KR20160086428A - 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재 - Google Patents

하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재 Download PDF

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Abstract

하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합물(CMC)은 제 1 페이스시트, 제 2 페이스시트, 및 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 사이에 있고 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트 둘다에 접합되는 코어를 포함할 수 있다. 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 각각 세라믹 매트릭스 내에 필라멘트들을 포함할 수 있다. 하이브리드 샌드위치 CMC는 제 1 페이스시트가 제 2 페이스시트보다 더 높은 온도 환경에 노출되는 열적 구배로의 노출을 위해 구성될 수 있다. 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 가질 수 있고, 제 1 페이스시트는 제 2 페이스시트보다 더 높은 압력 강도를 가질 수 있다.

Description

하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재 {HYBRID SANDWICH CERAMIC MATRIX COMPOSITE}
본 개시물은 일반적으로 세라믹 매트릭스 복합재들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열적 구배(thermal gradient)들에 노출되는 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스(hybrid sandwich ceramic matrix) 복합 구조물들에 관한 것이다.
세라믹 매트릭스 복합재(CMC)들은 그 안에 매립된 보강 재료들(예를 들면, 미립자들, 위스커(whisker)들, 부직 섬유들, 직조 섬유들)을 가지는 세라믹 매트릭스로 구성되는 복합 재료이다. CMC들은 항공 우주 산업 용례들에서 사용하기 위한 매력적인 재료들인데, 그 이유는 CMC들이 비교적 경량이고 높은 작동 온도들을 견딜 수 있기 때문이다. 예를 들면, CMC들은 배기 시스템 구성요소들의 구성에 유익할 수 있는데, 그 이유는 CMC들이 현재 사용되는 일부 금속 기반 구조물들(예를 들면, 티타늄 및 니켈 기반 합금들)보다 중량이 더 가볍고 배기 온도들에 대한 더 긴 노출들을 견딜수 있기 때문이다.
두 개의 동일한 페이스시트(facesheet)들 사이에 있고 이들에 접합되는 부하-전달 코어를 포함하는 CMC 샌드위치 구조물들은 항공기 용례들을 위한 배기 구성요소들로서 탐구되었다(미국 특허 출원 공보 번호 제 2009/0004425호 참조). 효율적이지만, CMC 샌드위치 구성요소들은 높은 열적 구배가 샌드위치 구조물에 걸쳐 존재할 때, 특히 페이스시트들이 원통형 샌드위치 구조물에서와 같이 제한될 때, 응력들을 받을 수 있다. 구체적으로, 더 높은 온도 환경에 노출되는 페이스시트('더 뜨거운 페이스시트')는 팽창되거나 팽창하려고 하지만, 더 차가운 환경에 노출되는 마주하는 페이스시트('더 차가운 페이스시트')에 의해 저항을 받는다. 결과적으로, 더 뜨거운 페이스시트는 더 차가운 페이스시트의 팽창 저항으로 인해 압축 응력이 가해질 수 있는 반면, 더 차가운 페이스시트는 더 뜨거운 페이스시트의 수축 저항에 의해 유발된 인장 응력이 가해질 수 있다. 일부 극한 상태들 하에서, 이 같은 경쟁하는 힘들은 CMC 샌드위치 구성요소를 이의 구조적 한계들에 처하게 할 수 있으며, 구조적 손상이 발생할 수 있다.
이에 따라, 극복되어야 할 현 기술의 난제들 및 제한들이 있다. 특히, 열적 구배 상태들 하에서 개선된 탄성을 갖는 더욱 튼튼한 CMC 샌드위치 구조물 설계들에 대한 요구가 있다.
본 개시물의 하나의 양태에 따라, 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)가 개시된다. 하이브리드 샌드위치 매트릭스 CMC는 세라믹 매트릭스 내에 필라멘트들을 포함하는 제 1 페이스시트, 세라믹 매트릭스 내에 필라멘트들을 포함하는 제 2 페이스시트, 및 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 사이에 있고 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트 둘 다에 접합되는 코어를 포함할 수 있다. 하이브리드 샌드위치 CMC는 제 1 페이스시트가 제 2 페이스시트보다 더 높은 온도 환경에 노출되는 열적 구배로의 노출을 위해 구성될 수 있다. 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 적어도 거의(closely) 일치하는 열 팽창 계수들을 가질 수 있고, 제 1 페이스시트는 제 2 페이스시트보다 더 높은 압축 강도를 가질 수 있다.
본 개시물의 다른 양태에 따라, 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)가 개시된다. 하이브리드 샌드위치 CMC는 세라믹 매트릭스 내에 필라멘트들을 포함하는 제 1 페이스시트, 세라믹 매트릭스 내에 필라멘트들을 포함하는 제 2 페이스시트, 및 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 사이에 있고 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 둘 다에 접합되는 코어를 포함할 수 있다. 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 가질 수 있지만 필라멘트들의 직경, 필라멘트들의 화학적 성질, 직교 이방성의 정도, 및 필라멘트들과 세라믹 매트릭스 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이할 수 있다.
