소재/부품/장비 2022년 수송시스템용 첨단 세라믹섬유 복합소재 현황분석

1. 개요 가. 정의 및 필요성 (1) 정의  세라믹섬유는 내열성·내식성·내마모성이 뛰어난 산화알루미늄(Aluminium Oxide), 이산화규소(Silicon Dioxide), 지르코니아(Zirconium Dioxide) 등의 원재료를 일정 배합비에 맞춰 투입하여 고온에서 용융시킨 후 방사 과정을 거쳐 제조된 섬유 ▪ 세라믹섬유로는 현무암섬유, 유리섬유, SiC섬유 등이 있으며, 기계적 특성을 향상시키거나 특정 기능을 부여할 목적으로 주로 금속류의 보강재를 첨가하기도 하며, 보강재 투입 시점 및 방법에 따라 소결법, 슬러리 합침법, 용융 합침법, 화학증착 합침법, 용융 금속 산화법 등으로 구분 ▪ 세라믹섬유는 유기재료나 금속재료 등의 이종 소재와 융·복합화를 통해 고기능의 복합소재 제조에 주로 응용되며, 초경량, 초강도, 초고온, 내열성, 내식성, 내충격성 소재를 요구하는 자동차, 방산군수, 항공·우주발사체 등의 수송시스템용 산업 등에서 수요가 많음  세라믹섬유 복합소재는 세라믹섬유 단일 소재에서는 볼 수 없는 복수의 기능 및 목적에 부합한 기능 향상을 위해 2개 이상의 재료를 물리적, 화학적으로 혼합한 복합소재로, 소재의 경량화와 고온에서의 고강도화를 목적으로 강화한 복합소재 [ 세라믹 섬유별 특징 ] 구 분 유리섬유 현무암섬유 탄화규소섬유 기능섬유 형 상 용 도 •선박, 자동차, 항공기용 •PCB 기판 소재 •전기절연 피복재 •수지 충진재 •콘크리트 보강용rebar •자동차 muffler/내장재 •Health care •고온 내화학filter •우주항공 고온구조재 •국방 방탄소재 •원자력 초고온열교환기 •고성능 라디에이터 •에너지 하베스팅 •군사용 능동진동제어기 •액츄에이터 및 센서 •고기능 스포츠 용품 특 성 •경량/고강도 섬유 -사용온도:-60~400℃ -인장강도: 3,450MPa -탄성율: 72~76GPa -열전도율:0.04~0.1W/mK -흡음계수:0.8~0.93% -20℃의 52%(@400℃) -화학안정성 •친환경/고온/고강도 섬유 -사용온도:-260~900℃ -인장강도:3,100~4,840MPa -탄성율: 85~95GPa -열전도율: 0.03~0.4W/mK -흡음계수: 0.9~-0.99% -20℃의 82%(@400℃) -내화학성 •초고온/고강도섬유 -경량: 2.0~3.2g/cm3 -낮은열팽창계수:3.1X10-6 -초고온내열재: 1,500℃이상 -높은열전도율: 250W/mLK -전기전도성,-내화학성 -고탄성: 150GPa(1,300℃↑) -초고온강도:3GPa(1,300℃↑) •기능성 압전섬유 -사용온도: < 350℃ -압전 상수: d33 30~800pC/N d31 30~800pC/N -비유전율(1kHZ):1,000~3,500 -품질계수: Qm 50~900 -전기기계결합계수:Kp35~65%* 출처: 조광연 한국세라믹기술원 기초소재융합본부 책임연구원 (신소재경제) 자료를 바탕으로 네모아이씨지 재편집 수송시스템용 첨단 세라믹섬유 복합소재7 ▪ 세라믹섬유 복합소재는 고성능 세라믹 섬유와 기지재, 강화재 및 복합재료로 구성 - 기지재의 종류에 따라 고분자 복합재료(Polymer matrix composites, PMC), 금속 복합재료(Metal matrix composites, MMC), 세라믹 복합재료(Ceramic matrix composites), 및 고무 복합재료(Rubber matrix composites, RMC), 시멘트 복합재료(Cement matrix composites, CMC) 등으로 분류 - 강화재의 형상에 따라 입자 강화 복합재료 (Particle reinforced composites), 단섬유 강화 복합재료(Short-fiber reinforced composites) 및 장섬유 강화복합재료(Continuous fiber reinforced composites) 등으로 분류 - 강화재의 종류에 따라서 탄소섬유강화 복합재료(Carbon fiber reinforced composites, CFRC), 유리섬유강화 복합재료(Glass fiber reinforced composites, GFRC), 세라믹섬유강화 복합재료(Ceramic fiber reinforced composites, CFRC) 및 금속섬유강화 복합재료(Metal fiber reinforced composites, MFRC) 등으로 분류 ▪ 탄소섬유는 모든 타입의 기지재, 즉 고분자, 세라믹 그리고 금속과 함께 복합재료를 제조할 수 있으나, 이 같은 우수한 기계적, 열적 특성을 이용하여 고온용의 소재를 제조하기 위해서는 매트릭스 또한 고온에서 사용할 수 있어야 함 ▪ 탄소/탄소(C/C) 복합재료는 열경화성 고분자의 열분해, 열가소성 Pitch를 이용하는 액상침투(LI) 그리고 메탄이나 프로판 등의 탄화수소 가스를 이용하는 화학기상증착(CVD) 및 침착(CVI)에 의해서 제조 가능 - C/C 복합재료의 제작은 탄소섬유 프리폼 제작으로부터 시작되며. 다양한 형상의 탄소섬유 프리폼은 섬유를 한 방향으로 배열한 1차원 구조(UD)에서부터 2D, 3D 및 다차원 구조(MD)로 구성 ▪ C/C 복합재료는 무엇보다도 우주항공 및 국방분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 추진기관 내열부품으로써 개발이 이루어져 이 분야에 큰 기여 - 이외에도 C/C 복합재료는 우주왕복선 및 미사일 분야에서 leading edge, 극초음속 비행체의 구조부품, 연소실 라이너, 노즐 목 및 exit-cone, 제트엔진 부품, 베인(Vane) 등에 적용 - 일반산업 분야에서는 발열체, 금속성형용 금형, 고온용 볼트 및 넛트, 내연 기관의 피스톤 연결 로드, 고온용 용기, 경주용 차 및 고속전철의 브레이크디스크 등에 적용 ▪ 탄소/탄화규소(C/SiC) 소재는 러시아 Buran 우주왕복선의 열차폐 시스템(Thermal Protection System)인 노즈-캡에 최초로 적용된 소재로 C/C-SiC는 X-38 시제기의 노즈-캡에 적용 - 대기권 재진입이 일어나는 20여 분 동안 이 부위의 온도는 최대 1,800℃에 달하게 되며, 이 소재는 구조물의 leading-edge는 물론 예리한 형상을 갖는 노즈-팁에도 적용되어 극한 열하중에 견디고 있음 - 로켓 모터 분야에서 가장 극심한 열적 및 기계적 하중에 견디면서 가스의 방향을 바꾸는 역할을 하는 TVC(Thrust Vector Control)의 Jet vane에도 C/C-SiC가 적용 - 몇 초간의 시간 동안 최대온도 2,800℃까지 도달하는 가열속도를 버티고 속도 2,000m/s의 알루미나 입자에 의한 삭마에도 견딤 - 금속이나 기타 다른 내화성 소재를 적용하는 것이 비해 중량을 90%까지 경량화 가능