나노기술 및 정책 정보

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고온에서 높은 강도를 보유하고 있는 합금은 우주항공을 포함한 많은 중요한 분야에서 핵심 역할을 하고 있으며, 규칙적인 초(超)결정격자 포인트 배열의 합금은 더욱 많은 관심을 받고 있지만 고온에서 일반적으로 결정입자가 빠르게 성장하고 쉽게 거칠어지기 때문에 소재의 굴복(屈服) 강도가 뚜렷이 감소되는데 이런 상황은 고온 조건에서의 높은 강도를 보유하고 있는 합금의 대규모 응용을 제한하는 요인이 되고 있음.

중국 홍콩시티대학교(City University of Hong Kong) 류진촨(劉錦川) 원사(院士) 연구팀은 나노레벨 무질서 인터페이스는 고온에서의 높은 강도를 가지고 있는 합금이 대규모 응용 면에서 직면하고 있는 문제점을 효과적으로 극복할 수 있도록 한다는 점을 발견하였음. 인터페이스 무질서는 다원소 공동편향에 의해 구동되며 동 원소는 인접한 마이크론레벨의 초(超)결정격자 결정 입자 사이에서 독특한 나노층을 형성시키는 것으로 나타났음.

이같은 나노층은 지속적으로 연장할 수 있는 원천으로 되고 있으며 틀린 위치 활동성을 강화시키는 방법으로 취성 결정 간의 파열을 방지하는 동시에 실온 조건에서 신형 초결정격자 소재는 1.6GPa에 달하는 초고(超高) 파괴강도를 보유하고 있으며, 주변 온도에서 25%의 인장 비율을 보유하고 있는 동시에 그 어떤 결정 간의 취화(Embrittlement) 현상도 발생시키지 않는 것으로 나타났음.

또한, 고온에서도 결정입자의 거칠기도 무시할 수 있을 정도로 유지되기 때문에 고온 안정성을 향상시켰으며, 이런 연구 결과는 유사한 나노층 디자인을 통한 최적화 합금성능 발휘를 위해 새로운 루트를 제공하였음.

연구팀은 나노레벨 인터페이스 무질서에 중점을 두고 전통적인 고온합금 디자인에서 탈피하고 블록 상태의 순서적인 합금구조와 화학특징에 대한 협동 조정을 통해 우수한 기계 성능과 우수한 열안정성을 실현함으로써 미시구조에 대한 조정을 위한 다양한 방향을 제공하였으며, 제어 가능하게 다양한 종류의 원소 결합에 기반하고 아크용해와 열기계가공을 통해 일종 Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5 합성하는데 성공하였음.

연구팀이 개발한 초(超)결정격자 소재(SMs)는 나노레벨의 무질서 인터페이스(NDI-SMs)를 보유하고 있는 동시에 멀티 결정 형태(평균 결정 입자 사이즈는 11.0±7.5μm에 달함)를 보유하고 있으며, 동시에 마이크론레벨의 순서적인 초(超)결정격자 결정입자(OSG) 패키지의 특수 구조 특징과 무질 인터페이스 나노층(DINL)을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 결정입자 내부의 L12형 순서적인 구조에 대한 감정(鑒定) 작업을 실행하였으며, HAADF-STEM 분석방법을 이용하여 상세한 원자구조와 화학 특성에 대한 탐사측정을 실행하였는데 이런 독특한 인터페이스 무질서 초(超)결정격자 구조는 기존의 일상 순서적인 합금과는 큰 차이점이 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 초(超)결정격자 합금복합구조를 개발하고, 특히 다원소 공동편향으로 발생된 인터페이스 무질서를 이용하여 증강 결정계 안정성과 거친 특성에 저항하는 고강도 초미세 결정입자 혹은 나노결정 입자 소재를 디자인 하였는데 동 방법은 기타 금속 계통, 특히 복잡한 순서적인 합금구성에 적용되었는데 이런 상황은 고온소재의 부분적인 단점을 피할 수 있도록 하는 것으로 나타났음.

연구팀이 개발한 초(超)결정격자 소재는 우주항공, 자동차, 원자력, 화학공정과 기타 분야에서 폭넓게 응용될 수 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘사이언스Science’ ("Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces") 지에 게재됨.