본 개시물의 다른 양태에 따라, 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 제조하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 페이스시트 및 상기 제 2 페이스시트는 각각 세라믹 매트릭스에 슬러리 전구체 내에 필라멘트들을 포함하며, 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 필라멘트들의 직경, 직교 이방성의 정도, 및 필라멘트들과 세라믹 매트릭스 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이하다. 상기 방법은 도구 상에 레이 업 스택(layup stack)을 제공하기 위해, 도구 상에 제 1 페이스시트를 레이 업하는(laying up) 단계, 제 1 페이스시트 상에 코어를 레이 업하는 단계, 및 코어 상에 제 2 페이스시트를 레이 업하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 하이브리드 샌드위치 CMC를 제공하기 위해, 레이 업 스택을 제 1 온도로 경화시키는 단계, 및 레이 업 스택을 제 2 온도로 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
논의된 특징들, 기능들, 및 장점들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나 추가 세부 사항들이 아래 설명 및 도면들을 참조하여 보여줄 수 있는 또 다른 실시예들에 조합할 수 있다.
도 1은 본 개시물에 따라 구성된, 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)의 사시도이다.
도 2는 본 개시물에 따라 구성된, 도 1의 단면 2-2를 통한 횡단면도이다.
도 3은 본 개시물의 일 양태에 따라 구성된, 하이브리드 샌드위치 CMC의 제 1 페이스시트를 예시하는, 도 2의 상세부(3)의 확대도이다.
도 4는 본 개시물의 일 양태에 따라 구성된, 하이브리드 샌드위치 CMC의 제 2 페이스시트를 예시하는, 도 2의 상세부(4)의 확대도이다.
도 5는 본 개시물의 방법에 따른, 제 1 페이스시트를 제공하기 위한, 프리-프레그 필라멘트 층(pre-preg filament layer)들의 직교 이방성 레이 업을 개략적으로 예시하는 사시도이다.
도 6은 본 개시물의 방법에 따른, 제 2 페이스시트를 제공하기 위한, 프리-프레그 필라멘트 층들의 의사-등방성 레이 업을 개략적으로 예시하는 사시도이다.
도 7은 본 개시물의 일 양태에 따라 구성된, 하이브리드 샌드위치 CMC의 벌집형 코어 구조물을 예시하는, 도 2의 상세부(7)의 확대도이다.
도 8은 도 7과 유사한 확대도이지만, 본 개시물의 다른 양태에 따라 구성된, 폼(foam) 코어 구조물을 보여준다.
도 9는 도 7과 유사한 확대도이지만, 본 개시물의 다른 양태에 따라 구성된, 트러스 코어 구조물을 보여준다.
도 10은 본 개시물의 하이브리드 샌드위치 CMC로 형성된 구성요소들을 가질 수 있는 배기 시스템을 가지는 항공기의 사시도이다.
도 11은 본 개시물의 하이브리드 샌드위치 CMC로 형성된 중심 몸체 및 배기 노즐을 묘사하는, 도 10의 단면 11-11을 통한 횡단면도이다.
도 12는 본 개시물의 방법에 따른, 하이브리드 샌드위치 CMC를 제조하기 위해 사용될 수 있는 일련의 단계들을 묘사하는 흐름도이다.
도면들이 반드시 축척에 따라 도시되지는 않고 개시된 실시예들이 때때로 개략적으로 예시되는 것이 이해되어야 한다. 아래의 상세한 설명이 사실상 단지 예시적이고 본 발명 또는 용례 및 이의 사용을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 추가로 인정되어야 한다. 따라서, 비록 본 개시물이 설명의 편의를 위해 특정의 예시적인 실시예들로서 묘사되고 설명되지만, 다양한 다른 유형들의 실시예들 및 다양한 다른 시스템들 및 환경들에서 구현될 수 있다는 것이 인정될 것이다.
지금부터 도면들을 참조하고, 구체적으로 도 1 및 도 2를 참조하여, 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)(10)가 도시된다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "CMC"는 세라믹 매트릭스 내에 매립된 하나 또는 둘 이상의 보강 재료들로 이루어지는 재료를 지칭한다. 게다가, 용어 "하이브리드 샌드위치 CMC"는 두 개의 CMC 페이스시트들 사이에 코어를 가지는 CMC 재료를 지칭하며, 여기서 두 개의 페이스시트들은 하나 이상의 물리적 특성이 상이하다. 비-제한적인 예로서, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 항공기 엔진의 배기 시스템의 구성요소일 수 있다. 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)에 접합되고 이들 사이에 있는 코어(12)를 포함할 수 있다. 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16) 둘 다는 CMC 재료로 형성될 수 있다. 본 개시물의 하나의 양태에서, 제 1 페이스시트(14), 제 2 페이스시트(16) 및 코어(12)는, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)의 전체 형상이 도시된 바와 같이 개방 중심(18)을 구비한 원통형이 되도록, 각각 원통형 구조물을 형성할 수 있다. 대안적으로, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 다른 타입의 폐쇄된 구성을 가질 수 있거나, 그렇지 않으면 페이스시트(14 및 16)들의 골곡부(flexure)가 두 개의 페이스시트(14 및 16)들 상의 응력들을 충분히 완화시킬 수 없도록 제한될 수 있다. 따라서, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 입방체, 구체, 또는 원추 형상체들과 같은(그러나, 이에 제한되지 않음) 다른 3차원 형상들을 가질 수 있다.
