초록 ▼

* 고연신 비정질 기지 in-situ 복합재료 개발, (한국과학기술연구원 : 에릭플러리)
(위탁 : 고려대학교[이재철], 포항공과대학교[이병주])
본 연구에서는 Cu-Zr 이원계 합금 및 Cu-Zr-Ag 삼원계 합금에 열역학 전사모사 기법을 이용하여 Ag의 phase separation의 원인 및 소성변형의 근원을 본 연구를 통해 얻어진 결과를 중심으로 체계화 하였다. 비정질 합금이 나타내는 소성 변형량을 지배하는 인자 중에 하나를 변형도중 형성되는 나노결정상의 존재로 설명하였으며, 이는 결정화에 필요한 활성화 에너지를

* 고연신 비정질 기지 in-situ 복합재료 개발, (한국과학기술연구원 : 에릭플러리)
(위탁 : 고려대학교[이재철], 포항공과대학교[이병주])
본 연구에서는 Cu-Zr 이원계 합금 및 Cu-Zr-Ag 삼원계 합금에 열역학 전사모사 기법을 이용하여 Ag의 phase separation의 원인 및 소성변형의 근원을 본 연구를 통해 얻어진 결과를 중심으로 체계화 하였다. 비정질 합금이 나타내는 소성 변형량을 지배하는 인자 중에 하나를 변형도중 형성되는 나노결정상의 존재로 설명하였으며, 이는 결정화에 필요한 활성화 에너지를 측정함으로서 정량화 할 수 있다는 것을 밝혔다. 이를 통하여 소성변형을 제어하는 요소로서 비정질 내부의 inhomogenity를 제시하였고, 형성되는 전단띠의 생성 및 전파에 대한 원천적인 이론을 확립하였다. 또한, 이 이론을 바탕으로 내부 결정상의 존재를 제어할 수 있는 자유부피(free volume)와 소성변형율의 상관관계를 규정하여 이를 전산모사와 실험, 고분해 분석을 통해 소성변형뿐만 아니라 비정질형성능, 강도, 경도, 영률 등의 여러 가지 물리적성질들을 지배하는 근본적인 인자를 찾는 중요한 단서를 제공하는 역할을 하였다. 본 연구를 통하여 비정질 재료의 내부 구조에 관하여 일부 규명하여 향후 전개될 비정질/비정질기지 복합재료 개발에 새로운 비젼을 제시하였다. 또한 냉각속도의 제어에 따른 비정질 기지 in-situ 복합재를 개발하여 연신 또한 제어할 수 있게 됨에 따라 향후 금속 재료 분야에 새로운 파라다임의 형성에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 21C 신산업의 수요에 따른 다기능 복합화 금속 비정질 재료로 산업화 방안이 큰 이슈로 부각되고 있는 현시점에서 낮은 단가의 제조공정, 저가의 합금 원소를 이용한 새로운 비정질/나노복합재료의 개발을 위한 연구를 하였다.

Abstract ▼

Nearly 50 years ago, researchers at Caltech produced the first metallic glass with amorphous structure from an original technique now known as the melt spinning technique. The aperiodic arrangement of the atoms in the amorphous structure provides remarkable physical, chemical and mechanical properti

Nearly 50 years ago, researchers at Caltech produced the first metallic glass with amorphous structure from an original technique now known as the melt spinning technique. The aperiodic arrangement of the atoms in the amorphous structure provides remarkable physical, chemical and mechanical properties which makes this type of materials attractive for a wide range of applications. In contrast to non-metallic amorphous solids such as ceramic glasses, metallic alloys exhibit pronounced characteristics in their mechanical properties in the amorphous state; the stiffness is usually 30 % lower than that of crystalline state while the yield strength is about 2 to 3 times larger than that of crystalline alloys, providing to metallic glasses the possibility of deforming with large elastic strain. However, the first industrial applications for metallic glasses in the 70`s took advantage of the soft magnetic properties of the Fe - 6.0 wt.% P - 1.7 wt.% C amorphous ribbons, developed in 1967 also by the Caltech group, to enhance the efficiency of transformer, the resolution of magnetic head, etc. Following progresses for this class of materials enabled the production of metallic glass from vacuum casting technique in the bulk form by hindering the crystallization. Progressively, the number of alloys forming bulk metallic glass has been expanded and nowadays specimens with size of at least ${\phi}1$ cm diameter can be produced in most of the alloy systems from Mg, Ca, Zr, Pd, Ti, Cu, Fe, Co including RE (rear earth elements), with the exception of Al which can be produced in less than ${\phi}1$ mm diameter and remains a challenge to alloy designers.
Although no model can explain and predict the composition range of glass formation, the main issues for this class of material are the description of the atomic structure, the mechanical properties, particularly the lack of ductility, and the limited range of industrial applications. In comparison to crystalline alloys, the science of metallic glass is still in the infancy. While conventional analysis techniques provide useful informations for the determination of the periodic atomic structure, the same techniques are unadapted to the aperiodic structure of metallic glasses. While it was often believed that atoms in amorphous structure are randomly distributed (i.e., dense random packing model by J.L. Finney, Nature 266 (1977) 309), there are nowadays undeniable evidences of strong short-range order (SRO) and even medium-range order (MRO). Recent experiments suggested that short-range order controls metallic glass formation and stability, favoring decomposition via crystallization to phases with similar local order and obstructing the formation of phases with a different structural order. Short-range order influences the physical properties of the glass and may influence shear-band formation during mechanical deformation. Indeed, experimental as well as computational simulation tend to indicate that icosahedral short-range order appears to be much more common than initially thought, and significant distortions from idealized clusters are likely to be important.

