KR20190003901A

KR20190003901A - 금속탄화물 필러 함유 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법

Info

Publication number: KR20190003901A
Application number: KR1020170083599A
Authority: KR
Inventors: 한인섭; 성영훈; 김세영; 우상국; 김수현; 방형준; 신인철
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-10
Also published as: KR101956683B1

Abstract

섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 제공한다. 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법은 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매가 혼합된 현탁액을 준비하는 단계, 탄소계 섬유에 상기 현탁액을 도포하여 상기 탄소계 섬유에 금속탄화물을 부착하는 단계, 상기 금속탄화물이 부착된 탄소계 섬유를 소정의 형상으로 성형하여 섬유 성형체를 제조하는 단계, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계 및 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서 고온 기계적 물성 향상된 섬유강화 세라믹 복합소재를 제공할 수 있다.

Description

금속탄화물 필러 함유 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법{Manufacturing method of fiber reinforced ceramic matrix composites containing metal carbide filler}

본 발명은 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속탄화물 필러 함유된 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 관한 것이다.

산업구조의 고도화 및 에너지 효율 향상에 대한 요구로 초고온 등의 극한 환경에서 기능을 발휘하는 소재에 대한 요구가 급증하고 있다.

섬유강화 세라믹 복합소재는 초고온 등의 극한 환경에서도 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도 특성을 유지하는 소재로 자동차용 디젤분진필터, 우주, 항공, 원자력 등의 산업분야에 필수소재로 인식되고 있다.

섬유강화 세라믹 복합소재가 극한 환경에서 우수한 성능을 발휘하기 위해서는 고강도의 내열 세라믹 섬유가 기본요소가 되며, 이 섬유를 원하는 형태로 직조하여 치밀화시키는 방법이 필요하다.

탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 이용한 섬유강화 세라믹 복합소재를 제조하는 종래의 방법은 화학기상침투법(CVI, Chemical Vapor Infiltration), 고분자함침열분해법(PIP, Polymer Impregnation and Pyrolysis), 용융침투법(MI, Melt Infiltration)으로 크게 분류할 수 있다.

이러한 섬유강화 세라믹 복합소재와 관련하여 고온 물성을 보다 향상된 복합소재에 대한 요구가 있어, 고온 물성 향상된 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 대한 연구가 필요하다.

대한민국 국내등록특허 제10-1581243호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온 기계적 물성이 향상된 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 제공한다. 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법은 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매가 혼합된 현탁액을 준비하는 단계, 탄소계 섬유에 상기 현탁액을 도포하여 상기 탄소계 섬유에 금속탄화물을 부착하는 단계, 상기 금속탄화물이 부착된 탄소계 섬유를 소정의 형상으로 성형하여 섬유 성형체를 제조하는 단계, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계 및 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 금속탄화물은 SiC보다 융점이 높은 물질인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속탄화물은 4족 금속을 포함하는 탄화물인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속탄화물은 HfC 또는 ZrC를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유기바인더는 셀룰로오스계 바인더, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐부티랄을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유 성형체를 제조하는 단계는 필라멘트 와인딩법, 스티칭법, 니들 펀칭법 또는 라미네이팅법을 수행하여 섬유 성형체를 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계는 진공 용기 내에서 함침시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계에서, 상기 금속은 실리콘 및 실리콘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하고, 실리콘 합금은 실리콘-하프늄, 실리콘-지르코늄 및 실리콘-티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 섬유강화 세라믹 복합소재를 제공한다. 이러한 섬유강화 세라믹 복합소재는 상술한 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 제공한다. 이러한 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법은 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매를 혼합하여 현탁액을 제조하는 단계, 2차원 탄소계 섬유 구조체에 상기 현탁액을 도포 및 상기 2차원 탄소계 섬유 구조체를 니들 펀칭하여 적층하는 공정을 반복 수행하여 3차원 형상을 갖는 섬유 성형체를 제조하는 단계, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계 및 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재를 제공한다. 이러한 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재는 상술한 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 금속탄화물 분말이 함유된 현탁액을 탄소계 섬유에 도포 후, 섬유성형체를 제조함에 따라 섬유 표면에 금속탄화물이 균일하게 분포한 상태의 섬유성형제를 제조할 수 있다.

