세라믹 매트릭스 복합체

재료 과학에서 세라믹 매트릭스 컴포지트(CMC)는 복합 재료의 하위 그룹이고 세라믹의 하위 그룹입니다.세라믹 매트릭스에 내장된 세라믹 섬유로 구성됩니다.섬유와 매트릭스는 모두 모든 세라믹 재료로 구성될 수 있으며, 탄소 및 탄소 섬유도 세라믹 재료로 간주할 수 있습니다.

서론

CMC를 개발한 동기는 알루미나, 탄화실리콘, 질화알루미늄, 질화실리콘 또는 지르코니아와 같은 기존의 기술 세라믹과 관련된 문제를 극복하는 것이었습니다.이러한 세라믹은 작은 결함이나 긁힘으로 인한 균열로 인해 기계적 또는 열-기계적 부하에 의해 쉽게 파손됩니다.유리와 마찬가지로 균열 저항성이 매우 낮습니다.균열 저항성 또는 파괴 인성을 높이기 위해 매트릭스에 입자(일명 단결정 수염 또는 혈소판)를 포함시켰습니다.그러나 개선은 제한적이었고 일부 세라믹 절삭 공구에서만 적용되고 있습니다.지금까지 긴 멀티 스트랜드 섬유의 통합만이 균열 저항성, 신장 및 열충격 저항성을 획기적으로 높였고, 몇 가지 새로운 응용 분야를 만들어냈습니다.세라믹 매트릭스 컴포지트(CMC)에 사용되는 보강재는 세라믹 매트릭스의 고유 고강도 및 영 계수를 이용하면서 복합 재료 시스템의 파괴 인성을 향상시키는 역할을 합니다.가장 일반적인 강화 형태는 연속 길이 세라믹 섬유로, 일반적으로 매트릭스보다 다소 낮은 탄성 계수를 가진다.이 섬유의 기능적 역할은 (1) 매트릭스를 통한 미세 균열의 진행에 따른 CMC 응력을 증가시켜 균열 전파 시 소비되는 에너지를 증가시키고, (2) 높은 응력(비례 한계 응력, PLS)에서 CMC 전체에 thru-thick cracks가 형성되기 시작할 때 균열의 파단 없이 교량을 하는 것이다.따라서 CMC에 높은 UTS(최종 인장 강도)를 제공할 수 있습니다.이와 같이 세라믹 섬유 보강은 복합 구조의 균열 전파에 대한 초기 저항성을 높일 뿐만 아니라 CMC가 모노리식 세라믹의 특징인 갑작스러운 메짐성 고장을 방지할 수 있도록 한다.이 동작은 폴리머 매트릭스 컴포지트(PMC) 및 금속 매트릭스 컴포지트(MMC)의 세라믹 섬유의 동작과는 다릅니다.이러한 매트릭스의 고장 변형능력이 높기 때문에 일반적으로 섬유가 매트릭스 전에 파괴됩니다.

탄소(C), 특수 탄화규소(SiC), 알루미나(CMC에는₂₃ AlO) 및 Mullite(AlO-SiO₂₃₂) 파이버가 가장 일반적으로 사용됩니다.매트릭스 재료는 일반적으로 C, SiC, 알루미나 및 멀라이트로 동일합니다.SiC 및 질화규소를 포함한 특정 세라믹 시스템에서 비정상적인 입자 성장 과정은 미세 원형 입자 매트릭스에서 가늘고 긴 큰 입자를 나타내는 미세 구조를 초래할 수 있다.AGG 유도 미세구조는 균열 브리징 및 길쭉한 입자에 의한 균열 처짐으로 인해 강화되는 것으로, 현장 생산 섬유 보강으로 볼 수 있다.최근 UHTC(Ultra-High Temperature Ceramic Matrix Composite) 또는 ^[1][2][3][4]UHTCC(Ultra-Hemperature Ceramic Composite)라고 불리는 새로운 등급의 CMC에서 UHTC(Ultra-Hemperature Ceramic Composite)가 세라믹스로 조사되었습니다.

일반적으로 CMC 이름에는 파이버타입과 매트릭스타입의 조합이 포함됩니다.예를 들어 C/C는 탄소섬유 강화탄소(탄소/탄소)를, C/SiC는 탄소섬유 강화탄소(탄소/탄소)를 나타낸다.경우에 따라서는 제조 공정이 포함되어 액상 폴리머 침윤(LPI) 공정으로 제조된 C/SiC 복합체(아래 참조)는 LPI-C/SiC로 약칭됩니다.

시판되는 중요한 CMC는 C/C, C/SiC, SiC/SiC 및 AlO₂₃/AlO입니다₂₃.이러한 세라믹은 다음과 같은 특성에서 기존 세라믹과 다릅니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다.

• 최대 1% 파열까지의 신장률 1%
• 강한 파괴 인성 증가
• 극한의 내열성
• 동적 부하 기능 향상
• 섬유 배향에 따른 이방성

제조하다

제조 프로세스는 보통 다음 3단계로 구성됩니다.

1. 원하는 컴포넌트 모양의 파이버 레이업 및 고정
2. 매트릭스 재료의 침투
3. 최종 가공 및 필요한 경우 고유 다공성의 코팅 또는 함침과 같은 추가 처리.

첫 번째 스텝과 마지막 스텝은 모든 CMC에서 거의 동일합니다.첫 번째 스텝에서는 섬유 강화 플라스틱 재료(직물 레이업, 필라멘트 와인딩, 브레이딩, 매듭 등)에 사용되는 기술을 사용하여 섬유 강화 플라스틱 재료를 배치하고 고정합니다.이 순서의 결과는 섬유 프리폼 또는 단순 프리폼이라고 불립니다.

두 번째 단계에서는 5가지 다른 절차를 사용하여 세라믹 매트릭스를 프리폼의 섬유 사이에 채웁니다.

