자기치유재료란 장기간 사용에 의한 기계적 충격에 의해 발생된 손상을 치료할 수 있는 능력을 발휘하도록 구조적, 화학적으로 개질시킨 스마트 재료의 하나이다. 사용에 손상이 일어난 부위를 본질적으로 치유할 수 있는 재료(고분자, 세라믹, 금속 등)를 사용함으로써 부품의 수명을 길게 할 수 있고, 장기간 사용에 의한 분해로 야기되는 효율의 감소를 막을 수 있으며, 재료의 파괴에 의한 비용지출을 막을 수 있어 여러 산업 공정의 생산단가를 낮출 수 있다. 최근 차량용 자기치유 페인트가 가능하다는 니싼의 발표 이후 재료의 자기치유능력에 대한 관심이 고조되고 있다. 본 총설에서는 앞서 발표한 자기치유 유기재료에 이어 금속, 세라믹, 콘크리트 등 무기 재료의 자기치유방법에 대해서 알아보고, 향후의 방향을 제시하고자 한다.
자기치유재료란 장기간 사용에 의한 기계적 충격에 의해 발생된 손상을 치료할 수 있는 능력을 발휘하도록 구조적, 화학적으로 개질시킨 스마트 재료의 하나이다. 사용에 손상이 일어난 부위를 본질적으로 치유할 수 있는 재료(고분자, 세라믹, 금속 등)를 사용함으로써 부품의 수명을 길게 할 수 있고, 장기간 사용에 의한 분해로 야기되는 효율의 감소를 막을 수 있으며, 재료의 파괴에 의한 비용지출을 막을 수 있어 여러 산업 공정의 생산단가를 낮출 수 있다. 최근 차량용 자기치유 페인트가 가능하다는 니싼의 발표 이후 재료의 자기치유능력에 대한 관심이 고조되고 있다. 본 총설에서는 앞서 발표한 자기치유 유기재료에 이어 금속, 세라믹, 콘크리트 등 무기 재료의 자기치유방법에 대해서 알아보고, 향후의 방향을 제시하고자 한다.
Self-healing materials are a class of smart materials that have the structurally incorporated ability to repair damage caused by mechanical usage over time. A material (polymers, ceramics, metals, etc.) that can intrinsically correct damage caused by normal usage could lower production costs of a nu...
Self-healing materials are a class of smart materials that have the structurally incorporated ability to repair damage caused by mechanical usage over time. A material (polymers, ceramics, metals, etc.) that can intrinsically correct damage caused by normal usage could lower production costs of a number of different industrial processes through longer part lifetime, reduction of inefficiency over time caused by degradation, as well as prevent costs incurred by material failure. The recent announcement from Nissan on the commercial release of scratch healing paints for use on car bodies has gained public interest on such a wonderful property of materials. This article is a second part of healing materials dealing with inorganic engineering materials such as metals, ceramics, and concrete. The healing mechanisms developed for the inorganic materials are to be discussed with the future prospect.
Self-healing materials are a class of smart materials that have the structurally incorporated ability to repair damage caused by mechanical usage over time. A material (polymers, ceramics, metals, etc.) that can intrinsically correct damage caused by normal usage could lower production costs of a number of different industrial processes through longer part lifetime, reduction of inefficiency over time caused by degradation, as well as prevent costs incurred by material failure. The recent announcement from Nissan on the commercial release of scratch healing paints for use on car bodies has gained public interest on such a wonderful property of materials. This article is a second part of healing materials dealing with inorganic engineering materials such as metals, ceramics, and concrete. The healing mechanisms developed for the inorganic materials are to be discussed with the future prospect.
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문제 정의
따라서, 구조 세라믹에서 표면 균열의 치유는 세라믹 성분의 품질을 담보하기 위한 중요한 이슈의 하나이다. 본 총설에서는 구조 세라믹에서 흔히 발생하는 표면 균열의 자기치유 메커니즘과 효과를 소개한다. 이 외에도 구조 세라믹에서 파열이 일어나는 메커니즘도 살펴봄으로써 세라믹의 자기치유 현상에 대한 이해를 돕고자 한다.
