탄성내열재 배합 환경에 따른 내열 성능 변화에 관한 연구

김남조(Namjo Kim),서상규(Sangkyu Seo),강윤구(Yoongoo Kang),고청아(Cheongah Go) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

고온 · 고압의 연소가스로부터 구조물을 보호하는 탄성내열재는 재료 조성 및 열환경 조건에 따라 열반응에 차이를 보인다. 본 논문에서는 탄성내열재의 배합 환경 변화에 따른 열반응 특성을 비교하였다. 탄성내열재의 내열 성능 시험은 내열고무성능평가장치(TPREM)를 이용하였으며, 연소실 압력 1,000 psig에서 연소가스속도를 각각 20 m/s과 100 m/s로 시험하였다. 연소실 압력-시간 선도, 재료 내부 온도-시간 선도, 탄성내열재 시편의 잔류두께 및 열파괴두께를 획득하였다. 배합 환경에 따른 탄성내열재의 내열 성능은 유사하였다. The elastomeric insulators that protect from high-temperature and high-pressure combustion gases differ in the thermal response depending on the composition of materials and thermal environment conditions. In this paper, thermal reaction characteristics of elastomeric insulators in different mixing environments was compared with each other. The tests for thermal protection performance were carried out using a thermal protection rubber evaluation motor(TPREM), combustion gas velocities were tested at 20 m/s and 100 m/s at the 1,000 psig in chamber pressure, respectively. The pressure-time curve of chamber, materials internal temperature-time curve, residual thickness and thermal destruction depth of test specimens were obtained. After the tests, results show that thermal protection performance of elastomeric insulators by mixing environments was similar.

온도에 따른 오스테나이트계 내열강의 항복비의 이해

하도현(Do Hyun Ha),오세희(Sae Hee Oh),노영진(Young Jin Roh),김찬중(Chan-Jung Kim),김선진(Seon Jin Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

일반적으로 내열강의 경우도 온도가 상승함에 따라 인장강도 및 항복강도는 감소한다. 내열강은 통상 500℃ 이상의 온도에서 잘 견디는 강을 의미한다. 따라서 내열강은 500℃ 이상의 온도에서 사용하는 것으로 고온에서 강도가 우수하고, 특히 구조 부재로 사용되기 위해서는 크리프 한도가 높고, 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 우수해야 한다. 내열강이 장시간 동안 고온 고압 등의 극한 환경에 노출될 때 각종 기계적 특성의 현저한 감소를 수반하게 된다. 그럼에도 불구하고 고온환경에서 사용되는 기기 및 플랜트의 효율 향상과 경제성을 위하여 점점 가동 온도를 보다 높게 설정하고 있는 추세에 있다. 특히 내열강 재료 중 700℃ 이상의 초고온에서 사용되는 재료의 경우, 특히 차세대 원자력발전소와 같은 구조물의 구조 부재의 설계에는 그 설계 요구조건을 만족하기 의하여 크리프 한도 및 피로 특성에 대한 엄격한 요구와 이에 관련된 기계적 물성 데이터의 수집 및 평가가 필요하다. 이들 재료의 신뢰성 있는 소재 개발과 설계 기술 개발을 위해서는 고온에서의 물성에 대한 명확한 이해와 데이터의 축적이 요구된다. 항복비란 인장강도에 대한 항복강도의 비(항복강도/인장강도)로 정의되는 개념으로, 0에서 1의 범위를 가지며, 항복비가 크면 클수록 항복강도와 인장강도의 차이가 더 적고, 통상적으로는 소성과 취성이 더 심하게 된다는 것을 의미한다. 즉, 취성재료의 특성을 갖는다고 할 수 있다. 낮은 항복비는 항복에서 소성 불안정까지 변형에 대한 높은 저항을 의미한다. 즉 안전의 관점에서는 낮은 항복비를 가져야 함을 의미한다. 이는 재료의 미세조직과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 또한 항복비는 재료의 기계적 및 파괴 거동과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 재료의 종류에 따라서 혹은 동일 재료도 온도에 따라서 이들 항복비는 항상 일정하지 않을 것으로 기대된다. 항복비에 대한 이해는어떤 재료의 성능을 평가하고 고온에서의 여러가지 특성, 특히 반복 하중의 작용에 의한 반복 변형률반응 거동 등을 평가하는데 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 인장시험 결과에대한 출판된 문헌자료를 조사하여 먼저 오스테나이트계 내열강과 페라이트계 내열강에 대하여 비교 검토하고, 특히 여러 가지의 오스테나이트계 내열강에 대한 온도에 따른 항복비를 결정론적인 개념으로 이해하고자 하였다. Generally, heat resisting steel refers to the steel with capability of resisting scaling at temperature higher than 500℃. They have got good mechanical properties at this temperature, and especially, for utilization as the structural components of very high temperature reactor (VHTR) system, excellent creep resistance, oxidation resistance and creep-fatigue resistance are required. The present study is to investigate the yield ratio of various austenitic heat resisting steel according to temperature. The main emphasis has been placed on understanding of knowledge on the effect of yield ratio (yield strength/ultimate tensile strength) on the temperature, from the published literature review. The yield ratios of austenitic heat resisting steel (example, 18Cr-12Ni-Mo Stainless Steel) vary 0.35 ~ 0.65 according to the testing temperature. The yield ratios of ferrite steel (example, 1Cr-!Mo-0.25V Steel) vary 0.75 ~ 0.85 according to the temperature. The austenitic heat resisting steel showed lower the yield ratio than the ferrite steel. In austenitic heat resisting steels, the yield ratio was decreased with increasing to 600℃, then increased with increasing to 800℃, and finally decreased with increasing to 1000℃.