1. 가스 혼합물에서 증착
2. 세라믹 전 고분자의 열분해
3. 원소의 화학 반응
4. 1,000~1,200°C(1,830~2,190°F) 범위의 비교적 낮은 온도에서 소결
5. 세라믹 분말의 전기영동 증착

순서 1, 2 및 3에서는 비산화물 CMC를 사용하는 응용 프로그램을 찾지만, 4번째 절차에서는 산화물 CMC를 사용합니다.이들 절차의 조합도 실시되고 있습니다.다섯 번째 절차는 아직 산업 공정에서 확립되지 않았다.모든 절차에는 기술적인 세부 사항이 다른 하위 변수가 있습니다.모든 절차에서 다공성 물질이 생성됩니다.

가공의 세 번째이자 마지막 단계인 연삭, 드릴링, 래핑 또는 밀링은 다이아몬드 공구를 사용하여 수행해야 합니다.CMC는 워터젯, 레이저 또는 초음파 가공으로도 처리할 수 있습니다.

세라믹 섬유

CMC의 세라믹 섬유는 기존의 세라믹과 같이 다결정 구조를 가질 수 있다.또한 비정질일 수도 있고 유기 전구체의 열분해로 발생하는 불균일한 화학조성을 가질 수도 있다.CMC를 만드는 데 필요한 높은 공정 온도는 유기, 금속 또는 유리 섬유의 사용을 금지합니다.알루미나, 물라이트, SiC, 지르코니아 또는 탄소 섬유와 같이 1,000°C(1,800°F) 이상의 온도에서 안정적인 섬유만 사용할 수 있습니다.비정질 SiC 섬유는 신장 능력이 2%를 초과하여 기존 세라믹 재료(0.05~0.10%)^[5]보다 훨씬 큽니다.SiC 섬유의 이러한 특성은 대부분의 섬유가 산소, 티타늄 및/또는 알루미늄과 같은 추가 요소를 포함하고 있어 3GPa 이상의 인장 강도를 가지고 있기 때문입니다.이러한 강화된 탄성 특성은 작은 굽힘 반경이 ^[6]필수적인 섬유 제작의 다양한 3차원 섬유 배치(그림의 예 참조)에 필요합니다.

제조 절차

기상 매트릭스 퇴적

화학적 증착(CVD)은 이러한 목적에 매우 적합합니다.섬유 프리폼이 존재하는 경우 CVD는 섬유와 개별 필라멘트 사이에서 발생하므로 화학 증기 침투(CVI)라고 합니다.예를 들어 C/C 복합재 제조: C-파이버 프리폼은 약 100kPa 이하의 압력과 1000°C 이상의 온도에서 아르곤과 탄화수소 가스(메탄, 프로판 등)의 혼합물에 노출됩니다.가스는 섬유 위 및 섬유 사이에 축적된 탄소를 분해합니다.또 다른 예로는 수소와 메틸트리클로로실란의 혼합물(MTS, CHSiCl₃₃, 실리콘 생산에서도 흔히 볼 수 있음)에서 이루어지는 탄화규소 증착이 있습니다.정의된 조건 하에서 이 가스 혼합물은 미세하고 결정성 탄화규소를 ^[7][8]프리폼 내의 뜨거운 표면에 퇴적시킵니다.

이 CVI 절차는 프리폼 내부에 대한 반응물질의 접근이 외부 증착에 의해 점차 차단됨에 따라 약 10–15%의 다공성을 가진 차체를 남긴다.

C- 및 Si 함유 고분자의 열분해를 통한 매트릭스 형성

탄화수소 중합체는 열분해 중에 수축하며, 가스가 배출되면 비정질 유리상 구조의 탄소가 형성되며, 추가적인 열처리에 의해 보다 흑연상 구조로 바뀔 수 있다.일부 탄소 원자가 실리콘 원자에 의해 대체되는 프리세라믹 폴리머로 알려진 다른 특수 중합체, 이른바 폴리카보실란들은 다소 화학적인 조성의 비정질 탄화 규소를 생산한다.탄화규소, 옥시탄화규소, 탄화규소 및 옥시질화규소 전구체가 다종다양하게 존재하며, 고분자 유도 세라믹 제조용 프리세라믹 폴리머가 ^[9]더욱 개발되고 있다.CMC 재료를 제조하기 위해 섬유 프리폼에 선택된 폴리머를 침윤시킨다.후속 경화 및 열분해는 다공질 매트릭스를 생성하며, 이는 대부분의 용도에 바람직하지 않습니다.최종적이고 바람직한 품질에 도달할 때까지 폴리머 침윤 및 열분해 사이클을 추가로 실시한다.보통 5~8 사이클이 필요합니다.^[10][11][12]

이 과정을 액체 고분자 침윤(LPI) 또는 고분자 침윤 및 열분해(PIP)라고 합니다.또한 폴리머의 수축으로 인해 약 15%의 다공성이 일반적입니다.주기마다 다공성이 감소합니다.

화학반응에 의한 매트릭스 형성

이 방법에서는 섬유 사이에 위치한 한 물질이 두 번째 재료와 반응하여 세라믹 매트릭스를 형성한다.기존의 세라믹스 중에는 화학반응으로 제조되는 것도 있습니다.예를 들어 실리콘 분말과 질소의 반응을 통해 반응결합질화실리콘(RBSN)이 생성되며 다공질 탄소가 실리콘과 반응하여 실리콘상의 포함물을 포함하는 실리콘 탄화물인 반응결합실리콘 탄화물을 형성한다.세라믹 브레이크 디스크의 생산을 위해 도입된 CMC 제조의 한 예는 실리콘과 C/^[13]C의 다공질 프리폼의 반응입니다.공정온도는 실리콘의 융점보다 높은 1,414°C(2,577°F) 이상이며, C/C 프리폼의 탄소섬유가 기계적 특성을 거의 완전히 유지하도록 공정조건을 제어한다.이 과정을 액체 실리콘 침윤(LSI)이라고 한다.때때로 C/C와의 시작점 때문에 재료는 C/C-SiC로 약칭됩니다.이 공정에서 생산된 재료는 약 3%의 매우 낮은 다공성을 가지고 있습니다.

