극저온 재료란 무엇인가요?
극저온 소재는 취성에 강하고 극저온에서도 잘 작동합니다. 제한된 수의 플라스틱이 이 범주에 속하며, 대부분은 폴리머 구조가 비정질입니다.
Drake Plastics 는 극저온 조건에서 우수한 성능을 발휘하는 여러 고급 폴리머로 가공 가능한 형상, 정밀 가공 부품 및 사출 성형 부품을 생산합니다. 이러한 고성능 열가소성 플라스틱은 온도가 -150°C( -238oF) 이하로 떨어지는 환경에서도 견고한 물리적 특성을 유지합니다. 극저온에서도 견고하고 규정을 준수하는 능력은 다른 폴리머와 차별화됩니다. 이러한 특성 덕분에 액체 질소, 수소, 산소 및 액화 천연 가스의 처리, 저장 및 운송과 관련된 시스템의 정적 및 동적 씰과 우주선 장비의 구조 부품과 같은 애플리케이션에서 극저온에서 안정적으로 작동할 수 있습니다.
고성능 극저온 플라스틱의 장점
고성능 폴리머의 고유한 장점은 극저온의 기체와 액체를 포함한 광범위한 작동 환경에 적용됩니다. 극저온에서 다른 폴리머 및 여러 금속과 비교했을 때 다음과 같은 장점이 있습니다:
- 연신율 유지
- 인성 및 내파괴성
- 피로 강도 유지
- 가벼운 무게
- 외부 윤활 없이도 동적 하중 하에서 내마모성 유지
- 신뢰할 수 있는 정적 및 동적 씰 무결성
- 단열, 전기 절연
- 압출, 사출 성형 및 기계 가공을 통한 생산 다양성.
DRAKE 에서 제공하는 극저온 재료는 무엇인가요?
Drake Plastics 는 극저온 응용 분야에서 상당한 수준의 특성을 유지하고 안정적으로 작동하는 고급 폴리머로 만든 압출 가공 가능한 형상, 정밀 기계 가공 부품 및 사출 성형 부품을 제공합니다. 각 소재는 다양한 극저온 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 서로 다른 물성 프로파일을 제공합니다. 이러한 소재의 일반적인 특성
- TorlonPAI: Torlon PAI는 다른 첨단 소재에 비해 극한 온도에서 뛰어난 구조적 강도를 자랑합니다. PAI 폴리머 기술은 동적 하중 하에서 부품의 기능 수명을 크게 늘리는 베어링 및 마모 등급을 개발하는 데 기여했습니다. 이 기술은 또한 탄소 또는 유리 섬유 보강재를 사용하여 비보강재보다 구조적 강도를 크게 향상시키는 배합을 만들어 냈습니다.
- 베스펠® PI: 고급 폴리머 중 최고의 성능을 자랑하는 베스펠 폴리이미드는 가공 가능한 형상 및 정밀 가공 부품으로 제공됩니다. 직접 성형된 부품도 제공됩니다. 비충진 및 베어링 및 마모 등급은 극저온 액체에 대한 정적 및 동적 씰과 극저온 조건의 구조 부품에 대한 성능 요구 사항을 모두 충족합니다.
- Drake PCTFE: 고성능 불소 중합체인 PCTFE는 극저온 액체 산소(LOX), 액체 수소(LH2), 액체 질소(LN2) 및 액체 천연 가스(LNG) 분야에서 수십 년 동안 지정되어 왔습니다. 고강도, V-0 가연성, 95의 높은 제한 산소 지수(LOI) 등의 특성으로 점화원이 있을 수 있는 곳에서 연소에 대한 저항성을 향상시킵니다. 또한 방사선에 노출되어도 물성이 저하되지 않습니다. 이러한 성능상의 이점 덕분에 우주선 장비의 극저온에서 안정적으로 작동해야 하는 씰용 재료로 빠르게 성장하고 있습니다.
- Drake CryoDynCT-200: 극저온 액체 밀봉 용도로 PCTFE의 대안으로 개발된 CryoDyn 은 PEEK 폴리머의 특징인 물리적 특성과 내화학성을 갖춘 PEEK 기반 소재입니다. 극저온 응용 분야의 재료 요구 사항에 대한 연구를 통해 두 번째 폴리머 상이 있는 PEEK 기반 화합물을 개발했습니다. 이 소재 기술을 통해 CryoDyn CT-200은 비충진 및 기타 기존 PEEK 화합물의 성능을 뛰어넘는 극저온에서 성능을 발휘할 수 있습니다.
- PTFE 및 기타 표준 불소 중합체: Drake 극저온 소재 제품 라인을 보완하기 위해 PTFE 및 기타 불소 중합체로 부품을 정밀 가공합니다. PTFE와 같은 불소 중합체는 주로 강도가 낮기 때문에 고성능 소재로 간주되지 않는 경우가 많습니다. 그러나 충격 강도, 내화학성 및 비용이 주요 고려 사항이고 구조적 요구 사항이 낮을 때는 종종 최고의 소재 선택이 될 수 있습니다.