목차 Contents

• 제 1 장 연구 개발 과제의 개요...26
• 제 1 절 연구의 필요성...26
• 제 2 절 연구 개발의 최종 목표 (2단계, 3년)...27
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황...30
• 제 1 절 국내외 연구 동향...30
• 제 2 절 국내의 연구 수준...32
• 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과...34
• 제 1 절 연구 배경...34
• 1. 서론...34
• 1-1. 금속 비정질...34
• 1-2. 비정질 형성...36
• 1-3. 비정질의 이론적 배경...39
• 1-3-1. 열역학적 관점...39
• 1-3-2. 동역학적 관점...42
• 1-4. 유리천이...43
• 1-5. 구조완화...44
• 1-5-1. 구조완화의 정의...44
• 1-5-2. 구조완화 시간과 냉각 속도간의 관계...49
• 1-5-3. 열처리 시간과 구조완화와의 관계...50
• 1-5-4. 구조완화에 대한 연구 동향...51
• 1-6. 기계적 특성...51
• 1-7. 자기적 특성...52
• 2. 비정질 형성능 평가...53
• 2-1. 반경험적 법칙...54
• 2-2. 이론적 기준...56
• 2-3. 결정변태 속도론...57
• 2-4. 비정질 형성능 결정 인자들...61
• 2-4-1. 유리화 온도 및 결정화 온도...61
• 2-4-2. 합금융점의 영향...62
• 2-4-3. 단범위 규칙도...63
• 제 2 절 실험 장치 및 실험 방법...64
• 1. 실험 장치...64
• 1-1. 아크 용해로...64
• 1-2. 리본 제조장치...65
• 1-3. 시차주사 열량계...67
• (1) DSC...67
• (2) DTA...67
• 1-4. X-선 회절...70
• 1-5. 투과 전자 현미경...70
• 1-6. 만능시험기...71
• 1-7. 주사 전자 현미경...72
• 2. 실험 방법...72
• 제 3 절 고연신 비정질 기지 in-situ 복합재료 개발...73
• 1. Fe-based 벌크 비정질 개발...73
• 1-1. 기계적 특성이 향상된 Fe-based 벌크 비정질...73
• 1-2. 기능성이 향상된 Fe-based 벌크 비정질...77
• 2. Ti-based 비정질 기지 in-situ 복합재료 개발...81
• 2-1. 연신과 강도가 동시에 향상된 in-situ 벌크 비정질 복합재료 개발...81
• 2-2. in-situ 벌크 비정질 복합재료의 형성기구 규명...91
• 제 4 절 고연신 Cu-based 벌크 비정질 합금 개발...96
• 1. Cu-based 벌크 비정질 개발...96
• 1-1. Cu-Zr 이원계 벌크 비정질...96
• 1-2. Cu-Zr-Ag 삼원계 벌크 비정질 개발...98
• 1-2-1. Activation energy와 연신율의 상관관계...98
• 1-2-2. Miscibility gaps와 비정질 형성능 및 연신율의 상관관계...105
• 1-2-3. free volume 과 연신율의 상관관계...107
• 1-3. Cu-Zr-Al-Be 벌크 비정질 개발...110
• 2. Cu-Zr 이원계 벌크 비정질 합금의 변형기구 규명...111
• 2-1. 서론...111
• 2-2. 실험 방법...113
• 2-2-1 Cu-Zr 합금의 충진률 측정...113
• 2-2-2. 시편제조 및 압축시험...113
• 2-2-3. 결정화 유효 활성화 에너지 계산...114
• 2-3. 실험 결과...114
• 2-3-1. 조성에 따른 충진률...114
• 2-3-2. 충진률과 소성의 관계...115
• 2-4. 결과 고찰...118
• 2-4-1. 응력상태가 구조변화에 미치는 영향...119
• 2-4-2. 구조적 변화 현상의 실험적 관찰 : 자유부피 생성 및 나노결정화...121
• 2-4-3 소성의 근원적 해석...124
• 2-4-4. 기존 이론의 재해석...125
• 2-5. 결론...127
• 3. Cu-Zr 벌크 비정질 합금의 기계적 특성에 대한 전산모사...127
• 3-1. 연구배경...127
• 3-2. 연구목표...128
• 3-3. 연구 개발 수행 내용 및 결과...128
• 3-3-1. 비정질-나노 결정립 복합재에서의 변형 거동 예측...129
• 3-3-2. Cu-Zr계 벌크 비정질 합금에서의 소성 변형능 변화의 원인 규명...132
• 3-3-3. Ag 첨가에 의한 Cu-Zr계 비정질 합금의 소성변형기구 규명...136
• 3-4. 결론 및 추후 연구 방향...141
• 제 5 절 벌크 비정질 재료의 응용...142
• 1. 비정질 재료의 고온 특성 및 성형성 평가...142
• 2. Porous metallic glasses 개발...146
• 제 6 절 참고 문헌...150
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도...154
• 제 5 장 연구 개발 결과의 활용 계획...156
• 제 1 절 기대 성과...156
• 1. 기술적 측면...156
• 2. 경제적 측면...156
• 제 2 절 시장 경쟁력...157
• 1. 산업 및 시장 성장 전망...157
• 2. 산업 및 시장에서의 경쟁력 확보 방안...158
• 3. 개발 기술의 제품화 전략...158
• 제 3 절 향후 계획...159
• 1. 연구 개발 결과의 활용계획...159
• 2. 향후 연구 개발 계획...159
• 제 6 장 연구 개발 과정에서 수집한 해외 과학 기술 정보...160
• 제 1 절 기술 동향...160
• 1. 과거와 현재의 기술수준...160
• 2. 해외의 기술 동향...160
• 3. 국내의 기술 동향...160
• 4. 사업단 기술 수준...161