탄화규소 섬유는 고온 산화 저항성, 높은 경도, 높은 강도, 높은 열 안정성, 내식성 및 낮은 밀도의 장점을 가지고 있습니다.
탄화규소 섬유는 고온 산화 저항성, 고경도, 고강도, 높은 열 안정성, 내식성, 그리고 낮은 밀도라는 장점을 가지고 있습니다. 이는 항공우주 분야에서 가장 이상적인 고온 내성, 강화 및 스텔스 소재 중 하나입니다. 또한 중성자 흡수 단면적이 작아 항공, 우주항공, 원자력 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다.
- 1. 항공 엔진용 고온 구조 재료의 기술적 우위
높은 추력대 중량비는 첨단 항공우주 엔진이 끊임없이 추구하는 목표입니다. 엔진의 추력대 중량비가 높아짐에 따라 터빈 입구 온도도 계속 상승하고 있으며, 기존의 고온 합금 소재 시스템으로는 첨단 항공우주 엔진의 요구 조건을 충족하기 어렵습니다. 예를 들어, 추력대 중량비가 10인 기존 엔진의 터빈 입구 온도는 이미 1500°C에 도달했으며, 추력대 중량비가 12~15인 엔진의 평균 터빈 입구 온도는 1800°C를 초과하여 고온 합금 및 금속간 화합물의 사용 온도를 크게 초과합니다. 현재 내열성이 가장 우수한 니켈계 고온 합금 소재의 작동 온도는 약 1100°C에 불과합니다. SiCf/SiC의 작동 온도는 1650°C까지 증가할 수 있으며, 항공우주 엔진의 가장 이상적인 핫엔드 구조 부품 소재로 간주됩니다.
유럽과 미국 등 항공 선진국에서는 SiCf/SiC가 M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 등의 항공기 엔진 고정 부품에 실제로 사용되고 양산되고 있습니다. 군용/민간 항공기 엔진에도 사용됩니다.
우리나라는 1980년대부터 탄화규소 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC-SiC) 응용 기술 연구를 핵심 개발 분야로 지정하여 왔으며, 2022년 1월에는 NPU(무인 프로세서)가 국내 신소재 세라믹 매트릭스 복합소재를 사용하여 제작한 항공우주 엔진의 일체형 터빈 디스크가 첫 비행 시험 검증을 성공적으로 완료했습니다. 이는 세라믹 매트릭스 복합소재 로터 조립 플랫폼의 국내 최초 공중 비행 시험으로, 우리나라 항공엔진 핵심 기술의 또 다른 중요한 돌파구를 의미합니다. 그러나 현재까지 우리나라의 CMC-SiC 응용 범위와 누적 평가 기간은 매우 제한적이며, 해외 엔지니어링 응용 연구와 큰 격차가 존재합니다.
현대 무선 기술과 레이더 탐지 시스템의 급속한 발전으로, 스텔스 기술은 무기 체계, 특히 원거리 타격 능력의 생존성과 침투 능력을 향상시키는 효과적인 수단으로서 첨단 무기를 놓고 경쟁하는 군사 강대국들 사이에서 뜨거운 화두가 되고 있습니다. 스텔스 소재 기술은 현재 레이더 스텔스를 구현하는 가장 효과적이고 실현 가능한 수단입니다. 특수 환경에서 사용되는 스텔스 소재의 경우, 탐지율과 같은 기본적인 성능 저하 외에도 우수한 열 안정성과 내식성이 요구됩니다. 예를 들어, 고속 비행 스텔스 전투기의 엔진 꼬리 노즐, 날개 끝단 등 부품은 고온 산화 및 반복적인 고온 및 저온 충격 시험을 거치게 됩니다. SiCf/SiC는 우수한 기계적 특성, 내산화성, 긴 고온 사용 수명을 제공할 뿐만 아니라, 우수한 전파 흡수 특성을 갖추고 있어 초음속 항공기 표면, 엔진 꼬리 노즐, 순항 미사일 노즈 등 무기 및 장비의 고온 부품에 대한 요구 사항을 충족합니다. 스텔스 요구 사항과 광범위한 적용 가능성을 제공합니다.
