용융가압함침공정을 이용한 고체적률 TiB2-Al 복합소재 개발 및 특성 평가

고성민 부산대학교 2020 국내석사

세라믹강화 알루미늄 복합재는 우수한 경량성과 높은 비강도를 보유하면서도 전자파 차폐, 중성자 흡수 등 특정 상황에서 기계적, 기능적으로 우수한 특성을 가짐으로써 여러 분야에 적용될 잠재력이 있다. 그러나 동시에, 기지금속 내에 강화재가 균일하게 분포되기 어렵고 강화재/기지재간 계면이 불안정하여 재현성있는 소재를 제조하기가 어려운 단점이 있기 때문에 적용 분야가 상당히 제한되어 왔다. 본 실험에서는 고온과 동시에 가압이 가능한 LPI공정을 사용하여 개선된 미세조직을 보유함으로써 향상된 기계적 특성을 가지는 TiB2-Al복합재 제조를 시도하였다. 복합재를 제조하기 전에 온도와 유지시간에 비례하는 TiB2와 Al의 젖음성을 기반으로 한 접촉각 측정실험과, 예비성형체 소결실험을 실시하여 복합재 제조공정을 최적화하였다. 그 결과로, 1000oC의 공정온도에서 1시간 유지하여 TiB2와 Al이 자발함침이 가능할 정도로 젖음성을 향상시키고, Ar 10bar 가압을 통해 용융된 Al을 다공질의 TiB2예비성형체 내부에 효과적으로 함침시켜 강화재 체적률이 약 65%인 고체적률 TiB2-Al복합재 제조에 성공하였다. 제조된 복합재는 체적률이 매우 높음에도 불구하고 강화재가 균일하게 분포되었으며 향상된 젖음성에 의해 Al이 강화재 입자 사이 좁은 공간에도 효과적으로 함침된 것을 확인하였다. 또한 TiB2가 Al에 대하여 화학적으로 안정적이기 때문에 복합재 제조 공정 중 Al3Ti나 Al2B와 같은 취성적인 반응상이 형성되지 않는 것을 확인하였다. 고배율로 촬영한 강화재와 기지재의 미세조직 분석 결과, 계면근처에는 어떤 기공이나 균열도 존재하지 않았으며 우수한 젖음성 덕분에 두 소재의 열팽창계수 차이에도 불구하고 제조된 복합재는 초기와 다를 것 없이 깨끗한 상태를 유지하였다. 제조된 복합재의 비커스경도는 194.4Hv, 인장강도는 471.5MPa, 압축 항복강도는 500.4MPa, 탄성계수는 197.8GPa로 강화재를 첨가하기 전인 기지 Al1050에 비해 각각 8.4배, 7.0배, 8.4배, 2,8배 증가하였다. 이러한 복합재의 기계적 특성 향상 원인은 강화재와 기지재가 서로 치밀하게 결합된 계면을 형성하여 연질 Al에서 강하고 경한 TiB2로 하중전달이 효과적으로 일어났기 때문이라고 판단하였다. 향상된 기계적 특성과 더불어 열 팽창계수는 기지 Al1050대비 100~400oC전체 온도 범위에서 약 50% 감소한 결과를 나타냈으며, 본 연구를 통해 우수한 기계적 특성 및 열적 특성을 가지는 고체적률 TiB2-Al복합재는 수송, 방탄, 우주항공 등 여러 분야에서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

