KR20100011938A - 세라믹 복합 부재 - Google Patents

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Abstract

세라믹 복합 부재가 제공된다. 세라믹 복합 부재는 탄소 섬유 강화 탄소 복합재를 포함하는 기재 및 기재의 표면에 형성된 세라믹 피막을 포함한다. 기재의 표면에는 복수의 구멍이 형성되고, 구멍의 내부 표면은 세라믹 피막으로 덮여진다.
세라믹 복합 부재, 탄소 섬유 강화 탄소 복합재, 기재, 세라믹 피막, 구멍

Description

세라믹 복합 부재 {CERAMIC COMPOSITE MEMBER}
본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조되는 2008년 7월 25일자로 출원된 일본 특허 출원 제2008-192440호의 우선권을 주장한다.
본 발명은, 탄소 섬유와 탄소 매트릭스로 이루어지는 기재인 탄소 섬유 강화 탄소 복합재(이하, "C/C 복합재"라고도 칭한다)의 표면에 세라믹 피막을 구비하는 세라믹 복합 부재에 관한 것이다. 탄소 매트릭스는 층 배열체일 수도 있고 탄소 섬유 사이 공간을 선택적으로 충전할 수도 있다.
C/C 복합재는 탁월한 비 강도(specific strength) 및 비 탄성률에 추가하여 100O ℃를 초과하는 고온 영역에 있어서 우수한 내열성 및 화학적 안정성을 구비하고 있기 때문에, 예를 들어 항공 우주용을 포함하는 가열 프레스 장치 및 반도체 제조 장치에서 널리 공업적으로 이용되고 있다. 그런데, 이러한 종류의 공업 용도의 부재에 있어서, 복사율 및 화학적 안정성(반응성)은 그 표면의 노출된 부분의 특성에 의해 영향을 받는다. C/C 복합재는 유리질 탄소(glassy carbon), 열분해 탄소 및 흑연과 같은 탄소 매트릭스와 탄소 섬유로 이루어지기 때문에, 원재료의 선정에 따라서는 고순도의 C/C 복합재를 얻어내는 것이 어려워지고, 따라서 그 표 면으로부터 오염 물질이 확산될 우려가 있다.
전술된 이유로, C/C 복합재에서는 그 표면에 SiC 피막이나 열분해 탄소 피막과 같은 세라믹 피막을 형성하는 것이 제안되어 있다. 이러한 피막을 형성함으로써 C/C 복합재를 사용한 부재 표면의 성질을 변형하여, 방열, 흡열 성능이나 내식성을 개량할 수 있다. 또한, 표면에 형성된 고순도 기체 불침투 세라믹 피막은 C/C 복합재에 함유된 불순물 확산의 방지 또는 감소를 가능하게 한다.
고온 환경 하에서 사용되는 세라믹 복합재는 상온으로부터 고온까지 가열되면서 기재와 그 표면에 형성된 세라믹 피막 사이의 열팽창 계수차 때문에 기재와의 계면에서 층간 박리 현상을 야기하기 쉽다. 이로 인해, 기재와 표층부가 연속 조직으로서 탄화 규소층을 형성하여 경사 기능 재질(functionally graded material)을 제공하는 컨버전 법(conversion method)이 제안되어 왔다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평5-132384호 참조).
또한, 탄소 섬유의 제지(papermaking)에 의해 얻어진 종이 본체에 열분해 탄소를 화학 기상 함침(CVI)에 의해 스며들게 함으로써, 열분해 탄소 피막을 형성하는 것도 제안되어 왔다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2002-68851호 참조).
그러나, 전술된 컨버전 법에 의해 얻어지는 SiC 피막 또는 열분해 탄소의 CVI에 의해 얻어진 피막에 있어서, 피막은 세라믹 피막과 기재 사이의 계면에서만 층간 박리에 대하여 유효하게 작용한다. 기재가 세라믹 피복에 대해 평행한 2 방 향으로 배향되는 C/C 복합재 또는 복수층의 적층체이거나, 기재를 구성하는 섬유가 부직포와 같이 두께 방향에 있어서 서로 교착하고 있지 않은 경우에는, C/C 복합재는 그 내부의 층간의 박리에 대해 충분한 강도를 가질 수 없다. 이러한 이유로, 세라믹 피막과 C/C 복합재 사이의 열팽창 차에 의해 발생된 내부 응력에 의해 층간 박리 현상이 C/C 복합재 내부에서 종종 발생한다. 이에 대한 주원인은 C/C 복합재의 표층 근방의 탄소 섬유층은 세라믹 피막에 추종해서 신축하지만, 표층으로부터 이격된 심층(C/C 복합재 층 내부)에서는 세라믹 피막의 부착력이 작용하지 않는다는 것이다.