- 3. 중성자 흡수 단면적이 작아 원자로 분야에서 큰 위력을 발휘
원자로 안전 문제에 대한 중요성이 커짐에 따라 현재 상업용 경수로 원자력 발전소에 사용되는 거의 모든 지르코늄 합금 연소 요소가 재고되고 있으며, 피복재 또는 모재로 탄화규소를 사용하는 새로운 연료 요소가 새로운 연구 핫스팟이 되었습니다. 연료 요소는 원자로의 핵심 구성 요소이며, 그 성능 지표는 원자로의 안전성과 경제성에 직접적인 영향을 미칩니다. SiCf는 고온 강도, 높은 경도, 우수한 내마모성, 우수한 열충격 저항성, 높은 열전도도, 강한 산화 저항성 및 내화학성 등의 우수한 특성을 가지고 있으며, 중성자 흡수 단면적이 작고 고유 활동도와 붕괴열이 낮아 원자로 분야에 적합하며 경수로, 용융염 원자로 및 가스냉각 고속로에서의 적용 가능성이 높습니다.
첨단기술은 항상 일본과 미국이 주도해 왔다
SiC 섬유는 탄생 이후 40년 동안 급속도로 발전해 왔습니다. 섬유 조성과 구조의 차이에 따라 1세대, 2세대, 3세대 섬유로 나눌 수 있습니다. 1세대는 산소 함량이 높고 탄소 함량이 낮은 탄화규소 섬유이고, 2세대는 산소 함량이 낮고 탄소 함량이 높은 탄화규소 섬유이며, 3세대는 화학양론비에 가까운 탄화규소 섬유입니다. SiC 섬유 개발 과정에서 일본과 미국 등 주요 국가들은 항상 경쟁에서 앞서 나가고 있습니다.
1세대 SiC 섬유의 획기적인 발전
1980년대에 우리나라는 탄화규소 섬유가 신소재로서 항공우주 분야에 잠재적인 응용가치를 가지고 있다는 것을 깨닫고 일찍부터 연구를 시작하여 사전에 계획하고 국방과학기술대학의 관련 과학연구자들을 특별히 조직하여 SiC 섬유 연구그룹을 설립했습니다.
2000년대 이후, 우리나라는 1세대 SiC 섬유의 응용 연구 단계에 돌입하였고, 독자적으로 개발한 SiC 섬유에 대한 힘겨운 연구와 산업 개발을 시작했습니다.
2005년, 장쑤성과 쑤저우시 정부의 지원으로 고온 내열 연속 탄화규소 섬유 산업화가 본격화되었고, 강력한 과학 연구팀을 구성했습니다. 끊임없는 노력과 독자적인 연구 개발을 통해 핵심 핵심 장비를 자체 제작하여 탄화규소 섬유 연속 생산을 달성한 국내 최초의 기업으로, 일본, 미국 등 여러 국가의 군사용 민감 소재에 대한 오랜 기술 봉쇄와 제품 독점을 깨뜨렸습니다.
2세대 연속 SiC 섬유 따라잡기
지난 10년간 항공우주 엔진의 개발은 고온 내성 연속 SiC 섬유에 대한 명확한 수요를 제시했으며, 이는 2세대, 3세대 SiC 섬유에 대한 엔지니어링 기술 개발을 직접적으로 촉진했습니다.
1세대 SiC 섬유의 높은 산소 함량으로 인해 공기 중 장기 사용 온도가 1050°C를 초과하지 못하는 단점을 해결하기 위해, 국방과학기술대학은 2세대 SiC 섬유에 대한 핵심 기술 연구에 착수했습니다. 폴리카보실란의 반응성을 유지하는 동시에, 폴리카보실란의 조성 및 구조를 최적화하여 우수한 방사성과 무산소 비용융 처리 기술을 갖춘 고연화점 폴리카보실란 합성에 획기적인 진전을 이루었으며, 예비 소성 및 최종 소성 공정을 최적화했습니다. 또한, 독자적인 지식 재산권을 보유한 2세대 연속 SiC 섬유 엔지니어링 제조 기술을 확보했습니다.
