기계/재료

중국 초고온세라믹 연구 성과 리뷰

발행일 : 2011 / 12 / 22

3000℃이상의 고융점을 갖고 있는 초고온세라믹은 고온에서 항산화성, 내부식성과 열충격저항성이 탁월한 전이금속의 붕화물, 탄화물과 질화물로서 우주로켓의 엔진, 왕복우주선과 극초음속기의 방열시스템과 추진시스템 및 금속고온정련과 연속주조용 전극, 도가니와 관련 부품, 발열소자를 만드는데 사용될 전망이다. 초고온세라믹의 성능은 고순도 초미세원료의 품질, 분말형태, 반응활성, 치밀성, 소결방법 및 미세구조제어 등 다양한 요소에 의해 결정되지만, 그중에서도 고온성능은 고온강도, 열충격저항성, 항산화·내식성과 같은 다양한 성능을 포함하는 것으로 초고온세라믹이 고온구조재료공정부품에 응용될 수 있는 결정적 요소이다.

중국과학원 상해규산염연구소의 장궈쥔(張國軍)연구원이 이끄는 과제팀은 국가자연과학위원회 중점과제 ‘초고온 세라믹 그래픽, 재료제조 및 미세구조제어 연구’ 지원을 받아 본원의 황정런(黄政仁)연구원 과제팀과 구후이(顧輝) 연구원 과제팀 그리고 중남대학 진잔펑(金展鵬)원사와 정펑(鄭峰)교수 연구팀과 공동으로 연구를 수행해왔다. 2005년부터 붕화지르코늄(ZrB2)과 붕화하프늄(HfB2) 베이스 초고온세라믹의 상평형관계, 분말합성, 성형공법, 소결, 미세구조제어 및 초미세구조분석, 고온강도, 항산화내부식방지성능을 포함한 심층연구를 체계적으로 추진하였고, 다음과 같은 연구성과를 올렸다.

분말원료로 다양한 제작수단을 통해 고순도 초미세 ZrB2와 HfB2 등 분말을 제작했다. 연구결과 획득한 분말은 양호한 소결활성을 지님을 입증했다. 또한 다양한 소결공정을 통해 초고온세라믹을 제조한 후 재료의 치밀성메커니즘을 연구하였으며, TEM 등을 이용해 산소오염물질의 ZrB2분말입자표면에서의 분포상태 및 제거메커니즘을 연구하였으며, 주입성형(Slip casting) 혹은 겔캐스팅(Gel casting)을 무압소결공법과 결부시켜 복잡한 형태의 초고온세라믹부품을 제작하였다.

초고온세라믹의 종합성능을 한층 더 높이기 위해 각종 미세구조제어수단을 채택하였고 외부 자기장 보조기법을 채택하여 고방향성 조직화 붕소화물 베이스 초고온세라믹을 획득하였다. 재료의 경도, 열전도율과 항산화성 등은 특정방향에서 뚜렷이 개선시켰고 세라믹재료의 특정 결정입계방향에서의 성능을 극대화시킴으로써 초고온세라믹의 성능을 한층 더 높이기 위한 새로운 경로를 개척하였다. 또한 재료의 역학성능, 고온열물리성능 및 현미구조의 고온안정성을 평가하였고 TEM을 이용해 붕화하프늄-탄화규소(HfB2-SiC) 멀티상 세라믹 산화초기 공핍층(depletion layer)의 형성메커니즘을 연구하였으며, 또한 공핍층두께로 재료의 항산화성능을 평가하는 새로운 관점을 제출하였으며, 서로 다른 탄화물을 보조제로 사용하여 소결하는 과정의 화학반응과 고체용융메커니즘을 체계적으로 연구하였으며 탄화텅스텐(WC)을 첨가한 상태에서 고온 만곡강도를 1600°C(약 650MPa)의 온도에서 유지할 수 있는 붕화지르코늄-탄화규소(ZrB2-SiC) 초고온세라믹을 획득하였다. 위의 연구는 초고온세라믹의 실제응용을 위한 기반을 다져놓았다.

몇년동안 중점기금과제의 지원을 받아 과제팀은 많은 연구성과를 배출시켰고 논문은 J. Am. Ceram. Soc를 포함한 국제저널에 발표되었다. SCI 학술논문은 50편이며, 국가발명특허 신청건수는 13건, 그중 3건은 이미 출원되었다. 우수한 연구인력을 많이 배출시켰고, 일본, 이태리, 벨기에, 미국 등 국가와의 학자들과 국제교류관계를 맺었으며 국제학술세미나에 여러 차례 초청받아 보고를 발표하였다. 국가자연과학기금위 공정재료과학부가 2011년 5월 23일 상해에서 소집한 중점기금과제 ‘초고온세라믹 그래픽, 재료제조 및 미세구조제어 연구’ 과제 검수회의에서 전문가들은 연구가 창의적이며 예정했던 연구목표를 충실히 수행하였다고 높이 평가하였고 종합평점은 A를 획득했다.

정보출처 : 상해규산염연구소