고급 세라믹 재료: 항공우주, 신에너지 및 기타 분야에 적합

항공우주 분야

첨단 세라믹이라고도 불리는 고성능 특수 세라믹 소재는 주로 현대 소재 공정을 통해 고순도 합성 무기 화합물을 제조하여 독특하고 우수한 특성을 지닌 세라믹 소재를 말합니다. 따라서 이 소재는 저밀도, 고온 내산화성, 내식성, 낮은 열팽창 계수, 낮은 크리프 등의 장점을 지닌 세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 제조에 사용됩니다. 항공/항공우주/무기/해양 등 첨단기술 분야. 그 중 탄화규소 기반 세라믹 복합재는 가장 집중적으로 연구되고 가장 잘 상용화된 고성능 특수 세라믹 소재이다.

세라믹 매트릭스 복합 블레이드를 갖춘 터빈 로터

연소 엔진, 항공우주 엔진, 가스 터빈 핫엔드 부품의 출력 효율을 향상시키기 위해서는 600℃~1200℃의 고온과 복잡한 응력의 상호 작용을 견뎌야 하며 재료 요구 사항이 매우 까다롭습니다. 고온 합금에 비해 탄화규소는 고온을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 밀도도 고온 합금의 1/4~1/3에 불과합니다. 즉, 동일한 연료 부하에서도 엔진 중량을 더욱 줄일 수 있습니다. , 항공기의 범위와 폭탄 적재량이 크게 늘어날 수 있습니다.

수요 측면에서 볼 때, 높은 추력 대 중량비 항공 엔진의 완성, 우주선 기술의 긴급한 필요성 및 급속한 개발로 인해 CMC는 차세대 소재로서 이미 군사 및 민간 응용 분야에서 개발할 수 있는 큰 잠재력을 보여주었습니다. . MarketsandMarkets 예측에 따르면, 글로벌 세라믹 매트릭스 복합재 시장은 2016~2026년 10년 동안 연평균 성장률(CAGR) 9.65%로 빠르게 성장하여 2026년에는 75억 1천만 달러에 이를 것입니다.

외국 탄화 규소 섬유는 일찍 시작되었으며 강력한 기술 보유량을 보유하고 있습니다. 극도로 높은 기술 장벽으로 인해 가격은 지속적으로 높으며 중국에 대한 수출 금지 조치가 지속적으로 이루어지고 있습니다.

세라믹 매트릭스 복합재

세라믹 매트릭스 복합재료란 무엇입니까? 세라믹을 모체로 하고 다양한 섬유를 함유한 복합재료의 일종입니다. 세라믹 매트릭스는 질화 규소 및 탄화 규소와 같은 고온 구조용 세라믹일 수 있습니다. 이러한 고급 세라믹은 고온 저항성, 높은 강도 및 강성, 상대적으로 가벼운 무게, 내식성과 같은 우수한 특성을 갖고 있는 반면 치명적인 약점은 부서지기 쉽고 응력 상태에 있을 때 균열이 발생하거나 파손되어 재료가 파손될 수 있다는 점입니다. 고강도, 고탄성 섬유 복합재를 매트릭스와 함께 사용하면 세라믹의 인성과 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 고강도, 고탄성 섬유 복합재를 매트릭스와 함께 사용하는 것은 세라믹의 인성과 신뢰성을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 섬유는 균열의 확대를 방지하여 인성이 우수한 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합재를 얻을 수 있습니다.

세라믹 매트릭스 복합재는 액체 로켓 엔진 노즐, 미사일 안테나 커버, 우주 왕복선 노즈콘, 항공기 브레이크 디스크 및 고급 자동차 브레이크 디스크 등으로 사용되어 첨단 기술을 위한 신소재의 중요한 분야가 되었습니다.

세라믹 재료는 내마모성이 우수하고 경도가 높으며 내식성이 우수하므로 매우 폭넓게 적용됩니다. 그러나 세라믹의 가장 큰 단점은 부서지기 쉽고 균열, 다공성 등에 취약하다는 점이다. 1980년대 이후 세라믹 재료에 입자, 위스커, 섬유 등을 첨가한 세라믹 기반 복합재는 세라믹의 인성을 크게 향상시켰다.

고강도, 고탄성, 저밀도, 고온 저항, 내마모성, 내식성 및 우수한 인성을 갖춘 세라믹 매트릭스 복합재는 고속 절삭 공구 및 내연 기관 부품에 사용되었습니다. 그러나 이러한 재료의 개발은 늦었고 그 잠재력은 아직 더 이상 활용되지 않았습니다. 고출력 내연기관용 강화 터빈, 항공우주 차량용 열 부품, 자동차 엔진용 금속 대신 석유화학 용기, 폐기물 소각 처리 장비 등 고온 소재와 내마모성 및 내식성 소재에 대한 적용에 중점을 두고 연구하고 있습니다. , 등.