물 전기분해장치의 수소발생반응을 위한 다차원 하이브리드 구조 비 귀금속 전기화학촉매의 합성 및 특성 분석

이정훈 부산대학교 2019 국내석사

본 연구에서는 수소 생산을 위한 물 전기분해 장치의 비 귀금속 다차원 하이브리드 구조 전기화학촉매를 전기 방사와 전기 도금을 이용하여 합성하였다. 첫 번째, 전기 방사를 통해 Ni-Cr/PVP nanofiber 를 합성하고 이를 산화 열처리하여 Ni-Cr-O nanofiber 를 합성하였다. 이어서, Ni-Cr-O nanofiber를 600 ~ 800 ℃에서 환원 열처리하여 151 ~ 273 nm의 직경을 갖는 1D Ni4Cr nanofiber를 합성하였다. XRD 분석을 통하여 모든 환원 열처리 조건을 통해 합성한 1D Ni4Cr nanofiber 에 Ni4Cr 이 존재하는 것을 확인하였고 환원 열처리 온도가 700 ℃ 이상일 때, Cr2O3 가 함께 존재함을 관찰하였다. 또한, 1M KOH 에서의 전기화학적 분석을 통해 600 ℃에서 환원 열처리 한 1D Ni4Cr nanofiber 가 -1 mA/cm2 에서 419 mV 의 과전압을 보이며 가장 좋은 촉매 활성을 나타내는 것을 확인하였다. 두 번째, 전기 방사와 환원-탄화 열처리를 통해 1D/2D 하이브리드 구조 MoS2/CNF 전기화학촉매를 합성하였다. FE-SEM 분석을 통해 합성한 1D/2D 하이브리드 구조 MoS2/CNF 전기화학촉매의 평균 직경은 179 nm 임을 관찰하였다. 그리고 HR-TEM, Raman, XPS 분석을 통하여 1D/2D 하이브리드 구조 MoS2/CNF 를 구성하고 있는 MoS2 나노 시트가 3~4 개의 얇은 층으로 이루어져 있으며 7.47%의 1T phase MoS2 를 포함하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 0.5M H2SO4에서의 전기화학적 분석을 통해 1D/2D 하이브리드 구조 MoS2/CNF 전기화학촉매가 -10 mA/cm2 에서 278 mV 의 과전압을 가지며 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다. 세 번째, 전기 도금, dehydration 열처리 및 sulfurization을 통하여 2D/3D 하이브리드 구조 Co3S4 nanosheets on Ni foam (NS/NF) 전기화학촉매를 합성하였다. FE-SEM 분석을 통해 합성한 2D/3D 하이브리드 구조 Co3S4 전기화학촉매가 넓은 표면적을 가짐과 동시에 수소 발생 반응 시 발생한 수소 가스와 전해질이 쉽게 교환될 수 있는 구조를 가짐으로써 수소발생반응에 유리한 구조를 가짐을 확인하였다. 그리고 XRD 분석과 XPS 분석을 통하여 sulfurization 동안 Co3O4 NS/NF 표면의 Co3O4 가 Co3S4 로 S-conversion 하는 것을 확인하였으며, 3 h 동안 sulfurization 하였을 때 가장 많은 S가 포함된 2D/3D 하이브리드 구조 Co3S4 NS/NF 전기화학촉매를 합성할 수 있었음을 알 수 있었다. 또한, 1M KOH에서 전기화학적 분석을 통해 3 h동안 sulfurization하여 얻은 2D/3D 하이브리드 구조 Co3S4 NS/NF가 -10 mA/cm2에서 93 mV의 과전압을 보이며 가장 좋은 촉매 활성을 보이는 것을 관찰하였다.

Stretchable Gel Polymer Electrolytes Based on Epoxy for Flexible Supercapacitor

한유경 부산대학교 대학원 2020 국내석사

Despite significant advances in the development of flexible gel polymer electrolyte (GPE), there are still problems to be addressed to apply to flexible electric double layer capacitors (EDLC), including interfacial interaction between electrolyte and electrode under deformable condition. Previously reported EDLC using GPE has laminated structures with weak interfacial interaction between electrode and electrolyte, leading to fragility upon elongation and low power density due to lower utilization of the surface area of the carbon material in the electrode. To overcome these problems, we present a new strategy for constructing epoxy-based GPE that can provide strong adhesion between electrode and electrolyte. The GPE is synthesized by polymerization of epoxy and ionic liquid. This GPE shows high flexibility up to 509 % and excellent adhesive property that enables strong chemically bonding between electrode and electrolyte. Moreover, the GPE is stable under high voltage and high temperature with high ionic conductivity of ~ 10-3 S/cm. EDLCs based on the developed GPE exhibit good compatibility between electrode and electrolyte and work properly when deformed. Also, EDLCs also show high specific capacitance of 99 F/g, energy density of 113 Wh/kg, and power density of 4.5 kW/g. The excellent performance of the GPE gives it tremendous potential for use in next generation electronic devices such as wearable devices.