본 발명은 전술된 상황에 감안해서 이루어진 것으로, 그 목적은 세라믹 피막 기재가 형성되는 C/C 복합재가 2 방향 배향체 또는 적층체인 경우나 C/C 복합재를 형성하는 탄소 섬유가 부직포인 경우와 같이 박리 강도를 충분히 확보할 수 없는 경우라도, 세라믹 피막과의 열팽창 차에 의해 발생하는 C/C 복합재 내부의 층간 박리를 감소 또는 방지할 수 있는 세라믹 복합 부재를 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 태양에 따르면, 탄소 섬유 강화 탄소 복합재를 포함하는 기재 및 기재의 표면에 형성된 세라믹 피막을 포함하고, 기재의 표면에는 복수의 구멍이 형성되고 구멍의 내부 표면이 세라믹 피막으로 덮인 세라믹 복합 부재가 제공된다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 구멍의 내부 표면을 덮는 세라믹 피막이 기계적인 층간 결합체로서 작용하여 기재 층 사이의 박리에 대해 저항 효과를 발휘한다. 즉, 박리 강도가 증가된다. 부수적으로, 박리 강도는 구멍의 내부 표면과 세라믹 피막 사이의 접착면에 있어서의 전단 강도에 비례한다.
(2) (1)의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍은 세라믹 피막을 형성하는 세라믹으로 충전될 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 구멍의 내부 표면을 덮는 세라믹이 중공 파이프 형상 구조를 가지는 경우에 비해, 충전된 세라믹이 중실 축 형상을 구성하여 축선 방향에서의 압축 인장 강도 및 축선 직교 방향의 전단 강도를 증가시킨다.
(3) (1)의 세라믹 복합 부재에 있어서, 세라믹 피막 도포 후 대부분의 구멍 개구부의 폭은 세라믹 피막의 두께의 2배 이하일 수도 있다. 양호하게는, 80%, 90%, 95%를 넘는 개구부 또는 모든 개구부가 세라믹 피막 두께의 2배 이하인 것이 바람직하다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 세라믹 피막 두께 대비 구멍 개구부의 폭의 지나친 증가에 기인한 세라믹 피막의 접착 강도의 실효성 저하가 감소 또는 방지될 수 있다. 즉, 구멍의 내부 표면을 덮는 세라믹 피막의 두께는 피막 형성 후에 남는 중공 구멍의 반경보다 두껍게 확보되어, 세라믹 피막의 기계적인 층간 결합체로서의 강도가 유효하게 확보된다.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 기재는 복수의 탄소 매트릭스층 및 복수의 탄소 섬유층을 포함하는 적층체를 포함할 수도 있다.
(5) (4)의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍은 적어도 최표층의 탄소 섬유층을 관통할 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 세라믹 피막과 적어도 탄소 섬유 최표층 사이의 박리 강도가 증가된다. 또한, 구멍이 탄소 섬유 최표층을 관통함으로써, 구멍의 저부에서 최표층으로부터 2번째 탄소 섬유 층에 세라믹 피막이 피착하여 탄소 섬유 2번째 층과 최표층 사이의 박리 강도도 증가시킨다. 즉, 이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 박리 응력이 다중 층을 가로질러 분배되어서, 모든 구멍이 동일한 깊이를 가지고 박리 응력이 단지 1개의 층에만 집중되는 경우보다 박리가 쉽게 발생하지 않게 된다.
(6) (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍의 깊이는 균일하지 않을 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 구멍의 깊이가 일정한 경우에 특정 층 사이에서 결합력이 작용하지 않게 되는 취약부가 발생하지 않는다.