일차원 내열재 열분해식과 CFD통합을 통한 노즐 열해석

배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),배형모(HyungMo Bae),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

페놀릭 수지가 첨가되어 열분해 반응이 일어나는 내열재 카본/페놀 내열재가 적용된 노즐을 해석하기 위해 일차원 내열재 열분해식과 CFD 유동장을 통합해석하는 기법을 연구하였다. 일차원 내열재 열분해식은 전도로만 발생하는 고체 내의 화학반응의 특성을 고려하여 아레니우스 식을 이용한 화학반응율과 화학반응으로 발생한 가스가 숯층으로 통과하는 것을 고려하였다. 그리고 이차원 축대칭으로 이루어지는 CFD 해석에 일차원 열분해식을 통합하기 위하여 내열재의 체적을 표면에 할당하기 위한 고체체적 분류기법을 적용하였다. 노즐에 대한 검증결과로 내열재 내의 각 체적이 표면에 잘 할당됨을 확인하였으며 일차원 내열재 열분해식이 문제없이 적용됨을 확인하였다. Conjugate method to simulate carbon/phenolic thermal protection material including thermal decomposition of material is developed in this research. Developed method uses CFD solver in conjunction with 1-dimensional thermal decomposition program written in User Defined Function of Ansys Fluent. The thermal decomposition program embedded includes Arrhenius expression of thermal decomposition and thermal effect of decomposition gas inside material. Major consideration is made to extend 1-dimensional thermal decomposition program to incorporate 2-dimensional axisymmetric nozzle geometry where CFD simulation is being carried out. Solid volume categorizing method is developed in this research successfully assigned 2-dimensional solid volume into 1-dimensional algebraic equation.

추진기관 노즐의 유동/열/구조해석 모델링 및 상용코드 적용 동향

황기영(Ki_Young Hwang),배지열(Ji_Yeul Bae) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

고온, 고압의 연소가스에 노출되는 노즐 내열재는 추진제 연소가스와 산화 반응하여 반응질량이 표면에서 소실되면서 삭마가 발생하며, 내열재 페놀 수지는 열분해 되어 숯으로 변하고 분해가스는 내열재 표면으로 방출하게 된다. 내열재의 이러한 복잡한 열반응 해석은 1960년대부터 다양한 In-house 코드로 수행하였으나 Fluent, Marc, ABAQUS 등 상용코드에 서브루틴, UDF 등을 사용자가 넣을 수 있는 추가 기능이 생기면서 근래에 상용코드의 활용 범위가 넓혀지고 있다. 본 논문에서는 상용코드로 노즐 유동, 내열재의 열반응과 구조 해석을 수행한 연구동향을 고찰하였다. The nozzle thermal liner exposed to the high-temperature and high-pressure combustion gas oxidizes the combustion gas so that the reaction mass disappears from the surface and ablation occurs. Thermal liner phenol resin is pyrolyzed and transformed into char. Decomposition gas is discharged to the outside of thermal liner. The complex thermal analysis of thermal liner has been carried out using various in-house codes since the 1960s. However, since additional functions for users to insert subroutine and UDFs into commercial codes such as Fluent, Marc, and ABAQUS have recently been developed, the commercial codes has been widely used. This paper investigated the research trends of nozzle flow, thermal reaction and structural analysis of thermal liner with commercial codes.

