해외기술

C/C 복합재료의 내열접합기술

小山 昌志 The graduate University for Advanced Studies
八田 博志 JAXA/ISAS

1. 첫머리에
C/C 복합재료는 탄소재료 고유의 우수한 내열성을 갖기 때문에 우주왕복선으로 대표되는 초고온 시스템용 구조재료로 극히 유망하여, 현재는 (독)宇宙航空硏究開發機構(JAXA)의 차세대 스페이스 플레인용 엔진(ATR)에 대한 적용이 검토되고 있다. C/C구조를 실현하기 위해 몇 가지 방법, 공정이 제안 ·검토되고 있다. 예를 들면,
① 목적형상에 가까운 형상의 3차원 강화탄소섬유직물을 형성하여, 수지함침, 탄화, HIP처리를 반복하여 C/C화하여 성형하는 Near Net Shape에 의한 방법,
② 블록 모양의 C/C를 형성하여 기계적 2차 가공으로 목적 구조체 형상을 성형하는 방법,
③ 목족 조건에 맞는 특성을 갖는 C/C부재를 형성하고, 각 부재를 접합기술로 조합시켜 복잡형성을 성형하는 방법 등이 검토되고, 이들 기술을 조합시켜서 목적 형상물을 형성하려는 시도가 진행되고 있다. 일반적으로 접합기술은 2종류로 대별된다. 하나는 기계적 접합이다. 기계적 접합에는 핀접합, 더브테일 접합, 나사 체결 등을 들 수 있다. 두 번째는 화학적 접합(접착)으로, 중간층에 재료가 다른 접착재를 사용하여 접착재와 피착재의 화학적인 결합력에 의해 접합하는 방법이다. 기계적 접합은 접합강도가 고르지 못한 예가 적어 신뢰성이 높다는 점과, 검사·분해·조립 등의 정비성이 좋다는 것이 이점이며, 접합부에 있어 응력집중을 피하기가 어렵다는 점과 구조체 형상에 의한 제한이 크다는 점 등을 결점으로 들 수 있다. 삼유강화형 복합재료에서는 섬유의 강화방향에 대해서는 강하지만, 섬유에 따른 전단(剪斷)과 섬유 직교 방향의 인장강도, 층간 전단 강도가 낮다는 강한 이방성을 나타내기 때문에, 접합부의 응력집중에 의한 파괴에는 특히 주의를 기울일 필요가 있다. 화학적 접합은 중량의 경감, 부품 수의 감소, 저가의 가능성과 적용 구조에 제한이 적다는 점 등이 이점으로 알려져 있다. 화학적 접합의 결점으로서는 검사·분해·조립 등의 정비성이 낮고, 접합강도의 비균일성이 커서 신뢰성이 떨어진다는 점을 들 수 있다. 일반적인 구조에는 잘 알려져 있는 것처럼 여러 가지 접착제가 사용되고 있으며, 접착접합강도에 영향을 미치는 요인으로서는 접착재료 물성과 접착재/피착재의 계면상태 이외에 접착층의 두께의 영향이나, 시험온도, 분위기 등의 환경의 효과 등 많은 것을 들 수 있다. 일반적인 폴리머 접착제에 대해서는 이들의 효과에 대해 상세에 걸친 검토가 이루어져 있으나 이하에서 개설(槪說)하려고 하는 2000℃나 되는 내열구조에 관한 접착기술에 대한 검토 사례는 적다. 필자 등은 현재, C/C 복합재료에 대한 접합기술의 검토를 지속해서 실시하고 있다. 본고에서는 주로 현재까지 필자 등이 행해 온 결과를 기초로, 기계적인 접합과 화학적 접합, 탄소와 SiC를 접합층으로 한 화학적 접합기술에 관하여 재검토하여 독자에게 참고가 되도록 하고자 한다.