소결에 의한 매트릭스 형성

이 공정은 산화물 섬유/산화물 매트릭스 CMC 재료를 제조하는 데 사용됩니다.대부분의 세라믹 섬유는 1,600°C(2,910°F) 이상의 정상 소결 온도를 견딜 수 없기 때문에 특수 전구 액체가 산화물 섬유의 프리폼에 침투하는 데 사용됩니다.이러한 전구체는 1000~1200°C의 온도에서 세라믹 형성 과정인 소결을 가능하게 한다.예를 들어 알루미나 분말과 액체 테트라-에틸-정규산염(Si 공여체) 및 알루미늄-부틸산염(Al 공여체)의 혼합물을 기반으로 하며, 이 혼합물은 물라이트 매트릭스를 생성한다.솔-겔 프로세스 화학과 같은 다른 기술들도 사용된다.이 과정을 통해 얻은 CMC는 일반적으로 약 ^[14][15]20%의 높은 다공성을 가집니다.

전기영동을 통해 형성된 매트릭스

전기영동공정에서는 특수액 중에 분산된 대전입자가 전계를 통해 대전극성이 반대인 프리폼으로 반송된다.이 과정은 개발 중이며 아직 ^[16][17]산업적으로 사용되지 않습니다.여기도 다공성이 남아 있을 거예요

특성.

기계적 특성

기계적 성질의 기본 메커니즘

위에서 언급한 높은 파괴 인성 또는 균열 저항성은 다음 메커니즘의 결과입니다. 다른 세라믹 재료와 마찬가지로 세라믹 매트릭스 균열은 약 0.05%의 신장률로 하중을 가합니다.CMC에서는 내장 파이버가 이러한 균열을 브리징합니다(그림 참조).이 메커니즘은 매트릭스가 섬유를 따라 미끄러질 수 있는 경우에만 작동합니다. 즉, 섬유와 매트릭스 사이에 약한 결합이 있어야 합니다.강한 결합은 균열을 연결하는 섬유의 매우 높은 신장 능력을 필요로 하며 기존의 세라믹과 마찬가지로 부서지기 쉬운 골절을 초래할 수 있습니다.내균열성이 높은 CMC 재료를 생산하려면 섬유와 매트릭스 간의 결합을 약화시키는 단계가 필요합니다.이는 파이버에 열분해탄소 또는 질화붕소의 얇은 층을 퇴적시킴으로써 실현됩니다.이것에 의해, 파이버/매트릭스 인터페이스에서의 결합이 약해져, 이 문서의 선두에 있는 SEM 그림과 같이, 균열 표면에서의 파이버 추출이 가능하게 됩니다.산화물-CMC에서는 매트릭스의 높은 다공성이 약한 결합을 확립하기에 충분하다.

인장하중, 굽힘하중, 내균열성

파이버 인터페이스의 영향과 품질은 기계적 특성을 통해 평가할 수 있습니다.균열 저항 측정은 소위 단일 모서리 노치 굽힘(SENB) 테스트에서 절단된 표본(그림 참조)으로 수행되었습니다.파단역학에서는 측정된 데이터(힘, 형상 및 균열 표면)를 정규화하여 이른바 응력 강도 계수(SIF)를_Ic 산출합니다. K. 복잡한 균열 표면(본 기사 맨 위의 그림 참조) 때문에 CMC 재료에 대해 실제 균열 표면적을 결정할 수 없습니다.따라서 측정에서는 초기 노치를 균열 표면으로 하여 그림과 같은 형식 SIF를 산출한다.이렇게 하려면 여러 샘플을 비교하기 위해 동일한 형상이 필요합니다.따라서 이러한 곡선 아래의 영역은 균열 팁을 시료를 통과시키는 데 필요한 에너지를 상대적으로 나타냅니다(힘 곱하기 경로 길이가 에너지를 제공합니다).최대값은 시료를 통해 균열을 전파하는 데 필요한 하중 수준을 나타냅니다.기존 SiSiC 세라믹의 샘플과 비교하여 두 가지 관찰을 할 수 있습니다.

• 테스트된 모든 CMC 재료는 재료를 통해 균열을 전파하기 위해 최대 몇 배 이상의 에너지가 필요합니다.
• 균열 전파에 필요한 힘은 CMC 유형에 따라 다릅니다.

재료의 종류	Al2O3/Al2O3	알로23	CVI-C/SiC	LPI-C/SiC	LSI-C/SiC	SiSiC
다공성(%)	35	1 미만	12	12	3	1 미만
밀도(g/cm3)	2.1	3.9	2.1	1.9	1.9	3.1
인장강도(MPa)	65	250	310	250	190	200
신장률(%)	0.12	0.1	0.75	0.5	0.35	0.05
영률(GPA)	50	400	95	65	60	395
휨 강도(MPa)	80	450	475	500	300	400

표에서 CVI, LPI 및 LSI는 C/SiC 재료의 제조 공정을 나타낸다.산화물 CMC 및 SiSiC에 대한 데이터는 제조사 데이터 시트에서 가져옵니다.SiSiC와 AlO의₂₃ 인장 강도는 일반적으로 세라믹의 굽힘 강도 데이터만 사용 가능하기 때문에 신장률, 파단률 및 영률 측정에서 계산되었다.평균값은 표에 제시되어 있으며, 1개의 제조 루트 내에서도 큰 차이가 발생할 수 있습니다.

