항공우주 재료: 유형, 선택 및 응용 분야

항공우주 재료의 서비스 환경

항공우주용 소재는 높은 인장력, 압축력, 전단력 등 극한의 기계적 응력은 물론 복잡한 동적 하중을 견뎌내야 합니다. 이러한 소재는 이륙, 착륙 및 기내 기동 중에 격렬한 진동, 주기적인 피로, 충격력을 받습니다. 터빈 블레이드의 빠른 회전, 급격한 대기 변화, 공기 역학적 하중은 이러한 소재에 대한 기계적 요구 사항을 더욱 복잡하게 만듭니다.

항공우주 소재의 열 환경도 마찬가지로 까다롭습니다. 높은 고도에서 뜨거운 엔진 배기가스와 강렬한 태양 복사에 노출되면 특정 부품의 경우 1000°C를 초과하는 고온 환경이 조성됩니다. 반대로 초음속 및 극초음속에서는 공기역학적 가열이 중요한 요소가 되어 리딩 엣지와 노즈 콘의 온도가 2000°C 이상에 도달할 수 있습니다.

극한의 온도는 열에만 국한되지 않습니다. 성층권에서 아음속으로 순항할 때는 약 -60°C까지 떨어지고, 겨울철 극지방에서는 -80°C 이하로 급강하하는 극저온에서도 소재의 무결성을 유지해야 합니다. 이처럼 넓은 온도 범위(-80°C~+2000°C)에서는 탁월한 열 안정성과 열 충격에 대한 저항성이 요구됩니다.

화학적 환경은 또 다른 문제를 야기합니다. 금속 부품은 특히 엔진에 고온, 고압의 증기가 존재할 때 응력 부식 균열과 수소 취성의 위험에 직면합니다. 씰과 타이어와 같은 탄성체 소재는 오존 균열에 견디고 극한의 온도에서도 유연성을 유지해야 합니다. 연료, 유압유, 제빙제는 금속에 부식을 일으키고 폴리머와 복합재에 성능 저하 또는 팽창을 일으킬 수 있습니다.

환경적 요인은 소재의 열화를 더욱 가속화합니다. 높은 고도에서 자외선에 장시간 노출되면 폴리머와 합성물의 광분해를 유발할 수 있습니다. 초음속 비행은 상공의 고속 미립자 및 원자 산소에 의해 소재가 침식될 수 있습니다. 또한 재료는 성능이나 구조적 무결성을 손상시키지 않으면서 다양한 습도 수준에서 장기간 보관을 견뎌야 합니다.

이러한 다각적인 과제를 해결하기 위해 항공우주 소재는 높은 중량 대비 강도, 우수한 피로 저항성, 열 안정성, 내식성, 방사선 경도를 비롯한 정교한 특성 균형이 필요합니다. 이러한 까다로운 서비스 환경은 항공우주 시스템의 안전과 효율성을 보장하기 위해 합금 설계, 복합 엔지니어링 및 표면 처리의 경계를 넓히며 재료 과학의 지속적인 혁신을 이끌고 있습니다.

항공우주 소재의 선택 및 적용

항공우주 차량은 대기권이나 우주 공간에서 오랜 기간 동안 작동해 왔습니다. 높은 신뢰성, 안전성, 최적의 비행 성능을 보장하려면 까다로운 환경에서도 효과적으로 작동하도록 설계되어야 합니다.

이러한 목표를 달성하려면 공기역학, 기술 및 유지보수 요건을 충족하도록 구조를 최적화하는 것이 필수적입니다. 하지만 이를 위해서는 우수한 특성과 기능을 갖춘 소재를 사용해야 합니다.

1. 재료 선택 원칙

서비스에서 구조 구성 요소는 지정된 시간 내에 허용 가능한 수준의 변형이나 파손을 초과하지 않고 다양한 유형의 외력을 처리할 수 있어야 합니다.