일부 작동 상태들 하에서, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 높은 열적 구배에 노출될 수 있어 제 1 페이스시트(14)("더 뜨거운" 페이스시트)는 제 2 페이스시트(16)("더 차가운" 페이스시트)보다 더 높은 온도 환경(예를 들면, 고온 배기 가스들)에 노출된다. 여기서 사용된 바와 같이, "높은 열적 구배(high thermal gradient)"는 제 1 페이스시트(14)와 제 2 페이스시트(16) 사이의 온도 차이가 적어도 200℉ 또는 그 초과인 상태를 지칭한다. 더욱이, 이의 용례에 따라, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 음(sound)을 감소시키거나 흡수하기 위해 음향학적으로 처리될 수 있다. 예를 들면, 더 높은 온도 환경에 대한 노출을 위해 구성된 페이스시트(예를 들면, 제 1 페이스시트(14))는, 음이 코어(12)의 내부로 유입되고 코어(12)의 내부에서 감쇄하는 것을 허용하도록 페이스시트를 통하여 형성된 천공부(perforation)(20)들을 가질 수 있다. 제 1 페이스시트(14)가 도 2에서 내부 페이스시트로서 묘사되지만, 일부 용례들에서는, 더 높은 온도 환경에 노출되는 페이스시트는 외부 페이스시트일 수 있다는 점이 주목된다.
높은 열적 구배 상태들 하에서, 더 뜨거운 페이스시트(14)는 축방향, 반경 방향 및 원주 방향으로 더 차가운 페이스시트(16)보다 더 많이 팽창하도록 시도할 수 있다. 이러한 팽창 경향들은 제 1(더 뜨거운) 페이스시트(14)에서 압축 응력들 및 제 2(더 차가운) 페이스시트(16)에서 인장 응력들의 증강을 유발할 수 있다. 이 같은 상태들 하에서 하이브리드 샌드위치 CMC(10) 상의 응력들을 지속하도록, 제 1 페이스시트(14)의 CMC 재료는 제 1 페이스시트(14)가 이의 인장 강도보다 더 높은 압축 강도를 보이도록 조정될 수 있다. 비-제한적인 가능성으로서, 제 1(더 뜨거운) 페이스시트(14)의 압축 강도는 약 1.5 배 또는 그 초과만큼 제 1 페이스시트의 인장 강도를 초과할 수 있다. 이 같은 조정은 재료가 거의 동일한 인장 및 압축 강도들을 달성하는 목적으로 구성된 경우 가능할 수 있는 것보다 페이스시트(14)가 더 큰 압축 강도를 달성하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 제 2(더 차가운) 페이스시트(16)의 CMC 재료는 제 2 페이스시트가 이의 압축 강도보다 더 큰 인장 강도를 나타내도록 구성될 수 있다. 비-제한적 가능성으로서, 제 2 페이스시트(16)의 인장 강도는 약 1.5 배 또는 그 초과만큼 이의 압축 강도를 초과할 수 있다. 이 같은 조정은 재료가 동일한 인장 및 압축 강도들을 달성하는 목적으로 구성된 경우 가능한 것보다 더 큰 인장 강도가 제 2 페이스시트(16)에서 달성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "압축 강도(compressive strength)"는 주로 원주 방향 및 축방향으로 압축될 때 힘을 지속하기 위한 페이스시트의 능력을 지칭하고, 용어 "인장 강도(tensile strength)"는 주로 원주 방향 및 축방향으로 팽창되게 당겨질 때 힘을 지속하기 위한 페이스시트의 능력을 지칭한다. 이러한 강도들은 이의 자연 그대로의 상태에서 또는 재료가 구멍들을 가지거나 손상이 존재할 때에 재료에 대한 것일 수 있다. 비-제한적 예로서, 제 2 페이스시트(16)는 약 25 제곱 인치당 킬로파운드(ksi)보다 더 큰 인장 강도 및 약 5 ksi보다 더 큰 압축 강도를 가질 수 있는 반면, 제 1 페이스시트(14)는 약 25 ksi 보다 더 큰 압축 강도 및 5 ksi보다 더 큰 인장 강도를 가질 수 있다. 이 같은 설계의 결과로서, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 거의 동일한 인장 강도 및 압축 강도를 갖는 두 개의 페이스시트들을 사용하는 종래 기술의 비-하이브리드 샌드위치 CMC들에 비해 높은 열적 구배 상태들 하에서 개선된 견고성 및 구조적 강도를 보여줄 수 있다.
지금부터 도 3 및 도 4를 보면, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 조성이 더 상세하게 도시된다. 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)는 각각 세라믹 매트릭스(24) 내에 매립된 필라멘트(22)들로 이루어질 수 있다. 더욱이, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)는 각각 세라믹 매트릭스(24)로 미리-함침된 필라멘트(22)들의 하나 또는 둘 이상의 경화된 프리-프레그 층(26)들로 형성될 수 있다(도 5 내지 도 6 및 아래의 추가 세부 사항들 참조). 필라멘트(22)들은 200 또는 그 초과의 섬유 길이 대 직경비를 갖는 연속사(continuous fiber)들일 수 있고 상기 연속사들은 일방향성 부직-테이프 또는 직물의 형태일 수 있다. 비록 비-산화성 코팅으로 코팅된 금속 섬유들 및/또는 탄소 섬유들이 또한 일부 경우에 사용될 수 있지만 연속사들은 세라믹 섬유일 수 있다. 그러나, 필라멘트(22)들은 또한 짧은/불연속 섬유들, 위스커들, 또는 미립자들(그러나, 이에 제한되지 않음)과 같은 다른 유형들의 보강 재료들일 수 있다. 게다가, 비록 다수의 다른 유형들의 세라믹 매트릭스들이 또한 사용될 수 있지만 세라믹 매트릭스(24)는 알루미나(Al2O3), 마그네슘 산화물(MgO), 및 뮬라이트(mulite)(3Al2O3·2SiO2)와 같은 산화물 세라믹류 및 실리콘 탄화물(SiC), 붕소 질화물(BN), 및 탄소(C)와 같은 비-산화물 세라믹류를 포함할 수 있다.