따라서, 구조 세라믹에서 표면 균열의 치유는 세라믹 성분의 품질을 담보하기 위한 중요한 이슈의 하나이다. 본 총설에서는 구조 세라믹에서 흔히 발생하는 표면 균열의 자기치유 메커니즘과 효과를 소개한다. 이 외에도 구조 세라믹에서 파열이 일어나는 메커니즘도 살펴봄으로써 세라믹의 자기치유 현상에 대한 이해를 돕고자 한다.
콘크리트의 자기치유와 관련하여 행해진 초기 연구는 수화물이 시간을 두고 균열을 치유하는 자연적 능력과 기지 재료에 함침된 접착제를 이용, 인공적으로 균열을 치유하는 방법에 기초하였다. 본 총설에서는 이와 같은 자연적 치유와 인공적 치유와 관련된 치유 방법과 각각이 갖는 장단점에 대하여 알아본다.
콘크리트의 자기치유와 관련하여 행해진 초기 연구는 수화물이 시간을 두고 균열을 치유하는 자연적 능력과 기지 재료에 함침된 접착제를 이용, 인공적으로 균열을 치유하는 방법에 기초하였다. 본 총설에서는 이와 같은 자연적 치유와 인공적 치유와 관련된 치유 방법과 각각이 갖는 장단점에 대하여 알아본다.
본 총설에서는 구조 세라믹에서 흔히 발생하는 표면 균열의 자기치유 메커니즘과 효과를 소개한다. 이 외에도 구조 세라믹에서 파열이 일어나는 메커니즘도 살펴봄으로써 세라믹의 자기치유 현상에 대한 이해를 돕고자 한다.
본 총설에서는 구조 세라믹에서 흔히 발생하는 표면 균열의 자기치유 메커니즘과 효과를 소개한다. 이 외에도 구조 세라믹에서 파열이 일어나는 메커니즘도 살펴봄으로써 세라믹의 자기치유 현상에 대한 이해를 돕고자 한다.
가설 설정
ESEM photographs showing self-healing activity in bacteria-based concrete specimens. Larger (50〜500 gm-sized) calcium carbonate-based precipitates ((a) plate-like and (b) robustspherical) produced by concrete incorporated bacteria on the surface of cracks. Scale bars, (a) 100 pm and (b) 50 pm[54,55].
ESEM photographs showing self-healing activity in bacteria-based concrete specimens. Larger (50〜500 gm-sized) calcium carbonate-based precipitates ((a) plate-like and (b) robustspherical) produced by concrete incorporated bacteria on the surface of cracks. Scale bars, (a) 100 pm and (b) 50 pm[54,55].
예를 들어, 1톤의 포틀랜드 시멘트를 생산하는 과정에서 동량의 이산화탄소가 발생하는 것은 잘 알려진 사실이다. 에너지 소비량, 폐수 배출량도 막대할 것이다. 강철 1톤을 생산하는 경우에는 이보다도 훨씬 심할 것이라고 쉽게 예상할 수 있다.
예를 들어, 1톤의 포틀랜드 시멘트를 생산하는 과정에서 동량의 이산화탄소가 발생하는 것은 잘 알려진 사실이다. 에너지 소비량, 폐수 배출량도 막대할 것이다. 강철 1톤을 생산하는 경우에는 이보다도 훨씬 심할 것이라고 쉽게 예상할 수 있다.
제안 방법
수분대 시멘트 비를 낮게 하면 입자 패킹을 향상시킬 수 있으며, 특수 첨가제를 사용 100-200 MPa에 이르는 높은 강도의 시멘트도 만들 수 있다. 시멘트 기초 복합체도 설계할 수 있으며, 압축강도가 800 MPa에 이르는 것도 설계할 수 있다. 그러나, 구부림과 인장력이 가해지면 시멘트는 쉽게 손상되기 때문에 보강이 필요하다.