또한, 금속탄화물이 균일하게 분포한 상태의 섬유성형체에 MI(melt infiltration)법을 사용하여 금속을 용융침투시켜 기지상이 치밀화된 섬유강화 복합소재를 제조할 경우, 섬유 표면에 도포한 금속탄화물 분말이 기지상 치밀화 과정에서 섬유 층간에 고르게 분포할 뿐만 아니라 용융침투된 액상 금속과 함께 존재하게 됨에 따라 섬유강화와 입자강화 효과를 동시에 보유할 수 있다.

따라서, 금속탄화물 분말을 포함하지 않은 상태의 섬유성형체를 MI법을 사용하여 치밀화한 복합소재에 비해 고온 기계적 물성 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유성형체의 고밀도화 방법을 나타낸 개략도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매가 혼합된 현탁액을 준비한다(S100).

이때의 금속탄화물 분말은 SiC보다 융점이 높은 고융점 금속탄화물인 것을 특징으로 한다. 또한, 이러한 금속탄화물 분말은 4족 금속을 포함하는 탄화물일 수 있다. 예를 들어, 이러한 금속탄화물 분말은 HfC 또는 ZrC를 포함할 수 있다.

또한, 이때의 금속탄화물 분말은 미세크기의 미분말일 수 있다.

또한, 이때의 유기바인더는 셀룰로오스계 바인더, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 폴리비닐부티랄(PVB)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 셀룰로오스계 바인더는 MC(methylcellulose) 또는 CMC(carboxymethylcellulose)를 포함할 수 있다.

또한, 이때의 용매는 금속탄화물과 바인더의 균일한 분산과 혼합을 위하여 유기바인더 종류에 따라 물, 알코올, 아세톤 등 다양하게 변화시킬 수 있다.

또한, 이때의 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계 섬유, 레이온계 섬유 또는 피치계 섬유를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.

그 다음에, 탄소계 섬유에 상기 현탁액을 도포하여 상기 탄소계 섬유에 금속탄화물을 부착할 수 있다(S200).

이때, 탄소계 섬유에 현탁액을 도포하는 방법은 스프레이법, 침지법 등 공지된 다양한 방법을 이용하여 수행할 수 있다.

그 다음에, 상기 금속탄화물이 부착된 탄소계 섬유를 소정의 형상으로 성형하여 섬유성형체를 제조한다(S300).

예를 들어, 섬유성형체를 제조하는 단계(S300)는 필라멘트 와인딩법(filament winding), 스티칭법(stitching), 니들 펀칭법(needle punching) 또는 라미네이팅법(laminating)을 수행하여 섬유 성형체를 제조하는 것을 특징으로 한다. 이러한 필라멘트 와인딩법, 스티칭법, 니들 퍼칭법 또는 라미네이팅법은 공지된 성형방법으로서, 이에 한정되지 않고 탄소계 섬유를 성형하는 방법이라면 어느 방법이라도 가능하다.

예를 들어, 금속탄화물이 도포된 탄소계 섬유를 라미네이팅법을 이용하여 일정 두께로 적층하여 형상화한 섬유성형체를 제조할 수 있다.

그 다음에, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시킬 수 있다(S400).

이때의 함침은 수지이송성형(Resin Transfer Molding, RTM) 방법, 진공수지이송성형(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, VARTM) 방법 또는 진공 배깅(Vacuum Bagging, VB) 방법을 수행하여 이루어질 수 있다.

예를 들어, 이때의 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계(S400)는 진공 용기 내에서 함침시킬 수 있다.

또한, 예를 들어, 이때의 액상 고분자수지는 페놀수지일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예컨대, 섬유 성형체를 액상의 페놀수지에 함침시킬 수 있다.

따라서, 섬유 성형체에 고분자수지를 함침시켜 성형체의 고밀도화를 진행할 수 있다.

본 발명은 SiC보다 융점이 높은 HfC, ZrC 등과 같은 주기율표 4족, 4~7주기 금속을 포함하는 금속탄화물 미분말을 유기바인더에 용매와 함께 혼합하여 현탁액을 만들고, 이를 섬유에 도포하여 부착시킨 뒤 stitching, needle punching, laminating 방법 등으로 성형체를 제조하여 고밀도화을 진행하는 바, 금속탄화물을 도포하지 않은 섬유성형체를 고분자수지에 함침시켜 고밀도화하는 방법에 비하여 성형밀도가 향상된 성형체를 제공할 수 있다.

한편, 이러한 고밀도화가 진행된 성형체는 수지 경화 후, 탈지(debinding)와 탄화(cabonization) 과정을 거쳐 고분자수지 내의 탄소 성분을 잔류시킨 상태에서 다음 단계인 치밀화 공정을 수행할 수 있다.

