Various ceramic materials like alumina $(Al_2O_3)$, silicon carbide (SiC), and boron carbide $(B_4C)$ have commonly been used for armor materials because they have good mechanical properties like high hardness, compressive strength, and low density. Among above ceramics, both SiC and $B_4C$ have competitive mechanical properties compared to other ceramic materials. Aluminum (Al) has been used for fabricating enhanced composite armor combined with ceramics due to its low density and high fracture toughness. If SiC or $B_4C$ and Al are combined, SiC/Al and $B_4C/Al$ composite can be applied to lightweight armor, because they can have improved impact resistance by combining mechanical properties of metal and ceramic.
However, carbide/Al composites have weakness at their interface, originating from the detrimental reactions and poor wettability between carbide ceramics and Al. Therefore, many research have been attempted to improve interfacial adhesion between ceramic particles and Al matrix. Although there are many studies regarding the wettability and interfacial bond strength in ceramic particles reinforced Al matrix composites, but none of them focus on the bulk type of ceramic tile reinforced Al-alloy matrix composite.
This study focuses on analyzing the effects of surface modification of SiC and $B_4C$ tiles on the wettability, interfacial adhesion, and impact resistance of ceramic tile/MMC (metal matrix composite) composites by liquid state fabrication. The effect of coating layers of $SiO_2$ , Ni, and Si on SiC and $B_4C$ surface on the microstructures and impact resistance were analyzed. The wettability and push-out tests were conducted to analyze the effect of surface modification of the SiC and $B_4C$ tiles on wetting be-havior with Al7075 alloy. The interfacial bond strength of the surface modified SiC/MMC and $B_4C/MMC$ composites was improved compared to that of the as-received one due to the suppression of the brittle $Al_4C_3$ formation at the interface between SiC/MMC and $B_4C/MMC$ composites. The drop-weight test was conducted to analyze impact resistance of SiC/MMC and $B_4C/MMC$ composites by different surface modification. The impact resistance of the surface modified SiC/MMC and $B_4C/MMC$ composites was also enhanced owing to their strong interfacial bond strength at the interface.
우리나라뿐만 아니라 미국, 중국 등 국방 선진국에서는 세라믹/금속 복합소재를 이용하여 방탄소재로 활용하기 위해 많은 연구를 진행해 왔으며 세라믹과 금속간 계면 결합력 향상이 내충격 특성 향상에 도움이 된다는 결과도 보고되었다. 특히, 미국에서는 bulk 형태의 세라믹 타일이 삽입된 금속복합소재를 방탄판재로 응용하고 있지만 국내에서는 아직까지 세라믹 타일이 삽입된 금속복합소재와 관련된 연구가 진행되고 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 경량화된 차량용 방탄판재로 적합한 고경도, 고강도, 저밀도의 특성을 지닌 SiC타일과 $B_4C$ 타일의 표면처리 효과가 고인성, 고강도의 특성을 지닌 알루미늄과의 젖음성, 결합강도, 내충격 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
세라믹 타일/알루미늄 복합소재의 결합강도와 내충격성 향상을 시키기 위해서 세라믹 타일 표면 처리를 통한 계면 제어기술이 필수적이다. 이에 SiC타일과 $B_4C$ 타일을 Air 분위기에서 산화처리, 무전해 니켈도금 그리고 플라즈마 용사법을 이용한 실리콘 코팅을 통해 표면을 개질하였다. 표면이 개질된 SiC타일과 $B_4C$ 타일을 Al7075와의 젖음성 분석을 위해 sessile-drop방식으로 고온 접촉각 측정을 진행하였다. Push-out법을 이용하여SiC타일/금속복합소재 복합재료와 $B_4C$ 타일/금속복합소재 복합재료의 계면 결합강도를 측정하여 표면이 개질된 세라믹 타일/금속복합소재 복합재료의 계면 결합강도가 높은 것을 확인하였다. 또한 drop-weight법을 이용하여 내충격 특성을 분석하였으며, 파단면을 분석하여 크랙거동 분석과 계면 결합력에 따른 차이를 비교 분석하였다. 표면이 개질된 세라믹 타일이 삽입된 복합소재가 높은 내충격 특성을 보였으며 이는 양호한 계면결합력으로 인해 계면을 통한 충격 전달 및 흡수가 유기적으로 이루어진 결과로 분석하였다. 세라믹 타일의 표면처리를 통해 금속복합소재와의 계면 결합력 및 내충격 향상을 얻을 수 있었으며 그 중 산화처리된 세라믹 타일/금속복합소재 복합재료가 가장 높은 내충격성을 보였다.