2. 기계적 접합
가. 더브테일 접합
C/C 복합재료에서 검토가 진행되고 있는 것은, 더브테일 접합과 핀 접합이다. 터브테일의 접합에서는 장섬유 강화 복합재료의 경우에는 단순한 더브테일 접합이 선정되는 경우가 많다. CFRP의 더브테일 접합으로 유명한 예는 B777 초대형 GE90 엔진용으로 개발된 GE사의 CFRP팬의 접합이다. C/C에 관해서는 JAXA/ISAS에서 실시한 ATR엔진에 대한 C/C적용에 관련하여 더브테일 이음새의 검토가 이루어지고 있다.
ATR엔진의 터빈디스크에서는 팬디스크, 팬블레이드 및 터빈링을 접합하는 3분할 구조를 검토하였다. 터빈디스크는 고속회전하므로 높은 원심력이 발생한다. 한편, C/C는 인장강도에 비해 층간이 극히 위약하다는 결점을 갖고 있어, 이 결점을 극복하는 형상·보강구조를 결정하는 것이 주요 검토과제였다. 실험적 검토는 2차원 강화재 2D- 및 3차원 강화재 3D-C/C에 관하여 실시하였다. 2D-C/C에서는 그림 1 왼쪽에 나타나 있는 것 같은 TYPEⅠ, Ⅱ 2종류 구조를 이용하여 접합강도를 검토하였다. TYPEⅠ은 C/C에 기계 가공한 중자(中子, 인서트 C/C재료)를 배치하고, 핫프레스 성형함으로써 제작된 것이다. 복층형인 2D-C/C복합재료는 층간 전단 강도가 현저하게 낮기 때문에 이 실험조각이 층간파괴하리라는 것이 예측되었다. 따라서 층간 보강을 위해서 일방향 강화 C/C 복합재료(일방향 강화탄소섬유 핀(UD핀) :Φ2mm)로 강화한 TYPEⅡ 실험조각을 제작했다. 3D-C/C에 대해서는 강화섬유 함유율 Vf의 다른 3종류의 직교 3축 강화재가 검토되었다. TYPEⅡ의 핀에 의한 보강효과는 Acoustic Emis
sion(AE)을 이용하여 확인된 초기의 파단 시에 구해진 초기파단응력(τdAE)에 관해서는 인정되었으나, 최대 하중에 관해서는 인정되지 않았다. TYPEⅠ 및 Ⅱ의 최대강도는 모두 ATR의 요구강도 조건보다도 낮아 2D-C/C의 적용은 곤란하다는 것을 알았다. 한편, 3D-C/C에서는 그림 2에 나타나 있는 듯한 섬유함유율과 실험조각 더브테일 걸림 부분의 각도(견각도 θ)의 효과가 확인되었다. 그림 속의 31.5MPa의 가로선은 주속이 440m/s일 때의 발생응력으로, 응력은 평균 전단응력이다. 그림 2에 나타나 있는 것처럼 섬유체적 함유율의 상승과 함께 강도의 상승이 확인되어, 최대 전단응력 τdAE은 어느 조건에서나 실구조의 하중 조건을 달성하는 값을 얻을 수 있으며, Vf=54%, θ=30°의 조건에서는 초기 파괴응력도 31.5MPa를 넘었다. 이상의 결과에서, 형상에 제한이 있지만, 3D-C/C를 이용하면 강도의 확보가 가능하다는 것이 확인되었다.
나. 핀 이음새
핀 이음새에서는 ①원공(圓孔) 가공에 의한 섬유의 손상, ②원공 끝, 핀과 원공의 접촉에 의한 응력집중 등에 의해 이음새 강도가 저하한다. 이러한 영향을 추측하는 것이 주된 검토과제가 된다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)와 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP) 등의 섬유강화 복합재료에서는 핀 이음새에 관하여 상세한 검토가 이미 이루어지고 있다. C/C복합재료에서도 수는 적지만, 핀 이음새 강도에 관한 실험적인 검토가 행해지고 있다. 그림 1의 오른쪽 그림에 강도 실험 방법의 한 예를 제시했다. 원공 삽입된 핀을 매개로 하중이 가해지는 방식으로 되어 있다. 문헌에서는 재료로 프리폼드얀법으로 성형된 東レ제품 M-40을 강화섬유로 하는 3종류의 C/C복합재료(적층구조는 2차원 직교적층재(0°/90°), (±45°), 의사등방재(QI재)(0°/90°/±45°)를 이용하여 검토하고 있다. 이음새는 내(耐)하중능력이 가장 중요한 성능지표로, 원공의 중심과 상단의 거리 e와 실험조각 폭 W의 영향, 그리고 볼트의 조인 힘 등이 하중 능력에 미치는 효과가 평가되었다.
