고온 솔루션: CFRP와 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC) 통합

500°F/230°C 이상의 사용 온도에서 고성능 구조물을 가능하게 하는 소재들은 제한적입니다. 옵션은 기본적으로 티타늄 같은 금속과 인코넬(Inconel) 같은 합금, 폴리이미드(PI), 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC)입니다. 이들 모두 기존 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 복합소재보다 훨씬 더 비싸지만, CMC는 인코넬의 약 1/3, 티타늄의 약 1/2에 불과한 낮은 밀도로 인해 관심을 얻고 있습니다. CMC의 단점은 부품을 만드는 데 필요한 긴 가공 시간이었습니다. 2019년 4월 미국 세라믹 학회 회보 기사에 따르면 30일에 육박합니다.

그러나 피로메랄(Pyromeral, 프랑스 바르베리)은 이 간극을 메우는 제품군을 개발했습니다. CFRP와 유사한 가공으로 약 1주일 만에 부품을 생산하면서 최대 1,500°C 성능을 제공합니다. "우리는 연속 섬유로 강화된 첨단 유리-세라믹 매트릭스를 긴 용융 침투 단계 없이 가능하게 하는 새로운 화학을 개발했습니다."라고 피로메랄 영업 및 마케팅 디렉터 기욤 장댕(Guillaume Jandin)은 설명합니다. 회사는 고탄성 탄소섬유, 탄화규소, 산화알루미늄 섬유로 각각 강화된 파이로카브(PyroKarb), 파이로식(PyroSic), 파이로자이드(PyroXide) 소재들을 제공하며, 일반적으로 2x2 트윌 직물 형태로, 50% 섬유 부피 분율(FVF)의 복합소재를 만듭니다.

열 성능 요인들

장댕은 세 가지 피로메랄 소재 모두 1시간 미만으로 1000°C 이상에서 성능을 발휘할 수 있지만, 파이로카브는 장기(1,000시간 미만) 200°C에서, 단기(100시간까지) 500°C에서 사용 가능하다고 설명합니다. 파이로식은 장기 500°C, 단기 800°C(100시간까지)에서 사용 가능합니다. 파이로자이드는 단기 1,500°C까지 사용 가능하며, 산화-산화 CMC 성능에 매우 가깝지만 더 낮은 비용으로 제공됩니다.

"실제 부품에서 열 성능은 많은 요인들에 달려 있습니다."라고 장댕은 말합니다. "여기엔 열 유형(복사, 대류), 부품 일부 영역을 식히는 데 도움이 되는 공기 흐름 여부, 필요한 구조적 특성(예: 비구조적 열 차폐 또는 반구조적 부품) 등이 포함됩니다. 소재들이 지속적 고온에서 작동하는지, 단시간 플래시에서 작동하는지도 중요합니다."라고 그는 덧붙입니다. "파이로식과 파이로카브는 후자에 잘 작동합니다. 예를 들어 1000°C에서 0.1초 반복 사이클, 냉각, 반복. 약 3.10⁻⁶ µm/m/K의 낮은 열팽창 계수(CTE)는 10.10⁻⁶ µm/m/K 이상인 금속들에 비해 이점입니다. 이런 금속들은 급속 고온 열 사이클링을 수용하기 위해 응력을 겪고 피로로 인해 열화되지만, 우리 소재들은 그렇지 않습니다."

CFRP 같은 가공, 고온 애플리케이션

"우리는 매트릭스 소재들을 실온에서 액체 상태로 발명해 프리프레그를 만들기 위해 함침 머신들을 사용합니다."라고 장댓은 말합니다. 프리프레그들은 CF/에폭시 툴들에 깔립니다. "우리 매트릭스가 알칼리성이라 반응할 수 있어 금속 툴들은 쓰지 않습니다."라고 그는 덧붙입니다. "다음 단계는 100°C, 6바에서 약 12시간 오토클레이브 덴시피케이션(autoclave densification)입니다. 부품들은 탈형된 후 독립형으로 500-1,000°C의 2단계 열공정을 거쳐, 매트릭스의 세라믹화(ceramization)를 완료해 구조 부품들을 만듭니다."

피로메랄은 포뮬러 1 레이싱카에서 초기 성공을 거두었습니다. "우리 소재들은 엔진 주변 열 차폐와 500-700°C에 도달하는 브레이크 주변에 사용됩니다."라고 장댓은 말합니다. "2012-13 F1 시즌 동안 자우버(Sauber)를 제외한 모든 차가 엔진 배기 가스(800°C) 유도용 부품들에 우리 소재들을 사용했습니다. 이 구조물들은 배기와 섀시 양쪽에서 오는 진동도 견뎠습니다. 이제 F1 경주하는 모든 차에 우리 부품들이 있습니다."

"또한 우리 소재들에 고성능 단열을 통합해 6밀리미터 두께로 700°C 강하를 견딜 수 있게 할 수 있습니다."라고 그는 계속합니다. "예를 들어, 180°C 이하로 유지되어야 하는 CF/에폭시로 만든 F1 레이싱카 기어박스가 터보차저 900-950°C에서 20밀리미터 이내에 위치하게 하는 부품들을 만듭니다." 다른 애플리케이션으로는 아리안 5 발사체용으로 인증된 파이로자이드 열 차폐와 아리안 6용 부품들, 대형 무인 항공기(UAV)용 파이로식 배기 출구 등이 있습니다.

피로메랄은 컴포지트 리소시즈(Composite Resources, 미국 사우스캐롤라이나주 록 힐)와 파트너십을 맺어 미국 시장을 확대했습니다("복합소재 제조 니치 구축" 참조). 두 회사는 규모가 비슷하고 레이싱 분야에서 오랜 역사를 공유합니다. "우리 부품 설계 및 제조 경험이 피로메랄의 화학과 소재 성능 초점과 상호 보완적입니다."라고 컴포지트 리소시즈 비즈니스 개발 디렉터 멜빌 클라우슨(Melvil Clauson)은 말합니다.

두 회사는 더 높은 온도 저항에 대한 고객 요구를 충족하고, 레이돔(radomes)과 안테나용 파이로자이드의 높은 무선 주파수(RF) 투명성을 특성화하기 위해 협력 중입니다. "초음속 항공기와 공군을 넘어 매우 광범위한 방위 애플리케이션, 상업용 제트 엔진 등에 대한 관심을 보고 있습니다."라고 클라우슨은 말합니다.

"피로메랄 제품들은 또한 미래지향적입니다."라고 클라우슨은 말합니다. "석유 기반 물질이 전혀 없고 물만 용매로 포함하기 때문입니다. 다른 구성요소들은 광물들이라, 수명 종료 부품들을 다른 애플리케이션들에서 재사용할 수 있는 분말로 가공할 수 있게 합니다."