항공우주 구조물의 설계 목표 중 하나는 크기와 무게를 최소화하는 것입니다. 과거에는 주로 부품의 정적 강도에 중점을 두었기 때문에 소성 인성을 무시하거나 제한적으로 고려하는 경우가 많았습니다. 이로 인해 치명적인 사고가 발생하기도 했습니다.

메인라인 항공기의 주요 구조 구성 요소

구조 구성 요소의 안전을 보장하고 다음을 최대한 활용하려면 재료 성능항공우주 구조 부품의 설계는 '강도 설계 원칙'에서 '손상 허용 설계 원칙'으로 바뀌었고, '전체 수명 주기 설계 원칙'으로 발전했습니다.

디자인 단계에서는 제품 수명 주기의 모든 측면을 고려하고, 제품 설계 단계에서 모든 관련 요소를 종합적으로 고려하여 최적화합니다.

소재는 비강도와 강성이 높아야 할 뿐만 아니라 특정 파단 및 충격 인성, 피로 저항성, 고온 및 저온 저항성, 내식성, 노화 저항성, 곰팡이 저항성은 물론 향상된 성능 지표를 나타내야 합니다.

다른 재료 선택 기준은 다양한 하중 영역에 적용되며, 각 구성 요소의 특정 요구 사항에 따라 재료가 선택됩니다. 고하중 영역에는 강도 기준이 적용되고 고강도 재료가 선택됩니다. 중간 하중 영역에는 강성 기준이 사용되며 탄성 계수가 높은 소재가 선택됩니다. 저하중 영역에서는 치수 안정성을 최우선으로 고려하여 구성 요소가 최소 임계 크기보다 큰지 확인합니다.

구조용 재료를 선택하고 평가할 때는 사용 조건과 응력 상태에 따라 기계적 특성(인장, 압축, 충격, 피로, 저온 충격)에 대한 적절한 시험 방법을 선택해야 합니다. 연성 파괴, 취성 파괴, 응력 피로, 변형 피로, 응력 부식 등 다양한 파괴 모드에 대해 재료 강도, 가소성, 인성을 종합적으로 고려해야 합니다, 수소 취성, 중성자 조사 취성 등

장력을 받는 부재의 경우 표면과 코어 모두에서 응력 분포가 균일해야 하며, 선택한 재료는 대형 부재의 경우 경화성이 우수하고 균일한 구조와 성능을 가져야 합니다.

굽힘 및 비틀림 하중을 받는 부재의 경우 표면과 코어 사이에 응력 차이가 커서 경화성이 낮은 재료를 사용할 수 있습니다.

피로 한계와 노치 감도는 교대 하중을 받는 부품의 재료 선택에 있어 중요한 평가 기준입니다.

부식성 환경에 노출되는 부품의 경우 내식성, 수소 취성에 대한 민감성, 응력 부식 균열 경향, 부식 등의 요인을 고려해야 합니다. 피로 강도 는 자료 선택의 중요한 평가 지표입니다.

고온 서비스에 사용되는 소재는 구조 안정성을 고려해야 하고, 저온 서비스에 사용되는 소재는 저온 성능을 고려해야 합니다.

무게 감소는 항공기 안전성 향상, 탑재량 및 내구성 증가, 기동성 및 항속거리 개선, 연료 또는 추진제 소비 및 비행 비용 절감에 실질적으로 중요한 의미를 갖습니다. 항공기 속도가 빨라질수록 무게 감소의 효과는 더욱 커집니다. 예를 들어, 전투기의 무게를 15% 줄이면 항속 거리는 15%, 항속 거리는 20%, 탑재량은 30% 증가할 수 있습니다.

미사일이나 발사체와 같은 단기 일회용 항공기의 경우 최소한의 부피와 질량으로 동등한 기능을 달성해야 하며, 재료 성능을 극대화하고 최소한의 안전 마진을 선택하여 사용 수명 동안 절대적인 신뢰성을 보장해야 합니다.