"12차 5개년 계획" 기간 동안 총 600kg이 넘는 2세대 연속 SiC 섬유와 직물이 중국 항공우주산업(AVIC), 항공우주과학기술그룹 및 기타 사용자 단위에 제공되었으며, 이를 통해 첨단 항공우주 엔진 등에 사용되는 2세대 연속 SiC 섬유에 대한 긴급 수요를 처음에 충족할 수 있었습니다.
지금까지 연속 SiC 섬유는 제품 유형, 성능 및 생산량 면에서 큰 진전을 이루었으며, 연속 SiC 섬유의 제조 기술, 공정 장비 및 제품에 금수 조치를 부과하는 일련의 외국 봉쇄 조치를 처음으로 돌파했습니다.
검은 3세대 SiC 섬유를 가리킨다
국내 SiC 섬유의 고온 성능을 더욱 향상시키기 위해 국방과학기술대학교는 3세대 SiC 섬유 개발에 착수했습니다.국방과학기술대학교에서 개발한 3세대 섬유는 주로 KD-S와 KD-SA입니다.전자는 주로 첨단 원자력 분야에 사용되고, KD-SA는 주로 고온 구조재에 사용됩니다.KD-S 섬유는 수소소성법을 사용하여 탄소를 제거하고, 화학양론에 가까운 조성을 가지며, 인장강도가 2.5GPa 이상입니다.KD-SA 섬유는 Tyranno SA 섬유와 유사한 제조 경로를 채택합니다.전구체인 폴리알루미노카보실란은 저분자량 폴리카보실란과 알루미늄 아세틸아세토네이트 또는 염화알루미늄으로부터 제조됩니다.KD-SA 섬유는 큰 진전을 이루었으며 강도가 강합니다.2.2GPa 이상에서는 인장탄성률이 380GPa에 이릅니다. 또한, 고온 스텔스 구조소재에 대한 수요를 충족하기 위해 국방과학기술대학에서는 흡수섬유에 대한 연구도 진행하고 있습니다.
R&D 및 산업화 세력이 점차 확대되고 있습니다.
최근 몇 년 동안 많은 단위에서 탄화규소 섬유 연구 및 생산에 참여하기 시작했습니다. 또한 연속 SiC 섬유를 위한 파일럿 연구 장비 플랫폼을 구축하고 전자빔 조사 가교 기술을 사용하여 2세대 SiC 섬유를 개발했습니다. 일본의 Hi-Nicalon S 섬유와 유사한 제조 경로를 사용하여 H₂ 환원법을 사용하여 화학양론비에 가까운 섬유를 제조하는 연구를 수행했습니다. 연속 SiC 섬유 샘플이 생산되었으며, 동시에 Tyranno SA와 유사한 경로를 사용하여 Si-Al-C 섬유를 제조했습니다. 예비 탐사.
연속 SiC 섬유의 사회적, 경제적 이점에 힘입어 기업들도 연속 SiC 섬유 개발에 참여하여 연속 SiC 섬유 제품을 개발하기 시작했습니다. 현재 1세대 연속 SiC 섬유는 톤 단위 생산에 성공했습니다.
국방, 군사력, 무기 기술의 현대화가 가속화됨에 따라 고성능 섬유는 다양한 분야에서 급속도로 발전하고 있습니다. 고성능 섬유의 대표주자인 탄화규소 섬유는 우수한 고온 내성, 내식성, 그리고 뛰어난 흡수성을 가지고 있어 널리 주목을 받고 있습니다.
수십 년간 기술 발전에 발목이 잡혀 있었지만, 다행히도 우리는 결코 따라잡기를 포기하지 않았습니다. 현재 우리나라의 탄화규소 섬유 제조 기술 수준은 일부 국제 선진 수준에 근접했지만, 전반적으로는 특히 산업화 생산 실현 측면에서 외국과 여전히 상당한 격차가 존재합니다. 탄화규소 섬유는 새로운 국가 전략 비축 소재로, 우리나라는 이에 대한 투자와 보급을 확대하고 있습니다. 가까운 미래에 우리나라가 탄화규소 섬유 핵심 기술을 점차 습득하여 산업화 생산을 실현할 것으로 예상됩니다.
