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응고과정이 탄소나노튜브-강화 마그네슘 복합재료의 미세조직과 기계적 성질에 미치는 영향

전문가 제언: ○ 마그네슘 합금은 비강도가 높고 경량이기 때문에 자동차를 비롯한 여러 가지 용도로 사용되고 있다. 또한 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)는 극히 높은 탄성률과 강도를 가지면서 밀도가 마그네슘보다 더 낮다. 따라서 마그네슘 합금 기지를 CNTs로 강화하여 복합재료를 만들 경우 재료의 밀도를 유지하면서 기계적 강도를 더욱 향상시킬 가능성이 있다. 이 복합재료에서 가장 중요한 것은 CNTs를 기지 내에 균일하게 분산시키는 것이다.

○ CNTs의 균일한 분산을 위해서는 용탕 중에 CNTs를 균일하게 분산시켜야 할 뿐 아니라 주조 시의 응고속도가 적절하여야 한다. 본 연구에서는 (i) CNTs로 코팅한 Mg 칩(chip)을 반고체 상태의 Mg 용탕에 투입하고 재가열하여 초음파 교반을 시행하는 방식으로 용탕 내에 CNTs를 분산시켰고, (ii) 주조 시에 주형의 두께를 바꾸는 방식으로 응고속도를 조절하였다. 실험 결과 응고속도가 빠르면 CNTs가 결정립 내에 균일하게 분산되어 기계적 강도를 항상시키는 것이 밝혀졌다.

○ 많은 연구자들의 연구 노력에 의해 응고선단면과 복합재료 강화재의 상대적인 위치가 금속의 응고속도의 영향을 받는다는 것이 밝혀졌다. 즉, 응고속도가 느리면 강화재가 응고선단면 앞쪽으로 밀려나(push) 가장 늦게 응고되는 결정립계에서 클러스터를 이룬다. 응고속도가 빠르면 응고선단면이 강화재를 붙잡아(capture) 결정립 내에 분산시킨다. 그러나 이런 연구들은 주로 SiC나 Al2O3 마이크로/나노입자 강화재에 대해 시행되었고, CNTs를 이용한 연구는 드물다.

○ 국내에서는 아직 마그네슘 합금기지에 강화재를 첨가한 복합재료에 대한 연구사례가 없다. 마그네슘을 비롯한 금속기지 복합재료(Metal matrix composites, MMCs)는 원재료보다 탄성, 강성, 인장/파괴강도, 크리프 저항력, 감쇠능, 내마모성 등이 모두 우수하기 때문에 외국에서는 크게 주목받고 있다. 그중 마그네슘 합금 기지의 복합재료는 경량구조물 재료로서 자동차, 항공, 국방 분야에서 매우 유망한 재료이므로 국내에서도 대학, 연구기관 등에서 많은 연구가 이루어지기를 기대한다.

저자: C. D. Li, X. J. Wang, W. Q. Liu, H. L. Shi, C. Ding, X. S. Hu, M. Y. Zheng, K. Wu
자료유형: 니즈학술정보