예를 들어, 함침된 섬유 성형체를 경화시키는 단계를 더 수행함으로써, 함침된 섬유 성형체의 형상을 고정시키는 효과가 있다.

그 다음에 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시킬 수 있다(S500). 즉, 용융침투법(MI법)을 이용하여 치밀화 공정을 수행할 수 있다.

또한, 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계(S500)에서, 상기 금속은 실리콘 및 실리콘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 예를 들어, 이때의 실리콘 합금은 실리콘-하프늄, 실리콘-지르코늄 및 실리콘-티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 이때의 금속은 Si 금속일 수 있다. 예를 들어, 고밀도화가 진행된 성형체를 금속 실리콘을 진공 분위기의 전기로에서 용융침투시켜 최종적으로 섬유강화 세라믹 복합소재를 제조할 수 있다.

따라서, 순수 Si 금속을 용융침투시켜 기지상이 치밀화된 섬유강화 복합소재를 제조할 경우, 탄소계 섬유 표면에 도포한 금속탄화물 분말이 기지상 치밀화 과정에서 섬유 층간에 고르게 분포할 뿐만 아니라 용융침투된 액상 실리콘과 함께 존재하게 됨에 따라 섬유강화와 입자강화 효과를 동시에 보유할 수 있다. 따라서, 금속탄화물 분말을 포함하지 않은 상태로 제조되는 경우에 비해 고온 기계적 물성 향상을 기대할 수 있다.

종래, 세라믹 기지상 섬유강화 복합소재 제조에 있어서, 섬유성형체 고밀도화를 위한 통상적인 방법은 섬유성형체에 순수한 액상 고분자수지를 함침하는 것이었다.

이와 달리, 본 발명은 성형체 형상화 과정에서 섬유 표면에 HfC, ZrC와 같은 고융점 금속탄화물을 도포 또는 담지시킨 탄소계 섬유를 상태로 성형체를 제조한 후 순수한 고분자수지만을 함침시키는 방법을 적용함에 따라 성형체 고밀도화를 신속하고 용이하게 달성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 금속탄화물을 도포한 후 제조된 섬유성형체를 이용하여 용융침투법(MI) 공정으로 금속 실리콘을 용융침투시켜 세라믹 기지상을 치밀화하여 최종 복합소재를 제조하게 될 경우, 섬유성형체 내부에 내재시킨 금속탄화물 분말과 용융된 Si이 함께 공존하면서 기지상을 채우게 됨에 따라 기지상의 입자강화 효과를 나타낼 수 있다.

나아가, 기지상의 조성이 예를 들어, SiC-HfC-Si 성분으로 이루어지게 되어 금속탄화물 분말을 함유하지 않은 방법으로 제조된 섬유강화 복합소재의 SiC-Si 기지상 조성에 비해 기계적 및 열적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 나타내게 된다.

또한, MI 과정에서 성형체 내부로 용융침투한 Si이 섬유 사이에 함유된 금속탄화물 분말과 반응에 의하여 xHf + ySi → Hf_xSi_y와 같은 하프늄 실리사이드(hafnium silicide)를 형성하게 될 경우, 기지상 내에서 free Si의 함량을 최소화시키는 효과를 거둘 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 제조된 복합소재의 기계적 및 열적 특성을 더욱 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재를 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재는 상술한 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재는 탄소계 섬유를 포함하는 섬유성형체를 포함하고, 이때의 탄소계 섬유 표면에 금속탄화물 분말이 위치하고, 상기 섬유성형체 내부로 금속이 용융침투된 것을 특징으로 한다.

이때의 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함할 수 있다.

또한, 이때의 금속탄화물은 SiC보다 융점이 높은 고융점 금속탄화물인 것을 특징으로 한다. 또한, 이러한 금속탄화물 분말은 4족 금속을 포함하는 탄화물일 수 있다. 예를 들어, 이러한 금속탄화물 분말은 HfC 또는 ZrC를 포함할 수 있다.

또한, 용융침투되는 금속은 Si일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 고온 기계적 물성이 향상된 섬유강화 세라믹 복합소재를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법을 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법은 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매를 혼합하여 현탁액을 제조하는 단계, 2차원 탄소계 섬유 구조체에 상기 현탁액을 도포 및 상기 2차원 탄소계 섬유 구조체를 니들 펀칭하여 적층하는 공정을 반복 수행하여 3차원 형상을 갖는 섬유 성형체를 제조하는 단계, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계 및 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매를 혼합하여 현탁액을 제조한다.