고성능 플라스틱을 위한 극저온 특성 데이터
레진 공급업체는 표준화된 업계 테스트 시편, 테스트 방법 및 테스트 조건을 기반으로 물성 데이터를 생성합니다. 이러한 표준 데이터 시트 테스트는 모든 레진 등급에 대해 상온 및 고온에서 일상적으로 수행됩니다. 그러나 극저온에서 극소수의 공급업체만이 제한된 물성 및 등급에 대해서만 물성 테스트를 수행합니다. 예를 들어 Drake의 CryoDyn 극저온 폴리머 및 PCTFE 수지에 대한 특성 데이터를 확인할 수 있습니다 (표 1). 또한 테스트 조건은 다양한 수지의 공급업체마다 다를 수 있습니다. 이러한 모든 요인으로 인해 극저온 재료 특성 데이터를 직접 비교하는 것은 어렵습니다.
그럼에도 불구하고 극저온 애플리케이션을 위한 소재 옵션을 개발할 수 있습니다. Torlon PAI의 경우, 비보강, 베어링 및 마모 강화, 탄소 섬유 및 유리 섬유 강화 등급의 네 가지 유형에 대해 극저온 테스트 온도에서 기계적 특성 데이터를 사용할 수 있습니다 (표 2). 이러한 대표 등급에 대한 극저온 특성 데이터는 유사한 배합의 실행 가능성을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.
재료 선택 도구로서의 일반적인 데이터 시트 속성
극저온용 폴리머 Drake 는 경험에 기반하여 액체 질소, 액체 수소, 액체 산소 및 액체 천연 가스와 관련된 이러한 극저온에서 기계적 특성을 잘 유지합니다. “표준” 데이터시트 특성을 비교하고 아래에 설명된 대로 극저온에서 이러한 가스의 영향을 고려하면 또 다른 유용한 출발점을 찾을 수 있습니다.
모든 Drake 소재에 대해 표준 테스트 조건에서 수행된 전체 특성 데이터는 가공 가능한 형상 데이터 및 폴리머 공급업체의 수지 데이터시트에서 확인할 수 있습니다.
궁극적으로 모범 사례에서는 애플리케이션의 실제 극저온 작동 조건에서 프로토타입과 생산 부품을 테스트하여 사용 중 성능을 검증하는 것이 좋습니다.
극저온이 재료 특성에 미치는 영향
극한의 동결 온도에 노출되면 모든 폴리머의 여러 특성에 어느 정도 영향을 미칩니다. 일반적으로 재료는 더 단단해지고 인장 연신율과 내충격성이 감소하면서 굴곡 및 압축 특성이 향상됩니다. 표면 경도가 증가하고 열 방출이 가속화되어 내마모성이 향상되는 경우가 많습니다. 급격한 온도 변화 시 치수 안정성은 정적 및 동적 씰의 무결성에도 영향을 미칠 수 있습니다.
각 애플리케이션마다 특정 성능 요구 사항이 있지만, 극저온 서비스용 소재를 평가할 때는 다음과 같은 특성과 극저온 조건이 미치는 영향이 중요합니다:
기계적 특성
극저온은 재료가 더 단단해져 굴곡 및 압축 강도와 탄성률을 증가시킵니다. 동시에 극한의 추위는 재료의 인장 연신율과 연성을 감소시킵니다.
애플리케이션 노트:
- 극저온 조건이 기계적 특성에 미치는 영향은 우주 비행 장비의 구조적 적용에 있어 중요한 요소입니다. 강성은 증가하지만 재료는 추진, 회수, 도킹, 장치 배치 및 기타 작동 중에 진동과 응력을 견딜 수 있는 복원력을 가져야 합니다.
- 극저온으로 인한 압축률의 현저한 증가도 씰의 중요한 엔지니어링 고려 사항입니다. 높은 압축 특성은 씰이 결합 표면을 준수하고 균일한 접촉을 달성하는 데 방해가 될 수 있습니다.
CLTE 및 치수 안정성
극저온 물질은 뜨거운 점화원에 근접할 수 있을 뿐만 아니라 심우주와 관련된 진공 상태에서 극한의 동결 온도를 경험할 수 있습니다. 고온에서 저온의 극한 온도를 통과하면 상당한 수준의 열팽창과 수축이 발생할 수 있습니다. 라이너 열팽창 계수(CLTE)가 낮은 고성능 폴리머 소재는 용기 및 압력 완화 장치와 같은 중요한 작동 부품이 안정적으로 작동하는 데 필요한 치수 안정성을 제공할 수 있습니다. 또한 금속과 달리 폴리머의 열팽창 계수는 선형이 아니며 온도가 상승함에 따라 증가합니다.
애플리케이션 노트:
- 우주선의 구조 부품 및 하우징용 폴리머의 라이너 열팽창 계수(CLTE)는 결합 표면 및 패스너의 재료의 열팽창 거동과 다를 수 있습니다. 유사한 열팽창 특성을 가진 소재는 극심하고 종종 급격한 온도 변화로 인한 치수 변화로 인한 응력 균열의 위험을 최소화할 수 있습니다.
