첨단 세라믹: 이점, 과제, 산업 응용 분야

대규모 채택은 느리지만, 첨단 세라믹과 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)는 주요 항공우주 및 군사 응용 분야에서 입지를 다지고 있습니다.

오늘날의 세라믹은 고대 세계의 가마에서부터 먼 길을 왔습니다. 세라믹은 24,000년 전으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 그 응용은 계속 진화하고 있으며, 특히 고성능 군용 및 상업용 제트 엔진, 미사일, 우주선, 그리고 "장갑 및 내마모 부품용 고경도, 내화 응용 분야용 고온 저항" 등을 포함한 부품 및 기타 응용 분야에서 그러하다고 Machine Design은 전합니다.

구조 세라믹이든 세라믹-매트릭스 복합재의 일부이든, 이 다재다능한 소재는 제조사들이 제트 터빈 엔진의 연료 효율을 높이는 동시에 기존 엔진만큼 많은 냉각이 필요 없도록 돕고 있습니다. 예를 들어 GE 에비에이션(GE Aviation)은 자사의 CMC가 금속보다 2/3 더 가볍고 20% 더 높은 온도 능력을 가진다고 주장합니다.

"1887년 베이어 공정으로 보크사이트 정제가 발견된 후 등장한 첨단 세라믹은 전통적인 세라믹에 비해 우수한 기계적, 열적, 전자적 특성을 가지고 있습니다"라고 럭스 리서치(Lux Research)의 앤서니 비카리(Anthony Vicari)와 앤서니 스키아보(Anthony Schiavo)는 MachineDesign 기고문에서 썼습니다.

업계의 가장 큰 여러 기업들도 항공우주 설계에서 세라믹의 이점을 포착했습니다. 제너럴 일렉트릭부터 유나이티드 테크놀로지스, 사프란, 보잉, 롤스로이스까지, American Machinist에 따르면 1980년대 초반부터 세라믹을 활용한 항공우주 설계 특허가 8,000건 이상 승인되었습니다.

첨단 세라믹 & 세라믹 매트릭스 복합재: 장단점을 함께 받아들여야

이점에도 불구하고, 세라믹이 항공우주 설계 소재의 전부는 아닙니다. 제조사들이 발견했듯이, 세라믹은 가공과 비용 면에서 과제가 있습니다.

세라믹은 열 차단 특성이 풍부하여 항공기 터빈 내부의 고온과 결합할 때 효과적인 도구가 됩니다. 또한 매우 가볍고 비부식성이며, 제트 연료와의 접촉을 견디고 우주에서 더 빠른 속도와 확장된 영역을 달성할 수 있습니다. 하지만 성형과 가공은 느리고 힘들 수 있습니다.

"세라믹이 고장날 때, 금속처럼 우아하게가 아니라 갑작스럽고 치명적으로 고장납니다"라고 럭스 리서치는 지적합니다. "이것이 유일한 한계는 아닙니다: 구조 세라믹은 극도로 높은 내열성을 가지므로, 느리고 에너지 집약적인 고상 공정으로 가공해야 합니다. 또한 치밀화 후 높은 경도로 인해 세라믹을 형상에 맞게 가공하는 것이 큰 과제입니다."

치명적 고장을 방지하기 위해 섬유 보강이 사용되어 "매트릭스를 통한 균열 전파 제어와 소재가 고장나기 시작한 후 하중 지지"를 돕는다고 럭스 리서치는 전하며, 이는 CMC가 "금속의 연성 파괴처럼 점진적으로 고장나도록 허용"합니다.

세라믹 가공은 어렵지만 불가능하지는 않다

제조사들은 항공우주 설계에 세라믹을 사용하는 것이 항공기 무게를 줄이면서 내구성 있는 소재를 사용하는 확실한 방법임을 알고 있습니다.

"강도와 내열성을 높여주는 바로 그 특성이 가공을 더 어렵게 만듭니다"라고 시코 툴스(Seco Tools)의 교육 및 기술 서비스 매니저 돈 그레이엄(Don Graham)은 Manufacturing Engineering 기고문에서 썼습니다. 어려움은 최종 가공 또는 연마 단계에서 발생한다고 그레이엄은 지적합니다. 세라믹의 표면 무결성이 잘못 절삭되면 손상됩니다. 게다가 높은 금속 제거율에서 손상 가능성이 더욱 증가합니다.