(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍 각각은 적어도 개구부가 원형일 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 드릴 또는 레이저 빔 가공 기구를 사용하여 구멍이 용이하게 만들어질 수 있다. 구멍의 축선으로부터 등거리의 임의의 반경 방향에서 박리 강도가 동등하게 된다. 정사각 구멍 등이 형성되는 경우에 비해, 축선으로부터 임의의 방사 방향에서 박리 강도 차이가 발생하지 않고, 응력 집중에 기인하는 왜곡이 기재에서 발생하기 어려워진다.
(8) (1) 내지 (7) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍 각각은 개구부로부터 내부를 향해서 확대하는 뿔형 형상을 가질 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 뿔형 형상의 세라믹 피막은 기재의 표면에 형성된 세라믹 피막에 연속하고, 앵커(anchor)로서 기재 중에 매설되어, 층간의 박리 강도를 추가로 증가시킨다.
(9) (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 구멍은 기재를 관통할 수도 있다.
이러한 세라믹 복합 부재에 따르면, 세라믹 피막은 표면으로부터 배면까지 기재를 관통해서 형성된다. 따라서, 세라믹은 구멍 내 접착면에 있어서의 전단 강도뿐만 아니라 기재를 표면측 및 배면측으로부터 끼우는 유지력도 증가시켜서, 박리 강도의 향상에 기여한다.
(10) (1) 내지 (9) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 탄소 섬유 강화 탄소 복합재는 탄소 섬유 및 탄소 섬유 사이 간격에 충전된 탄소 매트릭스를 포함할 수도 있다.
(11) (1) 내지 (10) 중 어느 하나의 세라믹 복합 부재에 있어서, 탄소 섬유 강화 탄소 복합재는 수직사가 없을 수도 있다. 수직사가 없음은 양호하게는 1%, 0.5%, 0.1% 미만이고 가장 양호하게는 수직 방향에서 수직사가 존재하지 않는 것을 의미한다.
세라믹 복합 부재의 실시예에 의하면, 기재 표면에 복수의 구멍이 형성되고 구멍의 내부 표면이 세라믹 피막으로 덮여진다. 따라서, 기재로서 작용하는 C/C 복합재가 세라믹 피막에 2 방향으로 평행한 배향체나 적층체인 경우 또는 부직포에 서 살펴볼 수 있는 바와 같이 섬유가 두께 방향에 있어서 서로 교착하고 있지 않은 경우처럼 박리 강도를 충분히 확보할 수 없는 경우에도, 구멍의 내부 표면을 덮은 세라믹이 기계적인 층간 결합체로서 작용하여 기재를 적층 방향으로 결합함으로써, 박리 강도를 증가시키고 세라믹 피막의 피복에 의해 야기되는 열팽창 왜곡에 기인하여 발생하는 기재 내부의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명의 앞선 태양 및 다른 태양은 첨부 도면과 연계된 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 다음 설명으로부터 더욱 명백하게 이해될 것이다.
본 발명에 따른 세라믹 복합 부재의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 이하 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 부재를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 부재(100)는 기재(15) 및 기재(15)의 표면을 피복하는 세라믹 피막(17)을 포함한다. 기재(15)는 탄소 섬유(11) 및 탄소 섬유(11) 사이 공간에 충전된 탄소 매트릭스(13)를 포함한다.
탄소 섬유(11) 및 탄소 섬유(11) 사이 공간에 충전된 탄소 매트릭스(13)를 포함하는 기재(15)는 탄소 섬유 강화 탄소 복합재(C/C 복합재)를 의미한다. 탄소 섬유 강화 탄소 복합재의 일부를 구성하는 탄소 섬유(11)는 필라멘트 와인딩(filament winding), 제지(papermaking) 또는 직물 등의 상태로 배열되어서 이를 강화시킬 수도 있다. 도 1 내지 도 4에 있어서, 탄소 섬유(11)는 경사[선으로 표시(warp)] 및 위사[원으로 표시(weft)] 섬유 모두로서 형성된다.
직물은 평직(plain woven fabric), 능직(twill fabric) 및 3축직(triaxial woven fabric)과 같은 평면(경사 및 위사) 섬유뿐만 아니라 두께 방향에서 수직사를 갖는 3차원 직물을 포함할 수도 있다. 그러나, 수직사를 가지지 않는 세라믹 복합 부재에서는 두께 방향의 박리 강도가 충분히 확보될 수 없기 때문에, 본 실시예에 따른 세라믹 복합 부재(100)에 있어서, C/C 복합재는 수직사를 가지지 않는 평직, 능직, 3축직(이상 수직사 없음), 제지, 부직포 또는 피라멘트 와인딩에 의해 형성된 탄소 섬유(11)를 구비한 기재(15)로서 특히 효과를 발휘한다.