- 정적 및 동적 씰링의 결합 표면에 사용되는 재료의 CLTE도 중요한 요소입니다. 로켓 발사 조건에서 극단적이고 급격한 냉각에 이르는 온도 변화에 따른 치수 변화의 큰 차이는 씰링 무결성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 시스템 씰 인터페이스는 주변 온도나 조립 온도뿐만 아니라 극저온 서비스 온도에서도 고려해야 합니다.
내충격성
극한의 저온은 모든 재료를 어느 정도 약화시킵니다. 일부 금속은 고성능 플라스틱보다 이러한 조건에서 부서지기 쉽습니다.
애플리케이션 노트:
- 극저온 조건에서 우수한 수준의 연성을 유지하는 소재의 능력은 강한 진동과 충격에 노출될 수 있는 우주선 장비의 구조 부품 및 하우징에 중요합니다.
- 액체 산소, 액체 수소, 액체 질소 및 액체 천연 가스 시스템의 씰은 극저온에 노출되기 전에 설치 중에 충격을 비롯한 스트레스에 노출될 수 있습니다. 고유의 인성이 우수한 소재는 극저온으로 인해 치수 변화와 사용 압력 또는 기타 시스템에서 발생하는 힘으로 인해 응력이 발생할 때 고장 지점이 될 수 있는 충격 관련 미세 균열 및 표면 결함을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
베어링 및 마모 속성
흑연, PTFE 및 탄소 섬유와 같은 고체 윤활제 첨가제가 배합된 고성능 플라스틱은 극저온 베어링 및 마모 분야에서 우수한 성능을 발휘합니다. 실제로 극저온으로 인해 표면의 경도가 증가함에 따라 내마모성이 향상되는 경우가 많습니다. 또한 폴리머 베어링 고장의 일반적인 원인인 국부적인 열 축적은 극저온 마찰 서비스에서는 일반적으로 발생하지 않습니다.
애플리케이션 노트:
- 우주선 장비의 애플리케이션에는 구조적 기능과 동적 기능이 모두 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 구성품은 기어를 사용하여 장치를 배치하거나 활성화하는 데 도움이 되도록 설계될 수 있습니다. Torlon PTFE 및 흑연과 같은 고체 윤활제를 배합한 PAI 및 베스펠 PI 제품은 향상된 베어링 및 마모 특성을 제공하며 이러한 응용 분야에 적합한 소재 옵션입니다. 극저온에서 응고되어 작동 부품을 오염시킬 수 있는 미립자를 형성할 수 있는 외부 액체 윤활유와 관련된 문제를 제거합니다.
- Torlon PAI에 유리 또는 탄소 섬유를 첨가하면 폴리머 고유의 극저온 인성을 유지하면서 소재의 강도를 높일 수 있습니다. 대부분의 경우 이러한 섬유 강화 등급( Torlon 5030 및 Torlon 7130 )은 슬라이딩 베인과 같은 많은 극저온 마모 응용 분야에서 내부 윤활 처리된 제품보다 성능이 뛰어납니다.
- 액체 산소, 질소, 수소 및 액체 천연가스 처리, 저장, 배송 및 운송 애플리케이션의 동적 씰은 고성능 폴리머의 베어링 및 마모 제형을 통해 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 첨단 소재는 극저온의 동적 하중에서도 내마모성을 유지하여 액화 가스 취급 애플리케이션에 필요한 장기적인 씰링 신뢰성을 제공합니다.
고급 폴리머의 관련 성능 이점
첨단 폴리머는 우주선 장비의 부품과 씰, 그리고 LOX, LH2, LN2 및 LNG 시스템의 씰 및 관련 애플리케이션의 극저온 재료로 널리 사용되고 있습니다.
기계 가공이 가능한 형상, 정밀 가공 부품 및 사출 성형 부품의 형태로 제공되는 이러한 소재는 Drake Plastics 의 이러한 소재는 극저온 조건에서 견고한 기계적 특성을 유지하는 능력을 입증했습니다. 또한 각 소재는 열 및 전기 절연, 절연 및 가연성 등급을 제공하며, 이는 점화원이 가까이 있어 연소 위험이 있는 우주선 및 액화 가스 장비에 중요한 이점입니다.
가연성 등급 및 전기 및 열 특성에 대한 종합적인 데이터는 Drake의 가공 가능한 형상에 대한 것이며, 형상 및 사출 성형 부품 생산에 사용되는 수지는 Drake의 수지 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.
또한 고성능 폴리머 Drake 공정은 다양한 화학 물질에 대한 내성이 있습니다. 각 소재는 이 점에서 고유합니다. Drake Plastics’ 애플리케이션 엔지니어는 고객이 주요 수지 공급업체의 데이터베이스에 액세스하여 화학 물질과 다양한 농도, 온도 및 응력 조건이 각 폴리머로 만든 부품의 성능에 미치는 영향에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있도록 도와드립니다.
