[논문]탄소섬유 강화 탄화규소 세라믹 복합소재 초음속 재생냉각 연소기 개발

김세영; 김수현; 한인섭; 우상국; 성영훈

탄소섬유 강화 탄화규소 세라믹 복합소재 초음속 재생냉각 연소기 개발
Development of regenerative scramjet combustor with carbon fiber reinforced ceramic matrix composites

김세영 (한국에너지기술연구원 에너지소재연구실) , 김수현 (한국에너지기술연구원 에너지소재연구실) , 한인섭 (한국에너지기술연구원 에너지소재연구실) , 우상국 (한국에너지기술연구원 에너지소재연구실) , 성영훈 (한국에너지기술연구원 에너지소재연구실)

초음속 스크램제트 연소기는 약 2000K 이상의 고온과 빠른 유속을 가지는 연소 환경에 노출되며 현재 inconel 등의 고온 금속 소재를 적용하고 있다. 이러한 금속소재는 1000K 이상의 고온 환경에서 물성 저하 현상이 크게 나타나 장시간 및 재사용이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 차세대 고온 내열 소재로 주목 받는 섬유강화 세라믹 복합소재를 스크램제트 연소기에 적용하기 위한 연구를 수행 하였으며, 연소효율 향상을 위해 고온의 연료를 분사할 수 있는 재생냉각형 연소기 제조를 위한 기초 기술을 개발 하였다.

Scramjet combustor materials are exposed at ultra high temperature over 2000K and severe erosion environment. Inconel alloys are usually applied for combustor material however its mechanical properties are decreased beyond temperature of 1000K so that is impossible for long term operation and reuse. In this study, fiber reinforced ceramic material was used as scramjet combustor material and its feasibility studied. To increase combustion efficiency, regenerative combustor system developed and channel fabrication in composite material also studied.

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문제 정의

기존 스크램 제트 연소기에 적용되는 금속 소재를 고온 내열성 및 비강도가 우수한 섬유강화 세라믹 복합소재로 대체하기 위한 연구를 수행 하였으며, 연소 효율 향상을 위해 내부 유로를 갖는 재생 냉각형 구조 연구도 함께 수행 하였다.
섬유강화 복합소재의 장점인 비강도를 향상시키기 위해 섬유 체적비를 증가시키는 연구를 수행 하였다.

제안 방법

5mm 정도의 낮은 삭마율을 보여 연소기 실제 적용에 적합함을 확인 하였다.또한, 유로 내 연료 주입을 위한 fitting 조임 하중 한계 값을 도출 하였으며, 비강도를 더욱 향상시키기 위한 최적 섬유 체적비 값을 함께 확인 하였다.
제조된 복합소재는 kerosene과 oxygen을 연료로 하여 2000°C 토치 삭마 시험을 수행하여 연소 환경 적합성을 판단하였다. 또한, 재생냉각을 위한 소재 내부 유로 형성 공정과 fitting 체결을 위한 토크 시험을 함께 수행 하였다.
복합소재 내부 유로를 통해 연료를 주입하기 위해 fitting등의 삽입이 필수적이며, 이를 위해 복합소재에 체결 가능한 나사산 구조 조임에 대한 토크 시험을 수행 하였다[4]. 각 시편은 30mm 사각형이며 두께는 8mm였다.
복합소재의 섬유 체적비에 따른 특성 변화 연구를 위해 탄소섬유/페놀수지 복합소재 제조 시 다양한 성형 압력을 적용해 0.49~0.7의 섬유체적비를 갖는 복합소재를 제조 하였으며, 각 조건 시험편의 3점 굽힘 강도 응력-변형률 곡선을 Fig. 5에 나타내었다. 굽힘강도는 섬유 체적비를 증가시킴에 따라서 함께 증가 할 것으로 예측 하였으나, 실제 측정 결과에서는 0.
제조된 복합소재는 kerosene과 oxygen을 연료로 하여 2000°C 토치 삭마 시험을 수행하여 연소 환경 적합성을 판단하였다.
탄화된 preform은 1600°C의 진공 챔버에서 용융된 Si의 함침/반응 공정을 수행하여 최종 C/SiC 복합소재를 확보 하였다.
토치삭마 시험은 2000°C에서 60, 220, 300그리고 600초간 유지하였으며, 시험 전/후의 무게 변화 및 단면의 SEM 분석을 수행 하였다.