인공사를 이용한 알루미늄 주조용 세라믹 바인더의 물리화학적 특성에 관한 연구

오현곤 부산대학교 대학원 2020 국내석사

주조 산업에서, Al2O3-SiO2로 구성된 뮬라이트 (mullite) 계열의 인공사는 자동차, 조선, 기계 및 화학 산업에서 복잡한 형상의 부품 또는 사형 중자 제조를 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 구상의 인공사는 내파쇄성 및 내구성이 우수하여 미분 발생량이 규사에 비해 적다. 바인더에는 유기 바인더와 무기 바인더로 분류되며 사형 주조 시 유기 바인더에서 배출되는 휘발성 유기화합물은 대기오염에 영향을 미친다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인공사와 무기 바인더가 주목받고 있는 소재이다. 다양한 무기 바인더 중 CBAPC (chemically bonded aluminum phosphate ceramic) 바인더는 고온에서의 우수한 내열성, 내식성 및 강도를 가지는 친환경 소재이다. 본 연구에서는 인공사를 이용한 CBAPC 기반의 무기 바인더를 개발하였다. CBAPC 바인더는 2.0에서 6.0까지의 다양한 P/Al 몰 비로 합성되었다. 인공사 및 CBAPC 바인더를 혼합하여 시험편을 제조하였으며, 260 ℃에서 10분간 열처리하였다. P/Al 몰 비, 경화 온도 및 경화 시간에 따른 시험편의 항절 강도를 확인하였다. 인공사 (Esperal 40, Cps 1)는 XRF, 입자 크기 및 FE-SEM으로 특성 분석하였으며, 제조된 CBAPC 바인더는 TGA-DSC, XRD, FT-IR 및 FE-SEM에 의해 특성 분석하였다. 인공사 (Esperal 40, Cps 1)의 최대 항절 강도는 P/Al 몰 비가 4.5, 경화온도 260 ℃ 및 경화 시간 10분 조건에서 각각 6.40 및 6.36 MPa를 나타내었다. CBAPC_4.5는 다른 P/Al 몰 비보다 저온 구간에서 높은 열 안정성을 가졌으며 260 ℃에서 형성된 AlH2P3O10·2H2O 상은 높은 기계적 강도 및 내습성을 가진다. CBAPC_4.5로 코팅된 인공사의 표면은 경화 온도 및 경화 시간에 따라 영향을 받았다. 따라서, P/Al 몰 비 및 경화 조건이 항절 강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. In foundry industry, mullite-based artificial sand composed of Al2O3-SiO2 is being studied to manufacture complex shaped parts and sand cores in the automobile, shipbuilding, machinery, and chemical industry. The spherical artificial sands were superior fracture resistance and durability, so the amount of fine dust is smaller than silica sand. Binders were classified into organic binder and inorganic binder, the volatile organic compounds emission from organic binder during sand casting process strongly contributes to air pollution. In order to solve these problems, artificial sand and inorganic binder receive attention as materials. CBAPC (chemically bonded aluminum phosphate ceramic) binders are an eco-friendly material with outstanding heat resistance, corrosion resistance, and strength at high temperature. In this study, we developed an inorganic binder based on CBAPC binder using artificial sand for casting. The CBAPC binders were synthesized for various P/Al molar ratios from 2.0 to 6.0. The specimens were prepared by mixing artificial sand and CBAPC binder, which is heat-treated at 260 ℃ for 10 min. The flexural strength of the specimens was observed according to the P/Al molar ratio, curing temperature, and curing time. The artificial sands (Esperal 40, Cps 1) were characterized by XRF, grain size analysis, and FE-SEM, and the prepared CBAPC binders were characterized by TGA-DSC, XRD, FT-IR, and FE-SEM. The ultimate flexural strengths of artificial sands (Esperal 40, Cps 1) were obtained 6.40 and 6.36 MPa, respectively under the conditions (P/Al=4.5, curing temperature=260 ℃, and curing time=10 min.). The CBAPC_4.5 had higher thermal stability at low temperature than other P/Al molar ratio. The formed AlH2P3O10·2H2O structure at 260 ℃ having high mechanical strength and moisture resistance affected to improvement of flexural strength. The surfaces of CBAPC_4.5 coated artificial sands were affected depending on the curing temperature and curing time. Thus, we confirmed that P/Al molar ratio and curing conditions strongly affect to flexural strength.