CMC의 인장 테스트에서는 일반적으로 재료가 소성 변형된 것처럼 보이는 비선형 응력-변형 곡선이 나타난다.이 효과는 마이크로 크랙이 형성되어 증가하는 하중에 의해 브리징되기 때문에 준플라스틱이라고 불립니다.하중전달섬유의 영률은 일반적으로 매트릭스보다 낮기 때문에 하중이 증가함에 따라 곡선의 기울기가 감소한다.

굽힘시험에 의한 곡선은 위의 균열저항 측정치와 유사하다.

다음 기능은 CMC의 굽힘 및 인장 데이터를 평가하는 데 필수적입니다.

• 매트릭스 함량이 낮은 CMC 재료(아래에서 0까지)는 높은 인장 강도(파이버의 인장 강도에 가깝지만 굽힘 강도는 낮습니다.
• 섬유 함량이 낮은 CMC 재료(아래에서 0까지)는 높은 굽힘 강도(모놀리식 세라믹의 강도에 근접함)를 가지지만 인장 하중 하에서는 0.05%를 초과하는 신장률은 없습니다.

CMC의 주요 품질 기준은 내균열 거동 또는 파괴 인성입니다.

고온 크리프 특성

CMC는 매우 높은 온도에서 작동할 수 있지만 특정 고온 적용 ^[19]범위 내에서 크리프 변형은 여전히 약 1000°C에서 발생합니다.크리프는 유효섬유 변형률과 유효 매트릭스 변형률 사이의 크리프 미스매치비(CMR)에 따라 매트릭스 또는 파이버 중 하나에 작용합니다.변형률이 작은 구성 요소는 하중을 견디고 크립에 취약합니다.

세 가지 주요 크리프 단계는 크리프 불일치 비율에 의해 제어됩니다.1차 크리프 동안 내부 응력이 전달되어 CMR이 2차 크리프 단계뿐만 아니라 단일성에 가까워집니다.고장이 발생하는 3차 크리프 단계는 파이버 크리프 또는 매트릭스 크리프로 인해 장애가 발생하여 매트릭스 크립이 발생할 수 있습니다.통상 매트릭스 크리프 강도는 섬유보다 나쁘기 때문에 파이버가 ^[20]부하를 견딜 수 있습니다.그러나 약한 섬유 영역에서도 매트릭스 균열이 발생할 수 있으며, 결과적으로 산화 대기가 산화되어 물질이 약해질 수 있습니다.온도, 가해진 응력 및 결함 밀도가 증가하면 크리프 변형 및 조기 고장으로 이어집니다.

혼합물의 법칙은 성분의 ^[21]변형률에 따라 복합물의 변형률을 구하기 위해 적용될 수 있다.미립자의 경우, 각 성분의 단면적률과 크리프 응답의 곱의 단순한 합으로 복합체의 총 크리프 응답을 결정할 수 있다.섬유의 경우 성분 크리프 응답의 합을 단면적 분율로 나눈 값에 따라 전체 크리프 응답이 결정된다.

미립자: ${\displaystyle c_{}}$ c r${\displaystyle \underset{}{}{}_{}}$ ${\displaystyle \underset{}{i}}$ i ${\displaystyle \underset{}{=}}$ ${\displaystyle \underset{}{}{}_{}}$ M ${\displaystyle i_{}}$ ${\displaystyle {ϵ}_{}}$ c${\displaystyle r_{}}$ ,$$ \ $displaystyle$\$silon$_ { $cr$ } = \ $sum$_ { i$$=$1$} $M$_ { $i$} \ $epsilon$_ {$cr$ ,$i$ }

파이버: ${\displaystyle r_{}}$ c r${\displaystyle {}_{}\underset{}{}}$( = ${\displaystyle \underset{}{}\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \underset{}{=}}$ 1 M ${\displaystyle \frac{i_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{ϵ}_{}}{}}$c${\displaystyle \frac{{}_{}}{}{}^{}}$r${\displaystyle {}^{}}$, ${\displaystyle \frac{i_{}}{}}$ ) -$1$ \ $display$style \ $silon$_ { cr } = ( \$sum$ _ { i$=$} { \ $frac${ M _ { i } } { \ $epsilon _ {$ { $cr$ , i } } ^ - 1$$}

여기서 ${\displaystyle {\delta }_{}}$ c$$ \ $displaystyle \epsilon$_ { $cr}$은 크리프 $응답$이고 $\$ $displaystyle M_{i}$는 구성 단면적 비율입니다.

기타 기계적 특성

많은 CMC 컴포넌트에서 섬유는 2차원(2D) 적층 플레인 또는 새틴 직물로 배치되어 있습니다.따라서 결과적으로 발생하는 물질은 이방성 또는 더 구체적으로 말하면 직교성입니다.층간 균열은 섬유로 메워지지 않는다.따라서 이들 재료는 층간전단강도(ILS)와 2D섬유방향에 수직인 강도가 낮습니다.박리는 특정 기계적 부하에서 쉽게 발생할 수 있습니다.3차원 파이버 구조를 사용하면 이 상황을 개선할 수 있습니다(상기 마이크로그래프 참조).

재료.	CVI-C/SiC	LPI-C/SiC	LSI-C/SiC	CVI-SiC/SiC
층간전단강도(MPa)	45	30	33	50
직물평면에 수직인 인장강도(MPa)	6	4	–	7
패브릭 평면에 수직인 압축 강도(MPa)	500	450	–	500

표에 표시된 압축 강도는 2000MPa 이상의 값이 일반적인 일반적인 세라믹보다 낮습니다. 이는 다공성 때문입니다.

복합 구조는 높은 동적 부하를 허용합니다.이른바 LCF(저사이클 피로) 또는 HCF(고사이클 피로) 테스트에서 재료는 인장 및 압축(LCF) 또는 인장(HCF) 부하에서만 순환 하중을 경험합니다.초기 응력이 높을수록 수명이 짧아지고 파열하는 사이클 수가 줄어듭니다.초기 부하가 강도의 80%일 때 SiC/SiC 샘플은 약 800만 사이클에서 살아남았습니다(그림 참조).

