차세대 방탄소재 적용을 위한 기능성 금속복합소재 제조 및 특성연구 = Manufacture and Characteristics of Functional Metal Matrix Composites for Next-generation Bulletproof Application|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

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.

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금속복합소재는 서로 다른 특성을 가지는 두 재료의 한계를 뛰어넘는 hybrid재료로써, 경량하면서도 우수한 기계적 특성 및 열적 특성을 발휘할 수 있는 재료이며, 따라서 많은 분야에서의 연...

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