비행체 추진기관용 내열 복합재의 특성 및 개발 동향

황기영(Ki-Young Hwang),박종규(Jong Kyoo Park) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.9

고온, 고압의 연소가스에 의해 유입되는 많은 열을 효과적으로 차단하여 고체 로켓 노즐의 공력형상을 최대한 유지하면서 구조물의 온도 상승을 일정수준 이하로 제한하기 위해 연소가스와 접하는 위치에 내삭마성이 우수한 C/C 복합재 등의 내열재를, 그 배면에는 열확산계수가 낮은 단열재를 적용한다. 내산화성이 우수한 SiC/SiC 복합재는 가스터빈 엔진에 적용되고 있으며, 경량화와 내열성 향상으로 인해 엔진 성능 증가에 기여하고 있다. 극초음속으로 비행하는 스크램제트는 흡입공기 온도가 매우 높아서 흡열 연료를 냉각제로 사용하는 C/SiC 구조물 개발 연구가 수행되고 있다. 본 논문에서는 고체 로켓 노즐, 가스터빈 엔진 및 램제트/스크램제트 추진기관에 사용되는 다양한 내열 복합재의 특성, 적용사례 및 개발 동향을 고찰하였다. In order to limit the temperature rise of the structure to a certain level or less while maintaining the aerodynamic shape of solid rocket nozzle by effectively blocking a large amount of heat introduced by the combustion gas of high temperature and high pressure, the heat-resistant materials such as C/C composite having excellent ablation resistance are applied to a position in contact with the combustion gas, and the heat-insulating materials having a low thermal diffusivity are applied to the backside thereof. SiC/SiC composite, which has excellent oxidation resistance, is applied to gas turbine engines and contributes to increase engine performance due to light weight and heat-resistant improvement. Scramjet, flying at hypersonic speed, has been studying the development of C/SiC structures using the endothermic fuel as a coolant because the intake air temperature is very high. In this paper, characteristics, application examples, and development trends of various heat-resistant composites used in solid rocket nozzles, gas turbine engines, and ramjet/scramjet propulsions were discussed.

항공우주용 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 내열 성능 평가

서상규(Sang-Kyu Seo),김연철(Yun-Chul Kim),배지열(Ji-Yeul Bae),함희철(Hee-Chul Hahm),황태경(Tae-Kyung Hwang) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.5

리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 항공우주용 내열 부품 적용 가능성을 확인하기 위하여 내열 성능 평가 및 열 해석을 수행하였다. 탄소/페놀릭의 열반응 평가는 내열성능평가모터(Thermal Protection Evaluation Motor, TPEM)로 수행되었다. 본 논문에서는 열 해석을 위해 유체의 경계층 해석을 고려한 경계층 적분 코드와 삭마 및 열분해를 고려한 MSC-Marc 2018 코드를 사용하였다. 추진기관의 압력 곡선, 연소 시험 후 절개된 목삽입재 시편을 통하여 삭마 및 단열성능을 분석하였고, 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 열반응은 레이온계 탄소/페놀릭 재료와 유사하였다. 연소 시험을 통한 결과를 바탕으로 국산 리오셀계 탄소/페놀릭의 항공우주용 내열 부품으로의 적용 가능성을 확인하였다. Heat resistance performance evaluation and thermal analysis were performed to confirm the applicability of the lyocell-based carbon/phenolic composite material for heat-resistant parts for aerospace. Heat resistance performance evaluation of carbon/phenolic was conducted by Thermal Protection Evaluation Motor (TPEM). In this paper, boundary layer integration code considering the boundary layer analysis of combustion gas and MSC-Marc 2018 considering ablation and thermal pyrolysis were used for the thermal analysis. The ablation and thermal insulation performance were analyzed by the pressure curve of test motor and the cut carbon/phenolic specimens. The thermal response of the lyocell-based carbon/phenolic material was similar to that of the rayon-based carbon/phenolic material. Based on the results through the combustion test, the applicability of heat-resistant parts for aerospace to which domestic lyocell-based carbon fibers were applied was confirmed.

