화학적 방법에 의한 Cu 나노복합분말의 합성 및 특성 해석 = Synthesis of Cu Nanocomposite Powders by Chemical Method and Their Characteristic Analysis

국문 초록 (Abstract)

세라믹 기지상에 나노크기의 금속입자를 분산시킨 나노복합재료는 세라믹 재료의 취약성과 낮은 가공성을 극복하여 고강도, 고인성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 재료를 제조할 수 있다는 점에서 많은 연구의 대상이 되고 있다. 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 물리적, 화학적 특성은 분산된 금속입자의 크기, 분포, 양 등 미세구조에 많은 영향을 받는다. 따라서 요구되는 미세조직을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료를 제조하기 위하여 세라믹 및 금속질화물 분말을 균일하게 혼합하여 하소한 후, 수소분위기에서 금속산화물을 나노크기 금속입자로 환원하고 이를 열간 가압 소결하여 치밀화하는 공정이 사용된다. 그러나 이러한 세라믹/금속 나노복합재료의 제조에 있어서 가장 큰 문제로 대두되는 것은 각 공정과장에서의 기초현상에 대한 체계적인 연구, 즉 분말합성기구, 미세조직 발달과 원인 등에 관한 정확한 이해 없이 최종 물성과 미세구조의 해석에 기초한 재료의 응용에만 치중해왔다는 점이다. 따라서 실제 제조에 있어서는 재생성의 문제뿐만 아니라, 정확한 미세조직 제어 및 특성구현에 많은 어려움이 있다. 그러므로 우수한 기계적 특성과 함께 기능성을 갖는 세라믹/금속 나노복합재료의 다양한 공업적인 응용을 위해서는 제조공정의 이해, 특히 분말제조공정에서의 하소 및 환원거동과 치밀화에 관련된 정량적인 해석이 요구된다.
본 연구에서는 기지상으로 Al_(2)O_(3), 분산상으로는 Cu를 선택하여 우수한 특성을 갖는 나노복합재료의 최적 합성 조건에 관하여 조사하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 Cu 질화물로부터 하소 및 수소환원을 이용하는 화학적 합성법 및 열간 가압소결법을 이용하여 제조하였다. 또한 Al_(2)O_(3)/CuO를 원료분말로 사용한 경우와의 미세조직 특성을 비교분석하여 요구되는 기계적 특성을 만족하는 나노복합재료의 제조를 위한 최적의 합성공정을 제시하였다.
TG 및 Hygrometry 분석하여 하소온도와 수소환원 온도를 각각 300℃에서 1시간 및 350℃에서 30분간으로 결정하였으며 합성된 복합분말은 50 nm이하 크기의 순수한 Cu입자가 Al_(2)O_(3)기지상 주변에 균일하게 분산된 미세조직 특성을 나타내었다. 수소 환원은 Al_(2)O_(3)Cu-nitrate의 경우가 Al_(2)O_(3)/CuO 혼합분말 보다 더 높은 온도에서 시작되었으며, Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate를 원료분말로 사용한 경우에서 수소 환원 후에 미세한 Cu입자의 균일한 분포를 갖는 복합분말을 제조할 수 있었다. 소결체는 약 150 nm 크기의 Cu입자가 기지상 입계에 균일하게 분산된 intergranular-type 특성을 나타내었다.
열간가압소결한 Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료는 파괴강도 953MPa, 파괴인성 4.8MPa·m^(1/2)로 순수한 Al_(2)O_(3)와 비교해 월등히 향상된 값을 나타냈으며, 이는 입자미세화에 의한 강도증가와 crack deflection 및 crack bridging의 기구에 의한 파괴인성 증가로 해석하였다. Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합재료의 마모계수는 17.12×10^(-5)㎣/Nm로 순수한 Al_(2)O_(3)의 마모계수 2×10^(-5)㎣/Nm 보다 매우 높은 값을 나타내어 내마모 특성의 향상을 기대할 수 없었다. 이는 나노크기의 Cu상의 첨가로 파괴강도 등이 향상되었음에도 첨가한 Cu입자가 ductile하기 때문이라 해석되어진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

