The conversion of carbon preforms to dense SiC by liquid infiltration is a prospectively low-cost and reliable method of forming SiC-Si composites with complex shapes and high densities. Si powder was coated on top of a 2.0wt.% Y2O3-added carbon preform, and reaction bonded silicon carbide (RBSC) was prepared by infiltrating molten Si at 1,450℃ for 1-8 h. Reactive sintering of the Y2O3-free carbon preform caused Si to be pushed to one side, thereby forming cracking defects. However, when prepared from the Y2O3-added carbon preform, a SiC-Si composite in which Si is homogeneously distributed in the SiC matrix without cracking can be produced. Using the Si + C → SiC reaction at 1,450℃, 3C and 6H SiC phases, crystalline Si, and Y2O3 were generated based on XRD analysis, without the appearance of graphite. The RBSC prepared from the Y2O3-added carbon preform was densified by increasing the density and decreasing the porosity as the holding time increased at 1,450℃. Dense RBSC, which was reaction sintered at 1,450℃ for 4 h from the 2.0wt.% Y2O3-added carbon preform, had an apparent porosity of 0.11% and a relative density of 96.8%.
4D carbon fiber preforms were manufactured by weaving method and their carbon fiber volume fractions were 50% and 60%. In order to form carbon matrix on the preform, coal tar pitch was used for matrix precursor and high density carbon/carbon composites were obtained by high densification process. In this process, manufacture of high density composites was more effective according to pressure increasement. When densificating the preform of 60% fiber volume fraction with 900 bar, density of the composites reached at 1.90 $g/cm^3$ after three times processing. Degree of pressure in the densification process controls macro pore but it can not affect micro pore. During the carbonization process, micro pore of the preform were filled fully by once or twice densification processing. But micro pore were not filled easily in the repeating process. Therefore, over three times densification processing is the filling micro pore.
The conversion of all carbon preforms to dense SiC by liquid infiltration can become a low-cost and reliable method to form SiC-Si composites of complex shape and high density. Reactive sintered silicon carbide (RBSC) is prepared by covering Si powder on top of 0.5-5.0 wt% Y2O3-added carbon preforms at 1,450 and 1,500℃ for 2 hours; samples are analyzed to determine densification. Reactive sintering from the Y2O3-free carbon preform causes Si to be pushed to one side and cracking defects occur. However, when prepared from the Y2O3-added carbon preform, an SiC-Si composite in which Si is homogeneously distributed in the SiC matrix without cracking can be produced. Using the Si + C = SiC reaction, 3C and 6H of SiC, crystalline Si, and Y2O3 phases are detected by XRD analysis without the appearance of graphite. As the content of Y2O3 in the carbon preform increases, the prepared RBSC accelerates the SiC conversion reaction, increasing the density and decreasing the pores, resulting in densification. The dense RBSC obtained by reaction sintering at 1,500 ℃ for 2 hours from a carbon preform with 2.0 wt% Y2O3 added has 0.20 % apparent porosity and 96.9 % relative density.
본 연구에서는 탄화수소를 이용한 탄소/탄소 복합재의 화학기상침투 공정에 대해 프리폼의 밀도 변화, 공극률 변화와 다단계 화학반응을 고려한 수치해석 모델을 개발하였다. 프리폼을 다공성 매질로 가정하여 공극률에 따른 확산 및 유동 특성의 변화를 도입하였다. 검증을 위하여 프리폼 내부 유동이 0으로 제약된 경우와 유동해석을 통해 계산된 경우에 대해 수치해석을 수행하였으며, 해석 결과가 문헌의 실험치와 일치하는 것을 보였다.
Silicon carbide-carbon fiber composites have been prepared by partially Infiltrating porous carbon fiber composites with liquid silicon at a reaction temperature of $1670^{\circ}C$. Reaction between molten silicon and the fiber preform yielded silicon carbide-carbon fiber composites composed of aggregates of loosely bonded SiC crystallites of about 10$\mu\textrm{m}$ in size and preserved the appearance of a fiber. In addition, the SiC/C fiber composites had carbon fibers coated with a dense layer consisted of SiC particles of sizes smaller than 1$\mu\textrm{m}$. The physical and mechanical properties of SiC/C fiber composites were discussed in terms of infiltrated pore volume fraction of carbon preform occupied by liquid silicon at the beginning of reaction. Lower bending strength of the SiC/C fiber composites which had a heterogeneous structure in nature, was attributed to the disruption of geometric configuration of the original carbon fiber preform and the formation of the fibrous aggregates of the loosely bonded coarse SiC particles produced by solution-precipitation mechanism.