탄소 섬유(11) 사이 공간에 충전되는 탄소 매트릭스(13) 전구체로서는 소성에 의해 탄소질이나 흑연질의 매트릭스를 형성할 수 있는 것이면 어떤 것이어도 가능할 수 있다. 소성에 의해 탄소화 또는 흑연화되는 매트릭스 전구체로서는 코프나(COPNA) 수지, 페놀 수지, 퓨란(furan) 수지 또는 폴리이미드 수지와 같은 높은 탄화 수율을 가지는 열경화성 수지 외에 석유계 또는 석탄계 등으로부터 얻어지는 피치가 사용될 수 있다. 또한, 열분해 탄소나 SiC 등의 화학 기상 함침(CVI)에 의해 매트릭스를 형성할 수도 있다.
기재(15)에는 복수의 구멍(19)이 형성되고, 구멍(19)의 내부 표면(19a)은 세라믹 피막(17)으로 덮어진다(피복). 구멍(19)의 내부 표면(19a)을 덮는 세라믹 피막(17a)은 기계적인 층간 결합체로서 작용하고, 기재 층간의 박리에 대한 대항 효과를 가진다. 구멍(19)의 내부 표면(19a)에 형성된 세라믹 피막(17a)은 앵커로서 작용하여 박리를 방지하는 기능을 한다. 즉, 박리 강도가 증가된다. 박리 강도는 구멍(19)의 내부 표면(19a)과 세라믹 피막(17a) 사이의 접착면에 있어서의 전단 강 도에 비례한다.
기재(15)가 탄소 섬유(11)와 탄소 매트릭스(13)가 복수 층으로 적층되는 구성을 가지는 경우, 구멍(19)은 적어도 탄소 섬유(11)의 최표층을 관통하고 있다. 이는 세라믹 피막(17)과 적어도 탄소 섬유(11)의 최표층 사이의 박리 강도를 높인다. 또한, 구멍이 탄소 섬유(11)의 최표층을 관통함으로써, 구멍(19)의 저부에서 최표층으로부터 2번째 탄소 섬유(11) 층에 세라믹 피막(17)이 부착하여 탄소 섬유(11) 2번째 층과 최표층 사이의 박리 강도도 증가시킨다.
세라믹 피막(17)은 내열성이 있어 C/C 복합재에 피복될 수 있는 것이면 어떤 것이라도 가능하다. 예를 들어, 열분해 탄소, SiC, BN, TaC 및 AlN 등이 이용될 수 있다. 각각 동등 레벨의 열팽창 계수를 가지는 C/C 복합재와 세라믹 피막(17)을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 몇몇 종류의 피복되는 세라믹에 있어서는, C/C 복합재와 동등한 열팽창 계수가 선택될 수 없는 경우가 있다.
이러한 경우에는, 기재(15)와 세라믹 피막(17)의 열팽창 차이가 세라믹 피막(17)의 박리나 기재(15) 적층부에서의 박리를 야기할 우려가 있다. 이에 대해, 본 실시예에 따른 세라믹 복합 부재(100)에 있어서는, 세라믹 피막(17)과 기재(15) 사이의 계면 및 기재(15)의 적층부에서 세라믹 피막(17)이 앵커로서 작용함으로써, 박리를 감소 또는 방지할 수 있다. 특히, 세라믹 피막(17)과 기재(15) 사이의 계면이 경사 기능재로서 형성되어 전술된 계면부에서 박리가 쉽게 일어나지 않게 되는 경우라도, 세라믹 피막(17)과 기재(15) 사이의 열팽창 차이에 의해 발생되는 휨에 기인하여 일어나는 기재(15) 내부에서의 박리를 앵커 작용에 의해 감소 또는 방 지할 수 있다.
도 2는 구멍이 세라믹으로 충전된 변형예를 도시한 단면도이다.
