Tungsten and tungsten matrix composites are widely used in high temperature environments for their superior mechanical properties, such as high melting point, good high temperature strength, high elastic modulus, good corrosion resistance and low coefficient of thermal expansion. Tungsten and tungsten matrix composites are used to produce rudder and nozzle components of rocket motors, nose caps of missiles, and other high temperature components, etc., where ablation property is the major source of failure. The rapidly increasing demand for high performances in materials in the last 20 years has placed no monolithic material in a position to fulfill the updated high. The strength of monolithic tungsten decreases 60% at $1000 \deg C$ compared to that of room temperature.
In order to improve the high temperature strength of tungsten, ceramic reinforced tungsten metal matrix composites are prepared. SiC nanowires were synthesized by reaction between carbon nanotube and silicon monoxide. Then SiC nanowires and SiC nanopowders were homogeneous mixed with tungsten powders to form SiC/W nanocomposite powders by spray drying process. The SiC/W nanocomposite powders were consolidated by sprak plasma sintering. The mechanical properties of tungsten nanocomposites were characterized by hardness test, compressive strength, test, flexural tests and relationship between the mechanical properties and microstructure were analyzed.
The mechanical properties of tungsten nanocompsoteis mainly depend on the volume fraction of ceramic phase. The theoretical density of tungsten nanocomposites with varying SiC contents was calculated from the volume percent of tungsten, tungsten carbide, tungsten silicide. The hardness and compressive strength of tungsten nanocomposites increased with increasing the amount of WC, $W_2C$, $W_5Si_3$ phase. Compressive strength and flexural strength of nanocomposites containing SiC nanowires is higher than that of tungsten nanocomposites containing SiC nanoparticlesrs because of better interface bonding between tungsten matrix and tungsten silicide phase.
When high temperature oxidation test was performed for tungsten nanocomposite, ellipsoidal particles of the tungsten oxides are formed on the surface. $W_5Si_3$ have been also oxidized and melted, then form silicon oxide layer at the ablated surface. Therefore, $W_5Si_3$ increased the ablation resistance of the tungsten nanocomposites.
텅스텐 및 텅스텐 복합재료는 녹는점이 높고 고온강도 및 탄성계수, 부식 저항성이 뛰어나며, 낮은 열팽창 계수를 가지기 때문에 로켓의 노즐 또는 러더, 미사일의 노즈 캡 등과 같은 고온의 삭마 환경에서 사용되고 있다. 지난 20년간 이러한 고온 환경에서 사용되는 재료의 수요가 급격하게 증가하고 있으나 요구되는 특성에 부합하는 단일 재료가 없는 실정이며 텅스텐의 경우에도 $1000\degC$에서 강도가 상온에서 보다 60% 감소하는 단점을 가지고 있다.
고온에서 텅스텐의 강도를 향상시키기 위하여 세라막 강화 텅스텐 복합재료를 제조하였다. 강화재인 SiC 나노와이어는 탄소나노튜브와 일산화탄소 분말을 이용해 합성하였으며, 합성된 SiC 나노와이어와 SiC 나노입자를 텅스텐 분말에 균일하게 혼합하기 위하여 분부건조법을 이용해 SiC/W 나노복합분말을 제조하고 이를 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여 소결한 후 경도시험, 압축강도시험, 굽힘시험을 통해 기계적 특성을 평가하고 미세조직이 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
SiC/W 나노복합분말의 소결 결과 SiC가 소결 과정에서 분해되어 텅스텐 카바이드와 텅스텐 실리사이드 상이 생성되는 것을 확인하였으며, 텅스텐 나노복합재료의 기계적 특성은 강화상의 부피분율이 증가함에 따라 향상되는 결과를 나타내었다. 텅스텐 나노복합재료의 이론밀도는 W-Si-C 3원계 상태도를 이용해 구하였으며, 이를 아르키메데스 법을 이용하여 구한 실제 밀도와 비교하였다. 텅스텐 나노복합재료의 경도와 압축강도는 텅스텐 카바이드와 텅스텐 실리사이드의 분율이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 SiC 나노와이어를 강화재로 사용한 복합재료가 SiC 나노입자를 강화재료 사용한 복합재료보다 높은 기계적 특성을 나타냈는데 이는 텅스텐 실리사이드 상의 형상에 따른 차이로 인한 것으로 생각된다.
텅스텐의 고온 산화 거동을 분석하기 위해 고온 산화 시험을 실시한 결과 복합재료의 표면에서 텅스텐이 산화되어 텅스텐 산화물이 생성되었으며, 텅스텐 실리사이드 또한 산화되어 표면에 산화피막을 형성하여 텅스텐의 산화를 방지하는 것을 관찰할 수 있었다.
