This study investigated the damage behavior of oxide/oxide ceramic matrix composites (CMCs) used in VLEO satellite structures. The system was used to simulate VLEO environmental conditions—such as AO, high vacuum, UV radiation, and thermal cycling—in addition to ASTM E595 compliance testing. The composites met the ASTM E595 standards. During VLEO exposure, additional chemical reactions were suppressed, demonstrating strong AO erosion resistance. XRD and FTIR analyses showed no significant structural changes, while a localized oxide barrier formed in specific areas effectively reduced surface degradation. Tensile strength decreased by approximately 10% and 15% after 7.5 and 15 hours, respectively, mainly due to surface degradation. However, after 24 hours, the reduction was limited to 4%, likely because of the formation of a protective oxide layer. Microstructural observations revealed that VLEO exposure resulted in localized surface damage due to high-velocity particle impacts, followed by AO-induced surface swelling and the formation of an amorphous structure, which effectively prevented further material degradation.

본 연구에서는 초저궤도 환경에서 운용되는 위성의 플라즈마 방전벽에 적용을 위해 산화물/산화물 세라믹 매트릭스 복합재의 손상 거동을 평가하였다. 우주환경 적합성 평가 및 본 연구기관에서 보유한 장비를 활용하여 원자산소, 자외선, 고진공, 열주기를 복합적으로 모사한 초저궤도 환경 실험을 진행하였다. 제안된 복합재는 오차 범위 내에서 우주환경 적합성을 충족하였다. 초저궤도 환경 실험에서는 섬유와 매트릭스가 모두 산화 상태 로 존재함에 따라 추가적 화학 반응이 억제되고, 코팅 없이도 원자산소 침식에 뛰어난 저항성을 보였다. XRD, FTIR 분석에서도 구조의 대한 변화가 관찰되지 않았으며, 일부 국소 영역에서 산화 보호층이 형성되어 표면 열화를 완화하였다. 또한, 인장 강도는 노출 7.5시간 및 15시간 후 각각 약 10%, 15% 감소하였으나, 24시간 노출 시에는 보호 산화층의 형성으로 강도 감소가 약 4% 이내로 제한되었으며, 장기 노출 환경에서도 기계적 성능 유지 가능성을 확인하였다. 미세구조 분석 결과, 초저궤도 환경 노출 초기에는 고속 입자 충돌로 인한 국소적 표면 열화가 관찰되었으나, 이후 원자산소와의 반응으로 팽윤 현상이 발생하여 비정질 구조를 형성함으로써 추가 열화를 억제함을 확인하였다.

Keywords: 초저궤도(Very Low Earth Orbit, VLEO), 산화물/산화물 세라믹 매트릭스 복합재(Oxide/Oxide ceramic matrix composite), 원자산소(Atomic Oxygen, AO), 산화 보호층(Protective oxide layer)