그림 3에 나타나 있는 것처럼 인장파괴에 관해서는 모든 적층 타입의 실험조각에 대해 그림 속의 식으로 계산된 평균응력에 의한 정리가 유효했다. 여기에서 P는 파단 시의 최대 하중, δB는 지압강도(베어링 강도), t는 실험조각 두께이다. 이 결과는 원공 정도의 응력집중에 대해서는 C/C는 거의 완전한 응력집중 불민감성을 갖는다는 기존의 결과와 일치하는 경향을 보인다. W가 커지면 파괴양식은 그림 3의 그림 속 오른쪽에 나타나 있는 것과 같은 응력 일정한 상태인 압축파괴로 천이한다. (±45°)재료 이외의 압축파괴는 접촉부의 압축응력이 cosθ에 비례한다고 가정한 그림 속의 식이 유효했다. 여기에서 δf_c는 재료의 인장강도이다. 한편 (±45°)재료에서는 영구변형이 일어나, 변형에 의해 구멍이 핀에 밀착한 결과, 접촉부의 법선 응력을 일체화시킨 데에 따른 현저한 응력완화가 관찰되어, 완화계수 k(CON.)(<1)의 도입이 필요했다. 이 결과로 C/C의 지압(支壓)강도는 최대여도 125MPa정도이며, 이 값은 일반적인 CFRP에서 얻을 수 있는 300MPa정도의 값에 대해 극히 작다는 것이 확인되었다.
3. 화학적 접합
C/C에 대한 화학적 접합에는 주로 보통 ①C/C의 특징인 내열성을 손상하지 않을 것, ②고접착 강도, ③접합방법의 간이성 등이 요구된다. 내열재료의 성형온도는 일반적으로 높아 고온에서 복잡형상물의 임의방향에 고압을 가하는 일은 곤란하며, 동시에 공업적인 가격을 증대시킨다. 즉, 접합처리 시에 고압을 필요로 하지 않는 경우도 C/C를 접합할 때에는 중요한 요구사항이 된다. 이려한 요구를 만족시킬 수 있는 접착재료로서, 과거에 탄소와 SiC, 볼론카바이드 등의 세라믹스 재료를 이용한 연구가 이루어져 왔다.
Parviz Dadras 등은 접합부에 탄소재료를 이용한 접착에 대해 검토를 했다. 그들은 탄화금속(Mn, Al, Mg)를 접착재료로 이용하여 C/C끼리의 접합을 실시, 금속의 승화온도 이상에서 열처리를 실시함으로써 접착부에 탄소를 잔류시켜서 접합하는 방법을 검토했다. 이 방법에서는 금속의 승화 시에 다수의 공공(空孔) 등의 결함이 발생하여 낮은 접착강도(2MPa정도) 밖에 얻을 수 없었다. 또 Parviz Dadras 등은 B4C 및 TiB2를 이용한 접합을 검토했다. 이러한 접합은 2300K 부근까지 높은 접합강도를 유지했으나, 높은 접합강도를 얻기 위해서는 2300K 이상의 처리온도와 그 온도역에서 약 2MPa라는 가압력이 필요했다. 따라서 이 방법은 복잡형상 구조체나 대면적을 갖는 구조체에 대한 적용은 곤란하다는 상정되었다. 또 SiC에 의한 접합에 관해서는 W. Krenkel 등 German Aerospace Center(DRL : Germany)에 의해 검토가 이루어졌다. 그들은 기판 재료로 저밀도의 다공질 C/C복합재료를 이용하여, 용융 Si를 C/C내부의 균열을 경로로 하여 접합부에 함침, 접합부에 미리 배치시켜 둔 접착부 탄소재료(섬유, 탄소펠트 등)와 반응시켜서 SiC 접착층을 생성시켰다. 이 접착은 1900K부근까지 높은 강도를 유지했다. 그러나 이 방법은 다공질 C/C에만 유효성을 보인 것으로, 이 방법으로 접착된 구조체는 SiC부가 대부분을 차지하고 있기 때문에 특성이 C/C와는 현저하게 다른 것이 된다는 점이 문제라는 것도 상정된다. 즉 C/C복합재료의 화학적 접합에는 아직 불명료한 부분과 적용에 대한 과제가 많이 남아 있다. 그러한 것을 포함하여 현재 연구가 진행되고 있는 탄소, SiC 및 Hybrid접착에 관한 현상을 이하에 기술하겠다.
