세라믹 매트릭스 복합재가 LEAP 제트 엔진에서 비행합니다.

2017년 1월 4일

작성자: Dawn Levy, Oak Ridge National Laboratory

세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 재료는 세라믹 매트릭스로 둘러싸인 코팅된 세라믹 섬유로 만들어집니다. 그들은 견고하고 가벼우며 금속 합금이 견딜 수 있는 온도보다 화씨 300~400도 더 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 특정 부품을 금속 합금 대신 CMC로 제작하면 항공기와 발전소의 터빈 엔진이 더 높은 온도에서 더 효율적으로 작동하여 연료를 더 완전하게 연소하고 오염 물질을 더 적게 배출할 수 있습니다.

25년 전, 미국 에너지부는 CMC 재료의 미국 개발을 지원하기 위해 DOE의 Oak Ridge 국립 연구소가 주도하는 프로그램을 시작했습니다. 2016년에는 새로운 항공기 엔진인 LEAP가 최초로 널리 배치된 CMC 함유 제품이 되었습니다. Safran과 GE의 50/50 합작 투자 회사인 CFM International이 LEAP를 제조합니다.

엔진에는 가장 뜨거운 영역을 감싸는 터빈 슈라우드인 CMC 구성 요소가 하나 있으므로 최대 2400F에서 작동할 수 있습니다. CMC는 니켈 기반 초합금보다 냉각 공기가 덜 필요하며 15에 기여하는 기술 제품군의 일부입니다. LEAP는 이전 모델인 CFM 56 엔진에 비해 연료를 1% 절감합니다.

연료비 절감을 원하는 항공사에 대한 사전 판매는 11,000개 이상의 엔진에 대해 정가로 1,400억 달러에 달합니다. 8월에는 최초의 LEAP 엔진이 Airbus A320neo에서 상업적으로 비행을 시작했습니다. 2017년에는 다른 LEAP 엔진도 보잉 737 MAX에 탑재될 예정이다.

GE 글로벌 리서치의 CMC 개발을 25년 동안 이끌었던 Krishan Luthra는 "DOE 프로그램에서 개발된 재료는 현재 항공기 엔진에 들어가는 재료의 기초가 되었습니다."라고 말했습니다.

GE의 CMC는 질화붕소를 함유한 독점 소재로 코팅된 탄화규소(SiC) 세라믹 섬유(실리콘과 탄소를 동일한 양으로 함유)로 만들어졌습니다. 코팅된 섬유는 10~15%의 실리콘을 함유한 SiC에 내장된 "프리폼" 형태로 만들어졌습니다.

ORNL의 Rick Lowden은 1980년대에 DOE 프로그램의 기초를 다지는 작업을 수행했습니다. 핵심은 세라믹 섬유를 코팅하는 것이었습니다.

"세라믹 매트릭스 복합재는 매트릭스가 세라믹이고 섬유가 세라믹이기 때문에 거의 모든 다른 복합재와 다릅니다"라고 Lowden은 말했습니다. 일반적으로 두 개의 취성 재료를 결합하면 취성 재료가 생성된다고 그는 말했습니다. 그러나 섬유와 매트릭스 사이의 결합을 변경하면 재료가 나무 조각처럼 작용할 수 있습니다. 균열은 주변 매트릭스에서 섬유로 전파되지 않습니다. 섬유는 재료를 함께 잡고 매트릭스에서 천천히 당기면서 하중을 전달하여 인성을 추가합니다.

DOE의 CFCC(Continuous Fiber Ceramic Composite) 프로그램은 1992년부터 2002년까지 진행되었으며 AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock 및 Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE 및 Textron의 CMC 산업 개발을 지원했습니다. 예산은 연간 평균 1,000만 달러였으며 업계는 비용을 분담했습니다.

CFCC는 재료의 특성을 특성화하기 위해 복합 재료를 만들고 국립 연구소와 대학을 만드는 회사에 자금을 지원했습니다. ORNL을 통해 노력이 조정되고 자금이 지원되었습니다. Lowden은 DOE의 Scott Richland 및 ORNL의 Mike Karnitz와 함께 프로그램 계획을 작성했으며 ORNL의 Karren More, Pete Tortorelli, Edgar Lara-Curzio 및 Argonne National Laboratory의 Bill Ellingson과 함께 회사에 대한 지원을 공동 주도했습니다. 미국 첨단 세라믹 협회(US Advanced Ceramics Association)는 업계를 대표하여 CMC의 이점을 의회에 알렸습니다.

ORNL의 역할에 대해 More는 "우리는 다양한 섬유와 다양한 계면 코팅, 다양한 매트릭스를 조사하고 있었습니다."라고 말했습니다. "우리는 더 유망한 복합재의 분해 메커니즘과 하향 선택, 그리고 이를 준비하기 위한 비용 효율적인 기술을 이해하는 데 참여했습니다."

Lowden은 "우리는 고압 열 교환기, 육상 기반 터빈, 침탄로 및 복사 버너를 포함한 산업 응용 분야에 세라믹 매트릭스 복합재를 적용하려는 공통 목표를 향해 노력하고 있었습니다."라고 덧붙였습니다.