$ZrB_2$, ZrC, $HfB_2$, HfC 및 TaC 등의 초고온 세라믹스들은 극초음속 체계의 노즈콘, 로켓 노즐 및 리딩 엣지 등에 적용하기 위하여 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 그 실제 적용은 다양한 원인 때문에 제약받고 있는데 취성 특성에 의한 낮은 열충격 저항 특성이 그 원인 중 하나이다. 그러한 문제는 세라믹 섬유강화 복합재료를 제조함으로써 개선될 수 있다. 본 리뷰에서는 초고온 세라믹스의 개념과 초고온 세라믹스 섬유강화 복합재료(UHTC-CMC)의 제조 공정 및 평가에 대하여 간단히 정리하였다. 또한 UHTC-CMC의 제조를 위한 세계적인 연구를 요약하였으며 한국에서 수행중인 초고온 세라믹스 연구에 대해 간단히 소개하였다.
$ZrB_2$, ZrC, $HfB_2$, HfC 및 TaC 등의 초고온 세라믹스들은 극초음속 체계의 노즈콘, 로켓 노즐 및 리딩 엣지 등에 적용하기 위하여 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 그 실제 적용은 다양한 원인 때문에 제약받고 있는데 취성 특성에 의한 낮은 열충격 저항 특성이 그 원인 중 하나이다. 그러한 문제는 세라믹 섬유강화 복합재료를 제조함으로써 개선될 수 있다. 본 리뷰에서는 초고온 세라믹스의 개념과 초고온 세라믹스 섬유강화 복합재료(UHTC-CMC)의 제조 공정 및 평가에 대하여 간단히 정리하였다. 또한 UHTC-CMC의 제조를 위한 세계적인 연구를 요약하였으며 한국에서 수행중인 초고온 세라믹스 연구에 대해 간단히 소개하였다.
Ultra-high temperature ceramics (UHTC) such as $ZrB_2$, ZrC, $HfB_2$, HfC and TaC has been recently actively investigated for the application as components such as nose-cone, rocket nozzle and leading edge of hypersonic systems. However, the application has been limited by vari...
Ultra-high temperature ceramics (UHTC) such as $ZrB_2$, ZrC, $HfB_2$, HfC and TaC has been recently actively investigated for the application as components such as nose-cone, rocket nozzle and leading edge of hypersonic systems. However, the application has been limited by various reasons. The brittleness of the materials and consequent low thermal shock resistance is one of the reasons. The property can be improved through the fabrication of ceramic matrix composites. In this paper, the concept of UHTC and the fabrication process and testing of UHTC-based ceramic matrix composites (UHTC-CMC) were briefly reviewed. Also, international activities regarding the fabrication of UHTC-CMC were summarized and a UHTC-CMC project, which was performed in Korea, was introduced.
Ultra-high temperature ceramics (UHTC) such as $ZrB_2$, ZrC, $HfB_2$, HfC and TaC has been recently actively investigated for the application as components such as nose-cone, rocket nozzle and leading edge of hypersonic systems. However, the application has been limited by various reasons. The brittleness of the materials and consequent low thermal shock resistance is one of the reasons. The property can be improved through the fabrication of ceramic matrix composites. In this paper, the concept of UHTC and the fabrication process and testing of UHTC-based ceramic matrix composites (UHTC-CMC) were briefly reviewed. Also, international activities regarding the fabrication of UHTC-CMC were summarized and a UHTC-CMC project, which was performed in Korea, was introduced.
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문제 정의
UHTC 소재의 단점인 낮은 신뢰도를 개선하기 위하여 다양한 세라믹 섬유로 강화된 탄소 섬유/SiC 복합체, SiC 섬유/SiC 복합체 및 탄소 섬유/carbide, 탄소 섬유/Boride 계 등 다양한 섬유강화 초고온 세라믹스 복합재료(UHTC-Ceramic Matrix Composites, 이하 UHTC-CMC) 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 본 보고에서는 UHTC-CMC의 정의, 제조 방법, 특성 및 해외의 연구동향에 대해 살펴보고 국내의 UHTCCMC 연구를 소개하겠다.
제안 방법
2013-2016년에 걸쳐 7개 기관, 9개 부서가 연합하여 “Hf, Ta계 세라믹 초내삭마 복합재료 개발” 과제를 수행하였다.
2에 나타난 다양한 고품위의 나노 UHTC 분말들을 합성하였으며, 합성된 분말들은 이태리의 ISTEC, 중국의 SICCAS, 인도의 IISc 등에 공급되어 국제 공동 연구를 수행하였다. 또한 Fig. 3 및 Fig. 4에 보여진 나노 UHTC의 분산장비 및 성형장비 등 UHTCCMC 제조를 위한 공정 개발을 수행하였다.
C에서의 삭마 거동에서도 비교적 우수한 내삭마 특성을 나타내었다. 또한 대형 및 복잡형상 기물 제조에 유리한 MI 공정의 특성을 살려 직경 50 mm 급의 대형 반구형 삭마 측정용 시편과 100 mm 급의 평판형 UHTC-CMC를 제조하였다.
