| 초록 |
본 연구는 알루미늄 금속나노복합재의 자동차 부품인 피스톤 재료로의 응용을 목적으로 상용 피스톤재료와의 비교와 피스톤재료의 요구조건 이상을 만족시키는 결과를 미세구조, 고온물성, 그리고 열적 특성을 모두 체계적으로 분석하여 정리하였고, 연구 결과는 금속나노복합재의 고온변형 및 강화거동이라는 학술적 뿐만 아니라 산업적으로 매우 중요한 거동분석에 대한 발견으로 사료된다. 복합재 제조시 금속기지는 산업적 응용이 다양한 알루미늄 합금 2024 (Al2024) 를, 강화재로는 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀 두 가지를 각각 볼밀링법을 통해 균일하게 금속기지내에 분산하였고, 두가지 다른 탄소나노물질을 분산했을 때의 비교를 포함, 상용 피스톤 재료인 Al-Si합금 (AlSi12CuMgNi)과의 비교를 통해 Al기지 복합재의 대체화 가능성을 실제 피스톤재료가 견뎌야 하는 고온 기계적 물성에 대해 온도변화 (25 ~ 430 oC)를 주며 항복강도와 열팽창계수로 분석하였다. CNT, 그래핀이 분산된 두 가지 복합재 모두 AlSi12CuMgNi합금보다 2배 이상의 높은 항복강도를 25~430 oC 구간 내에서 모두 나타내었고, 피스톤의 요구조건의 기준인 350 oC에서 100 MPa 에 달하는 높은 강도를 유지할 수 있음을 확인하였는데, 이 결과는 순수한 알루미늄에 비해서는 2배, AlSi12CuMgNi합금dp 비해서는 3배 이상 높은 값이다. CNT, 그래핀 2가지 모두 나노물질로서, 복합재의 소성 변형시, 큰 표면적이 전위의 움직임을 효과적으로 방해하여 강도향상 및 고온변형을 할 때 에도 높은 강도 유지에 기여를 한 것을 고해상투과전자현미경 (HRTEM)을 통해 강화재 주변에 변형 띠 (Deformation band)와 전위가 강화재주변에 축적 되어 뭉쳐있는 것 (Dislocation accumulation)을 재료 전반적으로 나타내는 것을 알 수 있다. 일반적인 알루미늄 합금재료의 온도 상승시 기계적 성질 저하의 원인인 석출물 생성 및 성장과 같은 이유로 고온에서 변형이 진행될수록, Al2024-그래핀 복합재의 경우도 마찬가지로 AlCuMg과 같은 석출물과 탄소나노물질에서 나온 탄소와 알루미늄의 생성물인 탄화물(Al4C3)가 생성 및 성장하였으나, CNT와 그래핀이 전위이동을 방해하듯, 석출물과 탄화물의 무제한 성장을 방해하여 석출물이나 탄화물에 의한 강도저하를 어느 정도 막을 수 있는 효과도 함께 볼 수 있다는 것을 발견하였다. 앞서 언급한대로, 탄소나노물질에 의한 Al과의 반응물인 탄화물(Al4C3)이 형성되기는 하였으나, CNT, 그래핀의 높은 열적특성 덕분에, 열팽창계수가 -18x10-6/K로 20%이상 효율이 증가함을 알 수 있었다. 복합재의 이론적인 열팽창계수의 다양한 계산법 중, 적합한 조건의 계산식 2가지의 비교를 Rule of mixture와 Schapery model 통해 CNT, 그래핀의 각각 함량별 열팽창계수의 이론적/실험적 결과 값을 비교하였고, 그 결과 강화재 자체의 겉넓이가 커서 표면적이 넓은 그래핀이 CNT에 비해 효과적인 것을 알 수 있었으며, 이 메커니즘은 강화효과에도 동일하게 미치는 것을 알 수 있었다. |
