나노기술 및 정책 정보

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마그네슘 합금은 높은 강도와 저밀도로 인해 항공 우주, 자동차 산업, 제약 및 화학분야에서 폭넓게 사용됨.

하지만 고유의 6방정계 구조로 인해 연성이 떨어지기 때문에 고강도 및 높은 성형성을 갖춘 마그네슘 합금은 현재도 중요한 연구개발 목표가 되고 있음.

표면 기계 연마처리(SMAT)를 통해 마그네슘 합금 표면으로부터 경사 나노구조를 도입하게 되면 마그네슘 합금의 미세 경도와 내마모성을 뚜렷이 개선시킬 수 있지만 연성은 크게 저하됨.

중국과학원 금속 연구소 산하 "선양(瀋陽, 심양) 소재과학 국가 연구센터" 소속 "다완취(大灣區, 대만구) 연구부"의 뤼졘(呂堅, 여견) 원사(院士) 연구팀은 이전에 비정질 코팅의 나노결정 슈퍼 나노 듀얼 위상 마그네슘 합금이 이론 강도에 도달할 수 있음을 발견하였음. 이 AZ31 합금을 연구대상으로 선정하고, SMAT를 사용하여 마그네슘 합금 표면에서 경사 나노결정을 생성한 다음, 마그네트론 스퍼터링(sputtering)을 통해 합금 표면에 Mg 베이스 듀얼 위상 금속 유리 박막(Mg-Zn-Ca)을 증착하고, 나노 듀얼 위상 금속 유리와 경사 나노결정 구조를 결합하여 완전히 새로운 다단 구조의 마그네슘 합금을 설계하였음.

이 마그네슘 합금은 항복 강도가 원래 합금보다 31% 증가한 230MPA로 SMAT 마그네슘 합금 강도와 동일한 반면, 인장 비율은 SMAT 마그네슘 합금보다 3배 증가한 20% 수준에 이름, 이는 고강도와 높은 성형성의 효과적인 결합을 실현할 수 있음을 보여준 것임.

연구팀은 추가 연구를 통해 다단 나노구조를 가진 마그네슘 합금의 우수한 기계적 성능은 세 가지 변형 메커니즘에 기인하고 있다는 점을 발견하였음. 구체적으로 하나는 듀얼 위상 금속 유리가 다중 전단 밴드와 나노 결정화를 발생시키고, 다음, 금속 유리는 나노 결정층의 균열 전파를 차단하고, 세 번째는 SMAT 나노 결정층의 입자가 성장한다는 점임. 유사한 방법으로 나노구조는 고강도와 고성형성 구리를 얻었음.

연구팀이 이번 연구를 통해 제시한 합금 구조 설계 개념은 다른 합금 시스템, 특히 조밀한 6방정계 구조 합금에서 고강도가 고성형성을 동시에 가지는 미래 신소재 설계에 중요한 역할을 할 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Advanced Science’ ("Nano-dual-phase metallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograined Magnesium alloy") 지에 게재됨.