초음속 항공기 코팅의 새로운 강자: 초경합금 세라믹

초음속 운송(SST)은 음속보다 빠르게 이동하는 운송 수단입니다. 일반적으로 마하가 1 미만인 운송 수단을 아음속, 마하가 1.2 이상이면 초음속, 마하가 5 이상이면 극초음속이라고 합니다. 초음속 여객기는 일반 민간 항공기보다 빠른 속도와 효율성으로 인해 많은 항공기 제조업체의 관심과 주목을 받아 왔으며, 차세대 초음속 여객기에 대한 연구는 멈추지 않고 있습니다. 그러나 경제적이고 안정적인 차세대 초음속 항공기의 개발은 현재의 항공 기술로는 많은 난관에 부딪히게 될 것입니다.

초음속 항공기 연구 현황

* 열

우리는 항공기가 우주에서 공기역학적 열, 엔진 가스, 태양 복사에 의해 발생하는 고온에 노출된다는 것을 알고 있습니다. 장시간 공중을 비행하는 항공기의 경우 비행 속도 중 일부는 음속의 3배에 달하기도 합니다. 사용되는 고온 재료는 공기 및 부식 매체에서 우수한 고온 지속 강도, 크리프 강도, 열 피로 강도, 높은 산화 저항성 및 열 내식성을 가져야 하며 고온에서 장기간 구조적 안정성을 가져야 합니다. 따라서 항공 기술 분야와 관련된 고온 환경에는 고온 및 고속 기류와 입자 세정이 모두 포함되는 경우가 많습니다.

예를 들어, 마하 5의 속도로 비행할 때 항공기 표면은 2000~3000℃의 고온이 발생하고, 항공기의 코팅 재료는 고온 분해로 인해 손상되기 쉽다는 것을 우리는 알고 있습니다. 초음속 항공기를 개발하기 위해서는 항공기 표면의 열 축적 문제를 해결해야 합니다. 이제 과학자들은 초음속 항공기의 속도를 높일 수 있는 새로운 탄소-세라믹 코팅을 발견했습니다.

* 코팅 재료

항공기가 초음속으로 비행하기 위해서는 고압으로 인한 공기 손상과 마찰로 인한 구조 부품의 손상으로부터 표면 부품을 보호해야 합니다. 현재 기체 표면을 덮는 데는 고온에서도 안정성을 유지할 수 있는 비금속 고체 소재인 UHTC가 사용됩니다. 그러나 이러한 기존 세라믹 코팅 소재는 내열성에는 효과적이지만 쉽게 열화될 수 있습니다.

지르코늄 이붕화물은 고온에서 산화에 강하고 밀도가 낮고 비용이 저렴하기 때문에 항공기용 고온 코팅 재료로 널리 사용됩니다. 그러나 이붕화 지르코늄의 붕소는 붕소 원자가 산화될 때 용해를 더욱 촉진하여 잠재적으로 치명적인 결과를 초래할 수 있다는 치명적인 단점이 있습니다.

초음속 항공기를 구동하는 새로운 초경 세라믹

연구에 따르면 충분히 높은 온도에 노출된 모든 물질은 분자 사슬이 느슨해져 떨어지며, 입자로 고속으로 헹구면 '절제'가 발생할 수 있습니다.

아시다시피 카바이드는 현재 가장 내열성이 강한 소재로, 일반적인 공식 MxCy로 대표됩니다. M의 특성에 따라 카바이드는 크게 금속 카바이드와 비금속 금속 카바이드로 나뉩니다. 카바이드 세라믹은 실리콘 카바이드, 지르코늄 카바이드, 붕소 카바이드 및 텅스텐 카바이드와 같은 가장 일반적으로 사용되는 구조 세라믹입니다. 녹는점이 높고 경도가 높으며 화학적 안정성이 좋은 위의 세라믹 재료는 국가 경제의 많은 분야에서 사용되었습니다.

크레딧: NASA

새로 개발 된 탄화물 코팅 재료는 코팅에 초강력 및 산화 방지 구조를 부여 할 수 있으며 고온 환경에서 절삭 및 산화에 저항 할 수 있습니다. 탄소섬유 강화 탄소 매트릭스 복합재에 세라믹을 도입하면 내충격성을 향상시키는 효과적인 방법이 될 수 있음이 입증되었습니다.

지르코늄, 티타늄, 탄소, 붕소의 삼원 합금인 이 새로운 코팅은 반응성 용융 침투라는 공정을 통해 탄소 복합재에 증착됩니다. 다른 카바이드 세라믹과 비슷한 특성을 가지고 있지만 붕소 농도가 상대적으로 낮아 제거될 가능성이 적고 탄소 구조가 열 충격으로 인해 재료가 찢어지는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 실험 결과에 따르면 카바이드 코팅은 2000 ~ 3000 ℃에서 더 나은 절삭 저항성을 보여줍니다.

새로운 카바이드 세라믹 코팅의 응용 전망

현재 새로운 코팅은 우주선이 대기를 통과 할 때 극한의 온도 위험을 경험할 수 있기 때문에 기존 재료보다 안전한 항공 우주 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

보잉의 CEO인 데니스는 새로운 초음속 여객기가 향후 10년간 하늘을 날아다니며 이동 시간을 700%까지 단축할 수 있을 것이라고 말했습니다. 현재 민간 항공기는 일반적으로 아음속으로 비행하는데, 민간용 초음속 항공기가 실현되면 전 세계 이동 시간이 크게 단축되어 사람들이 더 쉽게 소통할 수 있게 될 것입니다. 초음속 여객기는 우리 생활에서 널리 사용되지는 않았지만이 코팅 재료의 발견은 의심 할 여지없이 초음속 항공기가 더 빨리 상업화되는 데 도움이 될 것입니다!