2000도의 초고온 화염을 견디는 초경량 신소재가 개발돼 극초음속 비행체 등 미래 항공우주 기술 발전에 대한 기대감이 커지고 있다.
중국 쑤저우 연구소의 양류 연구원팀은 2000도의 산소-아세틸렌 불꽃을 300초간 견디는 새로운 하프늄산화물-규소·붕소·산소·탄소(HfO₂-SiBOC) 세라믹을 개발했다고 11일(현지시간) 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 세라믹스 저널'에 지난 5월 20일 게재됐다.
연구팀이 개발한 신소재는 극초음속 비행체나 스크램젯 엔진의 열보호 시스템(TPS)에 사용될 핵심 부품으로 주목받는다.
기존에 사용되던 탄화물·붕화물 기반의 초고온 세라믹(UHTC)은 밀도가 높아(HfC 기준 12.7g/㎤) 무거웠다. 또한 제조 과정이 복잡하고 에너지 소모가 많으며, 산소에 노출되면 쉽게 손상되는 단점이 있었다.
반면 이번에 개발된 HfO₂-SiBOC 세라믹의 밀도는 2.49g/㎤에 불과하다. 이는 기존 초고온 세라믹은 물론 일반적인 경량 세라믹인 탄화규소(SiC)나 질화규소(SiN)보다도 가벼운 수준이다.
연구팀은 고온에 노출되면 소재 표면에 스스로를 보호하는 안정적인 다층 구조가 형성되는 원리를 이용했다. 먼저 하프늄(Hf)이 산화돼 안정적인 하프늄산화물(HfO₂) 보호층을 만들고, 이후 규소(Si)와 붕소(B)가 녹아내려 결함을 메우는 방식이다.
실제 2000도의 화염을 300초간 가하는 실험에서 이 소재는 질량 감소율과 두께 감소율이 매우 낮아 거의 마모되지 않는 수준의 내구성을 보였다.
양류 연구원은 "이번 연구는 초고온 환경에 적용할 수 있는 경량 세라믹을 만드는 새로운 전략을 제시했다"고 설명했다.
연구팀은 향후 신소재의 장기적인 안정성과 기계적 특성, 급격한 온도 변화에 대한 내열충격성 등을 추가로 연구할 계획이다.