남중국이공대학의 추옌후이는 중국 과학 일보에 세라믹이 차세대 초음속 항공기의 절연재로 중요한 역할을 할 수 있을 것이라고 말했습니다.
다공성 세라믹 소재는 경량성, 화학적 불활성, 낮은 열전도도 등의 우수한 특성으로 인해 단열재로 점점 더 각광받고 있습니다. 그러나 단열성을 유지하면서 기계적 강도를 확보하는 것은 쉽지 않습니다. 단열성을 높이기 위해 다공성 세라믹 패널에 더 많은 구멍을 뚫어야 하는데, 이로 인해 소재의 강도가 크게 저하되는 경우가 많기 때문입니다. 또한, 다공성 소재는 고온에 노출되면 강도가 떨어지고 수축하는 경우가 많습니다.
새로운 세라믹을 개발한 광저우대학교 재료과학공학과 연구팀은 이 소재의 다중 스케일 구조 설계가 이러한 내재적 한계를 극복할 수 있을 것이라고 밝혔습니다. 연구팀의 연구 보고서는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 저널에 게재되었습니다.
연구를 이끈 주 교수는 논문에서 "9PHEB라는 이름의 이 세라믹은 뛰어난 특성을 보이며, 최대 섭씨 2,000도의 온도에서도 내구성을 유지할 수 있어 혹독한 환경에서도 사용하기에 적합합니다."라고 기술했습니다.
이 소재는 고엔트로피 합금(5가지 이상의 원소가 결합된 합금)이라는 개념을 기반으로 합니다. 9PHEB의 경우, 9개의 양전하를 띤 다공성 이온 성분의 조합입니다.
저자들에 따르면, 9PHEB는 약 50%의 기공률을 가지고 있지만 실온에서 약 3억 3,700만 파스칼(MPa)의 매우 높은 압축 강도를 가지고 있습니다. 이는 이전에 알려진 다공성 세라믹보다 훨씬 강합니다. 또한, 이 신소재는 단열 및 열 안정성 시험에서도 우수한 성능을 보였으며, 1,500도에서도 상온 강도의 98.5%를 유지했습니다.
2,000°C에서 압축될 때, 취성적으로 파괴되는 경향이 있는 기존 세라믹과 달리 9HPEB는 소성 변형을 보입니다. 이 획기적인 단계에서 새로운 다공성 세라믹은 49%의 변형을 경험하는데, 이는 690MPa의 압축 강도에 해당하며, 이는 초기 강도의 두 배에 해당합니다.
중요한 점은 고온이 재료의 부피나 치수에 큰 영향을 미치지 않았다는 것입니다. 9HPEB는 2,000°C에서 어닐링한 후 약 2.4%만 수축했습니다.
주 씨는 세라믹의 "다층" 설계에 기계적, 열적 특성이 있다고 말합니다. "마이크로스케일에서는 초미세 기공, 나노스케일에서는 고품질 계면, 원자스케일에서는 격자 왜곡이 발생합니다."
세라믹 기공의 미세 구조, 즉 크기와 분포는 설계에 중요합니다. 기공의 약 92%는 0.8~1.2마이크로미터 크기의 초미세 기공으로, 과학자들은 이러한 특성이 세라믹의 탁월한 단열 특성을 나타낸다고 말합니다. 나노 스케일에서 세라믹은 견고하고 결함 없는 결합을 통해 기계적 강도를 향상시킵니다. 원자 스케일에서는 고엔트로피 설계로 인한 격자 변형이 강성을 향상시키고 열전도도를 감소시킵니다.
연구자들은 이러한 특성으로 인해 해당 소재의 기계적 강도와 열 절연성이 높아져 가장 혹독한 환경에서도 사용하기 적합하다고 결론지었습니다.
재료과학 및 공학과 부교수이자 공동 저자인 주앙레이는 China Science Daily에 이 소재가 항공우주, 에너지, 화학공학 등의 산업에 폭넓게 적용될 수 있을 것이라고 말했습니다.
(SCMP에 따르면)
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