2. 주요 항공우주 재료

구조 질량을 줄이려면 밀도를 30%로 줄이면 되는데, 이는 강도를 50%로 줄인 것보다 더 큰 수치입니다.

알루미늄 합금티타늄 합금 및 복합 재료는 비강도와 강성이 높아 항공기의 탑재량, 기동성 및 내구성을 향상시키면서 비행 비용을 절감할 수 있어 항공우주 구조물에 주로 사용되는 소재입니다.

초고강도 강철 사용( 항복 강도 1380MPa 이상)는 항공우주 공학에서 10% 미만으로 제한됩니다.

초음속 전투기와 같은 최신 항공기의 경우 초고강도강의 양은 5% ~ 10%로 안정적이며 인장 강도는 600 ~ 1850MPa, 때로는 1950MPa까지 높으며 파단 인성 K_Ic = 78 ~ 91MPa - m^{1 / 2}.

고강도 내식성 강철은 일반적으로 부식이 활발한 환경에서 동체 하중 지지 구조에 사용되며, 무탄소 내식성 강철은 액체 수소와 수소 매질을 사용하는 수소 연료 엔진을 장착한 항공기의 부품에 사용됩니다.

21세기 항공기 동체에 사용되는 주요 구조 재료는 2XXX 시리즈, 7XXXX 시리즈 및 알루미늄-리튬 합금을 포함한 알루미늄 합금입니다. 알루미늄 합금에 리튬을 첨가하면 강도를 높이고 밀도를 낮추어 비강도와 강성을 향상시킬 수 있습니다.

알루미늄-리튬 합금은 대형 수송기, 전투기, 전략 미사일, 우주 왕복선 및 발사체에 사용되어 왔으며 헤드쉘, 하중 지지 부품, 액체 수소 및 액체 산소 저장 탱크, 파이프라인 및 페이로드 어댑터와 같은 부품에 사용됩니다. 항공우주 개발의 유망한 소재로 꼽히고 있습니다.

3세대 및 4세대 알루미늄-리튬 합금은 더 이상 저밀도를 우선시하지 않으며 전반적인 특성이 더 우수합니다. 3세대 알루미늄-리튬 합금에 비해 4세대 합금은 더 높은 정적 강도(특히 항복 강도)와 파괴 인성을 가지면서도 균열 성장률, 피로 성능, 부식 성능 및 탄성 계수는 동등하게 유지합니다.

티타늄 합금은 알루미늄 합금보다 비강도가 높아 프레임, 플랩 가이드 레일 및 브래킷, 엔진 베이스, 랜딩 프레임 부품, 배기 후드 및 방화 실드와 같은 가열 부품과 같은 항공기 부품에 사용됩니다. 마하 2.5 이상의 초음속 항공기의 경우 표면 온도가 200~350°C에 달할 수 있으며, 티타늄 합금을 피부로 사용할 수 있습니다.

급속 응고/분말 야금법으로 제조한 고순도, 고밀도 티타늄 합금은 열 안정성이 우수하고 700°C에서도 상온에서의 강도와 유사한 강도를 유지합니다. 개발된 고강도, 고인성 β형 티타늄 합금은 항공기 동체 및 날개 패널에 사용되는 SiC/Ti 복합소재의 매트릭스 재료로 NASA에서 선정되었습니다.

항공기에 사용되는 티타늄 합금의 비율은 점차 증가하고 있으며, 민간 항공기 동체에는 20%가, 군용 항공기 동체에는 50%가 사용되고 있습니다.

금속 매트릭스 복합재, 고온 수지 매트릭스 복합재, 세라믹 매트릭스 복합재, 탄소/탄소 복합재는 항공우주 산업에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

탄소/탄소 복합재는 탄소의 내화 특성과 탄소 섬유의 고강도 및 강성을 결합한 소재입니다. 열 안정성과 전도성이 뛰어날 뿐만 아니라 고온 합금의 4분의 1에 불과한 밀도로 2500°C에서 높은 강도와 인성을 제공합니다.