대상 데이터

복합소재 내부 유로를 통해 연료를 주입하기 위해 fitting등의 삽입이 필수적이며, 이를 위해 복합소재에 체결 가능한 나사산 구조 조임에 대한 토크 시험을 수행 하였다[4]. 각 시편은 30mm 사각형이며 두께는 8mm였다. 삽입된 fitting은 NPT 1/4“이며 토크를 증가 시키며 시험편의 파손 상태를 A-scan 초음파 탐상법을 적용하여 확인 하였다.
본 연구에서는 차세대 고온 내열 소재로 주목 받고 있는 섬유강화 세라믹 복합소재 (Ceramic Matrix Composites, CMC)를 연소기 제조에 적용 하였으며, 금속 소재를 대체할 경우 1/4 밀도와 400°C 이상의 내열 특성 향상을 기대 할 수 있다[3].
연구에 적용된 복합소재는 LSI 공정을 이용하였으며, 사용된 섬유는 T300 grade plain woven를 사용하였다. 페놀수지에 함침된 섬유는 180°C에서 경화 된 후 N₂ 분위기 1000°C에서 탄화 되었다.
이를 제조하는 공정은 liquid silicon infiltration (LSI)를 적용 하였다. 적용된 CMC소재는 탄소섬유 강화 탄화규소 세라믹 복합소재(C/SiC)이며, 고온 내삭마 특성과 내부 유로 형성 공정 기술에 대한 여구를 수행 하였다.

이론/모형

삽입된 fitting은 NPT 1/4“이며 토크를 증가 시키며 시험편의 파손 상태를 A-scan 초음파 탐상법을 적용하여 확인 하였다.

성능/효과

Fig. 2에 나타낸 것과 같이 산화, 삭마 거동은 시간에 따라 함께 증가함을 보이지만, 삭마율은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 SiO2에 의한 산화 피막의 형성과 산화 깊이에 따른 산소량의 감소에 따른 결과로 판단된다.
토치삭마 시험은 2000°C에서 60, 220, 300그리고 600초간 유지하였으며, 시험 전/후의 무게 변화 및 단면의 SEM 분석을 수행 하였다. Fig.1에 나타낸 것과 같이 600초 삭마 시험 후 약 0.5mm 표면에서 탄소섬유가 산화된 것을 확인 할 수 있었으며, 표면에는 SiO₂가 형성되어 있음을 관찰 하였다.
파단면의 경우 섬유 pull-out 현상이 낮은 섬유 체적비 의 경우 매우 잘 형성 된 것이 확인 되었으나,높은 섬유 체적비의 시편의 경우 취성 파괴가 발생한 것으로 나타났다. SEM 결과 낮은 섬유 체적비 시편의 경우 하중이 전달 되어야 할 탄소섬유가 segment 내에서 잘 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있으나, 높은 섬유 체적비 시편의 경우 segment 내부 까지 용융된 Si가 침투하여 탄소섬유와 반응한 것으로 나타났다. 이로 인해 탄소섬유에 반응 손상이 발생하고, 하중 인가 시 취성 파괴가 발생한 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 굽힘강도는 섬유 체적비를 증가시킴에 따라서 함께 증가 할 것으로 예측 하였으나, 실제 측정 결과에서는 0.56 이후 다시 감소하는 경향을 보였다. 또한, 섬유강화 세라믹 복합소재의 장점이라 할 수 있는 최대 응력 이후 fiber pull-out 현상에 의한 파괴 지연 효과 역시 섬유 체적비의 증가에 따라 점차 감소하는 것을 확인 하였다.
56 이후 다시 감소하는 경향을 보였다. 또한, 섬유강화 세라믹 복합소재의 장점이라 할 수 있는 최대 응력 이후 fiber pull-out 현상에 의한 파괴 지연 효과 역시 섬유 체적비의 증가에 따라 점차 감소하는 것을 확인 하였다. 이러한 파괴 지연 효과는 섬유 체적비 0.
이는 SiO2에 의한 산화 피막의 형성과 산화 깊이에 따른 산소량의 감소에 따른 결과로 판단된다. 또한, 유로 형성 시 이러한 산화 손실 두께를 고려한 설계가 필요함을 확인 하였다.
섬유강화 세라믹 복합소재의 연소 환경 저항성 확인을 위해 2000°C 토치삭마 시험을 수행 하였으며, 표면 0.5mm 정도의 낮은 삭마율을 보여 연소기 실제 적용에 적합함을 확인 하였다.
6에는 섬유 체적비별 복합소재의 단면에 대한 SEM 과 파단면 분석 결과이다. 파단면의 경우 섬유 pull-out 현상이 낮은 섬유 체적비 의 경우 매우 잘 형성 된 것이 확인 되었으나,높은 섬유 체적비의 시편의 경우 취성 파괴가 발생한 것으로 나타났다. SEM 결과 낮은 섬유 체적비 시편의 경우 하중이 전달 되어야 할 탄소섬유가 segment 내에서 잘 존재하고 있는 것을 확인 할 수 있으나, 높은 섬유 체적비 시편의 경우 segment 내부 까지 용융된 Si가 침투하여 탄소섬유와 반응한 것으로 나타났다.

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