극한 환경용 경사기능 재료 개발 Development of Functionally Graded Materials under Severe Environments
보고서 정보
주관연구기관
한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials
발행국가
대한민국
언어
한국어
발행년월
2000-10
주관부처
과학기술부 Ministry of Science and Technology
등록번호
TRKO200200052624
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
I.제목 극한 환경용 경사 기능 재료 개발 Ⅱ.연구 개발의 목적 및 필요성 항공,우주,핵융합 등의 가혹한 조건에서 사용되는 금속 재료에 열차폐성 을 부여하기 위해 세라믹스 코팅 또는 세라믹스 접합 등의 방법이 적용되어 왔으나 두 소재 간의 열팽창 계수의 차이로 인한 열응력 때문에 계면 파괴 또 는 코팅층의 박리 등이 야기되고 이는 실용화에 심각한 걸림돌이 되고 있다. 이러한 열응력 문제를 완화시키기 위해 표면의 세라믹 재료로부터 내부의 금 속 재료에 이르기까지 조성이 연속적으로 변화하는 새로운 개념의 경사 기능 복합 재료가 최근
I.제목 극한 환경용 경사 기능 재료 개발 Ⅱ.연구 개발의 목적 및 필요성 항공,우주,핵융합 등의 가혹한 조건에서 사용되는 금속 재료에 열차폐성 을 부여하기 위해 세라믹스 코팅 또는 세라믹스 접합 등의 방법이 적용되어 왔으나 두 소재 간의 열팽창 계수의 차이로 인한 열응력 때문에 계면 파괴 또 는 코팅층의 박리 등이 야기되고 이는 실용화에 심각한 걸림돌이 되고 있다. 이러한 열응력 문제를 완화시키기 위해 표면의 세라믹 재료로부터 내부의 금 속 재료에 이르기까지 조성이 연속적으로 변화하는 새로운 개념의 경사 기능 복합 재료가 최근 선진국에서 활발이 연구되고 있다. 경사 기능 재료는 우주 왕복선용 내열 재료로 사용하기 위해 연구 개발이 시작되었으나 현재는 구조용 재료뿐 아니라 연료 전지,생체 재료,열전 반도 체,태양 전지,압전 소자와 같은 다양한 분야에 응용하기 위한 응용 연구도 활발히 수행되고 있다. 특히 기능성 재료의 경우 화학 성분 또는 미세 조직 의 경사화에 의해 기존의 단일 재료 또는 단순 복합 재료에서는 얻을 수 없는 전혀 새로운 특성을 창출할 가능성이 크다. 따라서 경사 기능 재료가 각종 산업에 미칠 파급효과는 매우 클 것으로 예상된다. 경사 기능 재료 연구는 선진국에서도1980년대 후반부터 시작되었으며 아직 실용화 단계에는 도달하 지 못하고 있으므로 국내에서도 선진국과 기술 격차가 심화되기 전에 관련 기 초 기술을 확립하고 이를 바탕으로 독자적인 기술 개발을 위한 연구를 서둘러 야 할 시점에 있다. Ⅲ.연구 개발의 내용 및 범위 경사 기능 재료 개발을 위한 기초 기술을 확립하기 위해1차 연도에는 분말 야금법을 이용하여 ZrO2/Ni(Cr)계 경사 기능 재료 개발,2차 연도에는 MoSi2Mo계 경사 기능 재료 개발과 특성 평가 기술 개발 연구를 수행하였다. 연구 효율을 높이고 선진 기술을 단시일에 도입하기 위해 경사 기능 재료 연 구에 대해 풍부한 경험과 다양한 제조 공정 기술을 확보하고 있는 하얼빈 대 학과 공동으로 연구를 수행하였다. 3차 연도에는 슬러리dipping법이라는 독 자적인 기술 개발을 위한 기초 연구를 수행하였으며 이를 탄소/탄소 복합 재 료의 내산화 코팅층 형성에 적용코자 하였다. Ⅳ.연구 개발 결과 본 연구를 통해 분말 야금법에 의한 경사 기능 재료 제조 공정 기술과 특성 평가 기술을 확립하였다. 또한 경사 기능 코팅층을 쉽게 형성시킬 수 있는 슬러리 dipping기술을 독자적으로 개발하였으며 이를 탄소/탄소 복합 재료의 내산화 코팅층 형성에 적용하였다. Ⅴ.연구 개발 결과의 활용 계획 본 연구에서 분말 야금법을 이용한 구조용 내열 재료의 경사화 기술과 특성 평가 기술을 확립하였다. 그러나 구조용 내열 재료의 경우 응용 분 야의 특성상 실용화 시기는 요원하므로 절삭 공구용 소재나 기능성 소재의 경사화에 응용하면 조기에 실용화가 가능한 소재를 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서는 슬러리 dipping법의 기초 기술이 개발된 상태이므로 응용 기술까지 개발하면 탄소/탄소 복합 재료에 실제로 활용이 가능할 것으로 생각된다. 차기 국제 공동 연구에서는 다양한 조성,최적 코팅층 두께 선정,첨가물 효과 등의 슬러리dipping법의 응용 기술 개발 연구를 수행할 계획이며 이 후 기업체와 대형화 및 양산화 기술 개발을 위한 공동 연구를 수행할 계획 이다. 또한 기능성 재료와 생체 재료의 경사화 연구도 수행할 예정이며 본 연구에서 수행된 기초 기술을 활용할 계획이다.