고체 추진기관 적용 EPDM/Kevlar 조성의 접착형 내열 튜브 개발

김진용(Jinyong Kim),이원복(Wonbok Lee),서혁(Hyuk Suh),한철희(Cheolhee Han) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.5

본 연구는 고체 추진기관에 적용되는 내열재를 autoclave 방식이 아닌 hot press molding으로 제작하여 연소관에 접착 가능한 상태의 내열재로 제작하는데 초점을 두고 있다. EPDM/kevlar를 기본 조성으로 내열재 원료가 구성되고, 미가류 sheet 상태로 공급된다. 전방 내열재는 금형을 사용하여 preform 상태로 1차 제작하고, boots를 구형하기 위해 두개의 preform 사이에 modified nylon film을 사용하여 제작 하였다. 실린더 부위를 포함하고 있는 후방 내열재는 특별히 설계된 하나의 금형으로 제작되었고, boots 부위는 초경합금 칼날을 가지고 있는 장비에 의해 실현되었다. In this study, we focused on development of the adhesive insulator using the case for solid rocket motors. Material of insulator used unvulcanized rubber based on EPDM/kevlar. In case of front insulator, preforms was made by using hot press molding, and then modified nylon film was inserted between two preforms for boots manufacturing. Rear insulator included cylinder part was embodied by only one mold with special designed and manufactured shape in the process. Boots part of rear insulator was obtained by cutting machine with hard-metal cemented carbide.

파밤나방과 배추좀나방의 고온 감수성 차이와 연중 발생 변이

김민현,이승희,김용균,Kim, Minhyun,Lee, Seunghee,Kim, Yonggyun 한국응용곤충학회 2016 한국응용곤충학회지 Vol.55 No.1

기후변화는 국내 해충상의 변화에 영향을 주는 주요 요인 가운데 하나로 알려지고 있다. 특히 지구 온난화 모델에 따라 남방계 곤충의 서식지 확대가 예상되고 있다. 휴면 기작을 가지고 있지 않은 파밤나방(Spodoptera exigua)과 배추좀나방(Plutella xylostella)은 시설재배지를 중심으로 국내에서 월동이 가능한 것으로 알려지고 있다. 그러나 두 해충은 계절적 발생 양상에서 뚜렷한 차이를 보여주었다. 배추좀나방은 이른 봄철과 가을기간에 발생하고 여름 기간 중에는 발생하지 않았다. 반면에 파밤나방은 늦은 봄철에 나타나기 시작해 가을까지 지속적으로 발생하였다. 본 연구는 이러한 두 남방계 곤충이 계절적 발생 차이를 보이는 것이 이들이 갖는 고온에 대한 감수성 차이에 기인한 것으로 가정하였다. 이 가설을 증명하기 두 곤충의 내열성을 비교 분석하였다. 동일한 열처리($42^{\circ}C$)에서 배추좀나방 유충은 40 분 노출에 100% 사망률을 보인 반면, 파밤나방은 대부분의 유충이 80 분의 노출에서도 생존하였다. 이러한 내열성은 두 곤충 모두 이들의 발육시기에 따라 상이했다. 배추좀나방은 4령 유충과 성충이 가장 높은 내열성을 보인 반면, 파밤나방은 1령 유충에서 가장 높게 나타냈다. 두 곤충 모두는 $37^{\circ}C$에서 30 분간 전 처리 후 고온에 노출시키면 생존율이 뚜렷하게 증가했다. 이러한 내열성유기는 두 곤충 모두 혈림프의 글리세롤 함량 증가와 관련성을 보였다. 또한 파밤나방의 경우는 열충격단백질의 발현도 증가하였다. 따라서 이상의 결과는 여름기간 배추좀나방의 발생이 없는 것은 이 곤충의 고온에 대한 높은 감수성에 기인된 것으로 보이고, 반면에 파밤나방은 비교적 높은 내열성을 보유하여 여름 기간에도 발생을 지속시킨 것으로 해석되었다. Climate change has been regarded as one of main factors to change Korean insect pest fauna. Especially, a global warming model predicts to expand habitat for insect pests originated from tropical or subtropical regions. Two insect pests, the beet armyworm (Spodoptera exigua) and the diamondback moth (Plutella xylostella), are known to overwinter in some greenhouse conditions without diapause induction in Korea. There was a clear difference between these two insects in seasonal occurrence. P. xylostella occurred only at early spring and fall seasons, but did not occur during summer. In contrast, S. exigua maintained their occurrence from late spring to fall seasons. This study set up a hypothesis that the difference in the seasonal occurrence may be resulted from variation in susceptibility to high temperature. To test the hypothesis, heat tolerance was compared between these two insects. Exposure to $42^{\circ}C$ for 40 min killed 100% individuals of P. xylostella larvae. However, most larvae of S. exigua survived in response to $42^{\circ}C$ even for 80 min. Heat tolerance varied among developmental stages in both insects. Highest tolerant stages were $4^{th}$ instar larvae and adults for P. xylostella, but $1^{st}$ instar larvae for S. exigua. Pre-exposure to $37^{\circ}C$ for 30 min significantly increased heat tolerance in both insects. Induction of heat tolerance accompanied with significant increase of glycerol contents in the hemolymph in both insects and up-regulation of three heat shock protein expressions in S. exigua. These results suggest that the differential susceptibility to high temperature explains the disappearance of P. xylostella during summer, at which S. exigua maintains its occurrence.

