회중석 코팅을 사용한 SiCf/SiC 소형 복합재의 계면 특성

Oct 26, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21950(2022) 이 기사 인용

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회중석(CaWO4) 계면 코팅을 갖춘 단방향 SiCf/SiC 소형 복합재는 전구체 침투 및 열분해 방법을 통해 제조되었습니다. SiCf/SiC 미니복합체의 파면 분석에서는 약한 섬유/매트릭스 결합이 CaWO4 계면에 의해 제공될 수 있음을 나타냅니다. 또한, SiCf/CaWO4/SiC 미니복합체의 계면 분리 응력은 섬유 푸시아웃 테스트를 통해 평가되었으며 80.7 ± 4.6MPa로 추정되었습니다. 1000~1100°C에서 산화 후 SiCf/CaWO4/SiC 소형복합체의 현장 인장 SEM 관찰을 수행하고, 1300°C에서 열처리 후 CaWO4 계면 코팅과 SiC 섬유 또는 매트릭스 사이의 열적 적합성을 조사했습니다.

부서지기 쉬운 세라믹 매트릭스에 강화 섬유를 통합하면 일반적으로 SiC 섬유 강화 SiC 매트릭스 복합재(SiCf/SiC)인 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)에 어느 정도의 유사 연성을 제공하여 섬유 분리와 같은 여러 메커니즘에 의한 치명적인 파손을 방지합니다. , 섬유 슬라이딩 및 균열 브리징. SiCf/SiC 복합재는 초음속 수송, 우주 비행기 및 핵융합로와 같은 가혹한 환경 응용 분야에 내구성이 있는 유망한 재료로 간주됩니다. 섬유-매트릭스 간기 영역 내 매트릭스 균열의 편차는 매트릭스 제조4,5,6전에 섬유에 규정 준수 재료의 코팅층을 증착하여 실현되고 제어됩니다. 가장 효과적인 간기 코팅은 PyC 또는 BN 코팅으로 간주됩니다7,8,9. 그러나 SiCf/SiC 복합재의 적용은 특히 중간 온도에서 섬유/매트릭스 경계면의 PyC 또는 BN 코팅의 산화로 인해 산화 환경에서 기계적 특성이 저하되어 제한됩니다4, 10.

희토류 오르토인산 모나자이트(LaPO4)와 같은 대체 내산화성 계면 물질은 층상 결정 구조 및 소성 변형 가능성으로 인해 CMC의 내산화성 섬유 매트릭스 계면으로 간주되어 왔습니다. LaPO4 간기에 대한 연구에 따르면 저온에서 기계적 응력 하에서 쌍정 및 전위에 의해 변형될 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 이는 SiC14, 15와 열역학적으로 비혼화성인 것으로 밝혀졌습니다. 공기 중 CMC의 장기간 적용을 보장하려면 간기 코팅에 적합성과 내산화성이 모두 중요합니다. Shanmughamet al. SiCf/SiC 복합재의 멀라이트 계면은 24시간 동안 1000°C 공기에 노출된 후에도 균열을 편향시키는 것으로 나타났습니다. Lee et al. SiC/SiC 복합재에 다층 SiO2/ZrO2/SiO2 산화물 코팅을 사용하는 방법을 시연했습니다. 복합재 강도와 균열 변형은 10시간 동안 960°C 공기 중에서 산화 후에도 유지되었습니다. 회중석(CaWO4)은 (WO4) 사면체와 8개 배위된 Ca 부위로 구성된 층상 구조를 갖고 있으며 결정의 벽개는 (101) 평면에서 보고되었습니다. 회중석(CaWO4)의 층상 결정 구조와 소성 변형 가능성은 SiCf/SiC 복합재를 위한 또 다른 잠재적인 간기 재료가 됩니다. 지금까지 SiCf/SiC 복합체의 계면 코팅으로서 회중석 재료의 제조와 그 효과에 대한 조사는 이루어지지 않았습니다.

본 연구에서는 전구체 침투 및 열분해(PIP) 방법을 통해 단방향 SiCf/CaWO4/SiC 미니복합체를 제조했습니다. CaWO4 계면 코팅의 효과는 CaWO4 계면 코팅이 있는 SiCf/SiC 복합체와 CaWO4 계면 코팅이 없는 SiCf/SiC 복합재의 파면 분석을 비교하여 조사되었습니다. 복합재의 계면 특성은 섬유 푸시아웃 테스트를 통해 정량적으로 특성화되었습니다. SiCf/CaWO4/SiC 복합재는 산소가 풍부한 환경에서 CaWO4 계면 코팅의 내산화성을 평가하기 위해 1000~1100°C에서 산화되었습니다. 또한, SiCf/CaWO4/SiC 복합재는 CaWO4 계면 코팅과 SiC 섬유 또는 매트릭스 사이의 호환성을 조사하기 위해 1300°C에서 열처리되었습니다.