycidoxytrimethoxysilane)을 혼합한 혼합물을 물, 질산과 함께 반응기에 투입하고 일정온도로 승온시켜 졸-겔(sol-gel) 방법으로 실리콘계 수지로 실록산 수지를 합성할 수 있다.
일반적으로 졸-겔(sol-gel) 방법을 통해 제조된 수지는 용액 상태에서 열을 가하면 급격한 중합반응(polymerization)을 통한 점도 상승과 함께 고형화되기 때문에 졸-겔(sol-gel) 방법을 통해 제조된 폴리실록산 수지와 같은 수지를 이용한 복합재 성형공법은 열을 가하면서 진공 함침하는 진공성형(Vacuum Assisted resin transfer molding, VARTM) 및 수지충전성형(resin transfer molding, RTM) 등 방법으로 복합재를 제조하는데 제한적이다.
그러나 이와 달리 상기 (a) 단계(S100)를 통해 합성되는 실리콘계 수지는 이후 진행될 전파투과용 세라믹 복합재를 제조하는 과정에서 진공 함침하고 고온의 열분해(pyrolysis) 반응 후에도, 실리콘계 수지의 전체 중량을 기준으로 고형분 함량이 80중량%이상 유지되며, 세라믹 성분 외에 탄소를 포함한 불순물은 5중량% 이하인 특징을 갖는 상온에서 세라믹 복합재의 전기적 물성 및 기계적 물성을 영향을 주지 않도록 하는 실리콘계 수지이다.
도 2는 실리콘계 수지합성 및 열분해(pyrolysis) 반응 메커니즘을 도시한 도면으로 실라놀(silanol)을 이용한 실리콘계 수지 합성 반응 및 합성된 실리콘계 수지의 열분해(pyrolysis) 반응을 통한 최종 실리콘계 수지의 화학구조를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)을 이용하여 액체 전구체(liquid precursor) 형태의 실리콘계 수지를 합성하고, 이를 경화시켜 고체 전구체(solid precursor) 형태가 되며, 이를 열분해(pyrolysis) 반응을 통해 최종 생성물(final product)로 형성되는 반응 메커니즘을 갖는다.
(b) 단계(S200)는, 상기 (a) 단계(S100)를 통해 합성된 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시켜 실리콘계 수지가 프리폼에 함침된 프리폼으로 수지 함침 프리폼을 형성하는 단계이다.
상기 (b) 단계(S200)는 상기 합성된 실리콘계 수지는 이후 경화 과정에서 발생하는 부산물(byproduct)를 최소화하기 위하여 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시키기 전에 실리콘계 수지를 가열하는 공정을 수행할 수 있다. 가열 전 실리콘계 수지의 부피를 기준으로 30부피% 내지 70부피%가 되도록 실리콘 수지를 30℃ 내지 100℃ 정도의 온도로 가열하여 부피를 감소시킨다. 그 다음 진공분위기에서 60℃ 내지 120℃ 사이의 온도로 2시간 내지 6시간 동안 실리콘계 수지를 프리폼에 함침시키는 것이 바람직하다.
만약 상기 (b) 단계(S200)의 진공 함침 공정에서 반응온도가 60℃미만일 경우에는 실리콘계 수지의 점도가 상승하여 함침 공정상에 문제점이 발생하고, 온도가 120℃를 초과할 경우에는 실리콘계 수지의 경화 반응이 일어나는 문제점이 있다. 또한, 제시된 진공 함침 반응시간이 2시간 미만인 경우에는 함침 시간이 짧아 프리폼에 실리콘계 수지가 충분히 함침되지 않는 문제점이 있고, 진공 함침 반응시간이 6시간을 초과하는 경우에는 이미 실리콘계 수지가 프리폼에 충분히 함침된 상태로 과도한 공정시간으로 공정시간 효율이 떨어지므로, 상기 제시된 온도와 시간 범위로 진공 함침 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘계 수지가 함침되는 상기 프리폼은 세라믹의 소재로 이루어진 세라믹 섬유로써 알루미나 섬유, 및 실리카 섬유 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 섬유로 직조된 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 전파투과용 세라믹 복합체 상에서 상하좌우 방향, 대각선 방향 중 특정방향으로의 기계적 물성을 보완하기 위하여 어느 한방향이 아닌 여러 방향으로 섬유가 연결된 실리카 섬유로 직조된 프리폼을 사용할 수 있다.