세라믹 피막(17) 형성 후 구멍(19)은 도 2에 도시된 바와 같이 밀봉되거나 도 1에 도시된 바와 같이 구멍(19b)으로 유지될 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 구멍(19)이 세라믹 피막(17)을 형성하는 세라믹(17a)으로 충전된 구조에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 구멍(19)의 내부 표면(19a)을 덮는 세라믹(17a)이 중공 파이프 형상 구조를 가지는 경우에 비해, 충전된 세라믹(17a)이 중실 축 형상을 구성하여, 축선 방향에서의 압축 인장 강도 및 축선 직교 방향의 전단 강도를 증가시킨다.
한편, 세라믹 피막(17) 형성 후 구멍(19)이 구멍(19b)으로서 유지되는 도 1에 도시된 구조에서는, 구멍(19b)의 개구부 폭(W)은 세라믹 피막(17a)의 두께(t)의 2배 이하인 것이 바람직하다. 세라믹 피막(17a) 두께(t) 대비 구멍(19b) 개구부의 폭(W)의 지나친 증가에 기인한 세라믹 피막(17a)의 접착 강도의 실효성 저하가 감소 또는 방지될 수 있다. 즉, 구멍(19)의 내부 표면(19a)을 덮는 세라믹 피막(17a)의 두께(t)는 피막 형성 후에 남는 중공 구멍(19b)의 반경보다 두껍게 확보되어, 세라믹 피막(17)의 기계적인 층간 결합체로서의 강도가 유효하게 확보된다.
복수의 구멍(19)은 기재(15)의 표면으로부터 수직 방향으로 형성된다. 구멍이 수직이기 때문에, 구멍은 예를 들어 절삭 공구에 의한 절삭 또는 C/C 복합재의 경화 및 소성 전 천공에 의해 용이하게 형성될 수 있다. 또한, 구멍(19)의 내부 표면(19a)은 세라믹 피막(17a)으로 용이하게 피복될 수 있다.
복수의 구멍(19)은 세라믹 복합 부재(100)의 전체 면에 형성되거나 C/C 복합재의 적층면의 노출 단부 근방에만 형성될 수도 있다. 또한, 복수의 구멍(19)은 세라믹 복합 부재(100)의 전체 면에 형성되고 단부 근방에 고밀도로 형성될 수도 있다. 이는 세라믹 피막(17)의 형성에 의해 발생하는 열팽창 왜곡이 단부 근방에 집중하기 쉽고, 특히 기재(15)의 박리가 단부 근방에서 일어나기 쉽기 때문이다. 즉, 구멍(19)의 깊이(d)가 균일하지 않은 경우, 박리 응력이 다중 층을 가로질러 분배되어서, 구멍이 박리 응력이 단지 1개의 층에만 집중되는 동일한 깊이를 가지는 경우보다 박리가 쉽게 발생하지 않게 된다.
도 3은 깊이가 다른 구멍이 형성되는 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
구멍(19)의 깊이(d)는 모두 동일하거나 다양(균일하지 않음)할 수도 있다. 깊이(d)가 동일한 경우, 구멍(19)의 최심부 층에서 응력 집중이 일어나기 쉽고, 결과적으로는 구멍(19)의 최심부 근방에서 박리가 쉽게 발생하게 된다. 그러나, 깊이(d)가 다양한 경우, 응력 집중이 일어나기 어렵게 되므로, 박리가 발생하기 어렵게 된다. 즉, 구멍(19)의 깊이(d)가 균일하지 않으면, 구멍의 깊이가 일정한 경우에 특정 층 사이에서 결합력이 작용하지 않게 되는 취약부가 발생하지 않는다.
구멍(19)과 관련하여, 각각의 구멍(19)은 적어도 개구부가 원형인 것이 바람직하다. 이러한 경우, 드릴 또는 레이저 빔 가공 기구를 사용하여 구멍이 용이하게 만들어질 수 있다. 또한, 각각의 구멍(19)의 축선으로부터 등거리의 임의의 반경 방향에서는 박리 강도가 동등하게 된다. 정사각 구멍 등이 형성되는 경우에 비해, 축선으로부터 임의의 반경 방향에서 박리 강도 차이가 발생하지 않고, 응력 집 중에 기인하는 왜곡이 기재(15)에서 발생하기 어려워진다.