Ⅰ.Title DevelopmentofFunctionallyGradedMaterialsunderSevereEnvironments Ⅱ.Objectives Coatingandjoiningtechnologieshavebeenappliedinordertoimpart heat-resistancetometalsusedunderthesevereenvironmentssuchas aircrafts,spaceshuttlesandnuclearfusion. Theinterfacebrakedown orspallationofcoatingmaterialsbyresidualthermalstressdueto mismatchincoefficientofthermalexpansionwouldbeseveredrawbacks forapplications. Functionallygradedmaterialswithanewconceptof gradualchangesincompositionfromtheceramicsinthesurfacetothe metals in the bottom have been widely investigated in advanced countriesinordertorelaxthislikethermalstress. Functionallygradedmaterialswereoriginatedinordertodevelop heat-resistantmaterialsforre-entryverhicle. Atpresent,active applicationresearchesarebeingcarriedoutnotonlyforstructural materials but for functional materials such as fuel cells, bio-materials, thermo-electric semiconductor, solar cells and piezo-electriccomponent. Especially,inthe caseof electronic materials, functionally graded structure can produce totally new propertieswhichcannotberealizedinsinglematerialsorsimple compositematerials. Therefore,functionallygradedmaterialswill affectlotsofindustries. Sincetheresearchoffunctionallygraded materialsstartedattheendof1980andstillintheresearchstepin advancedcountries,wehavetoestablishbasictechnologiesanddevelop ourowntechnologiesforfunctionallygradedmaterials. Ⅲ.Scope In order to establish basic technologies for development of functionallygradedmaterials,wedevelopedZrO2/Ni(Cr) andMoSi2/MoFGM bypowdermetallurgyprocessduring1stand2ndyear,respectively. The evaluating technologies of mechanical and thermo-mechanical propertiesforfunctionallygradedmaterialsweredevelopedatthesame time. Inordertoimproveresearchefficiencyandimportadvanced technologies,thisresearcheprogramwas carried outwithHarbin instituteoftechnologywhichkeepslotsofexperienceandseveral processesforfabricatingfunctionallygradedmaterials. During3rd year, thebasic researcheswerecarried out todevelop our own technologycalledslurrydippingprocessandtheywereappliedto fabricate anti-oxidation coating for a carbon/carbon composite material. Ⅳ.Results We established fabrication and evaluation technologies for functionallygradedmaterialsbypowdermetallurgyprocessinthis researchproject. Wedevelopedourowntechnologysocalledslurry dippingprocesswhichcanproducefunctionallygradedcoatingseasily andappliedthistechnologytofabricateanti-oxidationcoatingfor carbon/carboncomposites. Ⅴ.ApplicationoftheResults Fabricationandevaluationtechnologiesoffunctionallygraded materialsbypowdermetallurgyprocessforheat-resistantstructural materials wereestablished. Sinceitusuallytakeslongtimefor practicaluseofheat-resistantstructuralmaterials,cuttingtools andfunctionalmaterialswithafunctionallygradedstructurecanbe realizedinshorttime. Thebasictechnologiesforslurrydipping process were developedinthisresearch. Theslurrydippingprocess canbepracticallyusedincarbon/carboncompositeswhenapplication technologieswillbedeveloped. In the next international cooperative research program between KIMM-HIT,wearegoingtodevelopapplicationtechnologiesforslurry dippingprocesssuchascompositionalvariation,optimumthicknessfor coatinglayer,additiveelementeffect. Afterthenwearegoingto carryoutcooperativereaearchwithindustriesinordertodevelop technologiesforlarge-scalesamplesandmass-production. Wewill carry out researches of functional and bio-materials with a functionallygradedstructurebyapplyingbasictechnologiesdeveloped inthisresearchproject.
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