CFRP와 CMC 간의 격차 해소

500°F/230°C 이상의 사용 온도에서 고성능 구조를 가능하게 하는 재료는 제한적입니다. 옵션은 기본적으로 티타늄과 같은 금속과 인코넬, 폴리이미드(PI) 또는 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 합금입니다. 이들 모두는 기존의 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 복합 재료보다 훨씬 더 비싸지만 CMC는 밀도가 낮아 인코넬의 약 1/3, 티타늄의 1/2로 관심을 얻고 있습니다. American Ceramic Society Bulletin의 2019년 4월 기사에 따르면 CMC의 단점은 부품을 만드는 데 필요한 긴 처리 시간입니다. .

그러나 Pyromeral(프랑스 Barbery)은 최대 1,500°C의 성능을 제공하고 CFRP와 더 유사한 처리를 제공하여 대략 1주일 만에 부품을 생산할 수 있는 제품군을 개발했습니다. "우리는 긴 용융 침투 단계 없이 연속 섬유로 강화된 고급 유리-세라믹 매트릭스를 가능하게 하는 새로운 화학 물질을 개발했습니다."라고 Pyromeral의 영업 및 마케팅 이사인 Guillaume Jandin이 설명합니다. 이 회사는 각각 고탄성률 탄소, 탄화규소 및 산화알루미늄 섬유로 강화된 PyroKarb, PyroSic 및 PyroXide 재료를 일반적으로 2x2 능직물의 형태로 제공하여 섬유 부피 분율(FVF)이 50인 복합 재료를 제공합니다. %.

열 성능 요인

Jandin은 세 가지 Pyromeral 재료가 모두 1000°C 이상에서 1시간 미만 동안 성능을 발휘할 수 있지만 PyroKarb는 200°C에서 장기(1,000시간 미만) 서비스를 제공하고 500°C에서 최대 100시간을 제공한다고 설명합니다. PyroSic은 500°C에서 장기 서비스를 제공하고 800°C에서 최대 100시간을 제공합니다. PyroXide는 최대 1,500°C까지 짧은 서비스를 제공하며 Ox-Ox CMC의 성능에 매우 가깝지만 비용은 더 저렴합니다.

"실제 부품의 열 성능은 여러 요인에 따라 달라집니다."라고 Jandin은 말합니다. “여기에는 열의 유형(복사, 대류), 부품의 일부 영역을 냉각시키는 데 도움이 되는 공기 흐름이 있는지 여부, 필요한 구조적 특성(예:비구조적 열 차폐 또는 반구조적 부품)이 포함됩니다. 재료가 연속적인 고온에서 작동하는지 또는 단기간 플래시에서 작동하는지 여부도 중요합니다.”라고 그는 덧붙입니다. “PyroSic과 PyroKarb는 10분의 1초 동안 1000°C를 반복하고 식힌 다음 반복하는 것과 같이 후자와 잘 작동합니다. 약 3.10 ^-6 의 낮은 열팽창 계수(CTE) µm/m/K는 CTE가 10.10 ^-6 보다 큰 경향이 있는 금속에 비해 이점입니다. μm/m/K. 이러한 유형의 금속은 급속한 고온 열 순환을 수용하기 위해 응력을 일으키고 피로로 인해 열화되지만 우리 재료는 그렇지 않습니다.”

CFRP와 유사한 처리, 고온 애플리케이션

Jandin은 "우리는 매트릭스 재료를 실온에서 액체로 만들고 함침 기계를 사용하여 프리프레그를 만들도록 발명했습니다."라고 말합니다. 프리프레그는 CF/에폭시 도구 위에 놓입니다. "우리 매트릭스는 알칼리성이고 반응할 수 있기 때문에 금속 도구로 작업하지 않습니다."라고 그는 덧붙입니다. "다음 단계는 대략 12시간 동안 100°C 및 6 bar에서 고압증기멸균기 조밀화입니다." 부품이 탈형된 다음 500-1,000°C에서 2단계 열처리를 통해 독립적으로 진행되어 매트릭스의 세라믹화가 완료되어 구조적 구성 요소가 생성됩니다.

Pyromeral은 Formula 1 경주용 자동차에서 초기 성공을 거두었습니다. "저희 재료는 500-700°C의 온도에 도달하는 엔진 주변과 브레이크 주변의 방열판에 사용됩니다."라고 Jandin은 말합니다. “2012-13 F1 시즌 동안 Sauber를 제외한 모든 자동차는 엔진 배기 가스(800°C)를 유도하는 부품에 당사 소재를 사용했습니다. 이 구조는 또한 배기 가스와 섀시 모두에서 발생하는 진동에 저항했습니다. 이제 F1의 모든 자동차 경주에 부품이 있습니다.”

"또한 고성능 단열재를 재료에 통합하여 6mm 두께로 700°C의 낙하를 견딜 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "예를 들어, 우리는 CF/에폭시로 만든 F1 경주용 자동차 기어박스(180°C 미만을 유지해야 함)를 900-950°C에서 터보차저의 20mm 내에 위치할 수 있도록 하는 부품을 만듭니다." 다른 애플리케이션으로는 Ariane 5에 적합한 PyroXide 열 차폐물이 있습니다. Ariane 6의 발사체 및 부품 , 대형 무인 항공기(UAV)용 PyroSic 배기 출구.

Pyromeral은 미국 내 시장을 확장하기 위해 Composite Resources(미국 사우스캐롤라이나주 Rock Hill)와 협력 관계를 맺었습니다("복합소재 제조 틈새 시장 구축" 참조). 회사는 규모가 비슷하고 경주에서 오랜 역사를 공유합니다. 복합 자원 사업 개발 이사인 Melvil Clauson은 "부품 설계 및 제조 분야에서 우리의 경험은 Pyromeral이 화학 및 재료 성능에 중점을 둔 점을 보완합니다."라고 말합니다.

두 회사는 더 높은 온도 저항에 대한 고객 요구를 충족하고 레이돔 및 안테나에 사용하기 위한 PyroXide의 높은 무선 주파수(RF) 투명성을 특성화하기 위해 노력하고 있습니다. “우리는 초음속 항공기와 공군 이외의 매우 광범위한 방위 응용 프로그램 및 상업용 제트 엔진에 대한 관심을 보고 있습니다.”라고 Clauson은 말합니다.

"파이로메랄 제품은 또한 미래 지향적입니다."라고 Clauson은 말합니다. 다른 구성 요소는 광물로 수명이 다한 부품을 다른 응용 분야에서 재사용할 수 있는 분말로 처리할 수 있습니다.”