고순도 HfC는 1900oC 내외에서 가압소결에 의한 치밀화를 달성하였으며 HfC-HfB2 혼합분말은 1900oC에서 상압소결에 의하여 상대밀도 97% 이상의 치밀한 소결체를 제조하였다. 또한 전산과학법을 이용하여 화학적으로 안정한 TaC-HfC 혼합 조성을 도출하였다.
이러한 공정을 통하여 제조된 UHTC-CMC는 KAIST에서 oxyacetylene torch를 이용하여 공기 중, 2700-2800oC의 환경에서 삭마 거동을 측정하였다. 제조된 Cf/HfC-SiC계 UHTC-CMC는 초고온에서 20분 삭마시킨 후에도 삭마율 5 × 10-4 mm/s의 우수한 내삭마 거동을 나타내었다.
재료연구소는 본 과제를 통하여 Fig. 2에 나타난 다양한 고품위의 나노 UHTC 분말들을 합성하였으며, 합성된 분말들은 이태리의 ISTEC, 중국의 SICCAS, 인도의 IISc 등에 공급되어 국제 공동 연구를 수행하였다. 또한 Fig.
재료연구소와 화인테크에서는 hot press 및 SPS를 이용하여 UHTC가 함침된 2D 탄소섬유의 가압소결을 수행하였으며 크기 100 mm 급의 평판형 및 20 mm 직경의 삭마 측정용 시편을 제조하였다. 제조된 UHTC-CMC는 최대 122 MPa의 굽힘 강도와 4.
전구체 함침 및 열분해(Precursor impregnation and pyrolysis, 이하 PIP) 공정도 UHTC-CMC를 제조하기 위하여 적용되었다. PIP 법으로 제조된 Cfiber-ZrC/SiC CMC의 곡강도는 325-376 MPa였으며 ablation 특성은 ZrB2의 양이 늘어날수록 증가하였으나 강도 및 탄성계수의 감소가 발생 하였다.
제조된 UHTC-CMC 표면에는 삭마 특성을 향상시키기 위하여 고순도의 치밀한 HfC, HfB2및 TaC 코팅을 vacuum plasma spray(VPS) 공정을 이용하여 형성시켰다. 탄소섬유와 코팅간의 불량한 접합 특성을 개선하기 위하여 pack cementation 공정을 이용하여 CMC 표면에 SiC 층을 형성시켜 줌으로써 CMC 표면에도 안정적으로 UHTC 코팅을 형성시키기 위한 기술을 개발하였다.
재료연구소에서는 CVI 공정을 이용하여 2D 직조된 탄소 섬유의 PyC 및 SiC 코팅 공정을 개발하였으며 초고온 세라 믹스 분말이 함침된 2D 섬유의 3차원 결합 공정을 개발하였다. 초고온 세라믹스 분말이 함침된 2D 탄소 섬유들은 참여 기관들로 공급되어 PIP, MI 및 가압소결 등 다양한 공정을 통하여 UHTC-CMC를 제조하였다.
및 TaC 코팅을 vacuum plasma spray(VPS) 공정을 이용하여 형성시켰다. 탄소섬유와 코팅간의 불량한 접합 특성을 개선하기 위하여 pack cementation 공정을 이용하여 CMC 표면에 SiC 층을 형성시켜 줌으로써 CMC 표면에도 안정적으로 UHTC 코팅을 형성시키기 위한 기술을 개발하였다. 공정 최적화를 통하여 최종적으로 상대밀도 99%, 두께 150 μm 이상의 치밀한 UHTC 코팅을 CMC 위에 성공적으로 형성시켰다.
성능/효과
이는 온도 측정 방식의 차이에 의한 온도 검출의 부정확성과 함께 SPS 도중 시편에 가해지는 높은 전류에 의한 소결 촉진 효과 때문으로 보고되었다. SiC 휘스커가 혼합된 ZrB2는 700 MPa 이상의 높은 곡강도를 나타내었으며, 단섬유 SiC가 10-20 vol% 첨가된 ZrB2는 강도가 400 MPa로 비교적 낮게 나타났다.
hot press 법으로 완전 치밀화가 이루어지지 않은 (상대 밀도 90%) ZrB2-ZrC-SiC계 복합재료는 동일 조건에서 SPS 로 소결할 경우 완전한 치밀화가 이루어진 것이 관찰되었다. 그러나 낮은 소결온도 및 짧은 유지시간에도 불구하고 SPS로 치밀화된 UHTC-CMC 내부에서 SiC 섬유와 ZrB2 기지상 간에 심한 화학적 반응이 일어나는 것으로 보고되었다.
공정 최적화를 통하여 최종적으로 상대밀도 99%, 두께 150 μm 이상의 치밀한 UHTC 코팅을 CMC 위에 성공적으로 형성시켰다.