탄소섬유 복합재에 유리섬유를 첨가하여 충격 성능을 향상시키거나 유리섬유 강화 플라스틱에 탄소섬유를 첨가하여 강성을 높이는 등 하이브리드 복합재가 크게 주목받고 있습니다.

A380에 새로운 라미네이트인 GLARE가 사용된 3%와 같이 항공우주 공학 분야에서도 레이어드 복합 소재가 널리 사용되고 있습니다. 라미네이트는 서로 다른 두 가지 재료를 압력을 가하여 쌓아 만든 복합 소재입니다.

라미네이트는 일반적으로 상부 패널, 상부 본딩층, 코어 소재, 하부 본딩층, 하부 패널로 구성됩니다. 강도와 강성이 개별 패널이나 코어 소재보다 높습니다. 라미네이트는 운송 및 전투기에 사용되었습니다.

GLARE 라미네이트는 여러 개의 얇은 알루미늄 판과 에폭시 접착제가 미리 함침된 단방향 유리 섬유를 열간 압착하여 형성됩니다. 핫 프레스 탱크와 같이 그림 1에 표시되어 있습니다. 그리고 알루미늄 플레이트 는 섬유 사전 함침층에 쉽게 접착되도록 적절히 전처리되어야 합니다.

표 1은 필요에 따라 다양한 두께의 판으로 만들 수 있는 상업적으로 생산되는 GLARE 라미네이트의 종류를 보여줍니다. 섬유는 2겹, 3겹, 4겹 또는 그 이상이 될 수 있으며, 섬유의 함량과 방향은 표의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. GLARE 라미네이트의 각 유형은 다양한 형태를 가질 수 있으며 특정 요구 사항을 충족하도록 조정할 수 있습니다.

그림 1 글레어 라미네이트의 개략도

표 1 시판되는 글레어 라미네이트의 종류

GLARE 라미네이트의 접합 기술은 판재 폭이 제한되는 문제를 해결합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 동일한 알루미늄 판재 층 사이에는 좁은 이음새가 있으며, 서로 다른 층 사이의 접합부는 서로 다른 위치에 위치합니다. 이러한 접합부는 섬유층을 통해 다른 층의 알루미늄 판과 연결될 수 있으므로 내피로성, 내식성 및 내화성이 우수한 벽판 또는 전체 동체 스킨을 제조할 수 있어 리벳 구멍과 그로 인한 응력 집중이 필요하지 않습니다.

안전한 하중 전달을 위해 접합부에 금속판이나 수지가 미리 함침된 유리 섬유 층과 같은 보강층을 추가할 수 있습니다.

그림 2 글레어 라미네이트의 접합 다이어그램

허니콤 샌드위치 복합 소재는 샌드위치 코어와 스킨(패널)으로 구성됩니다. 스킨은 알루미늄 또는 탄소/에폭시 복합 재료로 만들 수 있으며, 샌드위치 코어는 벌집 모양으로 금속, 유리 섬유 또는 복합 재료로 만든 일련의 육각형, 사각형 또는 기타 모양의 셀로 구성됩니다. 샌드위치의 상단과 하단 표면은 더 얇은 패널에 접착되거나 브레이징됩니다.

알루미늄 허니콤 샌드위치 복합소재의 핵심 소재는 알루미늄 호일을 다양한 방식으로 접착하고 스트레칭을 통해 다양한 규격의 허니콤을 형성하여 만들어집니다. 코어 소재의 성능은 주로 알루미늄 호일의 두께와 셀의 크기에 의해 결정됩니다.

이 소재는 높은 비강도와 강성, 우수한 내충격성, 진동 감소, 마이크로파 투과성, 강력한 설계성을 가지고 있습니다. 리벳 구조와 비교하여 구조 효율을 15%에서 30%까지 높일 수 있습니다.