포아송 비율은 층간 균열이 표본 두께를 증가시키기 때문에 직물 평면에 수직으로 측정했을 때 이상을 나타냅니다.

열 및 전기적 특성

복합체의 열적 및 전기적 특성은 섬유, 매트릭스, 기공 및 그 구성 요소의 결과입니다.파이버의 방향은 이방성 데이터를 생성합니다.산화물 CMC는 매우 우수한 전기 절연체이며, 높은 다공성 때문에 기존의 산화물 세라믹보다 열 단열이 훨씬 우수합니다.

탄소섬유를 사용하면 섬유가 서로 접촉하고 전압원이 있는 경우 전기전도율이 높아집니다.탄화규소 매트릭스는 우수한 열전도체입니다.전기적으로는 반도체이므로 온도가 올라가면 저항이 감소합니다.(폴리)결정 SiC에 비해 비정질 SiC 섬유는 열과 전기의 도체가 상대적으로 약합니다.

재료.	CVI-C/SiC	LPI-C/SiC	LSI-C/SiC	CVI-SiC/SiC	SiSiC
열전도율(p) [W/(m·K)]	15	11	21	18	100을 넘다
열전도율(v) [W/(m·K)]	7	5	15	10	100을 넘다
선형 확장(p) [10−6·1/K]	1.3	1.2	0	2.3	4
선형 확장(v) [10−6·1/K]	3	4	3	3	4
전기저항률(p) [Ω·cm]	–	–	–	–	50
전기저항률(v) [Ω·cm]	0.4	–	–	5	50

표 주석: (p)와 (v)는 각각 2D 섬유 구조의 섬유 방향에 평행한 데이터와 수직인 데이터를 나타냅니다.LSI 재료는 다공성이 낮기 때문에 열 전도율이 가장 높습니다. 이는 브레이크 디스크에 사용할 때 유리합니다.이러한 데이터는 제조 ^[22]공정의 세부 사항에 따라 분산될 수 있습니다.

기존 세라믹은 높은 영률 및 낮은 신장 능력 때문에 열 응력에 매우 민감합니다.온도 차이와 낮은 열 전도율은 국소적으로 서로 다른 신장률을 생성하며, 높은 영률과 함께 높은 응력을 생성합니다.이로 인해 균열, 파열 및 메짐성 고장이 발생합니다.CMC에서는 파이버에 의해 균열이 가해져 매트릭스가 국소적으로 균열이 발생하더라도 구성요소는 거시적인 손상을 보이지 않습니다.브레이크 디스크에 CMC를 적용하면 극도의 열충격 조건에서 세라믹 복합 재료의 효과가 입증됩니다.

부식 특성

CMC의 부식 거동에 대한 데이터는 1000°C 이상의 온도에서 산화되는 경우를 제외하고는 거의 없다.이러한 특성은 섬유와 매트릭스 등 구성 요소에 의해 결정됩니다.세라믹 재료는 일반적으로 부식에 매우 안정적입니다.다양한 소결 첨가제, 혼합물, 유리상 및 다공성을 가진 광범위한 제조 기법은 부식 시험 결과에 매우 중요하다.불순물이 적고 정확한 화학량 측정이 부식을 줄여줍니다.소결 보조제로 자주 사용되는 비정질 구조물과 비세라믹 화학물질이 부식 ^[23][24]공격의 시작점이다.

알루미나

순수 알루미나는 대부분의 화학물질에 대해 뛰어난 내식성을 보입니다.입자 경계에 있는 비정질 유리 및 실리카 상은 농축산 및 염기의 부식 속도를 결정하며 고온에서 크리프를 일으킵니다.이러한 특성은 알루미나의 사용을 제한한다.녹은 금속의 경우 알루미나는 금과 백금에만 사용됩니다.

알루미나 섬유

이러한 섬유는 알루미나와 유사한 부식 특성을 나타내지만, 시판되는 섬유는 매우 순수하지 않기 때문에 내성이 떨어집니다.1000°C 이상의 온도에서는 크리프가 발생하기 때문에 산화물 CMC에는 몇 가지 응용 프로그램만 있습니다.

카본

탄소의 가장 심각한 부식은 약 500°C(932°F) 이상의 산소가 있을 때 발생합니다.연소하여 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 생성합니다.그것은 또한 농축 질산과 같은 강한 산화제에서 산화된다.용해된 금속에서, 그것은 용해되어 금속 탄화물을 형성합니다.탄소 섬유는 부식 거동에 있어 탄소와 다르지 않습니다.

탄화규소

순수한 탄화 규소는 가장 내식성이 강한 재료 중 하나입니다.강력한 염기, 약 800°C(1,470°F) 이상의 산소 및 용해된 금속만 반응하여 탄화물과 규소를 형성합니다.산소와의 반응은 SiO와 CO를₂ 형성하며₂, SiO의₂ 표면층은 후속 산화(패시브 산화)를 늦춥니다.약 1,600°C(2,910°F) 이상의 온도와 낮은 산소 부분 압력은 CO, CO₂ 및 가스 SiO가 형성되어 SiC가 빠르게 손실되는 이른바 활성 산화를 초래합니다.CVI가 아닌 SiC 매트릭스가 생성되면 내식성이 떨어진다.이것은 비정질 LPI의 다공성과 LSI 매트릭스의 잔류 실리콘의 결과입니다.

탄화규소섬유

탄화규소섬유는 유기고분자의 열분해로 제조되므로 LPI 매트릭스에서 볼 수 있는 탄화규소섬유의 부식성과 유사하다.따라서 이러한 섬유는 순수한 탄화규소보다 염기와 산화매체에 더 민감합니다.