"취성, 높은 경도, 크립 저항, 높은 강도로 인해 선삭, 밀링, 드릴링 같은 기존 가공 방법을 첨단 세라믹에 효과적으로 수행하기 어렵습니다. 균열, 취성 파손, 모서리 치핑 때문"이라고 알렉산더 고린(Alexander Gorin)과 M. 모한 레디(M. Mohan Reddy)는 논문 '첨단 세라믹: 기존 방법으로 가공 시 과제와 해결책'에서 설명합니다.

세라믹 가공의 어려움을 완전히 없앨 수는 없지만, 적절한 공구 선택으로 과제를 완화하는 방법을 공장들은 찾아냈다고 그레이엄은 말합니다. 날카로운 절삭 날과 포지티브 레이크(rake)를 가진 공구는 절삭 힘을 줄이며, 미세 입자 기판의 인서트는 마모성 절삭 조건에 적합합니다.

"섬유 보강이 취성 우려를 크게 극복했지만, CMC의 낮은 열전도율, 높은 경도, 마모성으로 인해 가공성은 저하됩니다"라고 그레이엄은 씁니다. "전통적인 가공 방법 외에도 제조사들은 워터젯, EDM, 레이저 보조 가공, 연마, PCBN 인서트 공구 사용 등 CMC 부품 가공의 대체 방법을 실험하고 있습니다."

세라믹을 잘못 가공하면 구조물 강도를 잃는다

세라믹 조각을 잘못 가공하면 구조물 자체의 강도가 크게 감소합니다. 샌드위치 복합 소재가 거칠고 불균일하거나 변형된 모서리로 절단되면 전체 구조물은 상당한 강성을 잃습니다.

"골판지를 구기면 강성이 파괴되는 것처럼, 고르지 않게 절단되거나 변형된 샌드위치 복합 소재는 강도를 잃습니다"라고 그레이엄은 씁니다. "마무리 가공 시, 공장들은 그러한 샌드위치 복합재용으로 특별히 설계된 고속 엔드 밀을 사용해야 합니다."

항공우주 설계에서 세라믹을 가공할 때는 어떤 종류의 굽힘이나 풀림도 피하는 것이 중요합니다. 그레이엄이 지적한 해결책은 매우 날카로운 모서리와 빠른 절삭 속도를 가진 절삭 기계를 사용하는 것입니다.

세라믹은 비싸지만 혁신은 유익하다

세라믹 가공 시 강하고 효율적인 절삭에 중점을 두다 보니, 많은 공장이 전체 비용의 최대 80%를 세라믹 기반 구조물의 무결성 유지에 지출하는 것으로 알려져 있다고 고린/레디 논문은 전합니다. 당연히 예산 유지나 다른 작업 측면에 자금 배분 시 문제가 될 수 있습니다.

"설계자들이 CMC의 우수한 기계적 특성을 활용하려면 그 특권을 위해 비용을 지불해야 합니다"라고 럭스 리서치는 MachineDesign 기사에서 지적합니다. "가장 저렴한 흑연/탄소 섬유 CMC는 단순한 형상의 경우 약 $30/lb부터 시작하지만, 가공이 추가되면 가격이 급격히 상승합니다. 고온 응용 분야용 실리콘 카바이드 매트릭스/실리콘 카바이드 섬유 CMC는 고순도 섬유를 요구하며, 가격이 $4,000/lb부터 시작하여 프리폼 가격이 $9,000/lb를 넘습니다."

전문가들은 세라믹 채택이 느렸으며 종종 정부 자금의 보조금과 인센티브에 의해 뒷받침되었으므로, 정말 도약하려면 비용이 내려와야 한다고 지적합니다. 럭스 리서치는 "섬유 같은 중간재 비용을 줄이는 기술이 새로운 시장을 열 수 있고, 가공 기술 발전이 CMC 부품을 더 신뢰할 수 있게 만들어 인증을 용이하게 할 것"이라고 지적합니다.

귀 공장에서 세라믹을 가공해 본 적 있나요? 그렇다면 귀하와 팀이 직면한 과제는 무엇이었나요? 알려주세요!