레이저 나이트라이딩 기반 플라스틱 사출 금형강의 표면 경화 및 내마모 특성 제어

심아진 부산대학교 대학원 2019 국내석사

본 연구에서는, 플라스틱 사출 금형강의 표면 경화 및 프레팅 마모 특성 향상을 위해 다이오드 레이저를 이용한 변태 경화 열처리와 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시하였다. 레이저 변태 경화 열처리는 축열 현상 발생을 방지함으로써 열처리부 전 영역에서 균일한 경화층을 형성시킬 수 있는 표면 온도 제어 기반 열처리 시스템을 사용하였다. 3차원 열해석으로 예측한 열처리부 형상 및 면적을 실제 실험 결과와 비교함으로써 표면 온도 제어 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 변태 경화 열처리 온도 조건은 열역학 계산 결과를 기반으로 마르텐사이트 변태가 일어날 수 있는 영역에서 선정하였으며, 변태 경화 열처리에 따른 경화 및 프레팅 마모 특성 변화를 체계적으로 검토하였다. 1273 K 온도 조건에서 변태 경화 열처리한 AISI P20-improved강은 모재대비 최대 140% 경도 값이 상승한 경화층이 형성되었다. 열처리부 단면 위치에 따른 경도 값의 편차는 50 HV이내였으며, 온도 조건에 따른 경도 값 상승 폭은 모두 유사한 수준이었다. 경도 값 향상과 더불어 변태 경화 열처리부 표면의 프레팅 마모 특성 또한 향상된 것을 확인할 수 있었다. 변태 경화 열처부 전 영역에서 마르텐사이트 조직이 관찰되었다. 레이저 변태 경화 열처리부 표면에서 측정한 A3 변태점에서 Ms점까지 냉각속도가 633 K/s로, 마르텐사이트 변태 임계 냉각속도를 500% 이상 초과하는 것을 확인하였다. 레이저 변태 경화 열처리에 의한 AISI P20-improved강의 경도 상승 및 프레팅 마모 특성 향상은 마르텐사이트 변태에 기인한 것으로 판단된다. AISI 1045강의 열처리부 표면에서 모재대비 최대 210% 경도 값이 증가하였지만, 모재 영역에 가까워질수록 경도 값 상승 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. AISI 1045강의 열처리부 표면에서는 래스 타입의 마르텐사이트만 확인되었지만, 변태 경화 열처리부와 모재 경계영역에 페라이트가 형성되어 있는 것이 확인되었다. AISI 1045강은 Cr, Ni, Mo 등의 경화능 향상 합금 원소가 거의 첨가되지 않은 강재로, 표면 대비 냉각속도가 느린 모재 근방 영역에서 오스테나이트 일부는 마르텐사이트로 변태하지 못하여 경도 값 상승 폭이 줄어든 것으로 사료된다. AISI P21강은 변태 경화 열처리부에서 마르텐사이트 변태가 일어났음에도 불구하고 모재와 유사한 수준의 경도 값 분포가 확인되었다. 마르텐사이트 변태에 의한 경화 효과가 Cu 석출물 성장에 따라 발생한 연화 효과와 상쇄되어 모재와 유사한 수준의 경도 값 분포를 갖는 것으로 판단된다. 동일한 조건에서 레이저 변태 경화 열처리를 실시하더라도, 사용 재료에 따라 확연히 상이한 경화 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 마르텐사이트 변태에 의해 경화되지 않는 AISI P21강의 경도 값 상승 및 프레팅 마모 특성 향상을 위해 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시하였다. 진공 챔버를 사용하여 레이저 조사부 표면의 질소 분위기 안정성을 확보하였다. 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시한 P21강 표면에 Al과 N 함량이 높은 질화층이 형성되는 것이 확인되었다. 질화층에서는 모재대비 약 40%의 경도 값 증가와 더불어 프레팅 마모 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 투과전자현미경 분석을 통해 질화층에 AlN 석출물이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 저진공 레이저 나이트라이딩에 따른 P21강은 AlN 석출물이 분포된 질화층 형성에 의해 경도 값 증가 및 프레팅 내마모성이 향상된 것으로 판단된다. 레이저 변태 경화 열처리 및 저진공 레이저 나이트라이딩 기술을 통해 실제 플라스틱 사출 금형 산업에서 향상된 금형 표면 경도 및 프레팅 마모 특성 확보를 통해 금형 수명 증가를 기대할 수 있다.

교반주조 및 열간압연 공정으로 제조된 중성자흡수능 복합재의 특성 연구

이동현 부산대학교 대학원 2021 국내박사

본 연구에서는 중성자흡수능을 가진 재료를 제작하기 위해 보론카바이드를 강화재로 하는 알루미늄 금속복합재를 교반주조공정 및 열간압연 공정을 이용하여 제조하였다. 기존의 중성자흡수능 복합재의 경우, 분말야금공정을 사용하여 제조하였으며 강화재의 체적율과 분산성을 높일 수 있는 장점이 있는 반면, 제조공정이 길고 복잡한 단점을 가지고 있다. 교반주조공정을 이용하여 복합재를 제조할 경우, 제조공정을 간소화할 수 있는 장점이 있으나 강화재의 체적율을 15vol.% 이상 높이기 어려운 점과 건전하게 제조하기 어려운 단점이 존재하였다. 본 연구에서는 기존의 교반주조 공정의 단점을 개선하기 위하여, 유동해석을 이용하여 임펠러 및 교반기의 형상을 최적화 하였으며 강화재가 골고루 분산된 건전한 복합재를 제조하기 위해 필요한 임펠러 회전수 및 교반시간을 설정하였다. 그 결과, 강화재의 체적율을 5vol.%에서 최대 30vol.%까지 증가된 건전한 복합재를 제조할 수 있었다. 제조된 복합재의 미세조직 관찰 결과, 강화재인 B4C 입자는 기지재 내에 고루 분포되어있는 것을 확인하였으며, 본 연구에 사용된 체적율 계산 프로그램을 통하여 제조된 강화재의 체적율을 확인하였고, 목표로 하였던 강화재의 체적율이 제조된 강화재의 체적율과 거의 유사한 것을 알 수 있었다. 금속복합재 계면분석 결과 B4C 강화재와 Al 기지재 사이에 (Ti, Cr)B2 및 TiB2 고용체가 생성되는 것을 확인하였다. 열역학 해석 프로그램을 이용하여 계면에 생성되는 화합물의 생성 메커니즘을 규명하였다. 복합재의 중성자흡수능 및 내산화성을 높이기 위하여 복합재 표면에 Al금속층과 중심부에 미세 B4C 및 Gd2O3를 가지는 다층구조 복합재를 제조하였으며, 기존상용 소재 대비 훨씬 우수한 중성자흡수능을 가지는 복합재를 제조할 수 있었다. 본 연구의 개선된 공정을 사용하여 산업에 이용할 경우, 기존의 교반주조보다 높은 체적율의 복합재를 제조할 수 있으며, 공정의 간소화 및 Al bulk 원소재를 사용할 수 있기 때문에 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 사료된다. In this study, an aluminum metal matrix composite using boron carbide as a reinforcement was manufactured using stir casting process and hot rolling process to produce a composite with neutron absorption capability. In the case of the existing neutron absorbing composite, it was manufactured using a powder metallurgy process and it has the advantage of increasing the volume ratio and dispersibility of the reinforcement. It has the disadvantage that the manufacturing process is long and complicated. In the case of manufacturing a composite using the stir casting process, there is an advantage in that the manufacturing process can be simplified, but there are disadvantages in that it is difficult to increase the volume ratio of the reinforcement to 15 vol.% or more and it is difficult to manufacture it soundly. In this study, in order to improve the disadvantages of the existing stir casting process, the shape of the impeller and agitator was optimized using flow analysis, and the required impeller speed and mixing time were set to manufacture a -composite in which the reinforcement is evenly dispersed. As a result, it was possible to manufacture a composite in which the volume ratio of the reinforcement was increased from 5 vol.% to a maximum of 30 vol.%. As a result of observing the microstructure of the manufactured composite, it was confirmed that the reinforcement B4C particles were evenly distributed in the matrix and the volume ratio of the manufactured reinforcement was confirmed through the volume ratio calculation program used in this study. The target reinforcement, it can be seen that the volume ratio of is almost similar to the volume ratio of the manufactured reinforcement. As a result of the interface analysis, it was confirmed that (Ti, Cr)B2 and TiB2 solid solutions were formed between the B4C and the Al matrix. A thermodynamic analysis program was used to investigate the formation mechanism of the compound formed at the interface. In order to increase the neutron absorption capacity and oxidation resistance of the composite, a multi-layered composite having an Al metal layer on the surface of the composite and fine B4C and Gd2O3 in the center was manufactured. If the improved process of this study is used in industry, it is possible to manufacture a composite with a higher volume ratio than the existing stir casting and it is expected to have price competitiveness because of the simplification of the process and the use of Al bulk raw material.