그 다음, (c) 단계(S300)는 상기 (b) 단계(S200)를 통해 실리콘계 수지가 함침되어 형성된 상기 수지 함침 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재를 형성하는 단계로, 상기 수지 함침 프리폼을 120℃ 내지 180℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 경화 반응을 수행할 수 있으며, 상기 함침 프리폼을 150℃ 온도에서 2시간 동안 경화 반응을 수행하는 것이 가장 바람직하다.
만약 상기 (c) 단계(S300)의 경화 반응에서 경화온도가 120℃미만인 경우, 낮은 온도로 인해 실리콘계 수지의 경화 반응이 제대로 수행되지 않고, 경화 속도가 느려져서 공정 속도에 영향을 줄 수 있고, 경화온도가 180℃를 초과하는 경우 경화 반응의 역반응이 일어나게 되어 실리콘계 수지가 경화되지 않아 예비 세라믹 복합재를 형성되지 않는 문제점이 발생한다.
(d) 단계(S400)는, 상기 (c) 단계(S300)를 제조된 형성된 예비 세라믹 복합재를 열분해(pyrolysis)를 수행하여 전파투과용 세라믹 복합재를 제조한다. 상기 예비 세라믹 복합재를 500℃ 내지 700℃온도에서 1시간 내지 3시간 동안 열분해 반응을 수행하며, 상기 예비 세라믹 복합재를 600℃ 온도에서 2시간 동안 열분해하는 것이 가장 바람직하다.
상기 (d) 단계(S400) 이후에, 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는지 판단하는 판단 단계(S500)를 수행한다.
만약 상기 판단 단계(S500)에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는 것으로 판단될 경우에는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조과정을 종료하며, 상기 판단 단계(S500)에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 있는 것으로 판단될 경우에는 다시 상기 (b) 단계(S200)로 되돌아가 순차적으로 (b) 단계, (c) 단계, 및 (d) 단계를 재수행하며, 이는 판별 단계(S500)에서 세라믹 복합재의 무게 변화가 없을 때까지 반복하여 최종 전파투과용 세라믹 복합재를 제조한다.
이 때, 상기 반복 횟수는 제한되어 있지 않으며 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없을 때까지의 횟수이다.
이하, 제조예, 비교예, 및 실시예를 통해 상술한 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법과 이를 통해 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 특징 및 효과를 보다 더 상세히 설명하기로 한다.
제조예 1은 본 발명의 전파투과용 세라믹 복합재에서 기지재(matrix)인 실리콘계 수지의 합성 방법에 관한 것으로, 반응기로서 온도계, 콘덴서, 교반기가 장착된 4구 플라스크를 가열기 내부에 설치한 후, 물 199.9g, 질산 0.1g을 투입하여 70℃까지 승온시킨다. 별도의 용기에 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane) 790.0g, 3-글리시독시트리메톡시실란(3-glycidoxytrimethoxysilane) 10.0g을 500RPM의 속도로 교반하여 혼합물을 제조한다. 교반이 끝나면 준비된 4구 플라스크에 상기 혼합물 천천히 투입하고, 졸-겔(sol-gel) 방법으로 4시간동안 반응시켜 실리콘계 수지를 합성한다.
비교예 1은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제조예에서 합성된 실리콘계 수지를 실리카 섬유 프리폼의 기공 내부에 함침되도록 진공분위기에서 상온으로 30분간 진공 함침을 수행하고, 수지 함침 프리폼을 3시간 이상 건조하며, 150℃에서 2시간 동안 경화반응을 수행한 후, 600℃에서 2시간 동안 열분해(pyrolysis)하여 세라믹 복합재를 제조한다. 열분해 후 세라믹 복합재의 중량 변화가 없을 때까지 진공 함침, 경화 반응, 열분해(pyrolysis) 과정을 순차적으로 평균 17회 반복 수행하였다.
여기서, 본 명세서에서 사용되는 '상온'이란 용어는 가열하거나 냉각하지 않은 년(年) 평균 온도로서, 약 15℃ 내지 25℃ 정도의 범위를 의미한다.