제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16) 둘 다는 일치하거나 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수(CTE)들을 가지는 CMC 재료로 형성될 수 있어, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)가 이의 제조 동안 사용된 고온 소결 단계들을 견딜 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "거의 일치하는 CTE(closely matching CTE)들"은 서로 약 0.5x10-6 마이크로미터/미터/℉ 내에 있는 CTE들을 지칭한다. 일부 경우들에서, CTE들 내의 이 같은 작은 편차들(대략 0.5x10-6 마이크로미터/미터/℉)은 수용가능하고 심지어 유익할 수 있다. 예를 들면, 작동 동안 더 높은 온도에 노출된 페이스시트(14)가 페이스시트(16)보다 약간 낮은 CTE를 가지면, 제조 동안 소결 온도로부터의 냉각은 제 1 페이스시트(14)에 잔류 인장 응력들 및 페이스시트(16)에 잔류 압축 응력들을 생성할 수 있다. 이러한 잔류 응력들은 열적 구배에 노출할 때 작동 동안 유도된 대향 응력들을 부분적으로 오프셋 할 수 있고, 이에 의해 하이브리드 CMC(10)가 작동시 높은 열적 구배들을 더 잘 지속하는 것을 가능하게 한다.
일치하거나 거의 일치하는 CTE들을 제공하도록, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)는 동일하거나 유사한 화학적 조성들(즉, 동일한 필라멘트 조성 및 동일한 세라믹 매트릭스 조성)을 가질 수 있고 매트릭스(24) 내의 필라멘트(22)들의 동일하거나 유사한 부피율(volume fraction)을 가질 수 있다. 또한, 두 개의 페이스시트(14 및 16)들의 CTE들이 적어도 거의 일치하는 경우, 페이스시트(14 및 16)들은 몇몇 경우들에서 필라멘트(22)들 및/또는 세라믹 매트릭스(24)의 화학적 조성이 상이할 수 있다는 점이 주목된다. 추가로 아래에서 상세하게 설명된 바와 같이, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)는 필라멘트(22)들의 직경, 필라멘트(22)들의 화학적 성질, 직교 이방성의 정도, 및 필라멘트(22)들과 매트릭스(24) 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이할 수 있다. 바로 차이들이 제 1 페이스시트(14)에 더 높은 압축 강도 그리고 제 2 페이스시트(16)에 더 높은 인장 강도를 발생시킬 수 있다. 하나의 가능성으로서, 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들은 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들의 직경(d)보다 더 큰 직경(d)을 가질 수 있다(도 3 및 도 4 참조). 예를 들면, 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들의 직경은 제 2 페이스시트(16) 내의 필라멘트(22)들의 직경보다 적어도 약 2배 내지 약 10배 더 클 수 있지만, 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들의 직경은 일부의 경우들에서는 이러한 범위를 넘어 연장할 수도 있다. 이 같은 배열에서, 제 1 페이스시트(14)의 더 큰 직경 필라멘트(22)들은, 제 1 페이스시트(14)가 압축 변형되고 이에 따라 이의 압축 강도가 증가할 때 국부적 피크 응력들에 의한 고장에 대한 이러한 필라멘트들의 저항 및/또는 미세버클링(microbuckling)에 대한 이러한 필라멘트들의 저항을 개선할 수 있다. 더욱이, 더 작은 직경 필라멘트들이 더 적은 구조적 결함들을 갖고 제조될 수 있기 때문에, 제 2 페이스시트(16)의 더 작은 직경 필라멘트(22)들은 이의 인장 강도를 개선할 수 있다.
대안적으로, 필라멘트(22)들의 화학적 조성은 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 각각의 압축 강도 및 인장 강도를 조정하도록 변화될 수 있다. 예를 들면, 비록 필라멘트(22)들의 화학적 조성이 또한 다양한 다른 방식들로 변화될 수 있지만, 알루미나(Al2O3) 필라멘트들에는 실리케이트들(또는 다른 분자들 또는 요소들)의 다양한 퍼센티지들이 사용되어 페이스시트(14 및 16)들의 각각의 압축 강도 및 인장 강도가 조정될 수 있다. 페이스시트(14 및 16)들의 필라멘트(22)들의 화학적 조성의 이 같은 편차가 또한 페이스시트(14 및 16)들의 상대적 CTE를 조정하기 위해, 이를테면 제 1 페이스시트(14)의 약간 낮은 CTE를 제공하기 위해, 사용될 수 있다는 것이 또한 주목된다.
다른 가능성으로서, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들은 둘러싸는 세라믹 매트릭스(24)로 인해 상이한 계면 강도들을 가질 수 있다. 구체적으로, 필라멘트(22)들과 제 1 페이스시트(14)의 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도는 제 2 페이스시트(16)의 세라믹 매트릭스(24)와 필라멘트(22)들 사이의 계면 강도보다 더 높을 수 있다. 제 1 페이스시트(14)의 더 높은 계면 강도는 제 2 페이스시트(16)에 대해 이의 압축 특성들을 증가시킬 수 있는 반면, 제 2 페이스시트(16)의 더 약한 계면 강도는 제 1 페이스시트(14)에 대해 이의 인장 특성들을 증가시킬 수 있다.