또한, 이때의 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함할 수 있다.

예를 들어, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴계 섬유, 레이온계 섬유 또는 피치계 섬유를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.

그 다음에, 2차원 탄소계 섬유 구조체에 상기 현탁액을 도포 및 상기 2차원 탄소계 섬유 구조체를 니들 펀칭하여 적층하는 공정을 반복 수행하여 3차원 형상을 갖는 섬유 성형체를 제조한다.

이와 관련하여 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유성형체의 고밀도화 방법을 나타낸 개략도이다. 도 2(a) 내지 도 2(c)는 니들 펀칭법을 이용하여 2차원 탄소계 섬유 구조체를 3차원 섬유성형체로 제조하는 공정을 나타낸다.

도 2(a)를 참조하면, 금속탄화물 미분말은 HfC이고, 2D-fiber fabric을 적층하고, 미분 HfC 분말을 포함하는 현탁액을 적층된 2D-fiber fabric에 분사하여 함침시킬 수 있다.

도 2(b)를 참조하면, 니들 펀칭(Needle punching)을 수행할 수 있다.

도 2(c)를 참조하면, spraying(도 2(a)) 및 punching(도 2(b))를 반복하여 적층하여 3차원 형상의 섬유성형체를 제조할 수 있다.

따라서, 이러한 과정을 통해 탄소계 섬유 표면에 금속탄화물이 균일하게 분포한 상태의 성형제를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

그 다음에, 섬유 성형체를 제조한 후, 상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시켜 고밀도화 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 액상의 고분자수지는 페놀수지일 수 있다.

그 다음에, 금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시켜 치밀화 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이때의 금속은 실리콘 및 실리콘 합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제조방법은 3차원 형상을 갖는 섬유 성형체를 형상화하는 과정에서 탄소계 섬유에 금속탄화물을 부착시킨 후, 이러한 섬유 성형체에 액상 고분자수지만을 함침시킴으로써, 섬유 표면에 금속탄화물이 균일하게 분포한 상태의 섬유성형제를 제조할 수 있고, 고밀도화 공정을 빠르게 수행할 수 있다. 또한, 금속탄화물이 균일하게 분포한 상태의 섬유성형체에 MI(melt infiltration)법을 사용하여 금속을 용융침투시켜 기지상이 치밀화된 섬유강화 복합소재를 제조할 경우, 섬유 표면에 도포한 금속탄화물 분말이 기지상 치밀화 과정에서 섬유 층간에 고르게 분포할 뿐만 아니라 용융침투된 액상 금속과 함께 존재하게 됨에 따라 섬유강화와 입자강화 효과를 동시에 보유할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재를 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재는 상술한 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 세라믹 복합소재는 탄소계 섬유를 포함하는 3차원 형상을 갖는 섬유성형체를 포함하고, 이때의 탄소계 섬유 표면에 금속탄화물 분말이 위치하고, 상기 3차원 형상을 갖는 섬유성형체 내부로 금속이 용융침투된 것을 특징으로 한다.

또한, 용융침투되는 금속은 Si일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 고온 기계적 물성이 향상된 3차원 형상을 갖는 섬유강화 세라믹 복합소재를 제공할 수 있다.

제조실시예 1

탄소섬유에 HfC분말을 포함하는 현탁액을 도포하여 탄소섬유에 HfC분말을 부착하였다. 그 다음에, 니들 펀칭 과정을 통하여 성형체 내에 HfC 분말이 함유된 상태의 섬유 성형체를 제조하였다.

그 다음에, 이러한 섬유 성형체를 진공 분위기, 1500~1600℃에서 금속 실리콘을 용융침투시켜 기지상을 채움에 따라 치밀화가 진행된 탄소섬유-탄화규소 섬유강화 복합소재를 제조하였다.

한편, 금속 용융침투를 위한 최종 소결온도는 금속 실리콘의 경우에는 상기 온도에서 실시하지만, 금속 실리콘 합금을 이용할 경우에는 합금의 용융온도, 예를 들면 하프늄 실리사이드(HfSi2)를 사용할 경우에는 1700~1800℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 최종소결온도를 한정하지는 않는다.

실험예 1

제조실시예 1의 방법으로 제조된 탄소섬유-탄화규소 섬유강화 복합소재에 대하여 소결밀도, 기공율 및 상온 3점-굽힘강도를 측정하였다.