도 4는 구멍이 뿔형 형상으로 형성된 또 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
구멍(19)은 도 4에 도시된 바와 같이, 개구부로부터 내부를 향해서 확대되는 뿔형 형상을 가질 수도 있다. 즉, 뿔형 형상은 가장 깊은 부분보다 사이즈가 작은 개구부를 가진다. 본 실시예에서는, 구멍은 예를 들어 원추 사다리꼴 형상으로 형성된다. 기재(15)의 표면에 형성된 세라믹 피막(17)에 연속하는 뿔형 형상의 세라믹(17a)은 기재(15) 중에 발출 불가능한 앵커로서 매설되어, 층간의 박리 강도를 추가로 증가시킨다.
또한, 도시는 생략하지만, 구멍(19)은 기재(15)를 전체적으로 관통할 수도 있다. 구멍(19)이 기재(15)를 관통해서 형성되면, 세라믹(17a)은 표면으로부터 배면까지 기재(15)를 관통해서 형성된다. 따라서, 세라믹(17a)은 구멍 내 접착면에 있어서의 전단 강도뿐만 아니라 기재(15)를 표면측 및 배면측으로부터 끼우는 유지력도 증가시켜서, 박리 강도의 향상에 기여한다. 이와 같은 관통 구조에서는, 기재(15)의 표면 및 배면에 세라믹 피막(17)이 형성되고, 구멍(19)의 내부 표면(19a)에 형성되는 세라믹 피막(17)은 그 양단부에서 기재 표면 및 배면 상에 있어서 세라믹 피막(l7)과 연속하게 됨으로써, 기재(15)가 표면 및 배면으로부터 끼워지는 견고한 접합 구조를 형성할 수 있다.
세라믹 복합 부재(100)를 제조하는 방법이 이후 설명된다.
[기재]
기재(15)로서는, 상용으로 입수 가능한 C/C 복합재이면 임의의 C/C 복합재가 사용될 수 있다. 복수의 구멍(19)은 경화 및 소성 후에 상용으로 입수 가능한 C/C 복합재 상에 기계적으로 형성될 수도 있고, 경화 및 소성 전에 형성될 수도 있다. 경화 및 소성 후에 구멍이 형성되는 경우, 구멍은 드릴 등을 사용하는 기계적 방식 또는 레이저 가공 등과 같은 임의의 방식으로 형성될 수 있다.
경화 및 소성 전에 구멍이 형성되는 경우, 구멍은 드릴이나 레이저 가공 기구를 사용하지 않고 바늘 등으로 용이하게 형성된다. 경화 전에 형성되는 경우, C/C 복합재는 연화되어 구멍(19)이 사라질 수도 있다. 따라서, 예를 들어, 수지, 목재 및 종이 등으로 제조된 유기물 바늘을 사용함으로써 구멍(19)이 형성되고 이를 뽑지 않고 경화 및 소성될 수도 있다. 유기물 바늘이 사용되는 경우, 원추 사다리꼴 형상의 구멍(19)인 경우에도 바늘이 소성 공정에서 대폭 수축하면서 탄화 혹은 분해됨으로써, 용이하게 제거될 수 있다.
[피막 형성]
세라믹 피막(17)의 형성은 공지 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 열분해 탄소 피복의 경우에는, 전술된 공정에서 제작된 C/C 복합재가 CVD 로에 놓여져 1300 내지 2000 ℃에서 가열된다. 프로판 가스와 같이 원료가 되는 탄화 수소 가스 및 수소와 같은 캐리어 가스가 노 내로 유동하게 되어, 표면에 피막을 형성한다. 부수적으로, 원료 가스는 노 내에서 확산하여서, C/C 복합재의 표면에 형성된 복수의 구멍 내부로 침입할 수 있다. 따라서, 구멍(19)의 내부 표면(19a)에 세라믹 피막(l7)이 형성될 수 있다.
SiC 피막의 경우에는, 전술된 공정에서 제작된 C/C 복합재가 CVD로에 놓여 져, 1100 내지 1500 ℃에서 가열된다. 원료 가스로서 트리클로로메틸실란(Trichloromethylsilane) 및 캐리어 가스로서 수소가 노 내로 유동하게 되어, 표면에 피막을 형성할 수 있다. 또한, 원료 가스는 노 내에서 확산하여서, C/C 복합재의 표면에 형성된 복수의 구멍(19) 내부로 침입할 수 있다. 따라서, 구멍(19)의 내부 표면(19a)에 세라믹 피막(17)이 용이하게 형성될 수 있다.