제 1 페이스시트(14)와 제 2 페이스시트(16)의 세라믹 매트릭스(24)와 필라멘트(22)들 사이의 계면 강도들을 조정하도록 수 개의 전략들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 필라멘트(22)들 상의 코팅들 및/또는 세라믹 매트릭스(24) 내의 첨가제들은 제 1 페이스시트(14) 내의 필라멘트(22)들과 세라믹 매트릭스(24) 사이의 화학적 호환성을 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 이의 압축 강도를 증가시킨다. 대안적으로, 낮은 밀도의(또는 더 많은 기공의) 세라믹 매트릭스(24) 또는 호환성이 없는 코팅들이 필라멘트(22)와 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도를 감소시키기 위해 제 2 페이스시트(16)에서 사용될 수 있다. 복합재 계면 강도들을 조정하기 위한 이들과 같은 전략들뿐만 아니라 다른 전략들은 당업자들에 의해 널리 이해된다. 게다가, 이 같은 접근법들은 원하는 대로 페이스시트(14 및 16)들의 계면 강도들, 및 이들의 상대적 압축 강도 및 인장 강도를 조정하도록 홀로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 각각의 압축 강도 및 인장 강도를 조정하기 위한 또 다른 접근 방법으로서, 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)는 또한 이들의 상대적인 직교 이방성 정도가 변화될 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, 용어 "직교 이방성(orthotropic)"은 페이스시트의 특성들이 페이스시트의 평면의 상이한 방향들에서 변화하는 것을 의미하고, 용어 "의사-등방성(quasi-isotropic)"은 페이스시트의 특성들이 페이스시트의 평면의 모든 방향들에서 동일한 것을 의미한다. 특히, 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 큰 직교 이방성으로 이루어질 수 있는 반면, 제 2 페이스시트(16)는 의사-등방성으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제 1 페이스시트(14)를 형성하기 위해 사용된 프리-프레그 층(26)들은 (제 2 페이스시트(16)보다) 더 높은 직교 이방성 레이 업(layup)을 가질 수 있고 이 레이 업에서 더 많은 필라멘트(22)들이 다른 방향들(예를 들면, 45°, -45°, 60°, -60°, 등)보다 0° 및/또는 90°방향들로 배향된다(도 5 참조). 또한, 제 2 페이스시트(16)를 형성하기 위해 사용된 프리-프레그 층(26)들은 동일한 양의 필라멘트(22)들이 0°, 45°, -45°, 및 90° 방향 각각으로 배향되는 의사-등방성 레이 업을 가질 수 있다(도 6 참조). 당업자는 대안적인 의사-등방성 레이 업들이 또한, 0°, 60°, 및 -60°방향들과 같이, 다른 방향들로 배향된 동일한 양들의 필라멘트(22)들을 가질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 이러한 레이 업 배열들의 결과로서, 더 많은 직교 이방성의 제 1 페이스시트(14)는 개선된 압축 성능을 가지는 반면, 의사-등방성의 제 2 페이스시트(16)는, -45° 및 45°배향 필라멘트들(및/또는 -60° 및 60°배향 필라멘트들, 등)이 구멍들 둘레의 인장 부하, 결함들 또는 다른 손상을 전달하기 위한 실행 가능한 부하 경로들을 제공할 수 있기 때문에 개선된 인장 성능을 가질 수 있다. 비록 도 4 및 도 5가 단일 방향성 필라멘트들을 구비한 프리-프레그 층(26)들을 묘사하지만, 유사한 레이 업 개념들이 또한 직조된 필라멘트를 구비한 프리-프레그 층들을 위해 적용될 수 있다는 것이 추가로 주목된다.
여기서 개시된 바와 같은 페이스시트(14 및 16)들의 각각의 압축 강도 및 인장 강도를 조정하기 위한 개념들이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 배열들에서, 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 높은 계면 강도 및 더 큰 직경 필라멘트들 모두를 가질 수 있다. 다른 예로서, 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 큰 직경 필라멘트들, 더 높은 계면 강도, 및 더 큰 직교 이방성 레이 업을 가질 수 있다.
지금부터 도 7 내지 도 9를 참조하면, 코어(12)에 대한 가능한 구조물들이 도시된다. 비록 당업자에게 자명한 다수의 다른 유형들의 코어 구조물들이 사용될 수 있지만, 상기 코어(12)는 벌집체 구조물(28)(도 7), 폼 구조물(30)(도 8), 또는 트러스 구조물(32)을 가질 수 있으며, 그 안에서 상기 코어(12)는 페이스시트(14 및 16)들(도 9)을 연결하는 대각선 부재들을 포함한다. 코어(12)는 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 CTE들과 일치하거나 적어도 거의 일치하는(즉, 0.5x10-6 마이크로미터/미터/°F 내) CTE를 가질 수 있다. 이에 대해, 코어(12)는 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)와 동일하거나 유사한 화학적 조성(즉, 동일한 필라멘트 및 매트릭스 조성)을 가지는 CMC로부터 형성될 수 있다. 대안적으로, 코어(12)는 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 CTE들과 일치하거나 적어도 거의 일치하는 CTE들을 가지는 다른 고온 가능 재료들로 형성될 수 있다.
