SiC whisker-reinforced alumina ceramic composite has recently come into prominence for structural applications because of its attractive mechanical properties. This material is a good candidate for advanced heat engine, cutting tool, and for other applications. Firstly, the mechanical properties of SiC whisker-alumina composite fabricated by hot press (1800℃/34.5MPa/1hr/Ar atm.) were investigated as a function of whisker content (10-50vol%). When SiC whiskers are added to an alumina matrix, the strength was significantly improved compared to monolithic alumina, but the fracture toughness not. The composite containing 40vol% SiC whisker exhibited a flexural strength of 540MPa, a fracture toughness of 5.6MPa √m. Analysis of fracture surface indicated that whisker pullout/bridging and crack deflection process may not contribute to fracture toughness. Secondly, the new composite with high toughness was prepared from high purity alumina and pretreated SiC wofluoric acid. The mechanical properties of the new composite were investigated. hisker in hydrThe fracture toughness was increased 18-43%. Analysis of fracture surface indicated that whisker pullout/bridging and crack deflection process may contribute to the fracture toughness. And the nature of the interfacial region of the new composite was examined in detail for evidence of chemical bonding by transmission electron microscopy (TEM). In all the SiC whisker-$Al_2O_3$ composites studied in this study, no evidence of any type of the interfacial chemical reaction layer was found.
And 20 vol% SiC whisker-reinforced alumina composites with various whisker length (18~9 ㎛$) were prepared. The dependence of whisker length on the flexural strength and the fracture toughness of the composite was examined. Using modified Fukuda model, the strength of each composits was calculated. And it was compared with experimentally measured strength. They were well coincided in longer whisker-reinforced alumina composites. Toughness was also increased with the length of the whisker used. Analysis of fracture surface indicated that toughness was improved with whisker length via increasing of the pullout length of whisker. These studies focused on improvements in the mechanical performance of SiC whisker-reinforced alumina composites. Analysis of strengthening processes indicated that both the use of long whisker and the control of whisker orientation can contribute largely to the strength of the composites. And analysis of toughening processes indicated that only the activation of whisker pullout/bridging can contribute largely to the fracture toughness.
4.1.5.
SiCw 강화 알루미나 복합재는 40vol% 의 SiCw 첨가에 의하여 강도는 기지의 약2배, 파괴인성은 기지의 약 1.4배까지 증진되었다. 그러나 이 결과를 P.F. Becher등의 연구결과$^{(1,2,5,7,8)}$와 비교하면 strengthening은 충분하나 toughening의 증진 정도는 미흡한 것으로 나타났다. 휘스카 강화에 의하여 인성이 증진되려면 첫째, 휘스카 자체의 transverse fracture toughness가 기지의 fracture toughness에 비하여 높아야 하고 둘째, 계면의 결합강도가 지나치게 높지 않아서 파괴시 휘스카의 파단 없이 충분한 길이에 걸쳐 whisker pullout 및 bridging이 가능해야 한다. 본 연구에서 제조했던 SiCw 강화 알루미나 복합재의 인성증진이 미흡 했던 원인으로는 첫째, SiCw와 alumina matrix 계면의 결합강도가 너무 커서, 즉 interfacial shear strength가 지나치게 커서 휘스카의 pullout \& bridging의 작용이 활발하지 못했기 때문이거나 둘째, SiCw의 aspect ratio가 너무 작아서 toughening을 이루는데 필요한 정도로 충분히 크지 못했기 때문이라고 생각할 수 있다. 따라서 다음절에서는 복합재의 인성 증진을 위하여 SiCw와 alumina matrix계면의 결합력이 약한 복합재의 제조를 시도하였다. 그리하여 SiCw는 불산처리하여 표면에 존재하는 oxide rich phase를 제거하였으며, 알루미나는 고순도 알루미나를 대체 사용하여, 혼입된 불순물에 의한 화학적 반응층의 생성 가능성을 가능한한 배제하였다.
4.2.5.
1) 고순도 알루미나 및 불산처리한 휘스카의 사용에 의하여 인성이 높은 복합제의 제조가 가능함을 확인하였다. OAOS에 비하여 NANS의 파괴 인성이 25~47% 증가하였다
2) SiCw와 $Al_2O_3$ matrix 계면에서 특별한 계면상의 존재를 인지할 수 없었다. 300,000배의 고배율하에서도 식별가능한 화학반응층의 존재를 확인하지 못하였다. 그러나 NANS에서 whisker pullout 및 debonding이 OAOS나 OANS에 비하여 보다 활발하게 진행됨을 관찰할 수 있었다.
4.3.5.
1) long whisker가 short whisker에 비하여 강화에 더욱 효과적이다. 길이가 임계길이의 2배 이상인 휘스카는 복합재의 강도를 크게 증대시킨다. SiCw의 alumina-20vol % SiCw composite의 강화증진에의 기여효과는 modified Fukuda식에서 예측한 바와 같다.
2) long whisker가 short whisker에 비하여 toughening에 더욱 효과적이다. 그리고 long whisker 일수록 파단면에서의 휘스카의 pullout length가 크다. 파괴에너지는 pullout length의 3 승에 비례하므로 사용휘스카의 길이차에 따른 휘스카의 pullout and bridging machanism 의 작용정도가 ARC복합재의 파괴인성 변화의 주원인 중의 하나라고 생각된다.