허니콤 샌드위치 구조는 날개 표면, 객실 표면, 객실 커버, 바닥, 엔진 커버, 머플러 플레이트, 단열판, 위성 별 껍질, 파라볼로이드 안테나, 로켓 추진제 저장 탱크 바닥 등 다양한 벽 패널에 사용할 수 있습니다. 하지만 허니콤 샌드위치 구조는 특정 환경에서 부식에 취약합니다.

벌집 샌드위치는 충격을 받으면 영구적인 변형이 발생하여 피부에서 분리됩니다.

3. 항공우주 재료 분석

표 2는 미국 군용 항공기에 사용되는 구조용 소재의 비율을 보여줍니다. 복합 소재와 티타늄 합금의 사용은 점차 증가하고 있는 반면 알루미늄 합금의 사용은 감소하고 있는 추세입니다.

표 2 미군 항공기용 구조재 비율

표 3은 일반적인 메인라인 항공기에 사용되는 소재의 분류를 보여줍니다. B787에는 50% 복합재가, A350에는 52% 복합재가 사용됩니다. 복합 소재의 사용은 무게를 줄이고, 손상 저항성을 높이며, 부식 방지 기능을 제공하고, 내구성을 향상시키는 능력으로 인해 항공 우주 산업에서 트렌드가 되고 있습니다.

그러나 복합 소재는 높은 비용, 제한된 내충격성, 가소성 부족, 기술 난이도 증가, 낮은 유지보수성, 재활용의 어려움 등의 단점도 있습니다. 그 결과 A320neo와 B737MAX는 A320 및 B737에 비해 복합재 사용이 증가하지 않았습니다.

표 3 일반적인 메인라인 항공기 재료의 비율(%)

유인 우주선의 객실 부분은 대부분 알루미늄 합금, 티타늄 합금 및 복합 재료로 만들어집니다. 예를 들어 우주 왕복선의 궤도선은 주로 알루미늄 합금으로 제작되며, 주 엔진을 지지하는 추력 구조는 진 합금으로 만들어집니다. 중간 동체의 메인 프레임은 붕소 섬유 강화 알루미늄 합금으로 강화된 금속 매트릭스 복합 재료로 구성되며, 화물칸 도어는 흑연 섬유 강화 에폭시 수지 복합 재료를 패널로 사용한 특수 종이 허니콤 샌드위치 구조로 만들어집니다.

절제 재료는 미사일 헤드의 외부 표면, 우주선의 재진입 캡슐, 로켓 엔진의 내부 표면에 사용됩니다. 이러한 소재는 열의 흐름에 따라 분해, 용융, 증발, 승화, 침식 등 물리적, 화학적 변화를 겪을 수 있습니다. 이로 인해 재료 표면이 대량으로 소비되어 많은 양의 열을 빼앗기고 대기권 재진입 시 열 흐름이 항공기로 유입되는 것을 방지하고 로켓 엔진의 연소실과 노즐을 냉각시킵니다.

기내 적정 온도를 유지하기 위해 재진입 구간에 복사열 보호 조치를 취하고 있습니다. 외피는 고온에 강한 니켈 베이스 합금 또는 베릴륨 판으로 만들어지고 내부 구조는 내열 합금으로 구성됩니다. 외피와 내부 구조는 석영 섬유 및 유리 섬유 복합 세라믹과 같은 단열 특성이 우수한 재료로 채워져 있습니다.

결론

유인 우주 비행, 달 탐사, 심우주 탐사, 고해상도 위성, 고속 차량, 재사용 가능한 차량, 우주 이동 차량과 같은 우주 프로젝트의 실행과 지속적인 발전으로 소재에 대한 요구 사항이 더욱 까다로워지면서 새로운 기회를 제공하고 새로운 항공우주 소재 개발을 촉진하고 있습니다.

재료 분야의 주요 원자재 및 엔지니어링 애플리케이션에 대한 독립적인 보증에서 상당한 돌파구가 마련되었습니다.