자동차 차체용 Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강/볼트 프로젝션 용접시 용접성 및 예열통전에 따른 용융현상 비교

김재훈 부산대학교 대학원 2021 국내석사

본 연구는 Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강/볼트 프로젝션 용접 특성에 관련된 연구이다. Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강 표면의 복잡한 합금화층 및 산화층은 높은 저항값을 갖고 저항 용접시 용접부 계면에서 높은 발열을 발생시켜 중간날림, 용접부 균열 등의 문제로 인해 용접성 확보가 어려운 실정이다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해 표면의 산화층 제거를 위한 Shot blast 공정 및 용접부 강도를 확보하기 위한 보강 용접을 적용하는 등 많은 해결책이 제시 되었으나 실용성 및 경제성 측면을 고려해볼 때 용접조건상에 예열통전을 적용하는 것이 적합하다. 하지만 예열 통전시 용융 및 도금층의 거동 및 핫스탬핑강의 용접성 향상에 대한 추가적인 연구가 미흡한 실정이다. 첫 번째 연구에서는 Al-Si 도금층의 용융거동이 용접성에 미치는 영향을 고찰해 보았다. Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강 용접시 도금층 및 산화층으로 인한 표면의 높은 발열이 발생하며 용융된 도금층은 일부 액체의 필름형태로 용접부 외각쪽으로 밀려나게 된다. 이때 외각에 모여 응집된 액상의 도금층은 접촉면적 형성 및 원활한 전류통전을 방해하고, 너겟을 높이방향으로 성장을 유도하게 된다. 이러한 제한적인 너겟경의 성장으로 인해 용착강도 저하 및 계면파단 등 용접불량이 발생 하는 것으로 판단된다. 하지만 도금층이 제거된 핫스탬핑 보론강의 경우는 초기에 넓은 접촉면적을 확보하여 상대적으로 낮은 발열이 발생하고, 용접시간이 증가함에 따라 충분한 접촉면적을 확보하면서 너겟이 길이방향으로 성장하기 때문에 Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강의 용접부 너겟경에 비해 큰 너겟경을 확보할 수 있다. 두 번째 연구에서는 예열통전이 초기 용융거동에 미치는 영향을 고찰해 보았다. Al-Si 도금된 핫스탬핑 보론강 볼트프로젝션 용접시 복잡한 구조의 도금층과 산화층에 의해 용접부 계면에서 용접초기 높은 발열이 발생하고 용융된 도금층은 돌기의 빠른 붕괴로 인해 용접부 계면에 잔존하게 되어 중간날림, 기공 등 용접결함이 발생하였다. 예열통전을 통해 Al-Si 도금층을 용융시켜 용융부 외각으로 밀려나게 하여 제거하거나 영향을 최소화 할 수 있으며 돌기를 일부 용융시켜 접촉면적을 확보하여 돌기의 급격한 붕괴를 방지할 수 있다. 이러한 효과는 용접부 계면에서의 전류밀도의 집중을 방지하여 높은 저항열 발생을 감소시키므로 중간날림을 방지하고 안정적인 용융부의 성장을 유도하여 건전한 너겟경 성장을 유도한다.