성능/효과
치료된 부분은 기지 재료보다 기계적 강도가 우수하나, 이를 위해서는 다음과 같은 요구조건을 갖추어야 한다. (1) 기지 재료와 비교, 기계적으로 강한 산물이 균열치유 반응에 의해 형성되어야 하고, (2) 균열 벽 사이의 용적은 균열치유 반응에 의해 형성된 산물로 완전히 채워져야 하며, (3) 산물과 균열사이의 결합이 충분히 강해야 한다.
치료된 부분은 기지 재료보다 기계적 강도가 우수하나, 이를 위해서는 다음과 같은 요구조건을 갖추어야 한다. (1) 기지 재료와 비교, 기계적으로 강한 산물이 균열치유 반응에 의해 형성되어야 하고, (2) 균열 벽 사이의 용적은 균열치유 반응에 의해 형성된 산물로 완전히 채워져야 하며, (3) 산물과 균열사이의 결합이 충분히 강해야 한다.
산화에 의한 균열 봉합은 Lange에 의해 처음으로 보고되었으며, 균열된 다결정성 카바이드(SiC)를 1,673 K, 공기 중에서 열처리함으로써 강도 회복을 조사하였다[22]. 110시간 열처리한 시료의 평균 굽힘 강도가 처리하지 않은 시료보다 10% 증가하였다. 다결정성 질화규소(Si3N4)에서도 비슷한 현상이 일어난다[23].
미성숙 알루미늄합금에서 나노 규모 결함의 자기치유는 변형 후 보조 노화과정을 거치거나 고온에서 변형을 일으키면 일어나게 된다. Al-Cu-Mg-Ag 합금에 대한 크리프 시험에서 동적 석출, 즉 부하가 가해진 상태에서 전위 이동에 의해 결함 점에서 석출물의 핵화가 전개됨으로써 자기 치유가 진행되는 것으로 나타났다(Figure 2).
미성숙 알루미늄합금에서 나노 규모 결함의 자기치유는 변형 후 보조 노화과정을 거치거나 고온에서 변형을 일으키면 일어나게 된다. Al-Cu-Mg-Ag 합금에 대한 크리프 시험에서 동적 석출, 즉 부하가 가해진 상태에서 전위 이동에 의해 결함 점에서 석출물의 핵화가 전개됨으로써 자기 치유가 진행되는 것으로 나타났다(Figure 2).
이와 같은 자기치유 재료에 대한 영감은 자연이 손상을 입은후 자기치유되는 현상에서 유래되었다. 크랙과 다른 종류의 손상이 미세한 수준으로 발생하면 열적, 전기적, 음양학적 성질이 변하고, 결과적으로 재료 전체의 파단에까지 이르게 할 수 있다. 크랙을 사람의 손으로 치유할 수도 있지만 크랙을 발견하는 것이 쉽지 않다.
이와 같은 자기치유 재료에 대한 영감은 자연이 손상을 입은후 자기치유되는 현상에서 유래되었다. 크랙과 다른 종류의 손상이 미세한 수준으로 발생하면 열적, 전기적, 음양학적 성질이 변하고, 결과적으로 재료 전체의 파단에까지 이르게 할 수 있다. 크랙을 사람의 손으로 치유할 수도 있지만 크랙을 발견하는 것이 쉽지 않다.
후속연구
크리프 공동 및 크리프, 피로 파단을 발생시키는 피로 공동/균열(cavity/crack)은 너무 미세하여 비파괴시험으로 측정이 불가하며, 사용되는 장소에서 치료하기도 어렵다. 따라서, 크리프 공동 및 피로 공동/균열이 해당 재료가 사용하는 동안 자동으로 치유된다면 매우 유용할 것이다.
크리프 공동 및 크리프, 피로 파단을 발생시키는 피로 공동/균열(cavity/crack)은 너무 미세하여 비파괴시험으로 측정이 불가하며, 사용되는 장소에서 치료하기도 어렵다. 따라서, 크리프 공동 및 피로 공동/균열이 해당 재료가 사용하는 동안 자동으로 치유된다면 매우 유용할 것이다.
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