하이브리드 샌드위치 CMC(10)의 비 제한적인 용례는 도 10 내지 도 11에 도시된다. 특히, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 항공기 엔진(36)의 배기 시스템(34) 내로 포함될 수 있다. 배기 시스템(34)은 배기 노즐(38) 및 배기 노즐(38)의 반경 방향 내부에 중심 몸체(40)를 포함하여 이들 사이에 배기 가스들을 위한 유동경로(42)를 형성할 수 있다. 하이브리드 샌드위치 CMC(10)는 배기 노즐(38) 및 중심 몸체(40) 중 어느 하나 또는 둘 다의 적어도 일 부분을 형성할 수 있으며, 제 1 페이스시트(14)는 유동경로(42)의 고온 연소 가스들에 면하는 고 압축 강도를 위해 조정되고, 제 2 페이스시트(16)는 도시된 바와 같이 유동경로(42)를 등지는 고 인장 강도를 조정한다. 엔진(36)의 시동 동안 또는 아이들(idle)로부터 전출력까지 엔진(36)의 가속 동안과 같은, 배기 시스템(34)의 급속 온도 변화들의 기간들 동안, 하이브리드 샌드위치 CMC는 높은 열적 구배에 노출될 수 있다. 제 1 페이스시트(14) 및 제 2 페이스시트(16)의 조정된 압축 강도 및 인장 강도는 종래 기술의 비-하이브리드 샌드위치 CMC들에 비해 제 1 페이스시트(14)의 더 큰 열적 팽창에 의해 유발된 응력들을 지탱하도록 하이브리드 샌드위치 CMC(10)의 능력을 개선할 수 있다.
지금부터 도 12를 참조하면, 본 개시물의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)를 제조하는 방법이 묘사된다. 블록(50)으로 시작하면, 제 1 페이스시트(14)의 프리-프레그 층(26)들은 제 1 페이스시트(14)를 제공하도록 스택 내에 레이 업될 수 있다. 바람직한 경우, 직교 이방성 레이 업은 위에서 상세하게 설명된 바와 같이(도 5 참조), 제 1 페이스시트(14)에 설정될 수 있다. 프리-프레그 층(26)들은 세라믹 매트릭스(24)에 슬러리 전구체로 미리-함침된 필라멘트 천으로서 얻어질 수 있거나, 프리-프레그 층(26)들은 세라믹 매트릭스(24)에 대한 슬러리 전구체 내에 필라멘트 천을 담금으로써 생성될 수 있다.
이어서, 제 1 페이스시트(14)는, 도시된 바와 같이, 다음 블록(54)에 따라, 원통형 도구(또는 하이브리드 샌드위치 CMC(10)를 원하는 형상으로 생성할 수 있는 다른 적절한 도구) 상에 레이 업될 수 있다. 코어(12)는 이어서 제 1 페이스시트(14) 상에 레이 업될 수 있고, 제 2 페이스시트(16)는 코어(12) 상에 레이 업될 수 있어 다음 블록(56 및 58)들에 따라 도구 상에 레이 업 스택을 제공한다. 바람직한 경우, 제 2 페이스시트(16)의 프리-프레그 층(26)들은 위에서 설명된 바와 같이 의사-등방성 배열을 설정하도록 레이 업될 수 있다(도 6 참조). 제 1 페이스시트(14)에 의한 것과 같이, 제 2 페이스시트(16)의 프리-프레그 층(26)들은 세라믹 매트릭스(24)에 슬러리 전구체로 미리 함침된 필라멘트 천으로서 얻어질 수 있거나, 프리-프레그 층(26)들은 세라믹 매트릭스(24)에 대한 슬러리 전구체 내에 필라멘트 천을 담금으로써 얻어질 수 있다.
다음 블록(60)에 따라, 도구 상의 레이 업 스택은 이어서 압축될 수 있고 제 1 온도에서 경화되어, 세라믹 매트릭스(24) 내의 복합체(compound)들이, 취급될 수 있고 이의 자체 중량을 지지할 수 있는 단일 구조물로서 페이스시트(14 및 16)들 및 코어(12)를 함께 약하게 결합하는 것을 허용할 수 있다. 블록(60)은 가열 프레스들, 진공 배깅(vacuum bagging), 및 오토클레이빙(autoclaving)과 같이 당 기술의 당업자에게 자명한 기술들 및 장비를 사용하여 수행될 수 있다. 경화된 구조물은 이어서 도구로부터 제거되고, 노 내에 배치되며, 페이스시트(14 및 16)들 및 코어(12)를 함께 더 강하게 결합하도록 더 높은 제 2 온도에서 소결될 수 있고, 하이브리드 샌드위치 CMC(10)를 제공할 수 있다(블록 62). 위에서 설명된 바와 같이, 제 1 페이스시트(14), 제 2 페이스시트(16) 및 코어(12)의 일치하는 CTE들(또는 적어도 거의 일치하는 CTE들)은 하이브리드 샌드위치 CMC(10)를 소결 온도들(이는 일부 경우들에서, 약 수 천 ℉일 수 있음)로부터의 냉각에 견디는 것을 가능하게 할 수 있다.
본 개시물에 따른 본 발명의 요지의 예시적이고 비-제한적인 예들은 항목 A1 내지 항목 C20으로 설명되며, 이는 아래와 같다:
A1. 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)(10)로서,
세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들을 포함하는 제 1 페이스시트(14);
세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들을 포함하는 제 2 페이스시트(16); 및
제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 사이에 있고 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 둘 다에 접합되는 코어(12)를 포함하며, 상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 제 1 페이스시트가 제 2 페이스시트보다 더 높은 온도 환경에 노출되는 열적 구배로의 노출을 위해 구성되고, 제 1 페이스시트 및 제 2 페이스시트는 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 가지며, 상기 제 1 페이스시트는 상기 제 2 페이스시트보다 더 높은 압축 강도를 갖는다.