고내열 PMMA 삼원공중합체의 광학적, 열적 특성연구

박규대,김대훈,김영근,박동협 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

광학용 소재로 PMMA 수지는 광투과율, 내후성, 성형 가공성이 우수하기 때문에 광고용 간판, 조명용 커버, 자동차 부품 등의 산업 분야에 응용되어 왔으나, 내열성이 취약하여 아직까지 적용의 한계성이 있다. 이를 개선하기 위해 공중합체 제조 후 추가반응을 유도하여 내열성을 향상시키는 기술이 시도하고 있지만, 후처리 과정이 길고 생산비용이 높아져 대량 생산에는 용이 하지 않다. 본 연구에서는 PMMA 소재를 기반으로 하여 광학적 특성과 내후성은 유지하면서 내열특성을 개선하기 위한 연구를 진행하였다. PMMA 기반의 삼원 공중합체를 합성하였으며, MAAM의 함량 변화가 내열성, 광투과율, 내황변 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

HTPB계 추진제/라이너/내열재의 접착력 향상에 관한 연구

박성준(Sungjun Park),송종권(Jongkwon Song),박의용(Euiyong Park),노태호(Taeho Rho),최성한(Sunghan Choi) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

추진제, 라이너 그리고 내열재간의 접착력을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 내열재에 아무런 처리하지 않은(Bare) 상태보다는 피막처리제를 적용한 것이 접착력 향상에 유리하였다. 라이너 도포 두께가 증가할수록 내열재와 추진제간의 접착력이 향상되는 것을 확인하였으며, 라이너 경화는 24시 간 경화 시간이 필요하며, 그 이상의 과경화는 접착력에 불리한 영향을 끼친다. 또한 결합제를 적용할 때가 적용하지 않을 때보다 접착력에 유리하다는 것을 알 수 있었으며, 결합제 함량이 증가할 수록 접착력도 상승하였다. 결합제 종류에 따른 접착력 변화는 HX-868이 HX-752보다 접착력이 소폭 향상되었다. The study was carried out to improve the adhesion of propellant, liner and insulation. Insulation was more advantageous in improving the adhesion by applying the barrier coat than bare state. It was confirmed that the adhesion strength between the insulation and the propellant improves as the thickness of the liner coating increases. The liner was cured for 24 hours. If it is cured for a long time, it will adversely affect adhesion. It is also advantageous in adhesion when applying a bonding agent rather than when not applied. As the bonding agent content increased, the adhesion increased. There is a change in adhesive strength depending on the type of bonding agent. HX-868 has slightly improved adhesion than HX-752.