4. 접착방법
가. 공시재료(公試材料)
공시재료로서는 프리폼드얀(PY)법에 의해 제작된 아크로스(주)제 0/90직교적층재, 강화섬유는 TORAYCA M40(東レ(주)제품, Vf=50%)의 것을 이용했다. 접착표면을 평면 연삭반인 #325다이아몬드 호일로 연삭했다.
나. 접착방법
접착재료를 탄소, SiC 및 C/SiC의 혼합물(Hybrid)로 하는 접착기술의 검토를 실시했다. 탄소접착에서는 탄소의 전구체가 되는 수지에 의해 접착을 하고, 수지부분을 한축 방향 가압하면서 가열 탄소화함으로써 탄소접착층을 형성했다. SiC를 이용한 접착은 기판 C/C 사이에 금속 Si를 끼워 넣고, 고온에서 용융, 반응을 일으켜 SiC층을 형성했다. Hybrid접착은 본 연구에서 새롭게 개발한 접착기술로, 그림 4에 나타난 개념도처럼 무가압의 탄소접착을 실시한 실험조각 위에 Si플레이트를 배치하여 고온에서 용융함침을 실시함으로써 탄소와 SiC가 혼재하는 접착층을 형성하는 방법이다. Hybrid접착법은 무가압으로 고강도의 접착이 가능한 방법으로, 탄소접착이나 SiC접착의 결함을 극복할 수 있는 방법으로 개발되었다.
5. 실온강도 측정 결과
각 접착강도에 있어 가장 높은 접착강도가 얻어진 접착층 두께에 대한 강도를 비교한 결과, 탄소접착의 경우는 접착층 두께의 제어로 C/C층간 전단 강도(inter laminar shear strength(ILSS))와 동등 정도인 약 10MPa의 접착강도를 갖는다는 것이 확인되었다. 그러나 본 접착에서는 접착 시에 고온에서 1MPa이상의 가압을 필요로 한다는 점에서 간이성이 문제로 제기된다. SiC접착은 극히 높은 접착강도를 갖고 있어, 그 강도는 Si합침C/C의 ILSS와 거의 동등한 값을 얻을 수 있었다. 또 파단 후의 실험조각을 관찰한 결과, 균열은 주로 기판 C/C 내부에서 일어났다는 것이 확인되었다. 이런 점에서 SiC접착은 접착강도에 관해서는 대단히 유효한 접착방법이라는 것을 알았다. 그러나 SiC접착에 있어서도 무가압 접착의 경우는 접착층 내부에 잔류 Si가 대량으로 생기기 때문에 내열성을 고려했을 때 접착 시 고온에서의 가압을 피할 수 없다는 것이 확인되었다. 관찰로 접착층 플랙 등에 Si의 충분한 함침이 확인된 Hybrid접착에서는 강도측정결과로 SiC접착과 같은 정도인 20MPa정도의 높은 접착강도를 얻을 수 있었다. 즉, Hybrid접착법도 SiC접착과 마찬가지로 강도에 관해서는 유효한 접착방법이라고 할 수 있다. 이 가압 SiC접착법과 Hybrid법을 비교하면, 높은 접착강도라는 점에서는 거의 동등하지만 접착법의 간이성, 즉 접착시 고온에서의 가압에 관한 점에서는 무가압으로 할 수 있는 Hybrid법 쪽이 실구조에 대한 적용에 있어 보다 유효하다고 할 수 있다.
