고급 세라믹의 장단점

느린 대규모 채택에도 불구하고 고급 세라믹 및 세라믹 매트릭스 복합 재료는 주요 항공우주 및 군사 응용 분야에서 자리를 찾고 있습니다.

오늘날의 도자기는 고대 세계의 가마에서 먼 길을 왔습니다. 도자기는 24,000년 전으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 그들의 적용은 특히 고성능 군용 및 상업용 제트 엔진, 미사일, 우주선, 그리고 "장갑 및 마모 부품의 높은 경도 또는 내화물 적용을 위한 고온 저항"을 포함한 구성 부품 및 기타 응용 분야에서 계속 발전하고 있습니다. 기계 설계에.

구조용 세라믹이든 세라믹-매트릭스 복합재의 일부이든 다재다능한 재료는 제조업체가 제트 터빈 엔진의 연료 효율성을 높이는 동시에 기존 엔진만큼 많은 냉각이 필요하지 않도록 도와줍니다. 예를 들어 GE Aviation은 CMC가 금속보다 3분의 2가량 가벼우며 20% 더 높은 온도 성능을 제공한다고 주장합니다.

Lux Research의 Anthony Vicari와 Anthony Schiavo는 다음과 같이 기술합니다. MachineDesign에 대한 기사.

업계에서 가장 규모가 큰 몇몇 기업들도 항공우주 디자인에서 세라믹의 이점을 파악했습니다. American Machinist에 따르면 General Electric에서 United Technologies, Safran, Boeing 및 Rolls Royce에 이르기까지 1980년대 초반부터 세라믹을 사용한 항공우주 디자인에 대한 8,000개 이상의 특허가 부여되었습니다.

고급 세라믹 및 세라믹 매트릭스 복합 재료:좋은 점과 나쁜 점을 함께 사용

이점에도 불구하고 반드시 세라믹이 항공우주 디자인 재료의 만능인 것은 아닙니다. 제조업체에서도 알 수 있듯이 세라믹은 가공 및 비용 측면에서 문제가 있습니다.

세라믹은 단열 특성이 풍부하여 항공기 터빈 내부의 고온과 짝을 이룰 때 효과적인 도구가 됩니다. 또한 매우 가볍고 부식되지 않으며 제트 연료와의 접촉을 견딜 수 있고 우주에서 더 빠른 속도와 확장된 영역을 달성할 수 있습니다. 그러나 성형 및 처리는 느리고 어려울 수 있습니다.

"도자기가 실패하면 금속처럼 우아하게가 아니라 갑자기 그리고 파국적으로 실패합니다."라고 Lux Research는 말합니다. “이것이 유일한 제한 사항은 아닙니다. 구조용 세라믹은 매우 높은 온도 저항을 가지므로 느리고 에너지 집약적인 고체 상태 방법으로 처리해야 합니다. 또한, 고밀도화 후 높은 경도로 인해 세라믹 가공이 주요 도전 과제입니다.”

치명적인 파손에 대응하기 위해 섬유 보강재는 "재료가 파손되기 시작한 후 매트릭스 및 베어링 하중을 통한 균열 전파"를 제어하는 ​​데 도움이 된다고 Lux Research는 말합니다.

도자기는 가공하기 어렵지만 불가능하지는 않습니다.

제조업체는 항공우주 설계에 세라믹을 사용하는 것이 내구성 있는 재료를 사용하면서 항공기 무게를 줄이는 확실한 방법이라는 것을 알고 있습니다.

Seco Tools의 교육 및 기술 서비스 관리자인 Don Graham은 제조 엔지니어링 기사에서 "강도와 내열성을 향상시키는 동일한 특성으로 인해 가공이 더 어려워집니다."라고 말합니다. Graham은 최종 가공 또는 연삭 기간 동안 어려움이 발생하며, 여기서 잘못 절단하면 세라믹의 표면 무결성이 손상된다고 지적합니다. 또한 높은 재료 제거율에서 손상될 가능성이 더욱 높아집니다.