적용들

CMC 재료는 기존의 기술 세라믹의 주요 단점인 메짐성 파괴 및 낮은 파괴 인성 및 제한된 열 충격 내성을 극복합니다.따라서 이러한 적용 분야는 고온에서의 신뢰성(금속 능력 밖의)과 부식 및 ^[25]마모에 대한 내성이 요구되는 분야입니다.여기에는 다음이 포함됩니다.

• 고온, 열충격 조건 및 고진동 부하가 발생하는 재진입 단계에서 필요한 우주 차량용 차열 시스템.
• 연소실, 스테이터 베인, 배기 믹서 및 터빈 블레이드와 같은 고온 가스 터빈용 구성 요소.
• 버너, 화염 홀더 및 고온 가스 덕트용 부품으로, 산화물 CMC가 사용되고 있습니다.
• 브레이크 디스크 및 브레이크 시스템 구성 요소. 극도의 열 충격을 경험합니다(모든 재료의 빛나는 부분을 물에 던지는 것보다 더 높음).
• 높은 부식 및 내마모성이 요구되는 고부하 슬라이드 베어링 부품

상기 외에도 CMC는 기존의 세라믹을 사용하거나 부식 또는 고온으로 인해 금속 구성요소의 수명이 제한된 용도에 사용할 수 있습니다.

공간에서의 애플리케이션 개발

우주선의 재진입 단계에서 히트 실드 시스템은 몇 분 동안 1,500°C(2,730°F) 이상의 온도에 노출됩니다.큰 손상 없이 살아남을 수 있는 것은 세라믹 재료뿐이며 세라믹 중에서도 열충격에 충분히 대응할 수 있는 것은 CMC뿐이다.CMC 기반 차열 시스템의 개발은 다음과 같은 이점을 약속합니다.

• 경량화
• 시스템의 내하력 향상
• 여러 번 재진행 가능
• CMC 플랩 시스템을 통한 재진입 단계에서의 조향 성능 향상

이러한 용도에서는 예상되는 부하에서는 크리프가 너무 높기 때문에 고온으로 인해 산화물 섬유 CMC의 사용이 금지됩니다.비정질 탄화규소 섬유는 1,250°C(2,280°F) 이상의 온도에서 재결정화 때문에 강도가 떨어집니다.따라서 실리콘 카바이드 매트릭스(C/SiC)의 탄소 섬유가 이러한 응용 프로그램의 개발 프로그램에 사용됩니다.ESA의 유럽 프로그램 HERMES는 1980년대에 시작되었고 1992년에 포기된 재정상의 이유로 첫 번째 결과를 도출했다.NASA X-38 ^[26][27]우주선을 위한 노즈캡, 선단 가장자리 및 스티어링 플랩의 개발, 제조 및 자격 인정에 초점을 맞춘 몇 가지 후속 프로그램.

이 개발 프로그램에서는 C/SiC 볼트 및 너트와^[28] 플랩의 베어링 시스템의 사용을 검증했습니다.후자는 독일 슈투트가르트의 DLR에서 1,600°C(2,910°F), 4톤의 하중, 재진입 조건과 유사한 산소 부분 압력 및 초당 4주기의 동시 베어링 이동과 같은 예상 조건에서 지상 시험을 실시했다.총 5개의 재진입 단계가 ^[29]시뮬레이션되었다.2개의 스티어링 플랩과 베어링, 나사 및 너트의 설계 및 제조는 탄소 섬유 강화 실리콘 카바이드 생산을 위한 CVI 공정을 기반으로 독일 아우크스부르크의 MT Aerospace에 의해 수행되었습니다(위의 제조 절차 참조).또한 탄소섬유의 소모를 방지하기 위해 산화방지시스템이 개발되어 인정되었습니다.플랩 장착 후 NASA는 미국 텍사스주 휴스턴에서 기계적 지상 테스트를 성공적으로 수행했다.다음 시험인 X-38의 실제 재진입은 재정적인 이유로 취소되었다.우주왕복선 중 하나가 우주선을 궤도에 올려놓았을 것이고, 거기서 지구로 돌아왔을 것이다.

이러한 자격요건은 이 어플리케이션에서만 유망했다.고온부하는 재진입당 약 20분 정도밖에 지속되지 않으며, 재사용 가능성의 경우 약 30 사이클로 충분합니다.그러나 뜨거운 가스 환경의 산업용 애플리케이션에는 수백 사이클의 열 부하와 수천 시간의 수명이 필요합니다.

2009년 ^[30]ESA에 의해 시작된 프로젝트인 IXV(Intermediate eXperimental Vehicle)는 유럽 최초의 리프팅 차체 재진입 차량이다.탈레스 알레니아 스페이스가 개발한 IXV는 2014년 네 번째 베가 미션(VV04)을 통해 기니만 상공에서 첫 비행을 할 예정이다.40개 이상의 유럽 회사들이 그것의 건설에 기여하였다.노즈, 선단 가장자리 및 날개 하단 표면으로 구성된 차량 하부의 열 보호 시스템은 Herakles가^[31] 액체 실리콘 여과(LSI) 프로세스를 기반으로 세라믹 매트릭스 복합체(CMC), 탄소/실리콘 카바이드(C/SiC)를 사용하여 설계 및 제작했습니다(위 제조 절차 참조).이러한 구성 요소는 대기권 재진입 ^[32]시 차량의 차열판 역할을 했어야 한다.

유럽위원회는 연구 프로젝트인 C3에 자금을 지원했다.HARME는 2016년 연구 및 기술 개발을 위한 프레임워크 프로그램(H2020)의 NMP-19-2015 호출에 따라 항공우주 분야에서 실리콘 탄화물 섬유와 탄소 섬유로 강화된 새로운 등급의 초고온 세라믹 매트릭스 복합 재료(UHTCMC)의 설계, 개발, 생산 및 테스트를 위해 개발되었습니다.nvironments(추진 및 열방호시스템(TPS)^[33] 등).