도자기라고 하면 사람들은 자연스럽게 부서지기 쉬운 특성을 떠올린다. 10여 년 전만 해도 엔지니어링 분야에서 하중을 지탱하는 부품으로 사용된다면 누구도 받아들이기 불가능했을 것입니다. 지금까지 세라믹 복합재료에 관해 어떤 사람들은 세라믹과 재료가 원래 서로 무관한 두 가지 기본 재료라는 사실을 인식하지 못했을 수도 있지만, 사람들이 세라믹과 금속을 교묘하게 결합한 이후부터 이 재료의 개념이 근본적으로 바뀌었습니다. 세라믹 매트릭스 복합재.

세라믹 매트릭스 복합재는 항공우주 산업, 특히 항공 엔진 제조 응용 분야에서 유망한 새로운 구조 재료로 점점 더 독창성을 보여주고 있습니다. 경량 및 고경도라는 장점 외에도 세라믹 매트릭스 복합재는 고경도에 대한 저항성이 뛰어나고 세라믹 매트릭스 복합재는 고온 및 고온 내식성이 우수합니다. 현재 세라믹 매트릭스 복합재는 고온 내성 측면에서 금속 내열성 소재를 능가하고 우수한 기계적 특성과 화학적 안정성을 갖고 있어 고성능 터빈 엔진의 고온 영역에 이상적인 우수한 소재입니다.

전 세계 국가에서는 차세대 첨단 엔진의 재료 요구 사항에 대응하여 질화 규소 및 탄화 규소 강화 세라믹 재료에 중점을 두고 있으며, 특히 현대 항공기 엔진의 응용 분야에서 큰 진전이 이루어졌습니다. 예를 들어, 미국 시험 항공기의 F120 엔진과 연소실의 고온 부품의 일부인 고압 터빈 씰은 세라믹 재료로 만들어졌습니다. 예를 들어, 프랑스 M88-2 엔진의 연소실과 노즐도 세라믹 기반 복합재로 만들어졌습니다.

탄소/탄소 복합재

탄소/탄소 복합체란 무엇입니까? 탄소섬유와 그 직물을 보강한 탄소 매트릭스 복합소재입니다. 저밀도(<2.0g/cm3), 고강도, 비계수, 열전도율, 낮은 팽창계수, 우수한 마찰 성능, 우수한 내열충격성과 높은 치수 안정성 등의 장점을 가지고 있으며, 특히 다음 중 하나입니다. 1650℃ 이상에서는 대체 재료가 거의 적용되지 않으며, 이론 최고 온도는 2600℃보다 훨씬 높기 때문에 세계에서 가장 유망한 고온 재료 중 하나로 간주됩니다.

탄소/탄소 복합재는 우수한 고온 특성을 많이 갖고 있지만, 400℃ 이상의 온도에서는 호기성 환경에서 산화되어 소재의 성능이 급격히 저하됩니다. 따라서 고온 호기성 환경에서 탄소/탄소 복합재를 적용하려면 산화 방지 조치가 있어야 합니다. 탄소/탄소 복합재의 산화 방지는 주로 두 가지 방법을 통해 이루어집니다. 즉, 낮은 온도에서 매트릭스 변형 및 표면 활성 부위의 부동태화를 통해 산화 방지를 위해 탄소/탄소 복합재가 산소와 직접 접촉하지 않도록 보호할 수 있습니다. 현재 가장 많이 사용되는 방법은 코팅 방식으로, 기술이 계속 발전함에 따라 탄소/캐본 복합재의 초고온 성능에 대한 의존도가 높아지고 있으며, 초고온 조건에서 유일하게 실행 가능한 산화 방지 솔루션은 코팅 보호뿐입니다. .

C/C 매트릭스 복합재는 최근 몇 년간 세계에서 더 높은 내열성을 제공하는 가장 가치 있는 신소재 중 하나라는 점은 언급할 가치가 있습니다. C/C 복합재료만이 추력 대 중량비가 20 이상이고 엔진 입구 온도가 1930~2227℃에 이르는 터빈 로터 블레이드의 후속 제품으로 만들 수 있는 유일한 재료로 간주되기 때문입니다. 이는 21세기 미국이 중점적으로 개발한 내열재료였으며, 특히 세계 선진 산업국가들이 추구하는 최고의 전략적 목표였다.