A2. 항목 1의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 2 페이스시트(16)는 제 1 페이스시트(14)보다 더 높은 인장 강도를 갖는다.
A3. 항목 1 또는 항목 2의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)는 제 1 페이스시트의 인장 강도보다 약 1.5 배 더 높은 압축 강도를 가지며, 상기 제 2 페이스시트(16)는 제 2 페이스시트의 압축 강도보다 약 1.5배 더 높은 인장 강도를 가진다.
A4. 항목 1 내지 3 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들 및 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들은 동일한 화학적 조성을 가지며, 상기 제 1 페이스시트의 세라믹 매트릭스(24) 및 상기 제 2 페이스시트의 세라믹 매트릭스는 동일한 화학적 조성을 가지며, 상기 제 1 페이스시트의 필라멘트들의 부피율은 제 2 페이스시트에서 필라멘트의 부피율과 동일하다.
A5. 항목 1 내지 4 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 원통형이다.
A6. 항목 1 내지 5 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)의 상기 필라멘트(22)들의 직경은 상기 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트들의 직경보다 더 크다.
A7. 항목 1 내지 6 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16) 보다 더 높은 직교 이방성을 갖는다.
A8. 항목 1 내지 7 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들과 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도는 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들과 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도보다 더 강하다.
A9. 항목 1 내지 8 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)의 열 팽창의 계수는 제 2 페이스시트(16)의 열 팽창 계수보다 더 낮다.
A10. 항목 1 내지 9 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 항공기 배기 시스템(34)의 구성요소의 일 부분이고 상기 제 1 페이스시트(14)는 상기 항공기 배기 시스템의 배기 가스 유동 경로(42)와 직면한다.
B11. 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)(10)로서,
세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들을 포함하는 제 1 페이스시트(14);
세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들을 포함하는 제 2 페이스시트(16);
제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 사이에 있고 제 1 페이스시트와 제 2 페이스시트 둘 다에 접합되는 코어(12)를 포함하며, 상기 제 1 페이스시트 및 상기 제 2 페이스시트는 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 가지지만 필라멘트들의 직경, 필라멘트들의 화학적 성질, 직교 이방성의 정도, 및 필라멘트들과 세라믹 매트릭스 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이하다.
B12. 항목 11의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 열적 구배로의 노출을 위해 구성되고 이 열적 구배에서 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 높은 온도 환경에 노출된다.
B13. 항목 11 또는 항목 12의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 높은 압축 강도를 갖는다.
B14. 항목 11 내지 13 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 2 페이스시트(16)는 제 1 페이스시트(14)보다 더 높은 인장 강도를 갖는다.
B15. 항목 11 내지 14 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들의 직경은 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들의 직경 보다 더 크다.
B16. 항목 11 내지 15 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)는 제 2 페이스시트(16)보다 더 높은 직교 이방성을 갖는다.
B17. 항목 11 내지 16 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 제 1 페이스시트(14)의 필라멘트(22)들과 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도는 제 2 페이스시트(16)의 필라멘트(22)들과 세라믹 매트릭스(24) 사이의 계면 강도보다 더 강하다.
B18. 항목 11 내지 17 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 제 1 페이스시트(14)의 열 팽창 계수는 제 2 페이스시트(16)의 열 팽창 계수보다 낮다.
B19. 항목 11 내지 18 중 어느 한 항목의 하이브리드 샌드위치 CMC(10)로서, 상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 원통형이다.
C20. 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)(10)를 제조하기 위한 방법으로서,
세라믹 매트릭스(24) 내의 필라멘트(22)들의 프리-프레그 층들을 포함하는 제 1 페이스시트(14)를 도구 상에 레이 업하는 단계(54);
상기 제 1 페이스시트 상에 코어(12)를 레이 업하는 단계(56);
레이 업 스택을 제공하도록 상기 코어 상에 제 2 페이스시트(16)를 레이 업하는 단계(58)―상기 제 2 페이스시트는 세라믹 매트릭스(24) 내의 필라멘트(22)들의 프리-프레그 층들을 포함하며, 상기 제 1 페이스시트 및 상기 제 2 페이스시트는 필라멘트들의 직경, 필라멘트들의 화학적 성질, 직교 이방성 정도, 및 필라멘트들과 세라믹 매트릭스 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이함―;
레이 업 스택을 제 1 온도로 경화하는 단계(60); 및
하이브리드 샌드위치 CMC를 제공하도록 레이 업 스택을 제 2 온도로 소결하는 단계(62)를 포함한다.
