고온 금속은 항공기 엔진, 가스 터빈, X선 시스템 및 기타 첨단 기술에 동력을 공급하는 데 필수적입니다. 내열성이 가장 뛰어난 금속 중에는 텅스텐, 몰리브덴, 크롬과 같은 내화성 금속이 있으며, 모두 녹는점이 섭씨 2,000도(화씨 ~3,600도) 이상입니다. 뛰어난 내열성에도 불구하고 이러한 금속은 큰 문제를 안고 있습니다. 상온에서는 부서지기 쉽고 산소에 노출되면 빠르게 산화되어 섭씨 600~700도(화씨 ~1100~1300도)에서도 파손될 수 있습니다. 이로 인해 X선 회전 양극과 같은 특수 진공 환경에서만 사용할 수 있습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 엔지니어들은 오랫동안 뜨거운 공기나 연소 가스를 견뎌야 하는 부품에 니켈 기반 초합금을 사용해 왔습니다. 이러한 재료는 가스 터빈 및 기타 고온 시스템의 표준입니다.
“기존 초합금은 거의 구할 수 없는 금속 원소를 포함하여 다양한 금속 원소로 만들어져 여러 특성을 결합합니다. 상온에서 연성이 있고 고온에서 안정적이며 산화에 강합니다.”라고 KIT 응용 재료 연구소(재료 과학 및 공학)의 Martin Heilmaier 교수는 설명합니다. “그러나 문제가 있습니다. 작동 온도, 즉 안전하게 사용할 수 있는 온도는 최대 섭씨 1,100도입니다. 이는 터빈이나 기타 고온 응용 분야에서 효율성을 높이기 위한 잠재력을 최대한 활용하기에는 너무 낮습니다. 사실 연소 과정의 효율성은 온도에 따라 증가합니다.”
기술 도약의 기회
이러한 성능 한계를 인식한 Heilmaier 팀은 새로운 솔루션을 찾기 시작했습니다. 독일 연구 재단(DFG)의 “극한 조건에서의 응용을 위한 복합 재료의 재료 화합물”(MatCom-ComMat) 연구 교육 그룹 내에서 팀은 크롬, 몰리브덴 및 실리콘을 결합한 새로운 합금을 개발했습니다. 현재 보훔 루르 대학교 교수인 알렉산더 카우프만(Alexander Kauffmann) 박사가 발견한 이 내화성 금속 기반 소재는 이전에는 볼 수 없었던 특성을 보여줍니다.
“상온에서 연성이 있고 녹는점이 섭씨 약 2,000도에 달하며, 현재까지 알려진 내화 합금과 달리 임계 온도 범위에서도 산화가 천천히 진행됩니다. 이는 섭씨 1,100도보다 훨씬 높은 작동 온도에 적합한 부품을 만들 수 있다는 비전을 키워줍니다. 따라서 우리 연구 결과는 실질적인 기술 도약을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있습니다.” 카우프만. 컴퓨터 기반 재료 개발에서 달성한 큰 진전에도 불구하고 산화 및 연성에 대한 저항성은 목표한 재료 설계를 허용할 만큼 충분히 예측할 수 없다는 점에서 특히 주목할 만합니다.
효율성 향상, 소비 감소
Heilmaier는 “터빈에서는 온도가 섭씨 100도만 상승해도 연료 소비를 약 5% 줄일 수 있습니다.”라고 설명합니다. Heilmaier는 “전기로 구동되는 비행기는 향후 수십 년 동안 장거리 비행에 거의 적합하지 않기 때문에 이는 특히 항공과 관련이 있습니다. 따라서 연료 소비를 크게 줄이는 것이 중요한 문제가 될 것입니다. 발전소의 고정식 가스 터빈은 보다 견고한 재료 덕분에 CO2 배출량을 낮추면서 작동할 수도 있습니다. 합금을 산업 수준에서 사용할 수 있으려면 다른 많은 개발 단계가 필요합니다”라고 Heilmaier는 말합니다. “그러나 기초 연구의 발견으로 우리는 중요한 이정표에 도달했습니다. 이제 전 세계의 연구 그룹이 이 성과를 바탕으로 발전할 수 있습니다.”
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251023031622.htm
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