Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(1)

고온용 연속 세라믹 섬유 강화 세라믹 복합체 개발 동향

박지연_한국원자력연구원 책임연구원

I. 여는 글

이 글의 제목에는 2가지 중요한 의미를 담고 있다. 첫째가 ‘연속 세라믹 섬유 강화 세라믹 복합재이고 둘째가 ‘고온용’이다. 연속 세라믹 섬유 강화 세라믹 복합체는 영어로 Continuous Ceramic Fiber Reinforced Ceramic (matrix) Composite (CFCC)이다. 즉, 장섬유로 세라믹 기지상을 강화하여 인성을 향상시킨 세라믹 복합재 (이하 장섬유 복합재로 함)를 의미한다. 이러한 특징을 지니기 위해서 장섬유 복합재는 세라믹 섬유, 세라믹 기지상 (matrix phase)과 섬유/기지상간의 계면으로 구성된다. 특히 계면은 장섬유 복합체의 섬유와 기지상의 결합 강도 특성에 영향을 미쳐 복합체가 응력을 받았을 때 균열이 전파되는 경로에 큰 영향을 미치며, 복합체의 파괴인성 특성을 결정할 수 있다. 그림 1에 복합체가 응력을 받았을 때 균열이 전파되는 경로를 나타내었다. 단미(monolith) 세라믹스의 급격한 파괴를 발생하는 균열전파 경로에 비하여 장섬유 복합체에서는 균열 편향 (deflection), 계면 분리(de-bonding), 슬라이딩(sliding), 섬유 pull-out과 같은 복잡한 균열전파 경로가 추가되어 복합체의 파단을 복잡하게 유도하며, 일반적으로 취성 파괴를 나타내는 세라믹의 파괴인성 증진을 가져온다[1].

그림 1. 복합체의 균열전파 양상[1]

또 다른 중요한 의미인 ‘고온’이다. 재료의 특성 변화와 재료가 적용될 운전온도는 깊은 상관관계를 가지고 있다. 그림 2에 장섬유 복합체가 적용되는 가스터빈 엔진의 길이 방향으로 온도와 압력 분포를 나타내었다[2]. 고압부 (HP Stage로 표시)는 연소기 부근으로 연료의 연소에 따른 고온과 고압이 발생하는 지점으로 1350~2100oC의 고온에서 견딜 수 있는 재료가 필요하다. 이 지점으로부터 배기 쪽으로 멀어지면 온도는 계속 감소하게 되며, 가스터빈 전체의 온도 분포는 선1 (파란색 실선)로 표시된 바와 같다. 선2 (빨간색 긴 점선)는 니켈 단결정이 적용될 수 있는 한계온도를 나타내며, 선3 (보라색 짧은 점선)은 용융 금속 함침법(제조 방법은 뒤에서 설명함)으로 제조한 SiCf/SiC 복합체의 적용 한계온도를 나타내고 있다. 니켈계 합금은 저압부와 중압부의 일부 부품만 적용할 수 있으며, 용융 금속이 합침 된 SiCf/SiC 복합체는 고압부의 일부 부품은 적용할 수 없음을 알 수 있다. 고압부의 고온 영역에서는 1500~1700oC 및 그 이상 온도에서 사용할 수 있는 재료를 요구하고 있다. 그림 3에 온도에 따른 재료의 기계적 강도 변화를 나타내었다. 많은 고온용 금속들이 특정 온도 부근에서 급격하게 강도의 열화가 나타남을 알 수 있다. 반면 장섬유 복합체는 고온까지 강도의 열화 없이 우수한 고온 강도를 유지하고 있다[3-5].

그림 2. 가스터빈 엔진의 온도 및 압력 분포[2]

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