또한, SiC 피막의 경우에는, CVD 법이 아니고 CVR 법을 사용함으로써 형성될 수 있다. CVR 법에 의하면, 경사 기능 계면이 형성되기 때문에, 피막과 기재(15) 사이의 박리가 일어나기 어렵게 된다. CVR 법에 따르면, 전술된 C/C 복합재가 그 저부에 Si 분말 혹은 SiC 분말과 SiO2 분말의 혼합물로 이루어지는 발생원이 놓여지는 반응로 중에 놓여진 후, 1600 내지 2300 ℃에서 가열됨으로써, SiC 피막을 얻을 수 있다.
따라서, 전술된 구성을 가지는 세라믹 복합 부재(100)에 따르면, 기재(15)의 표면에 복수의 구멍(19)이 형성되고, 구멍(19)의 내부 표면(19a)이 세라믹 피막(17)으로 덮여진다. 따라서, 기재(15)로서 작용하는 C/C 복합재가 세라믹 피막(17)에 2 방향으로 평행한 배향체 이거나 적층체인 경우 또는 부직포에서 살펴볼 수 있는 것처럼 섬유가 두께 방향에서 서로 교착하고 있지 않은 경우와 같이 박리 강도를 충분히 확보할 수 없는 경우라도, 구멍(19)의 내부 표면(19a)을 덮은 세라믹 피막(17)이 기계적인 층간 결합체로서 작용하여, 기재(15)를 적층 방향에서 결합함으로써, 박리 강도를 높일 수 있다. 이 결과, 세라믹 피막(17)의 피복에 의해 야기되는 열팽창 왜곡에 기인하여 발생하는 기재 내부의 박리를 감소 또는 방지할 수 있다.
또한, 전술된 각 실시예에서는, 기재(15)의 일부를 구성하는 탄소 섬유(11)가 도면에 있어서 경사와 횡사가 서로 교차하는 직물 상태에서 도시되었다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 부재(100)는 도 5에 도시되거나 전술한 바와 같이 기재(15)를 구성하는 탄소 섬유(11)가 두께 방향에서 서로 교착하지 않는 부직포 등일 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 부재를 도시한 단면도.
도 2는 구멍이 세라믹으로 충전된 변형예를 도시한 단면도.
도 3은 깊이가 다른 구멍이 형성된 변형예를 도시한 단면도.
도 4는 구멍이 뿔형 형상으로 형성된 변형예를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 복합 부재를 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 : 탄소 섬유
13 : 탄소 매트릭스
15 : 기재
17 : 세라믹 피막
100 : 세라믹 복합 부재

Claims (11)

  1. 탄소 섬유 강화 탄소 복합재를 포함하는 기재와,
    상기 기재의 표면에 형성된 세라믹 피막을 포함하고,
    상기 기재의 표면에는 복수의 구멍이 형성되고, 상기 구멍의 내부 표면이 상기 세라믹 피막으로 덮인, 세라믹 복합 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구멍은 상기 세라믹 피막을 형성하는 세라믹으로 충전되는, 세라믹 복합 부재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피막 도포 후 상기 구멍의 각각의 개구부의 폭은 상기 세라믹 피막의 두께의 2배 이하인, 세라믹 복합 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재는 복수의 탄소 매트릭스층 및 복수의 탄소 섬유층을 포함하는 적층체를 포함하는, 세라믹 복합 부재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구멍은 적어도 최표층의 탄소 섬유층을 관통하는, 세라믹 복합 부재.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍의 깊이가 균일하지 않 은, 세라믹 복합 부재.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍 각각은 적어도 개구부가 원형인, 세라믹 복합 부재.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍 각각은 개구부로부터 내부를 향해서 확대하는 뿔형 형상을 가지는, 세라믹 복합 부재.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍은 상기 기재를 관통하는, 세라믹 복합 부재.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화 탄소 복합재는 탄소 섬유 및 상기 탄소 섬유 사이 간격에 충전된 탄소 매트릭스를 포함하는, 세라믹 복합 부재.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화 탄소 복합재는 수직사가 없는, 세라믹 복합 부재.
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