There has been strong interest in nanocomposite materials, in which nano-sized metal particles are dispersed in a ceramic matrix of micrometer size, due to the outstanding improvements of mechanical properties. The properties and performance of these ceramic/metal nanocomposites have been known to strongly depend on the microstructural characteristics such as the size and distribution of metal particle as well as the volume of dispersoids.
However, there have been some difficulties in reproducing nanocomposites with controlled microstructure and properties. This is basically attributed to the fact that previous researches focused only on the estimation of final microstructure and properties with no understanding of powder synthesis condition and its effect on the final properties.
In this study, Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites were selected for experimental systems. The reduction behavior of metal oxides and their effects on the microstructure evolution of sintered composites are analysed. Also, the influence of the intial powder mixture using Al_(2)O_(3)/CuO and Al_(2)O_(3)/Cu nitrate on the final properties such as fracture strength, toughness and wear properties was investigated.
The composite powders were prepared by the ball milling and calcination from the mixture of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate. The calcined powder mixture and Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture were densified by hot-pressing after hydrogen reduction process.
The hydrogen-reduced Cu particles of about 50 nm in size were homogeneously located on the surfaces of Al_(2)O_(3) powders. To analysis the effect of raw powders on the reduction behavior, the humidity changes for powder mixtures were investigated. In case of Al_(2)O_(3)/CuO powder mixture the reduction peak was observed at 210℃, while the peak temperature of Al_(2)O_(3)/Cu-nitrate registered as 240℃.
The hot-pressed Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed that Cu particles with an average size of 150 nm were homogeneously dispersed mainly on Al_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3) grain boundaries and triple points. Hence, in this investigation the hot-pressed composites are defined as an intergranular-type nanocomposite.
In the comparison with monolithic Al_(2)O_(3), the matrix grain size of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites was smaller, at range from 0.60 to 0.67 ㎛, than that of Al_(2)O_(3) at 0.89 ㎛. It is clear that metal particle significantly inhibited grain growth of the Al_(2)O_(3) matrix by the pinning effect. The elastic modulus for the monolithic Al_(2)O_(3) and nanocomposites was 396 GPa and 373-380 GPa, respectively. The fracture toughness of the composites exhibited an enhanced value of 4.8-4.9 MPa√(m), about 1.5 times larger than that of the monolithic Al_(2)O_(3). The strengthening and toughening of the nanocomposites were explained by the refinement of the microstructure and the crack deflection and crack bridging. The wear coefficient of the Al_(2)O_(3)/Cu nanocomposites showed a value of about 17×10-5 mm3/Nm, which was 9 times higher than that of the monolithic Al_(2)O_(3). It can be explained that the ductility of Cu phase was responsible for the high wear coefficient in the nanocomposites.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 요약 = ⅰ
• List of Table = ⅲ
• List of Figure = ⅲ
• 1. 서론 = 1
• 2. 이론적 배경 = 3
• 2.1 나노복합재료 = 3
• 2.2 나노복합재료의 기계적 특성 = 5
• 2.2.1 입자미세화에 의한 강화 = 5
• 2.2.2 열팽창계수 차이에 의한 강화 = 5
• 2.2.3 파괴인성 증가 기구 = 6
• 2.2.4 마모특성 = 10
• 2.3 수소환원에 의한 나노크기 금속입자 합성 = 10
• 2.4 IF (indentation fracture)법을 이용한 파괴인성 측정 = 12
• 3. 실험방법 = 17
• 3.1 나노복합분말 합성 = 17
• 3.2 나노복합분말의 합성거동 평가 = 17
• 3.3 나노복합분말의 소결 및 특성평가 = 18
• 3.4 나노복합재료의 마모거동 = 23
• 4. 결과 및 고찰 = 27
• 4.1 나노복합분말의 특성 = 27
• 4.1.1 하소거동 및 미세조직 특성 = 27
• 4.1.2 Al_(2)O_(3)/금속산화물 혼합분말의 수소환원 및 특성 = 30
• 4.1.3 Al_(2)O_(3)/Cu 나노복합분말의 미세구조 = 34
• 4.2 소결체의 미세구조 및 특성 = 38
• 4.2.1 소결체의 미세구조 = 38
• 4.2.2 소결체의 기계적 특성 = 39
• 4.3 소결체의 마모거동 = 43
• 5. 결론 = 48
• 참고문헌 = 50
• Abstract = 53
• 감사의 글 = 55