실리콘 카바이드 결정립이 복합재료 강화에서 하는 역할

무기질 결정립은 고순도 단결정의 성장을 통해 형성된 마이크로에서 나노 크기의 짧은 섬유입니다. 원자 결합 수준에 가까운 강도, 완전한 단면, 최소한의 구조적 결함 및 높은 종횡비를 갖춘 이 결정립은 폴리머 및 복합재료의 물리적·기계적 특성을 향상시키는 데 널리 사용됩니다.

다양한 무기 재료 중에서 실리콘 카바이드(SiC)는 섬유(fiber) 형성 능력을 가진 물질 중에서도 두드러진 예로 손꼽힌다. 실리콘 카바이드 (SiC) 공유결합 세라믹인 실리콘 카바이드는 높은 강도, 뛰어난 열전도성 및 전기전도성, 극도의 경도, 크리프 저항성, 마모 및 부식 저항성, 산화 저항성, 우수한 열안정성 등 뛰어난 종합적 특성을 보인다.

실리콘 카바이드가 섬유 형태로 제작될 때, 두 가지 결정 구조가 존재하는데, α형 및 β형 이 그것이다. 이 중 β-SiC 섬유는 현재까지 알려진 섬유 중에서 가장 높은 경도, 탄성계수, 인장강도 및 내열성을 나타낸다. 이러한 섬유는 가격 경쟁력이 뛰어나며 다양한 매트릭스 재료와의 적합성이 높아 전 세계적으로 활발한 연구 대상이 되고 있다.

실리콘 카바이드 섬유의 응용 분야

고성능 보강 재료로서 SiC 섬유 복합재료 내에서 균열 전향, 균열 다리 역할, 섬유 발췌, 섬유 파단 등의 메커니즘을 통해 인성과 강도를 향상시킨다. 현재 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 금속 기지 , 세라믹 기지 , 그리고 수지 기지 복합 재료.

1. 강화 금속 기지 복합재료 (MMCs)

금속 기지 복합재료는 일반적으로 다음 유형의 금속을 기지로 사용합니다:

• 알루미늄 (Al) 및 마그네슘(Mg) : 경량, 높은 비강도.

• 티타늄 (Ti) : 높은 융점, 우수한 구조 안정성, 뛰어난 고온 성능.

• 철 (Fe) 및 니켈 (Ni) : 내열성 우수, 좋은 자속 투과율, 낮은 보자력.

• 구리 (Cu) , 은 (Ag) , 그리고 금 (Au) : 뛰어난 전도성, 내식성.

SiC 결정 강화 금속 매트릭스 복합재료 현저한 성능 향상이 나타납니다:

• SiCW/Cu 복합재료 : 향상된 인장강도 및 균형 잡힌 특성.

• SiCW/Al 복합재료 : 비강성, 인장강도, 내마모성이 현저하게 향상되고 열팽창이 감소함.

• SiCW가 포함된 MB15 합금 : 경도 및 노화 속도 증가.

2. 보강 세라믹 매트릭스 복합재료 (CMCs)

세라믹스는 내열성, 내식성 및 고온에서 우수한 기계적 성능을 갖추고 있지만 본질적인 취성으로 인해 보다 광범위한 응용에 한계가 있다. 세라믹스를 보강하기 위해 웨이퍼를 사용하는 것은 이러한 한계를 극복할 수 있는 가장 효과적인 방법 중 하나이다.

일반적인 제조 방법 siC 웨이퍼로 보강된 세라믹스의 경우 다음이 포함된다:

• 열 압착

• 열간등방압착(HIP)

• 가압없는 소결

• 화학 기상 침투(CVI)

• 스파크 플라즈마 소결(SPS)

예시 응용 분야 :

• SiCW 강화 Al₂O₃/Ti₃SiC₂ 복합재료: 파괴 인성과 굽힘 강도가 향상됨.

• SiCW로 인 toughening된 ZrB₂ 세라믹: 휨 강도 및 인성이 향상됨.

3. 강화 수지 매트릭스 복합재료

고성능 수지 매트릭스 복합재료 저밀도, 높은 비율의 탄성계수 및 강도, 피로 저항성, 진동 감쇠성, 부식 저항성, 낮은 열팽창 계수 등의 특성 덕분에 산업 전반에서 인기를 얻고 있음.

항공우주 분야에서는 중량 감소가 매우 중요함. 그러나 구조 부품으로 사용되기 위해서는 수지 재료가 다음과 같은 엄격한 성능 요구사항을 충족해야 함:

• 고온 저항성

• 강화 된 힘

• 파동 투과성 및 흡수성

• 전자기 은폐

SiC 결정립은 핵심 솔루션입니다 이러한 특성을 향상시키기 위해

주목할 만한 예로는 Guo Weiwei 의 연구가 있으며, 이 연구에서는 스테레오리소그래피(SLA)를 통해 SiC 결정립으로 UV 경화 수지 복합체를 강화시켰습니다. 결합제 KH550을 이용해 결정립 표면을 처리한 결과, 연구에서는 결정립 첨가가 다음처럼 작용함을 발견했습니다:

• UV 경화 속도를 늦추었습니다

• 기계적 성능을 현저히 향상시켰습니다

• 경화 공정에 거의 부정적인 영향을 미치지 않았습니다

• Ti(C,N)계 금속세라믹 복합재료 내 SiCW : 기계적 특성의 전반적인 개선.

실제 적용 사례

오늘, SiC 결정자(whisker) 강화 복합재료 항공우주, 방위, 자동차, 화학 처리, 전자 및 의생명 공학 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

예시는 다음과 같습니다.

• 항공우주 : 베어링, 연료 시스템 밸브, 연소기 배터리, 레이더 안테나, 적외선 돔, 헬리콥터 및 제트 항공기 부품.

• 자동차 : 연료 인젝터, 저배출 내연기관, 열기관 부품.

• 화학 및 에너지 : 촉매 개질 장치, 밀폐 노즐, 마모 저항성 기계 부품.

• 전자제품 : 다층 세라믹 커패시터(MLCC), 가스 및 압력 센서.

• 생체의학 : 인공 치아, 뼈, 관절 및 임플란트 재료.

결론

뛰어난 성능으로 인해 탄화규소 결정 섬유(SiC whiskers)는 '섬유의 왕'으로 불리며 전 세계 연구자들의 큰 주목을 받고 있습니다. 미국과 일본 등 국가는 초기부터 탄화규소 섬유의 연구 및 산업화를 시작하여 기술적, 경제적 효과를 톡톡히 보고 있습니다. 중국은 늦게 시작했지만 빠르게 발전하고 있습니다.

탄화규소 및 기타 섬유 연구를 진전시키는 것은 중국의 복합재료 과학 역량을 높이고 특히 국방 분야에서 글로벌 경쟁력을 크게 강화할 수 있습니다.

현재, 탄화규소 섬유는 금속 및 세라믹 매트릭스 복합재료 분야에서 가장 널리 연구되고 적용되고 있습니다 . 수지 매트릭스에서의 활용에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있습니다. 탄화규소 섬유가 수지 시스템 내에서 잠재력을 충분히 발휘하기 위해서는 표면 개질 기술에 대한 보다 심층적이고 체계적인 연구가 필수적입니다.