주조기반 극한환경용 경량 고기능성 금속복합재 개발 및 특성 연구

이영환 부산대학교 대학원 2021 국내박사

본 연구에서는 기존 소재 대비 가벼우면서 물성이 우수한 소재의 개발을 위하여 금속복합재 제조에 관한 연구를 진행하였다. 먼저 기존의 금속복합재 제조 방법의 단점을 극복한 주조기반의 새로운 공정 개발에 관한 연구를 진행하였으며, 개발된 용융가압함침공정을 통하여 기계부품 적용을 위한 경량 고기능 소재와 고온구조용 소재에 적합한 물성을 가지는 복합재 개발에 관한 연구를 진행하였다. 먼저 기지합금과 강화재 선정 등의 극한환경용 금속복합재 설계와 기존 복합재 제조 공정의 문제점을 개선한 주조기반 용융가압함침공정을 개발하였다. 용융가압함침공정 개발을 통하여 강화재 입자의 응집현상과 강화재 입자간 결합 부위로 인한 응력집중현상 등의 기존 복합재 제조 공정의 문제점을 개선하였다. 이와 함께 Mo, V, W, Cr 등의 Fe 합금의 주요 첨가원소가 TiC 강화재 입자와 계면에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다. 기계 부품용 소재 개발 가능성 확인을 위하여 SKD11 합금을 기지로 하는 복합재를 제조하였다. TiC-SKD11 복합재는 5.9g/cm3 의 밀도를 나타내어 SKD11 합금 기지에 비해 경량하며 우수한 기계적 특성을 나타냈다. 기계적 특성의 증가는 경질 세라믹 강화재의 적용, 합금 기지에서 강화재로의 효과적인 하중 전달에 기인한 것으로 판단되어진다. 강화재와 합금 기지 사이의 계면 안정성과 강한 결합은 용융가압함침공정을 통하여 복합재가 제조되는 과정 중 TiC 입자의 부분적인 용해로 인한 향상된 젖음성을 통하여 얻을 수 있는 것으로 판단되어진다. 결론적으로, SKD11 합금 기지 내부의 V 및 Mo 확산에 의한 TiC의 core-rim 구조 형성과 SKD11 합금 기지 결정립 미세화를 통하여 제조된 TiC-SKD11 복합재의 기계적 특성을 향상이 이루어 진 것으로 판단되어진다. TiC 입자 강화 철강 기지 복합재의 고온 적용용 소재로서의 적용 가능성 판단을 위하여 용융가압함침공정을 이용하여 TiC 3μm, 1μm 입자를 강화재로 사용한 SUS431 기지 금속복합재를 제조하였고 고온특성에 관한 분석을 진행하였다 고온특성 분석 중 첫 번째로 제조된 TiC-SUS431 복합재의 고온 환경 신뢰성 검증을 위하여 TiC-SUS431 복합재와 SUS431 기지 합금을 700℃의 온도에서 내산화 시험을 진행하였다. 내산화 시험 결과 TiC 1μm-SUS431 복합재의 경우 내산화성이 우수한 SUS431 합금 수준의 우수한 내산화성을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과로 TiC-SUS431 복합재의 고온 응용 분야 적용에서의 신뢰성 수준이 높은 수준인 것으로 판단되었다. TiC 1μm-SUS431 복합재의 내산화 시험 후 질량 변화 및 미세 조직 분석을 통하여 평가된 복합재의 내산화성은 복합재 표면에 상대적으로 작은 크기의 TiO2 산화물 형성 및 내산화성이 우수한 Cr2O3 층이 형성되어 TiC 3μm-SUS431 복합재보다 훨씬 우수한 내산화성을 타나내는 것으로 확인되었다.이와 같은 결과로 TiC-SUS431 복합재의 고온 응용 분야 적용에서의 신뢰성 수준이 높은 수준으로 가능할 것으로 판단되었다. TiC-SUS431 복합재의 고온물성을 측정한 결과 고온경도의 경우 300℃에서 800℃ 까지의 모든 온도 범위에서 SUS431 기지합금에 비해 경도가 2배이상 향상된 값을 확인할 수 있었다. 700℃ 고온 인장강도 측정결과 SUS431 합금의 경우 200MPa 이하의 항복강도 값을 나타내었으나, TiC-SUS431 복합재의 인장강도는 750 MPa 수준으로 기지합금에 비해 약 3.5배 높은 값이 측정되어 일반적인 합금의 물성이 급격이 저하되는 650℃ 이상의 온도에서도 우수한 인장물성이 확인되었다. 또한 TiC-SUS431 복합재의 압축 강도는 SUS431보다 훨씬 우수한 것으로 확인 되었다. 600℃–1050℃의 온도 범위에서 고온압축강도 측정결과 TiC–SUS431 복합재는 SUS431 기지 합금에 비해 약 2.6–5.1 배 높은 고온 압축 강도 값을 나타내는 것을 확인 하였다. 이와 같은 결과를 토대로 TiC-SUS431 복합재의 극한 고온환경용 소재로의 적용성이 확인되었다.

