The mechanical properties of $SiC_f/SiC$ composites reinforced with continuous SiC fiber have been investigated in conjunction with the detailed analysis of their microstructures. Especially, the effect of test temperature on the characterization of $SiC_f/SiC$ composites was examined. In this composite system, a braiding Hi-Nicalon SiC fibric was selected as a reinforcement. $SiC_f/SiC$ composites have been fabricated by the reaction sintering process, using the complex matrix slurry with a constant composition ratio of SiC and C particles. The characterization of $RS-SiC_f/SiC$ composites was investigated by means of SEM, EDS and three point bending test. Based on the mechanical property-microstructure correlation, the high temperature applicability of $RS-SiC_f/SiC$ composites was discussed.
본 연구에서는 탄소섬유, 탄화규소섬유 그리고 하이브리드섬유를 강화재로 하여 TGCVI와 PIP 혼합 공정으로 $C_f/SiC$, $SiC_f/SiC$, $C_f-SiC_f/SiC$의 세라믹복합재를 제조하였다. 열충격싸이클시험, 3점 굴곡시험과 Oxy-Acetylene 토취 시험후에 그들의 기계적물성, 산화저항성과 내삭마성을 평가하였다. $C_f/SiC$복합재는 온도 증가에 따라서 기계적물성의 감소와 준 연성의 파단모드, 그리고 높은 삭마량을 보였다. $SiC_f/SiC$복합재는 $C_f/SiC$ 복합재에 비하여 강한 기계적물성, 낮은 삭마량을 그리고 취성의 파단모드를 나타냈다. 한편 하이브리드 복합재는 가장 우수한 기계적물성과 $SiC_f/SiC$보다는 연성의 파단모드 그리고 $C_f/SiC$ 보다 낮은 삭마량의 결과를 나타냈다. Oxy-Acetylene 토취 시험 중에 SiC매트릭스는 산화되어 $SiO_2$층을 형성하였으며, 특히 이 층은 $C_f-SiC_f/SiC$와 $SiC_f/SiC$ 복합재에서 섬유의 추가적인 삭마를 막는 역할을 하는 것으로 나타났다. 결론적으로 낮은 기공율을 갖는 하이브리드 복합재를 제조한다면, $C_f/SiC$의 산화로 인한 기계적물성의 감소와 $SiC_f/SiC$ 복합재의 취성 파단모드의 개선으로 고온 산화분위기에서 고온열구조재로의 적용이 높을 것으로 기대한다.
The development of the first wall whose major function is to withstand high neutron and heat fluxes is a critical path to fusion power. The materials database and the fabrication technology are being developed for design, construction and safety operation of the fusion reactor. The first wall was designed to consist of the plasma facing armor, the heat sink layer and the supporting plates. and Porous materials are of significant interest due to their wide applications in catalysis, separation, lightweight structural materials. In this study, the characteristics of the sintering process of SiC ceramic, $SiC_f$/SiC composite and porous $C_f$/SiC composite have been introduced order to study of the fusion blanket materials and heat-exchange pannel.
The fabrication methods and requirements of the fiber, interphase, and matrix of nuclear grade $SiC_f/SiC$ composites are briefly reviewed. A CVI-processed $SiC_f/SiC$ composite with a PyC or $(PyC-SiC)_n$ interphase utilizing Hi-Nicalon Type S or Tyranno SA3 fiber is currently the best combination in terms of the irradiation performance. We also describe important material issues for the application of SiC composites to LWR fuel cladding. The kinetics of the SiC corrosion under LWR conditions needs to be clarified to confirm the possibility of a burn-up extension and the cost-benefit effect of the SiC composite cladding. In addition, the development of end-plug joining technology and fission products retention capability of the ceramic composite tube would be key challenges for the successful application of SiC composite cladding.
Continuous SiC fiber-reinforced SiC-matrix composites ($SiC_f$/SiC) had been fabricated by electrophoretic infiltration combined with ultrasonication. Nano-sized ${\beta}$-SiC added with 12 wt% of $Al_2O_3-Y_2O_3$ additive and Tyranno$^{TM}$-SA3 fabric were used as a matrix phase and fiber reinforcement, respectively. After hot pressing at 5 different conditions, the density, microstructure and mechanical properties of $SiC_f$/SiC were characterized. Hot pressing at relatively severe conditions, such as $1750^{\circ}C$ for 1 and 2 h, resulted in a brittle fracture behavior due to the strong fiber-matrix interface in spite of their high flexural strength. On the other hand, toughened $SiC_f$/SiC composite could be achieved by hot pressing at milder condition because of the formation of weak interface in spite of the decreased flexural strength. These results proposed the importance of weak fiber-matrix interface in the fabrication of ductile $SiC_f$/SiC composite.