한국에서는 2013년부터 민군융합 사업을 통하여 UHTCCMC를 제조하기 위한 연구가 진행되었으며, 이를 통하여 고순도의 나노 UHTC 분말 합성, UHTC 전구체 합성, 분산, 성형, 저온 성형, MI, PIP, 가압소결 및 VPS를 이용한 UHTC 코팅 형성 등 다양한 공정을 개발하였으며, oxyacetylene torch를 이용한 극한환경에서의 장시간 삭마 시험을 수행하였다. 그 결과 2700-2800oC 온도 영역에서 20-30분 삭마 시험 후에도 우수한 내삭마 특성을 갖는 나노 UHTC 복합 재료 및 UHTC-CMC를 성공적으로 개발하였다. 그러나 실제 적용을 위해서는 극복되어야 할 문제점들이 여전히 존재하며 서구 선진국들에 비하여 선도적으로 원천기술을 확보하기 위한 후속연구가 절대적으로 필요할 것으로 생각된다.
제조된 Cf/HfC-SiC계 UHTC-CMC는 초고온에서 20분 삭마시킨 후에도 삭마율 5 × 10-4 mm/s의 우수한 내삭마 거동을 나타내었다. 또한 내부의 탄소 섬유들이 초고온에서 장시간 삭마시험을 수행한 후에도 산화되지 않고 유지되었으며, 이에 의해 강도 및 신뢰성의 급격한 감소가 억제되었다(Fig. 7).
TU Darmstadt에서는 SiHfCN, SiHfBCN, SiTaCN, SiHfC 및 SiBC 등 다양한 액상 및 고상의 전구체를 개발하였으며 이들 중 우수한 고온 특성을 나타내며 액상으로 PIP 공정이 가능한 SiHfBCN 전구체를 이용하여 Cf /SiHfBCN CMC를 PIP 공정으로 제조하였다. 제조된 UHTC-CMC는 낮은 굽힘강도와 취성 파괴를 나타내었으나 내삭마 특성은 SiC 기지상에 비하여 우수한 특성을 나타내었다. SGL 그룹에서는 고성능 SiC 섬유의 양산을 위한 연구를 진행 중이다.
/UHTC CMC를 제조하였다. 특성 조사 결과 기존의 CMC에 비하여 내삭마 특성이 향상된 것을 확인하였다.
후속연구
그 결과 2700-2800oC 온도 영역에서 20-30분 삭마 시험 후에도 우수한 내삭마 특성을 갖는 나노 UHTC 복합 재료 및 UHTC-CMC를 성공적으로 개발하였다. 그러나 실제 적용을 위해서는 극복되어야 할 문제점들이 여전히 존재하며 서구 선진국들에 비하여 선도적으로 원천기술을 확보하기 위한 후속연구가 절대적으로 필요할 것으로 생각된다.
후속 과제를 통하여 이들 문제점들을 서구 선진국들 보다 앞서 해결하는 것이 절대적으로 필요할 것으로 판단된다. 이를 통하여 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 기대되며, 차세대 국방 및 우주항공 분야의 핵심소재인 UHTC-CMC의 기술 자립과 수출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한국에서도 민군융합과제를 통하여 UHTC-CMC를 선도적으로 개발한 것은 세계적인 연구 경향을 고려할 때 적절한 것으로 판단되나 개발된 소재의 실제 체계 적용을 위해서는 아직 극복되어야 할 문제점들이 존재한다. 후속 과제를 통하여 이들 문제점들을 서구 선진국들 보다 앞서 해결하는 것이 절대적으로 필요할 것으로 판단된다. 이를 통하여 원천기술을 확보할 수 있을 것으로 기대되며, 차세대 국방 및 우주항공 분야의 핵심소재인 UHTC-CMC의 기술 자립과 수출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초고온 소재는 어떤 재료로의 적용을 위해 연구개발이 진행되고있는가?
초고온 소재는 항공·우주 분야 중 극초음속 체계의 엔진용 부품, 노즐 및 고온용 외벽 재료로의 적용을 위하여 미국, 일본, 프랑스, 영국, 독일, 러시아, 인도 및 중국 등의 대학, 국가연구소와 관련 업체에서 정부 주도하에 연구개발을 수행하고 있다.
UHTC 소재의 단점은 무엇인가?
UHTC 소재의 단점인 낮은 신뢰도를 개선하기 위하여 다양한 세라믹 섬유로 강화된 탄소 섬유/SiC 복합체, SiC 섬유/SiC 복합체 및 탄소 섬유/carbide, 탄소 섬유/Boride 계 등다양한 섬유강화 초고온 세라믹스 복합재료(UHTC-Ceramic Matrix Composites, 이하 UHTC-CMC) 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 본 보고에서는 UHTC-CMC의 정의, 제조 방법, 특성 및 해외의 연구동향에 대해 살펴보고 국내의 UHTCCMC 연구를 소개하겠다.
고성능의 HfC등의 섬유들을 극한 환경용 체계로 적용하는데 문제점으로 보는 이유는?
이들 소재는 높은 강도, 탄성계수 및 경도 값을 가지나 낮은 파괴인성에 기인한 신뢰성 문제가 이들 소재의 실제 적용을 제한하고 있다. 특히 극한 환경에 노출될 경우 가해지는 높은 열충격에 의한 UHTC 소재의 갑작스런 파괴는 이들 소재를 극한 환경용 체계로 적용하는데 가장큰 문제점으로 부각되고 있다.
참고문헌 (9)
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