본 논문에서는 화학기상침투법(CVI) 공정으로 제작되는 탄소/탄소 복합재의 밀도화 과정을 수치해석적으로 연구하였다. 이를 위해 선행 연구에서 개발된 전산유체역학 모델과 반응로 내 주요 화학 반응 모델을 연계한 다중물리 수치해석 모델을 이용하여, 섬유 프리폼의 밀도와 공극률 변화를 다양한 측면에서 분석하였다. 특히 프리폼 주변 기체 유동의 형태에 따른 밀도화 변화를 알기 위해, 특정 형상의 구조물을 프리폼 주변에 배치시켜 유동을 변화시킨 후 프리폼의 밀도화를 계산하였다. 총 4가지 다른 형태의 구조물로 해석한 결과 프리폼 주변의 유동 형태 및 속도 분포를 구조물 형상으로 제어할 수 있었으며, 프리폼의 평균 밀도를 높이거나 밀도 편차를 감소시키는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 사용되는 반응로와 공정 조건을 모델로 이용하였다.
Braided carbon fiber reinforced Al matrix composites were developed and characterized. Braided carbon fiber preforms with braiding angles of $30^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ were manufactured by using a braiding machine. The manufactured braided carbon fibers were used as reinforcement to fabricate Al matrix composites by employing a pressure infiltration casting method. In the processing of pressure infiltration casting, important processing parameters such as melting temperature, preheating temperature of preform and applied pressure were optimized. Prediction of elastic constants on composites was performed by using the volume averaging method, which utilizes the coordinate transformation and the averaging of stiffeness and compliance constants based upon the volume of each reinforcement and matrix material. The elastic moduli of composites were evaluated by using Resonant Ultrasound Spectroscopy(RUS) method and compared with the elastic moduli obtained from static tensile test method.
본 연구에서는, 프리폼 구조가 다른 4방향성 탄소/탄소 복합재를 제조하고, 그들의 열물리적 특성을 연구하였다. 탄소섬유 프리폼은 네 가지의 다른 간격의 섬유다발로 직조하였다. 직조한 프리폼들은 가압함침 및 탄화 공정을 통해 고밀도화하였다. 고밀도화된 복합재는 $2300^{\circ}C$에서 흑연화하였다. 이 복합재의 미세구조는 주사전자현미경을 통해 관찰하였다. 프리폼의 구조가 탄소/탄소 복합재의 열물리적 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 연구하였다. 그리고, 열전달 및 열팽창 거동은 섬유의 보강방향과 프리폼의 단위 격자에 따른 여러 인자들로 연구 검토하였다.
Delhaes, P.;Trinquecoste, M.;Derre, A.;Rovillain, D.;David, P.
Carbon letters
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제4권4호
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pp.163-167
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2003
The "Film boiling" Chemical Vapor Infiltration (CVI) process is a rapid densification one developed in particular for the elaboration of carbon/carbon composite materials. In order to optimize this new thermal gradient process, we have carried out several studies, on one hand, about the nature of the complex chemical reactions in a confined medium, and on the other hand, relative to the role of heat and mass transfers inside the preform. We show in this study that the introduction of a permeable sheath around the preform leads to hybrid liquid/gas CVI process which presents the advantages of very high densification rates associated with a moderate input energy.
We investigated the influence of several processes, including the preparation of slurry and preform and the heat-treatment of the preform, on the properties of composites to fabricate the carbon-fiber reinforced glass composites having good mechanical properties. Cerander was determined to be the best binder among Cerander, Rhoplex and Elvacite 2045 by the dipping test and the binder within a preform could be completely eliminatd by burning out the specimen under 10-6 Torr at 400$^{\circ}C$ for more than 1h. The fracture behavior of a composite was largely dependent on the uniformity of carbon-fiber distribution within the composite and the heat-treatment condition of the composite. The higher the glass content, the more difficult to obtain uniform distribution of carbon-fiber. As the hot-pressing temperature increased, the densification process of the composite and the formation of pore due to oxidation of carbon fiber occurred competitively. But, above 1000$^{\circ}C$ the latter played a predominant role. We could fabricated the densest 15 vol.% carbon-fiber-content glass composite having the highest toughness and flexural strength of 250 MPa by hot-pressing under 15 MPa at 900$^{\circ}C$ for 30 min.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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