비교예 2는 상기 비교예 1에서와 같이 공정 시간이 길고 불필요한 고온의 열처리가 반복되는 열분해(pyrolysis) 과정을 제외하고 반복 수행한 것으로 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제조예에서 합성된 실리콘계 수지를 실리카 섬유 프리폼의 기공 내부에 함침되도록 진공분위기에서 상온으로 30분간 진공 함침을 수행하고, 수지 함침 프리폼을 3시간 이상 건조하며, 150℃에서 2시간 동안 경화반응을 수행하되, 경화 반응 후 예비 세라믹 복합재의 무게 변화가 없을 때까지 진공 함침과 경화 반응 과정을 순차적으로 반복 수행한 후, 600℃에서 2시간 동안 열분해(pyrolysis)하여 세라믹 복합재를 제조한다.
비교예 3은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제조예에서 합성된 실리콘계 수지를 실리카 섬유 프리폼의 기공 내부에 함침되도록 진공분위기에서 상온으로 4시간 정도 진공 함침을 수행하고, 수지 함침 프리폼을 150℃에서 2시간 동안 경화반응을 수행한 후, 600℃에서 2시간 동안 열분해(pyrolysis)하여 세라믹 복합재를 제조한다. 비교예 3의 경우 1회만으로 세라믹 복합재의 무게 변화가 없어 추가 반복 적인 공정을 수행하지 않는다.
실시예 1은 상기 제조예에서 합성된 실리콘계 수지를 30℃ 내지 100℃ 정도의 온도로 가열하여 가열 전 실리콘계 수지의 부피를 기준으로 30부피% 내지 70부피%로 부피가 감소하도록 준비한다. 가열 처리하여 준비된 실리콘계 수지를 실리카 섬유 프리폼의 기공 내부에 함침되도록 진공분위기에서 60℃ 내지 120℃온도에서 3시간동안 진공 함침을 수행하고, 수지 함침 프리폼을 150℃에서 2시간 동안 경화반응을 수행한 후, 600℃에서 2시간 동안 열분해(pyrolysis)하여 세라믹 복합재를 제조한다. 열분해 후 세라믹 복합재의 무게 변화가 없을 때까지 진공 함침, 경화 반응, 열분해(pyrolysis) 과정을 순차적으로 반복 수행하였다.
상기 비교예 1 내지 비교예 3과, 실시예 1의 세라믹 복합재의 제조 공정에서 열중량 분석(Thermogravimetircic analysis, TGA)을 측정하여 상기 세라믹 복합재에 포함된 실리콘계 수지의 무게 변화 감지 지점의 온도를 확인하였으며, 그 결과는 도 6과 도 7에 나타내었다.
도 6에서는 실리콘계 수지를 프리폼에 함침시킨 수지 함침 프리폼을 150℃온도에서 2시간 동안 경화 반응 시킨 실리콘계 수지를 산소 조건하에서 10℃/min의 속도로 분당 10℃씩 가열을 중지하는 구간 없이 꾸준히 승온하여 무게의 변화를 측정한 결과이다.
도 7에서는 실리콘계 수지를 프리폼에 함침시킨 수지 함침 프리폼을 150℃온도에서 2시간 동안 경화 시킨 후에 600℃온도로 1시간, 2시간, 및 4시간 동안 열분해(pyrolysis) 반응 시킨 실리콘계 수지에 대해 산소 조건하에서 10℃/min의 속도로 분당 10℃씩 승온하면서 무게 변화 감지 지점의 온도를 확인한 결과이다.
도 8 내지 도 11은 앞서 설명한 비교예 1 내지 비교예 3과 실시예 1에 따라 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 시편 파단면의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 8 내지 도 10에서와 같이 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조된 세라믹 복합재 시편은 빨간색 원으로 표시된 부분과 같이 많은 불순물의 함량을 보이고 있으나, 이와 달리 도 11에 나타낸 바와 같은 높은 고형분과 최소화된 불순물을 보이고 있음을 알 수 있다.
하기 표 1은 실시예 1에 따라 합성된 전파투과용 세라믹 복합재의 전자빔 미세분석(Electron probe microanalysis, EPMA) 결과를 나타낸 것이다.