소위 C/C 매트릭스 복합재는 탄소섬유 강화 탄소 기본 복합재로, 탄소의 가용성과 탄소섬유의 고강도 및 고강성을 하나로 결합하여 깨지지 않는 손상을 나타냅니다. C/C 매트릭스 복합재는 경량, 고강도, 우수한 열 안정성 및 우수한 열 전도성을 갖기 때문에 오늘날 특히 1000-1300℃의 고온 환경에서 가장 이상적인 고온 내성 재료입니다. 감소하지만 증가할 수 있습니다. 특히 1650℃ 이하의 실온 환경에서도 강도와 바람을 그대로 유지한다. 따라서 C/C 매트릭스 복합재는 항공우주 제조 산업에서 개발 가능성이 매우 높습니다.

항공 엔진 응용 분야에서 C/C 기반 복합재의 주요 문제 중 하나는 산화 저항성이 낮다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 따라서 최근 몇 년간 미국에서는 이 문제를 해결하고 점차적으로 적용하기 위해 일련의 공정 조치를 취했습니다. 새로운 엔진. 예를 들어 F119 엔진의 테일 노즐과 노즐, 연소실도 C/C 기반 복합재료로 제작됐다.

기계베어링 분야

베어링은 기계 장비의 매우 중요한 구성 요소이며 매우 일반적으로 사용됩니다. 주요 기능은 기계적 회전체를 지지하고, 이동할 때 마찰 계수를 줄이고, 회전 정확도를 보장하는 것입니다. 그 역할은 인간의 관절과 비슷하여 '기계의 관절'이라 불리며, 모든 회전하는 기계의 영혼이라 기계산업의 칩이라고도 불린다.

질화 규소 재료는 밀도가 작고 경도가 높으며 내열성, 내식성, 전기 절연성, 비 침투성, 압축 강도가 높고 자기 윤활성이 우수하며 기타 여러 가지 점을 갖춘 고강도 인공 결정체입니다. 질화 규소 재료의 높은 압축 강도와 합금강의 높은 굽힘 강도 및 우수한 인성의 장점으로 만들어진 하이브리드 세라믹 베어링은 경량, 높은 최종 속도, 작은 마찰 토크, 우수한 주행 정확도 및 우수한 인성과 같은 일련의 장점을 가지고 있습니다. 일반적인 강철 볼 베어링에 비해 고온에서 긴 수명을 자랑합니다.

질화 규소 세라믹 볼 베어링은 세계에서 가장 많이 연구되고 성능이 뛰어나며 가장 널리 사용되는 고급 세라믹 베어링입니다. 질화 규소 세라믹 볼 베어링은 세라믹 베어링과 거의 동의어입니다. Foresight Industrial Reserach Institute 데이터에 따르면 질화규소 세라믹 베어링 볼 시장의 소매 규모는 2020년에 701억 위안에 달했고, 2021년에는 시장 규모가 723억 위안에 도달할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 11.26%입니다. 향후 5년 내에 신에너지 자동차를 주요 성장 포인트로 삼아 2025년에는 1억 1080만 위안에 이를 것으로 예상됩니다.

공급 측면에서 볼 때, 질화규소 구체의 주요 글로벌 제조업체로는 Toshiba, Tsubaki, Nakashima, CoorsTek, AKS 및 IndustrialTectonicsInc가 있으며, 이는 전세계 질화규소 구체 시장 점유율의 45%를 차지합니다. 아시아 태평양은 현재 48%의 시장 점유율로 질화규소 구체의 가장 큰 시장이며, 유럽과 북미가 그 뒤를 따릅니다.

새로운 에너지 분야

전자 기술의 급속한 발전과 신에너지 차량에 대한 전 세계적 수요와 함께 리튬 이온 배터리는 고용량, 경량, 재충전 가능 및 낮은 자체 방전이라는 장점으로 다양한 응용 분야에서 시장을 지배하고 있습니다. 현재 중국은 세계 최대의 리튬전지 생산기지로 중국 리튬전지의 발전 잠재력은 엄청나다. 그러나 수많은 휴대폰 자연발화, 전기차 화재, 폭발 등 안전을 경종을 울리는 사고가 발생하는 등 리튬이온 배터리의 안전성과 수명에 대한 문제는 여전히 남아있습니다.

