"2400도에도 끄떡없다"…中, 초고온 견디는 금속 합금 개발

[지디넷코리아]중국 연구진이 섭씨 2400도에 달하는 초고온 환경에서도 강도를 유지하는 새로운 금속 합금을 개발했다.

이 기술이 상용화될 경우 극초음속 항공기와 재사용 우주선, 차세대 원자로 등 극한 환경에서 사용되는 첨단 기술의 성능을 크게 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.인터레스팅엔지니어링, 사우스차이나모닝포스트 등 외신은 중국 시안자오퉁대학 연구진이 개발한 새로운 탄탈럼(Tantalum) 기반 합금 연구 결과가 국제학술지 네이처(Nature)에 발표됐다고 최근 보도했다.연구진이 개발한 합금은 특수하게 설계된 탄탈럼 기반 소재다.

탄탈럼은 녹는점이 약 3000도에 달해 현존하는 금속 가운데 가장 뛰어난 내열성을 가진 재료 중 하나다.

그러나 기존 탄탈럼 합금은 극한의 고온에서는 강도가 떨어지는 한계를 지녀 왔다.연구진은 합금 내부의 미세구조를 정밀하게 제어해 이러한 문제를 해결했다.

극심한 열에도 내부 구조가 안정적으로 유지되도록 설계함으로써 변형을 억제하고 높은 강도를 유지할 수 있도록 한 것이다.극초음속 항공기와 재사용 우주선, 첨단 로켓 엔진, 차세대 원자로 등은 초고온에서도 기계적 강도를 잃지 않는 소재가 필수적이다.

현재 제트엔진 등에 널리 사용되는 니켈 기반 슈퍼합금 역시 온도가 2000도에 가까워지면 강도가 크게 저하되는 한계를 보인다.

반면 이번에 개발된 탄탈럼 합금은 최대 2400도의 고온에서도 무거운 하중을 견딜 수 있는 것으로 나타나 기존 고온용 구조재보다 크게 향상된 성능을 입증했다.일반적으로 금속은 온도가 높아질수록 내부 결정 구조의 움직임이 활발해지면서 점차 무르게 된다.

특히 녹는점의 약 60%를 넘는 온도에서는 원자들이 자유롭게 이동하면서 외부 하중에 의해 쉽게 변형된다.

연구진은 재료 내부 배열을 안정화해 기존 금속이 약해지는 극한 조건에서도 높은 강도를 유지할 수 있게 했다고 설명했다.연구진은 해당 소재가 실험실을 넘어 실제 환경에서도 동일한 성능을 입증할 경우 극초음속 미사일과 항공기 부품, 로켓 노즐과 연소실, 우주선 열 보호 시스템, 첨단 가스 터빈, 원자력 발전소 핵심 부품 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대하고 있다.극한의 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있다면 엔진 효율 향상은 물론 부품 수명 연장, 냉각 시스템 부담 감소 등 다양한 효과도 기대할 수 있다.다만 상용화까지는 추가 검증이 필요하다.

연구진은 반복적인 가열과 냉각 과정에서도 성능이 유지되는지, 산화와 부식에 대한 내성이 충분한지, 장기간 안정적으로 사용할 수 있는지 등을 확인해야 한다고 밝혔다.

또한 탄탈럼 자체가 고가의 금속인 만큼 생산 비용을 낮추면서도 성능을 유지할 수 있는 제조 기술 확보가 상용화의 핵심 과제로 꼽힌다.인터레스팅엔지니어링은 첨단 항공우주와 원자력 기술 개발 경쟁이 치열해지는 가운데 초고온 합금 기술의 중요성이 갈수록 커지고 있다며, 이번 탄탈럼 기반 합금이 상용화에 성공할 경우 기존 금속으로는 구현하기 어려웠던 극한 환경용 기계와 항공우주 시스템 개발의 새로운 전환점이 될 수 있다고 평가했다. ...