가스터빈 부품 개발

가스터빈에 CMC를 사용하면 터빈 입구 온도가 높아져 엔진 효율이 향상됩니다.스테이터 베인과 터빈 블레이드의 복잡한 형태 때문에, 개발은 먼저 연소실에 집중되었습니다.미국에서는 고온 안정성이 강화된 특수 SiC 파이버를 가진 SiC/SiC로 만든 연소기가 15,000시간 ^[34]동안 테스트에 성공했습니다.산화물 여러 층으로 ^[35]구성된 산화 방지 코팅 사용으로 SiC 산화가 상당히 감소했습니다.

제너럴 일렉트릭과 롤스로이스의 엔진 협업을 통해 F136 터보팬 엔진의 핫 섹션에 CMC 스테이터 베인을 사용하는 것을 연구했는데, 이 엔진은 조인트 스트라이크 파이터에 사용되는 프랫과 휘트니 F-135를 이기지 못했습니다.엔진 합작사인 CFM International은 CMC를 사용하여 고온 터빈 ^[36]쉬라우드를 제조하고 있습니다.제너럴 일렉트릭(General Electric)은 신형 GE9X 엔진용 ^[37]연소기 라이너, 노즐 및 고온 터빈 쉬라우드에 CMC를 사용하고 있습니다.회전 부품에 가해지는 응력이 추가적인 개발 노력을 필요로 하기 때문에 CMC 부품은 엔진의 냉간 및 고온 부분 모두에서 정지된 용도에 대해서도 연구되고 있습니다.일반적으로 터빈에 사용하기 위한 CMC의 개발은 기술적 문제와 비용 절감을 위해 계속된다.

15억 달러의 투자와 20년간의 연구 개발 끝에 GE Aviation은 2020년까지 연간 최대 20t(44,000파운드)의 CMC 프리프레그와 10t의 탄화규소 섬유를 생산할 계획입니다.화학 증착은 레이어블 파이버 테이프에 대량으로 코팅할 수 있으며, GE는 열처리 ^[38]덕분에 실리콘 밀도가 매우 높은 부품에 침투하여 주조할 수 있었습니다.

가스터빈 구성품 보호를 위한 EBC(Environmental Barrier Coating)

Environmental Barrier Coating(EBC; 환경 장벽 코팅)은 CMC 구성 요소의 표면을 통해 확산되는 산소 및 기타 부식성 물질의 양을 줄이기 위해 CMC에 장벽을 제공합니다.

EBC 설계 요건:

• CMC 컴포넌트와 상대계수가 일치하여 균열 가능성 감소
• 안정에 의한 부식/후퇴를 최소화하기 위한 낮은 휘발성
• 녹은 흡입 미립자에 대한 저항성
• 고온 기능
• 고온에서의 위상 안정성
• CMC 및 추가 레이어와의 화학적 호환성
• 이물손상(FOD) 및 침식으로부터 보호하기 위한 고경도 및 인성

일반적으로 EBC로 코팅할 경우 CMC 구성 요소에 대한 양호한 접착을 지원하기 위해 본드 코팅이 필요합니다.NASA는 2-3개의 ^[39]층을 추가로 쌓기 전에 물라이트 기반 코팅으로 시작하는 슬러리 기반 EBC를 개발했습니다.EBC가 CMC 표면을 능동적으로 보호하려면 소결 보조제를 슬러리 코팅에 추가하여 엔진에서 산소, 가스 및 용융 침전물의 침투를 차단하는 고밀도 코팅을 만들어야 합니다.소결은 고밀도 코팅을 생성하며 코팅의 접합 및 성능을 향상시킵니다.

현재 증기 또는 용융 퇴적물에 의한 박리, 침식, 균열과 같은 일반적인 고장 모드를 방지하기 위한 연구가 진행 중입니다.용융 퇴적물에 의한 박리 및 균열은 일반적으로 EBC가 예기치 않은 미세구조를 만들어 CTE 불일치와 낮은 인성을 초래하는 반응에 의해 발생합니다.증기 열화는 EBC와 세라믹 사이의 열성장 산화층의 휘발성에 의해 발생합니다.이로부터 생성된 증기는 SiC의 급속한 후퇴, 즉 EBC의 ^[40]열화로 이어집니다.EBC의 성공은 제트 엔진의 터빈 가스 흐름에서 CMC 구성요소의 전반적인 성공에 필수적입니다.

EBC의 전체적인 이점:

• CMC 컴포넌트의 수명을 연장하여 제트 엔진 생산 비용을 전반적으로 절감
• CMC 구성 요소의 내산화성 향상
• 제트 엔진의 가스 화합물에 노출된 CMC 구성 요소에 대한 내산화성이 향상됩니다.

버너 및 핫 가스 덕트에 산화물 CMC 적용

1,000°C(1,800°F) 이상의 온도에서 산소를 함유한 가스는 금속 및 탄화규소 성분의 부식성이 높습니다.높은 기계적 응력에 노출되지 않는 이러한 구성 요소는 최대 1,200°C(2,190°F)의 온도를 견딜 수 있는 산화물 CMC로 만들 수 있습니다.아래 갤러리는 15,000시간 동안 테스트한 후 총 20,000시간 ^[41]이상 작동한 크리스프브레드 베이커리의 불꽃 홀더를 보여줍니다.

산화물 CMC 화염 홀더	고온 가스용 환기 장치	리프팅 게이트, 산화물 CMC	현장 리프팅 게이트

뜨거운 산소를 포함한 가스를 순환시키는 플랩 및 환기 장치는 금속과 동일한 모양으로 제작할 수 있습니다.이러한 산화물 CMC 구성요소의 수명은 종종 변형되는 금속보다 몇 배 더 깁니다.또 다른 예는 260,000회 이상의 개방 ^[42]사이클에서 살아남은 소결로의 산화물 CMC 리프팅 게이트입니다.