하기 표 1은 제조실시예1의 방법으로 제조된 탄소섬유-탄화규소 섬유강화 복합소재의 소결밀도(D) 및 기공율을 측정한 표이다. 이때의 W_sus는 현수무게, W_sat는 함수무게, W_dry는 건조무게를 의미한다.

No	W_sus(g)	W_sat(g)	W_dry(g)	D(g/cm³)	기공율(%)
1	0.8784	1.1763	1.1627	3.90	4.57
2	0.7826	1.0928	1.0773	3.47	5.00
3	0.5673	0.8412	0.8168	2.98	8.91
4	0.7221	1.0226	1.0049	3.34	5.89
5	0.5887	0.8404	0.8238	3.27	6.60
6	0.5460	0.7880	0.7714	3.19	6.86
7	0.7065	0.9725	0.9608	3.61	4.40
8	0.5085	0.7648	0.7454	2.91	7.57
9	0.7293	0.9980	0.9844	3.66	5.06
10	0.5754	0.8368	0.8202	3.14	6.35
Average				3.35	6.12
Standard deviation				0.32	1.43

또한, 하기 표 2는 제조실시예1의 방법으로 제조된 탄소섬유-탄화규소 섬유강화 복합소재의 상온 3점-굽힘강도를 측정한 표이다.

	Thickness (t)	Width (w)	Span (L)	Load (N)	Strength (MPa)
1	2.89	3.88	40	35.96	66.6
2	2.89	3.90	40	49.35	90.9
3	2.89	3.89	40	70.02	129.3
4	2.89	3.90	40	36.16	66.6
5	2.90	3.90	40	41.18	75.3
6	2.89	3.88	40	53.82	99.6
7	2.89	3.90	40	41.60	76.6
8	2.91	3.90	40	69.07	125.5
9	2.89	3.88	40	34.17	63.3
10	2.90	3.89	40	32.20	59.1
Average				46.35	85.28
Standard deviation				13.95	25.47

또한, 하기 표 3은 제조실시예1의 방법으로 제조된 탄소섬유-탄화규소 섬유강화 복합소재를 온도에 따른 비열, 열확산계수 및 열전도도를 측정한 표이다.

온도	밀도 (g/cm³)	비열 (J/gK)	열확산계수 (mm²/s)	열전도도 (W/mK)
25℃	3.35	0.505	21.771	36.928
700℃	3.35	0.982	7,696	25.332
1400℃	3.35	6.919	5.066	111.812

표 3을 참조하면, 상온부터 1400 ℃까지의 열전도도를 측정한 결과, 특히 1400 ℃에서 100 W/mK 이상의 우수한 열전도도를 갖는 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매가 혼합된 현탁액을 준비하는 단계;
탄소계 섬유에 상기 현탁액을 도포하여 상기 탄소계 섬유에 금속탄화물을 부착하는 단계;
상기 금속탄화물이 부착된 탄소계 섬유를 소정의 형상으로 성형하여 섬유 성형체를 제조하는 단계;
상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계; 및
금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 금속탄화물은 SiC보다 융점이 높은 물질인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 금속탄화물은 4족 금속을 포함하는 탄화물인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 금속탄화물은 HfC 또는 ZrC를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 유기바인더는 셀룰로오스계 바인더, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐부티랄을 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유 성형체를 제조하는 단계는 필라멘트 와인딩법, 스티칭법, 니들 펀칭법 또는 라미네이팅법을 수행하여 섬유 성형체를 제조하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계는 진공 용기 내에서 함침시키는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항에 있어서,
금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계에서,
상기 금속은 실리콘 및 실리콘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제1항의 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 섬유강화 세라믹 복합소재.
금속탄화물 분말, 유기바인더 및 용매를 혼합하여 현탁액을 제조하는 단계;
2차원 탄소계 섬유 구조체에 상기 현탁액을 도포 및 상기 2차원 탄소계 섬유 구조체를 니들 펀칭하여 적층하는 공정을 반복 수행하여 3차원 형상을 갖는 섬유 성형체를 제조하는 단계;
상기 섬유 성형체를 액상 고분자수지에 함침시키는 단계; 및
금속을 용융하여 상기 섬유 성형체 내부에 침투시키는 단계를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 금속탄화물은 SiC보다 융점이 높은 물질인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 금속탄화물은 4족 금속을 포함하는 탄화물인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 금속탄화물은 HfC 또는 ZrC를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 탄소계 섬유는 탄소 섬유 또는 탄화규소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법.
제11항의 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법에 의해 제조된 섬유강화 세라믹 복합소재.