차세대 방탄소재 적용을 위한 기능성 금속복합소재 제조 및 특성연구

신상민 부산대학교 대학원 2021 국내박사

금속복합소재는 서로 다른 특성을 가지는 두 재료의 한계를 뛰어넘는 hybrid재료로써, 경량하면서도 우수한 기계적 특성 및 열적 특성을 발휘할 수 있는 재료이며, 따라서 많은 분야에서의 연구 및 적용이 되고 있다. 본 연구에서는 고체적률의 기능성 금속복합소재를 제조하고 이를 방탄소재에 적용하기 위하여 다음과 같은 단계를 통해 설계 및 다양한 분석을 실시하고 실제 방탄시험을 진행하여 방탄재료로써의 적용가능성을 살펴보았다. 첫째, 문헌조사와 시물레이션 프로그램(LS-Dyna)을 통해 경사기능 (Functionally graded materials, FGMs)의 방탄모듈 설계를 진행하였다. 그 결과, 전면부는 강도 및 경도가 높은 소재를 적용하여 탄두 자체를 무디게 해야 하며, 충격파를 완화시킬 수 있는 충분한 압축강도가 필요하다. 후면부는 전면부에서 전달되는 충격파를 흡수하여야 하며, 부숴진 잔류 파편을 잡아주는 역할을 수행하여야 하기에 충격흡수능이 우수한 소재여야 한다는 결론을 도출하였다. 둘째, 해석을 통한 전/후면부의 특성을 고려하여 소재를 선정하고 각 영역에서 요구하는 특성에 대한 실험을 진행하였으며, 실험결과에 대한 고찰을 진행하였다. 결함의 거의 없는 고체적률의 금속복합재를 제조하기 위한 액상가압공정 최적화를 우선적으로 진행하여 시편을 제조한 뒤 lab-scale 수준의 기초시험 및 분석을 하였다. 전면부 소재에 대해서는 고경도/고압축강도 및 마모특성에 대한 고찰을 하기 위해 준정적 압축시험, 로크웰 경도 및 pin-on-disk 타입의 마모시험을 실시하였으며, 그 결과 이종입자강화 B4C/Al7075소재에서 가장 우수한 1422MPa의 최대압축강도를 보였으며, 이는 타 문헌과 비교해 보아도 매우 우수한 수치이며, C scale의 로크웰 경도측정결과 58.5로 이는 현재 방탄용 상용재인 4340-steel 및 RHA steel과 비교 시 약 1.5배의 경도 향상 값을 보였다. 강도 및 경도에서 우수한 수치를 보였던 이종입자강화 B4C/Al7075소재에 대해서 고온압축시험 및 상/고온 마모특성을 살펴보았다. 이는 전면부에서 발생하는 국부적인 열 및 하중에 의한 저항력 확인 및 발사체와의 마모 상황에서의 특성을 고찰함으로써 dwelling 동안 발사체의 침식 및 형상변형을 충분히 수행하여 탄의 에너지를 효과적으로 감소할 수 있을지에 대한 추가적인 실험이다. 고온압축시험결과 고온(300℃)에서의 최대압축강도는 453MPa로 측정되었으며, 파면 미세조직 관찰결과 온도증가에 따른 기지의 연화가 진행되지만 고온(300℃)에서도 하중전달에 의한 강화입자의 파괴가 관찰되며, 연성+취성파괴가 동시에 일어나 기지재(Al7075) 대비 강도가 약 3배 향상되었다. 상온 및 고온 마모시험결과 Al7075 및 이종입자강화 B4C/Al7075소재의 경우 평균마찰계수는 온도에 따라 0.35 – 0.65μ의 값을 나타내었다. 방탄소재 관점에서 보았을 때, 마찰계수는 클수록 상대재와의 마모도가 증가하며 또한 평균마찰계수보다 순간마찰계수가 더 중요하다. 마찰계수의 결과상 0.2초내의 마찰계수거동을 비교해보면, 복합소재의 순간마찰계수는 상온에서 약 0.7µ, 300℃에서 약 0.4µ로 기지재 대비 약 3배 이상 높은 값을 보였으며, 마모 손실량을 비교해본 결과 상온에서는 모재대비 약 1/13, 300℃에서는 약 1/2.2의 값을 보였다. 마찰계수와 마모 거동 분석결과 실제 방탄시험 시 발사체의 침식, 형상변화를 유도할 뿐 아니라 dwell time에 의한 발사체의 에너지를 효과적으로 감소시킬 것으로 판단된다. 마모면을 분석한 결과, 상온에서는 마모표면에 탈락되지 않고 존재하는 B4C입자에 의한 내마모성 향상거동을 보였으며, 300℃에서는 탈락된 입자와 복합재 표면에 존재하는 입자가 계속된 마모에 의해 입자의 분쇄 및 미세화 되며, 미세화된 입자와 모재, 상대재의 debris가 산화분위기에서 서로 혼합되며 생성되는 새로운 경질의 층인 MML (Mechanically mixed layer)이 형성되어 내마모성이 향상 되었다. 셋째로, 제조된 시편의 기초실험을 통해 얻어진 데이터를 토대로 방탄시험 전 동적압축시험 진행한 뒤 실제 방탄모듈을 제조하여 시험하였다. 그 이유로는 준정적 특성평가와 실제 방탄시험은 속도의 차가 너무 커 (에너지의 크기가 너무 달라) 예측이 힘들다. Lab-scale의 경우, 대게 strain rate는 이며, 방탄시험의 경우 의 속도를 보인다. 게다가, 방탄시험의 경우는 모든 소재에 대한 실험을 위한 시간적, 비용적 소모가 크다. 따라서 준정적 시험과 초고속시험의 중간단계인 동적압축시험 (약 이상)을 진행하였으며, 동적 압축시험결과 10µm SiC/A356 소재에서 가장 우수한 14395MPa의 충격흡수능값을 도출하였다. 마지막으로 방탄모듈을 직접 제조하여 고밀도 운동에너지탄 방탄시험을 실시하였다. 방탄시험은 laminate형의 3가지 모델을 제조하였으며, 이를 통해 경사기능 구조에 대한 적합성 평가를 진행하였으며, 그 뒤 tile encapsulated 경사기능형 금속복합소재 모듈을 제조하여 사용한 SiC tile 및 상용 steel과 방탄효율을 비교하였다. Laminate형은 크게 3가지 구조로 고경도 및 고강도 모듈, 고충격흡수 모듈, 경사기능형 모듈을 제조하여 방탄시험을 진행 한 결과 경사기능형 모듈에서 SiC 타일 대비 약 10%의 방탄효율 향상이 있었으며, 경사기능 구조의 적합성을 확인하였다. 경사기능 구조를 적용한 SiC 타입 삽입 경사기능형 금속복합소재 모듈의 방탄시험 결과 SiC 타일 대비 약 27%의 방탄효율 향상을 보였으며, 이는 경사기능구조의 방탄효율 상승효과 및 제조된 모듈 내 응고과정 중 발생된 열응력에 의한 압축응력으로 타일의 구속효과를 부가하게 되고 이 두 가지 복합적 효과에 의한 방탄효율의 향상 거동을 보였다. 결론적으로, 모듈제조 과정에서 연구가 거의 되지 않았던 고체적률 복합소재의 여러 특성평가를 진행하고 각 특성평가 결과에 대한 메커니즘을 밝혔으며, 최종적으로 제조된 신개념의 경사기능형 SiC 타일 삽입 금속복합소재 모듈의 밀도는 2.9g/cm3로 타일대비 약 10%, 철강대비 약 60% 가벼우며, 방탄효율계산결과 타일대비 약 27%의 효율증가를 보였다. 이 결과는 전/후면 소재의 기능화, 경량화 및 응고과정에서 발생되는 내부 열 (잔류)응력에 의한 내부 타일의 압축응력부가 (구속효과)의 복합적 효과를 통한 복합적인 효과에 의한 것이며, 이로써 신개념의 차세대 방탄모듈의 성능을 입증하였다.