구분 Mol%
Si 40.59
O 52.90
C 1.48
표 1를 참조하면, 본 발명의 제조방법에 따른 전파투과용 세라믹 복합재는 탄소(C)가 1.48 Mol%로 탄소(C) 함량이 극히 적음을 알 수 있다. 일반적으로 세라믹 복합재에 있어서 탄소(C)는 불순물이며, 탄소(C) 함량이 많은 전파투과용 세라믹 복합재는 온도에 따른 전파투과율 변화가 심하다.
그러나 본 발명에서는 세라믹 복합재에 있어서 탄소를 포함한 불순물의 함량을 감소시킴으로써 온도에 따른 전파투과율을 최소화할 수 있는 전파투과용 세라믹 복합재가 제조되었음을 알 수 있다.
표 2는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3, 및 실시예 1의 세라믹 복합재료의 곡강도(Flexural strength), 진공 함침 횟수, 열분해(pyrolysis) 횟수를 나타낸 것이다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1
곡강도(MPa) 21 23 14 35.8
진공함침 횟수(회) 17 15 2 3
열분해 횟수(회) 17 5 2 3
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1은 진공함침 횟수와 열분해 횟수가 각각 3회 정도지만 곡강도를 비교하였을 때, 가장 높은 곡강도를 보이는 것을 알 수 있다. 이를 보아 본 발명의 실시예에 따른 전파투과용 세라믹 복합재는 실리카 섬유로 직조된 프리폼의 기공(void)을 줄이기 위해 진행하는 진공 함침 공정과 세라믹화(ceramization)을 위해 진행하는 열분해(pyrolysis) 반응의 횟수를 최소화하여 진공 함침과 열분해의 시간을 단축시켜 공정의 효율이 향상시키면서도, 제조된 전파투과용 세라믹 복합재의 곡강도는 향상되어 기계적 물성이 우수한 세라믹 복합재임을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 메틸트리메톡시실란과 3-글리시독시트리메톡시실란을 혼합한 혼합물을 반응기에 투입하여 졸-겔(sol-gel) 방법으로 실리콘계 수지를 합성하고, 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시켜 수지 함침 프리폼이 형성되고, 상기 수지 함침 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재가 형성되고, 상기 예비 세라믹 복합재가 열분해되어 제조되는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리폼은 알루미나 섬유, 및 실리카 섬유 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 섬유로 직조된 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수지 함침 프리폼은, 진공분위기에서 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 60℃ 내지 120℃ 온도로 2시간 내지 6시간 동안 함침된 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 예비 세라믹 복합재는 상기 수지 함침 프리폼이 120℃ 내지 180℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 경화된 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열분해는 상기 예비 세라믹 복합재를 500℃ 내지 700℃온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행된 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재.
  7. (a) 메틸트리메톡시실란과 3-글리시독시트리메톡시실란을 혼합한 혼합물을 반응기에 투입하여 졸-겔(sol-gel) 방법으로 실리콘계 수지를 합성하는 단계;
    (b) 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 진공 함침시켜 수지 함침 프리폼을 형성하는 단계;
    (c) 상기 수지 함침 프리폼을 경화시켜 예비 세라믹 복합재를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 예비 세라믹 복합재를 열분해하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프리폼은 알루미나 섬유, 및 실리카 섬유 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 직조된 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    진공분위기에서 상기 실리콘계 수지를 프리폼에 60℃ 내지 120℃ 온도로 2시간 내지 6시간 동안 함침시키는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 수지 함침 프리폼을 120℃ 내지 180℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 경화시키는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 예비 세라믹 복합재를 500℃ 내지 700℃온도에서 1시간 내지 3시간 동안 열분해하는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계이후에, 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는지 판단하는 판단 단계를 포함하되,
    상기 판단 단계에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 없는 것으로 판단될 경우에는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조를 종료하며,
    상기 판단 단계에서 전파투과용 세라믹 복합재의 무게 변화가 있는 것으로 판단될 경우에는 상기 (b) 단계로 되돌아가 이하 단계를 순차적으로 재수행하는 것을 특징으로 하는 전파투과용 세라믹 복합재의 제조방법.
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