Ceramic fiber reinforced composites have been used to overcome the brittleness of ceramics. In the present study, the possibility of improving mechanical strength of silica composites has been investigated. A silica preform was prepared by stacking 2-dimensional silica fabric. The composite was then fabricated by infiltrating colloidal silica.
Basic properties of silica fabric and colloidal silica were characterized. The interfacial characteristics were analyzed by a model experiment using silica plates/tubes and silica sol. Average 4-point flexural strength of the silica composite was 25MPa. The observed value was much lower than that of fused silica. Several reasons for the reduction of flexural strength were considered:
(1) Degradation of the tensile strength of a silica yarn after annealing for size removal.
(2) Microcrack formation in the dried silica sol infiltrant.
(3) Weak adhesion between silica fiber and dried silica sol.
It was formed that the property degradation of silica yarn was the main cause. It was thus suggested that the degradation of the surface property of the silica yarn had to be prevented in order to enhance the mechanical properties of the silica composites.
마이크로파 투과성 재료인 실리카의 취성특성을 극복하기 위한 방안으로 2차원으로 직조된 패브릭을 적층하여 프리폼으로 만들고 콜로이드 실리카 졸을 함침시켜 복합재를 제조하였으며, 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성에 대해 알아보았다.
먼저 복합재 제조에 사용된 실리카 패브릭과 콜로이드 실리카의 기본적인 특성을 규명하였고 모델 재료를 통하여 계면 특성을 분석하였다. 고순도 실리카 패브릭을 이용하여 만든 복합재는 4점 곡강도가 평균 25MPa정도 였다. 복합재가 단상일 때 보다 기계적 특성이 좋지 않은 이유는 다음의 몇 가지로 요약할 수 있다.
첫째, 한 가닥 얀의 인장실험에서 보여진 것처럼 실리카 패브릭을 구성하는 얀은 고온에서 sizing 처리된 polymer 제거 후에 인장강도가 약 1/10으로 감소한다. 인장강도가 저하된 얀은 강화재로서의 역할을 충분히 하지 못하는 것으로 사료된다.
둘째, 실리카 졸이 건조되어 겔화되면서 미세한 크랙이 생기게 된다. 건조된 겔은 900℃ 이상에서 결정화가 일어나며 결정화 온도 이하에서 열처리 후에도 치밀화가 일어나지 않는다. 실리카 졸의 건조로 얻어진 매트릭스는 미세균열로 인하여 기계적 특성향상에 기여하지 못하며 단상인 fused silica만큼의 기계적 강도를 가지지 못한다.
셋째, fiber와 matrix의 계면에서의 adhesion 특성이 좋지 않다.
위에 열거된 이유들로 인하여 섬유강화 세라믹 복합재에서의 강화 메카니즘으로 거론되는 fiber pullout 현상 또한 나타나지 않는 것으로 사료된다. 앞으로의 연구에서는 마이크로 투과 특성을 만족하는 새로운 강화재를 찾고 매트릭스도 기계적 강도에 기여할 수 있을 만큼 치밀화가 일어나게 해야 할 것이며 또한 계면에서는 adhesion은 잘되고 약한 결합 특성을 가져 fiber pullout 현상을 유도해 낼 수 있게 해야 할 것이다.