와이드 밴드갭 Cu(InGa)S2 태양전지 성능향상

권일영 부산대학교 대학원 2021 국내석사

이 연구에서 우리는 injection annealing system 을 이용하여 와이드 밴드갭을 가지는 Cu(InGa)S2 의 성능을 증가시키는 효율적인 방법을 제시한다. Injection annealing system 은 원하는 온도에서 열처리를 할 수 있다. 따라서, 이차 상이 형성 될 수 있는 온도 범위를 지날 수 있어 이차 상 형성 방지에 효율적이다. Injection annealing system 을 사용하여 550℃가 넘는 온도에서 열처리함으로써 CIGS 박막의 표면에 형성된 이차 상인 InSx 를 효율적으로 제거할 수 있다. 그에 따라 이차 상 제거는 CIGS 태양전지에 좋은 P-N 접합을 형성할 수 있다. 그러므로, 이차 상의 제거에 의해서 CIGS 태양전지의 성능이 상당히 증가하게 된다. 게다가 우리는 550–640℃ 범위에서 열처리 온도가 증가할수록 CIGS 의 open-circuit-voltage (VOC)이 강화되는 것을 관찰했다. 이는 어닐링 온도 증가에 따라 CIGS 내의 결함이 감소하게 된 것으로 예상된다. Injection annealing system 을 사용함으로써 통해서 CIGS 태양전지는 12.16%의 효율을 달성했다.