Alexander Gorin은 "취성 특성, 높은 경도, 크리프 저항성 및 고강도로 인해 선삭, 밀링 및 드릴링과 같은 기존 가공 방법은 균열, 취성 균열 및 모서리 치핑으로 인해 고급 세라믹에서 제대로 수행하기 어렵습니다."라고 설명합니다. M. Mohan Reddy의 논문, Advanced Ceramics:기존 방법에 의한 가공의 일부 과제 및 솔루션.

Graham에 따르면 세라믹 가공의 어려움을 완전히 제거할 수는 없지만 적절한 도구 선택으로 문제를 완화할 수 있는 방법을 상점에서 찾았습니다. 날카로운 절삭날과 포지티브 갈퀴가 있는 공구는 절삭 부하를 감소시키는 반면 미세 입자 모재가 있는 인서트는 연마 절삭 조건에 잘 맞습니다.

"섬유 보강재는 취성 문제를 크게 극복했지만 CMC의 낮은 열전도율, 높은 경도 및 마모성으로 인해 가공성이 저하됩니다."라고 Graham은 말합니다. "기존의 가공 방법 외에도 제조업체는 워터젯, EDM, 레이저 보조 가공, 연삭 및 PCBN 삽입 도구 사용과 같은 CMC 부품을 처리하는 대체 방법을 실험하고 있습니다."

도자기가 잘못 가공되면 구조가 강도를 잃습니다. 

도자기 조각이 잘못 가공되면 구조 자체의 강도가 크게 떨어집니다. 샌드위치된 복합 재료가 울퉁불퉁하거나 고르지 않거나 변형된 모서리로 절단되면 전체 구조가 상당한 양의 강성을 잃게 됩니다.

"불균일하게 절단되거나 변형된 샌드위치형 복합 재료는 골판지를 구부리면 강성이 파괴되는 것과 같이 강도가 떨어집니다."라고 Graham은 씁니다. "정삭 가공을 위해 공장에서는 이러한 샌드위치 합성물을 위해 특별히 설계된 고속 엔드밀을 사용해야 합니다."

항공우주 설계에서 세라믹으로 가공할 때 모든 유형의 굽힘이나 해어짐을 피하는 것이 중요합니다. Graham은 해결책은 매우 날카로운 모서리와 빠른 절단 속도를 가진 절단기를 사용하는 것이라고 지적합니다.

도자기는 비싸지만 혁신은 유익합니다

Gorin/Reddy에 따르면 세라믹을 가공할 때 강력하고 효율적인 절단에 중점을 두고 있기 때문에 많은 상점이 세라믹 기반 구조의 무결성을 유지하는 데 전체 비용의 최대 80%를 기여하는 것으로 알려진 것은 놀라운 일이 아닙니다. 종이. 당연히 이것은 예산을 유지하거나 작업의 다른 측면에 자금을 할당하려고 할 때 문제가 될 수 있습니다.

MachineDesign 기사에서 Lux Research는 "우리 CMC의 우수한 기계적 특성을 사용하려는 [D]디자이너는 특권에 대한 비용을 지불해야 합니다. “최저가의 흑연/탄소 섬유 CMC는 단순한 형태의 경우 약 $30/lb의 가격을 요구하며, 이는 기계가공에 따라 극적으로 증가합니다. 고온 애플리케이션을 위한 탄화규소 매트릭스/탄화규소 섬유 CMC는 고순도 섬유를 요구하며 가격은 $4,000/lb 이상에서 시작하여 $9,000/lb 이상의 프리폼 가격으로 이어집니다."

전문가들은 세라믹 채택이 느리고 종종 정부 자금의 보조금과 인센티브로 뒷받침되기 때문에 실제로 성공하려면 비용을 줄여야 한다고 말합니다. Lux Research는 "섬유와 같은 중간체의 비용을 줄이는 기술은 새로운 시장을 개척할 수 있고 공정의 발전은 CMC 부품의 신뢰성을 높여 자격을 용이하게 할 수 있습니다."라고 지적합니다.

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