Cf/SiC 복합재는 저밀도, 높은 기계적 강도, 우수한 열 안정성을 가지고 있어 로켓 추진기관, 항공 및 군사 분야 등의 고온 응용 산업에 유망한 재료이다. 그러나 용융 실리콘 함침(Liquid Silicon Infiltration, LSI) 공정을 통해 제작된 복합재는 잔존하는 Si에 의하여 물리적, 열적 특성이 저하된다. 본 논문에서는 LSI 공정을 통해 제작된 Cf/SiC 복합재의 내부 Si을 제거하기 위한 방안으로 탈규소화(de-siliconization) 공정을 도입하였다. 최대 5분 동안 옥시아세틸렌 토치 테스트를 진행하고 시편의 산화된 표면과 단면은 3D scanning, X-ray diffraction(XRD), 광학현미경(OM), 전자주사현미경(SEM)으로 분석하였다.
탄소섬유강화 SiC기지상 복합재는 우수한 산화저항성과 우수한 열충격저항성을 가진다. 그리고 이런 특성들은 탄소섬유강화복합재가 고온구조재로서 응용케하였다. 본 연구에서는 $C_f/SiC$ 복합재가 전구체 함침과 액상 함침이 동반된 열분해공정, Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정을 통해 제조되었다. 최종 제조된 $C_f/SiC$ 복합재는 5회 함침을 통해 $0.43g/cm^3$ 밀도를 갖는 탄소섬유 프리폼에서 $1.76g/cm^3$의 밀도값을 나타내고 있다. 그리고 산화저항성 특성면에서 $C_f/SiC$ 복합재의 무게가 공기중 $1400^{\circ}C$에서 6시간 유지 후에 81%가 남았다. 결과적으로 Cyclohexene을 사용한 화학기상 경화공정은 효과적으로 높은 치밀화와 증가된 산화저항성을 보이고 있다.
Silicon carbide and its composites are being considered as a nuclear fuel cladding material for LWR nuclear reactors because they have a low neutron absorption cross section, low hydrogen production under accident conditions, and high strength at high temperatures. The SiC composite cladding tube considered in this study consists of three layers, monolith CVD SiC - $SiC_f$/SiC composite -monolith CVD SiC. The volume fraction of SiC fiber and surface roughness of the composite layer affect mechanical and corrosion properties of the cladding tube. In this study, various types of SiC fiber preforms with tubular shapes were fabricated by a filament winding method using two types of Tyranno SA3 grade SiC fibers with 800 filaments/yarn and 1600 filaments/yarn. After chemical vapor infiltration of the SiC matrix, the surface roughness and fiber volume fraction were measured. As filament counts were changed from 800 to 1600, the surface roughness increased but the fiber volume fraction decreased. The $SiC_f$/SiC composite with a bamboo-like winding pattern has a smaller surface roughness and a higher fiber volume fraction than that with a zigzag winding pattern.
$SiC_f$/SiC composites with whiskers and pyrolytic carbon (PyC) coated whiskers in the matrix were fabricated for enhancement of the fracture behaviors by the whisker growing assisted chemical vapor infiltration (WA-CVI) process, respectively. $SiC_f$/SiC composites were also prepared by the conventional CVI process as reference material. The mechanical properties and fracture behaviors were analyzed by comparison of the two types of composites prepared by WA-CVI and conventional CVI. The densities of $SiC_f$/SiC composites were in the range of $2.6{\sim}2.65g/cm^3$. The flexural strengths of composite with whiskers and with those coated by PyC were 650 MPa and 600 MPa, respectively. The tensile strength of composites with whiskers was ${\sim}285$ MPa.
Manufactured $SiC_f/SiC$ composites by NITE method was investigated fracture characteristics according to the size of the surface crack. Coated surface crack with a $SiO_2$ colloid in several ways was evaluating the possibility of healing. The strength of CCS and UCS is 313 and 230MPa, respectively and it is about 1/3 of the SPS. Bending strength of $SiC_f/SiC$ composites has no effect with the pre-crack size to the critical crack size. $SiC_f/SiC$ composites can not generate large amount of $SiO_2$ oxides to the bottom of crack, and is only generated randomly on surfaces, and can not contribute to the recovery of bending strength.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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