브레이크 디스크에 적용

카본/카본(C/C) 소재는 경주용 자동차 및 비행기의 디스크 브레이크에 사용되고 있으며 LSI 공정으로 제조된 C/SiC 브레이크 디스크는 인증되었으며 고급 차량에 상용화되어 있습니다.이러한 C/SiC 디스크의 장점은 다음과 같습니다.

• 제조업체들은 정상적인 주행 부하가 30만km(190,000mi)인 자동차의 평생 사용 빈도가 매우 낮다고 예측하고 있습니다.
• 부하가 높은 상태에서도 페이딩은 발생하지 않습니다.
• C/C 브레이크 디스크와 같이 마찰 계수에 대한 표면 습도 영향은 나타나지 않습니다.
• 예를 들어 노염에 대한 내식성은 금속 디스크보다 훨씬 우수합니다.
• 디스크 질량은 금속 디스크의 40%에 불과합니다.이것은 덜 흔들리고 덜 회전하는 질량을 의미합니다.

이 중량을 줄여 쇼크 업소버 반응성, 노면 유지 편의성, 민첩성, 연비 및 운전 ^[43]편의성을 향상시켜 줍니다.

LSI의 SiC 매트릭스는 다공성이 매우 낮아 탄소섬유를 매우 잘 보호합니다.브레이크 디스크는 수명 동안 몇 시간 이상 500°C(932°F) 이상의 온도를 경험하지 않습니다.따라서 이 응용 프로그램에서는 산화가 문제가 되지 않습니다.이 중형차 응용의 성공 여부는 제조원가 절감에 달려 있다.

슬라이드 베어링에 적용

기존 SiC, 때로는 저렴한 SiSiC는 ^[44]펌프의 슬라이드 베어링 또는 저널 베어링에 25년 이상 성공적으로 사용되어 왔습니다.펌핑된 액체 자체가 베어링에 윤활유를 공급합니다.실질적으로 모든 종류의 미디어에 대해 매우 우수한 내식성과 매우 낮은 마모 및 저마찰 계수가 이러한 성공의 기반입니다.이러한 베어링은 금속 환경에서 수축 장착되는 정적 베어링과 샤프트에 장착된 회전축 슬리브로 구성됩니다.압축 응력 하에서 세라믹 정적 베어링은 고장 위험이 낮지만 SiC 샤프트 슬리브는 이러한 상황이 없으므로 벽 두께가 크거나 특별히 설계되어야 합니다.직경 100–350mm(3.9–13.8인치)의 축이 있는 대형 펌프의 경우 펌프 성능에 대한 요구사항 변경(예: 작동 중 부하 변화)으로 인해 고장 위험이 더 높습니다.SiC/SiC를 샤프트 슬리브 소재로 도입하는 것은 매우 성공적인 것으로 입증되었습니다.테스트 장비 실험에서 SiC/SiC로 만들어진 샤프트 슬리브, 정적 베어링으로 소결된 SiC, ^[45]윤활유로 80°C(176°F)의 물을 사용하는 베어링 시스템의 약 3배 비하중 능력이 입증되었습니다.베어링의 비하중 용량은 보통 W/mm² 단위로 표시되며 하중(MPa), 베어링 표면속도(m/s), 마찰계수의 곱으로 계산되며 마찰에 의한 베어링 시스템의 동력손실과 같다.

이 슬라이드 베어링 개념, 즉SiC/SiC 축 슬리이브와 탄화 규소 베어링, 1994년을 시작한 이래로 2,000m(길이가 6,600ft)의 수준까지 뜨거운 물이 수천 입방 미터를 펌프질 권력 stations,[45]의 보일러 급수 펌프에 응용 프로그램 및 관 모양의 케이스 pumps[46]물 공사나 해수 담수화 공장, pumpin에로 사용되어 왔다.g까지40,000m³(1,400,000cuft)에서 약 20m(66ft) 수준까지.

이 베어링 시스템은 액체 산소 펌프, 예를 들어 우주 로켓의 추력 엔진용 산소 터보펌프에서 테스트되었으며 다음과 같은 결과를 얻었다.SiC 및 SiC/SiC는 액체 산소와 호환됩니다.프랑스 표준 NF 28-763에 따른 자동 점화 테스트에서는 최대 525°C(977°F)의 온도에서 20bar의 순수 산소 내 분말 SiC/SiC에서 자동 점화되지 않았습니다.테스트 결과 마찰 계수는 절반이며 ^[47]이 환경에서 사용되는 표준 금속의 50분의 1을 마모하는 것으로 나타났습니다.유체 정압 베어링 시스템(그림 참조)은 분당 최대 10,000회전 속도, 다양한 부하 및 50 사이클의 시동/정지 과도 상태에서 마모 흔적 없이 ^[48]몇 시간 동안 생존했습니다.

기타 응용 프로그램 및 개발

• 군용 제트^[49] 엔진용 추력 제어 플랩
• 핵융합로 및 핵분열로^[50] 구성품
• 다양한^[51] 용도를 위한 마찰 시스템
• 핵^[52] 응용 프로그램
• 열처리, 고온, 납땜^{[53][54][55][56]} 고정장치

레퍼런스

추가 정보

• Kriegesmann, J., ed. (2005). DKG Technische Keramische Werkstoffe. Ellerau: HvB-Verlag. ISBN 978-3-938595-00-8.
• Krenkel, W., ed. (2008). Ceramic Matrix Composites. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31361-7.
• Bansal, N. P., ed. (2005). Handbook of Ceramic Composites. Boston: Kluwer. ISBN 1-4020-8133-2.
• Bansal, N. P. & Lamon, J., eds. (2015). Ceramic Matrix Composites: Materials, Modeling and Technology. Hoboken: Wiley. ISBN 978-1-118-23116-6.