세계 최고의 내열성 소재 신기록 수립

Jul 22, 2023

발견은 새로운 유형의 열 차폐의 길을 열었습니다(이미지: NASA)

연구원들은 탄탈륨 카바이드와 하프늄 카바이드 소재가 거의 섭씨 4000도에 달하는 뜨거운 온도를 견딜 수 있다는 사실을 발견했습니다.

– 오마르 세디요스-바라자 박사

특히 임페리얼칼리지런던(Imperial College London) 연구팀은 하프늄 카바이드의 녹는점이 물질 사상 최고 수준이라는 사실을 발견했다. 거의 4000°C에 달하는 온도를 견딜 수 있다는 점은 차세대 극초음속 우주선을 위한 내열 차폐와 같은 더욱 극한 환경에서 두 재료를 모두 사용할 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다.

탄탈륨 카바이드(TaC)와 하프늄 카바이드(HfC)는 내화성 세라믹으로 열에 매우 강합니다. 극도로 가혹한 환경을 견딜 수 있는 능력은 내화 세라믹이 고속 차량의 열 보호 시스템에 사용될 수 있고 원자로의 과열 환경에서 연료 피복재로 사용될 수 있음을 의미합니다. 그러나 실험실에서 TaC와 HfC의 녹는점을 테스트하여 이들이 얼마나 극한의 환경에서 기능할 수 있는지 판단할 수 있는 기술은 없습니다.

Scientific Reports 저널에 게재된 이 연구의 연구자들은 TaC 및 HfC의 내열성을 테스트하기 위해 레이저를 사용하는 새로운 극한 가열 기술을 개발했습니다. 그들은 레이저 가열 기술을 사용하여 TaC와 HfC가 개별적으로 녹는 지점과 두 가지의 혼합된 조성으로 녹는 지점을 찾았습니다.

그들은 혼합된 화합물(Ta0.8Hf0.20C)이 이전 연구와 일치하여 3905°C에서 녹는다는 사실을 발견했지만 두 화합물 자체는 이전에 기록된 녹는점을 초과했습니다. 화합물 TaC는 3768°C에서 녹고 HfC는 3958°C에서 녹습니다.

연구원들은 새로운 발견이 차세대 극초음속 차량의 길을 열 수 있다고 말하며 이는 우주선이 그 어느 때보다 빨라질 수 있음을 의미합니다.

현재 텍사스 대학교 엘파소(El Paso)의 부교수인 Omar Cedillos-Barraza 박사는 임페리얼 재료학과에서 박사 학위를 취득하면서 연구를 수행했습니다.

Cedillos-Barraza 박사는 다음과 같이 말했습니다. “초음속인 마하 5 이상으로 이동할 때 발생하는 마찰로 인해 매우 높은 온도가 발생합니다. 지금까지 TaC와 HfC는 극초음속 항공기의 잠재적인 후보는 아니었지만 우리의 새로운 연구 결과에 따르면 이전에 생각했던 것보다 더 많은 열, 즉 인간에게 알려진 다른 어떤 화합물보다 더 많은 열을 견딜 수 있습니다. 이는 우주로 발사하기 위해 초음속 속도에 도달하기 전에 비행기처럼 대기를 통과할 수 있는 새로운 유형의 우주선에 유용한 재료가 될 수 있음을 의미합니다. 이러한 물질은 우주선이 대기권을 떠났다가 다시 들어올 때 발생하는 극심한 열을 견딜 수 있게 해줄 수 있습니다.”

TaC 및 HfC의 잠재적인 용도로는 우주선의 노즈 캡과 비행 중 가장 많은 마찰을 견뎌야 하는 외부 장비의 가장자리 등이 있습니다.

현재 마하 5 이상의 속도로 움직이는 차량은 사람을 태울 수 없지만 Cedillos-Barraza 박사는 그것이 미래에는 가능할 수도 있다고 제안합니다.

Cedillos-Barraza 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리의 테스트는 이러한 재료가 미래의 우주선 엔지니어링에 실질적인 가능성을 보여주고 있음을 보여줍니다. 이러한 극한의 온도를 견딜 수 있다는 것은 극초음속 우주선과 관련된 임무가 언젠가는 유인 임무가 될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 런던에서 시드니까지 비행하는 데 마하 5의 속도로 약 50분이 소요될 수 있으며, 이는 전 세계 국가에 새로운 상업적 기회의 세계를 열 수 있습니다.”