산업상 이용가능성
따라서, 일반적으로, 여기서 개시된 기술은 높은 열적 구배들에 노출되는 CMC 샌드위치 구성요소들을 사용하는 산업적 용례들을 포함하는(그러나, 이에 대해 제한되지 않음) 다양한 설정에서 산업상 이용가능성을 갖는 것을 알 수 있다. 여기서 개시된 기술은 두 개의 마주하는 페이스시트들의 압축 강도 및 인장 강도가 조정되어 하이브리드 샌드위치 CMC 구성요소가 높은 열적 구배를 유지하기에 충분히 구조적으로 견고한 하이브리드 샌드위치 CMC를 제공한다. 구체적으로, 더 높은 온도 환경에 노출되는 페이스시트는 압축 특성들을 강화하기 위해 조정되는 반면 더 차가운 환경에 노출되는 마주하는 페이스시트는 강화된 인장 특성들을 위해 조정된다. 이러한 특성들은 하이브리드 샌드위치 CMC가 양 측면들 상에서 동일한 압축/인장 특성들을 갖는 페이스시트들을 사용하는 종래 기술의 샌드 위치 CMC들에 비해 더 높은 온도 페이스시트의 더 큰 열 팽창에 의해 유발되는 응력들에 더 잘 견디도록 한다. 이러한 기술은 두 개의 페이스시트들이 서로 강성으로 결합되고 일부 원통형 구조물들에서와 같이 열적 구배들에 의해 유발된 응력들을 감소시키기 위해 용이하게 구부러질 수 없도록 억제되는 샌드위치 CMC 구조물들을 위해 특히 유용할 수 있다. 더욱이, 여기서 개시된 하이브리드 샌드위치 CMC 구조물들은 현재 사용되는 금속 기반 구조물들에 비해 개선된 항공기 배기 시스템 구성요소들을 제공할 수 있는데, 왜냐하면 이 구조물들은 중량이 더 가볍고 배기 온도들에 대한 더 긴 노출들에 견딜 수 있기 때문이다. 여기서 개시된 기술이 항공기 배기 시스템 용례들과 같은(그러나, 이에 제한되지 않음), 광범위한 분야들에서 폭 넓은 산업적 이용가능성을 찾을 수 있는 것이 예상된다.

Claims (10)

  1. 하이브리드(hybrid) 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(sandwich ceramic matrix composite, CMC)(10)로서,
    세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(filament)(22)들을 포함하는 제 1 페이스시트(facesheet)(14);
    세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들을 포함하는 제 2 페이스시트(16); 및
    상기 제 1 페이스시트와 상기 제 2 페이스시트 사이에 있고 상기 제 1 페이스시트와 상기 제 2 페이스시트 둘다에 접합되는 코어(core)(12)를 포함하며,
    상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 상기 제 1 페이스시트가 상기 제 2 페이스시트보다 더 높은 온도 환경에 노출되는 열적 구배로의 노출을 위해 구성되며, 상기 제 1 페이스시트 및 상기 제 2 페이스시트는 적어도 거의 일치하는 열 팽창 계수들을 가지며, 상기 제 1 페이스시트는 제 2 페이스시트보다 더 높은 압축 강도를 가지는,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 페이스시트(16)는 상기 제 1 페이스시트(14)보다 더 높은 인장 강도를 갖는,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 페이스시트(14)는 상기 제 1 페이스시트의 인장 강도보다 약 1.5배 더 높은 압축 강도를 가지며, 상기 제 2 페이스시트(16)는 상기 제 2 페이스시트의 압축 강도보다 약 1.5 배 더 높은 인장 강도를 갖는,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 페이스시트(14)의 상기 필라멘트(22)들 및 상기 제 2 페이스시트(16)의 상기 필라멘트(22)들은 동일한 화학적 조성을 가지며, 상기 제 1 페이스시트의 세라믹 매트릭스(24) 및 상기 제 2 페이스시트의 세라믹 매트릭스는 동일한 화학적 조성을 가지며, 상기 제 1 페이스시트의 필라멘트들의 부피율은 상기 제 2 페이스시트의 상기 필라멘트들의 부피율과 동일한,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 원통형인,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 페이스시트(14)의 상기 필라멘트(22)들의 직경은 상기 제 2 페이스시트(16)의 상기 필라멘트들의 직경보다 더 큰,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 페이스시트(14)는 상기 제 2 페이스시트(16)보다 더 큰 직교 이방성인,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 페이스시트(14)의 상기 세라믹 매트릭스(24)와 상기 필라멘트(22)들 사이의 계면 강도가 상기 제 2 페이스시트(16)의 상기 세라믹 매트릭스(24)와 상기 필라멘트(14)들 사이의 계면 강도보다 더 강한,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 샌드위치 CMC는 항공기 배기 시스템(34)의 구성요소의 부분이며, 상기 제 1 페이스시트(14)는 상기 항공기 배기 시스템의 배기 가스 유동 경로(42)와 직면하는,
    하이브리드 샌드위치 CMC.
  10. 하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)(10)를 제조하기 위한 방법으로서,
    세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들의 프리-프레그(pre-preg) 층들을 포함하는 제 1 페이스시트(14)를 도구 상에 레이 업하는(laying up) 단계(54);
    상기 제 1 페이스시트 상에 코어(12)를 레이 업하는 단계(56);
    레이 업 스택을 제공하도록 상기 코어 상에, 세라믹 매트릭스(24) 내에 필라멘트(22)들의 프리-프레그 층들을 포함하는 제 2 페이스시트(16)를 레이 업하는 단계(58)―상기 제 1 페이스시트 및 상기 제 2 페이스시트는 상기 필라멘트들의 직경, 필라멘트들의 화학적 성질, 직교 이방성의 정도, 및 필라멘트들과 세라믹 매트릭스 사이의 계면 강도 중 하나 이상이 상이함―;
    상기 레이 업 스택을 제 1 온도로 경화하는 단계(60); 및
    하이브리드 샌드위치 CMC를 제공하도록 레이 업 스택을 제 2 온도로 소결하는 단계(62)를 포함하는,
    하이브리드 샌드위치 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 제조하기 위한 방법.
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