AlOOH 세라믹 복합 다이어프램의 Sem 및 구조 개략도

세라믹 다이어프램 코팅 재료는 일반적으로 알루미나와 보에마이트 중에서 선택됩니다. 리튬이온 배터리는 전극(양극 및 음극), 분리물(격막), 전해질 및 쉘의 네 부분으로 구성됩니다. 이 중 격막은 리튬 이온을 내장하고 분리할 수 있는 핵심 내부 구성 요소 중 하나입니다. - 배터리의 사이클링 성능을 보장하기 위해 양극과 음극 사이에 내장되어 있지만 작업 엔지니어링 중에 양극과 음극을 분리하여 배터리의 안전 성능을 보장합니다. 사이클 성능 및 안전 성능을 고려하여 국내외 다이어프램 제조업체는 세라믹 다이어프램 유기 용매 저항성, 전해질과의 우수한 상용성, 높은 흡수율, 높은 인장 강도, 높은 천공 강도, 낮은 열 수축, 높은 필름 파손으로 인해 세라믹 다이어프램을 목표로 합니다. 온도, 낮은 열 수축률.

BYD의 리튬전지 분리막 발명특허 "전지 분리막 및 그 제조방법"(CN201310750910.7)에 따르면, 무기 코팅 슬러리에서 물의 질량비는 76%이고, 고형물 세라믹 코팅 입자와 수지의 질량비는 재료는 각각 22%와 2%입니다. 따라서 보마이트로 대표되는 세라믹 코팅 입자는 리튬전지 코팅재의 가장 중요한 원료이다.

수요 측면에서는 EVTank와 Ivey Institute of Economics가 공동으로 발표한 '중국 리튬이온 배터리 분리막 산업 백서(2020)'에 따르면 2019년 중국 내 리튬배터리 코팅재 출하량은 15,500톤으로, 그 중 무기계 도료 출하량은 14,000톤으로 90.32%를 차지하며 유기 도료, 유기 및 무기계 도료 혼합 도료는 10% 미만으로 무기계 도료가 시장 도료의 주류를 이루고 있다. 2025년에는 무기 코팅재 생산량이 40억 4천만㎡에 달할 것으로 예상된다.

공급 측면에서 국내 도자기 재료의 확장과 함께 국내 세라믹 코팅 분야는 크고 작은 두 가지 경쟁 패턴을 보일 것입니다. 통계에 따르면, 리튬 배터리 코팅 재료 분야에서 2019년 독일 NabaltecAG 리튬 배터리는 Bumite 출하량이 48만 톤으로 37%를 차지해 세계 1위를 차지했고, One Stone Pass 리튬 배터리는 Bumite 출하량이 47만 톤으로 나타났습니다. 톤으로 36%를 차지해 세계 2위, 국산 1위다.

차량배기흡착분야

최근 몇 년 동안 중국 정부가 환경 보호 문제를 매우 중요하게 여기면서 대형 디젤 배출가스 규제가 업그레이드되었으며 그 제한이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 다가오는 국가 VI 표준은 세계에서 가장 엄격한 배출 표준 중 하나로 간주됩니다.

• 셀룰러 세라믹

벌집 세라믹은 내부에 벌집 모양의 통로가 많은 세라믹 재료입니다. 셀룰러 세라믹은 기공 밀도가 높고 비표면적이 크다는 장점이 있습니다. 낮은 열팽창 계수와 우수한 열 안정성; 산 및 알칼리 저항 및 유기 용제, 내식성이 우수합니다. 우수한 기계적 성질; 우수한 항균성 등. 주로 활성촉매 및 촉매첨가제 적재작업용 촉매장치의 담체로 사용되며, 배기가스 처리용 촉매에 가장 많이 사용되는 촉매 담체입니다.

국내 벌집형 세라믹 시장은 여전히 외국 기업이 독점하고 있으며, 국내 사업 분야는 수입 대체 공간이 넓습니다.

• 알루미나

고순도 알루미나 분말은 백색 미세 분말, 입자 크기가 균일하고 분산이 쉽고 화학적 특성이 안정적이며 고온 수축 성능이 적당하고 소결 성능이 우수합니다. 자동차 배기 가스 세라믹 코팅에 널리 사용됩니다. 자동차 배기가스 촉매의 활성 성분은 일반적으로 특정 분산, 열 안정성 및 기계적 강도를 보장하기 위해 코팅에 부착되어야 합니다. 다양한 결정형 알루미나 중 γ-Al2O3는 흡착력이 강하고 비표면적이 크며 현재 주로 사용되는 코팅재이다.

국가 6개 표준에 따라 디젤 차량의 DOC와 DPF는 알루미나 코팅에 사용되며, 셀룰러 세라믹 협회의 통계에 따르면 코팅량은 셀룰러 세라믹 부피의 약 20%로 계산할 수 있습니다. 약 120g/L로 디젤 차량에 사용됩니다. 2022년 국내 알루미나 수요는 11,171톤에 이를 것으로 추산된다.

이 기사는 iacechina.com에서 가져온 것입니다.