6. 고온접착강도 측정
상온에서의 강도 측정으로 얻어진 최적의 접착조건을 근거로, 탄소접착, 및 Hybrid접착의 고온접착강도측정을 실시한 결과를 그림 5에 나타내었다. 탄소접착 및 Hybrid접착강도 (τ)은 실험온도 상승에 따라 상승해 간다는 것이 확인되었다. Hybrid접착강도의 상승 거동은 Si함침 C/C인 ILSS와 거의 같았다. 또 이 강도상승의 정도는 탄소접착의 상승 정도에 비해 높다는 것도 확인되었다. 일반적으로 SiC의 고온강도에서는 1873K 이후에서 강도열화가 발생한다고 보고된 예도 존재하지만, 본 결과에서는 2273K까지 강도상승을 계속한다는 것을 확인할 수 있었다. 2473K 이후의 온도역에서는 강도는 하강 경향을 보이며, 2673K에서는 급격한 강도저하가 확인되었다. 일반적으로 보고되어 있는 SiC의 승화온도는 2273K를 넘는 온도역이라는 점에서, 이 강도저하는 내부에 함침된 SiC의 승화에 의한 것이라고 추측된다. 그러나 ATR엔진에서는 최고 요구 온도 약 2000K이라는 점에서도 이 결과로 이 방법은 내열성이라는 점에서도 유효한 접착방법이라고 할 수 있다.
7. 맺으며
C/C복합재료를 이용한 복잡형상 형성을 위해 필요 불가결한 접합방법에 대해서는 기계적 접합, 화학적 접합에 관하여 몇몇 연구가 이루어져 왔다. 실험적, 및 FEM 등의 해석 결과로 기계적 접합에 관하여 더브테일 이음새에서는 값싼 2차원 강화재에서의 실용화 가능성은 극히 낮다는 것이 확인되었으나, 3차원 강화재의 제조조건을 최적화함으로써 C/C복합재료의 적용이 가능하다는 것이 드러났다. 핀 이음새에 관해서도 설계하중 조건을 재료 특성에서 비롯된 접합강도의 계산으로 추측할 수 있다는 점에서, 실구조체에 대한 적용이 충분하게 가능하다고 할 수 있다. 화학적 접합에 관해서는 한정된 섬유배향강화재(2DC/C)의 경우는 공업적으로 간편하여 동시에 2000℃까지의 내열성을 갖는 접합이 가능하다는 것이 확인되었으나, 적용에 있어 중요하다고 생각되는 섬유배향성이 다른 구조체의 접합에 관해서는 현 시점에서는 불명료한 점이 많다는 점을 문제로 들 수 있다. ‘첫머리에’에서 기술한 것처럼 기계적 접합에는 방법의 간소화, 수복잡업 등의 간편성 등이 있고, 화학적 결합에는 경량화, 저가의 가능성이 있다는 점에서도 접합구조의 실용화를 위한 연구로서 공업적이 간이성, 즉 원가도 시야에 넣은 조건 하에서 C/C의 유의점을 최대한 살릴 수 있는 접합방법의 선택을 가능하게 하는 연구데이터 취득이 필요하다고 할 수 있다.                     (Ceramics Japan)

                                      더브테일 접합                        핀 접합
 그림 1. 더브테일 접합 및 핀 접합의 강도측정용 실험 지그

그림 2. 3D-C/C더브테일의 응력 특성

그림 3. 핀 접합에 있어 지압강도의 실험결과와 강도예측의 비교도

그림 4. Hybrid접착법의 기본적 개념도

그림 5. 실험온도에 대한 Hybrid접착강도, 탄소접착강도, 및 Si함침C/C의 층간 전단 강도