초록 ▼

1. 결정상 강화 in- situ 벌크 비정질 복합재료 개발, (한국과학기술연구원 : 에릭플러리)
본 연구에서는 열역학 전산모사기법을 이용하여 결정화거동 및 비정질성능을 예측하여 새로운 비정질합금을 설계하는데 성공하였다. 설계된 Cu계 비정질합금은 직경 l0mm, 과냉각 액상영역이 115K에 이르는 세계적으로 가장 우수한 비정질 합금으로서 본 연구를 통해 과냉각 액상영역에서의 성형특성을 평가하였으며 여러가지 성형특성을 제작하여 그 가능성을 제시하였다. 또한, 강도 및 연성이 동시에 향상되는 Cu 및 Ti계 벌크비정질기지 복합재

1. 결정상 강화 in- situ 벌크 비정질 복합재료 개발, (한국과학기술연구원 : 에릭플러리)
본 연구에서는 열역학 전산모사기법을 이용하여 결정화거동 및 비정질성능을 예측하여 새로운 비정질합금을 설계하는데 성공하였다. 설계된 Cu계 비정질합금은 직경 l0mm, 과냉각 액상영역이 115K에 이르는 세계적으로 가장 우수한 비정질 합금으로서 본 연구를 통해 과냉각 액상영역에서의 성형특성을 평가하였으며 여러가지 성형특성을 제작하여 그 가능성을 제시하였다. 또한, 강도 및 연성이 동시에 향상되는 Cu 및 Ti계 벌크비정질기지 복합재료를 설계 제조하여 해외 우수논문 및 특허를 출원하였다. 본 연구를 통해 제조된 비정질기지 복합재료의 강도 및 연성 향상기구를 고분해능 분석 및 전산모사기법을 사용하여 규명하였다.
2. 결정화 제어법을 이용한 준안정상 나노 복합재료 개발 (한국생산기술연구원 : 신승용) 본 연구에서는 Suction casting를 통하여 합금조성과 냉각속도 변화시켜 신율 3% 강도 2GPa 이상을 나타내는 새로운 Cu계 비정질합금을 개발하였다. ($CU_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$(G F A = 6φ) $CU_{50}Ni_7Zr_{19}Hf_1Ti_{21}Nb_2$(GFA = 8φ). 한편, 열처리를 통한 결정상 강화 in-situ 복합재료의 경우는 큰 강화효과를 얻지 못하였지만 합금의 과냉액상영역 부근에서 거동의 결과를 통해 성형에 필요한 소재원천기술을 확보하였으며, 제품화 가공기술 개발의 가능성을 제시하였다.
3. 분말야금법을 이용한 Cu-base 나노결정재료 개발 (포향공과대학교 : 이성학)
본 연구에서는 분말야금법으로 SPS 방법을 이용한 벌크 비정질 합금 제조의 공정 과정, 성형조건 등을 제시하였으며, 성공적으로 주조합금에 준하는 기계적 성질을 가지면서, 큰 크기의 비정질 합금 및 복합재료를 제조할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 또한 고에너지 전자빔 투사에 의해 비정질 합금 표면복합재료를 성공적으로 제조함으로써 전자빔 투사 중에 일어나는 비정질 표면복합층의 형성과정을 이해하고， 비정질 합금의 단점을 보완하면서 비정질 합금의 장정을 궁극적으로 살릴 수 있는 표면복합화에 대한 아이디어를 제시하였다. 이러한 비정질 표면복합재료의 제조는 비정질의 낮은 열전도도를 이용한 열차단 코팅 등 우수한 기계적 성질을 요구하는 구조용 재료에 적용할 수 있는 새로운 가능성을 보여준다.

Abstract ▼

Recently, as in pursuing of scale-down, lightening and multifunctioning of machine Parts, it has been requiring a multi functional structural metallic materials improving mechanical properties and functionibility two or more times over the existing structural materials. Bulk type amorphous metallic

Recently, as in pursuing of scale-down, lightening and multifunctioning of machine Parts, it has been requiring a multi functional structural metallic materials improving mechanical properties and functionibility two or more times over the existing structural materials. Bulk type amorphous metallic materials are the innovative materials to satisfy such requirements of times, so that they have been world widely studying actively. Bulk type amorphous materials in which their atomic structures becomes to be amorphous are regarded as the next-generation structural metallic materials exceeding limits of physical properties of the existing metallic materials and are estimated as strategic metallic materials the new industry of the future requires after they had been initially reported by Caltech of USA in 1993.
However, although bulk type amorphous materials (or bulk type nano composite materials) developed by present have strength and elastic limit higher than 2-4 times in comparing with the existing metallic materials, it is difficult for them to be applied to structural materials because of their abrupt fracture behaviors. Such brittleness is caused by a formation of shear bands so that it must be resolved to put them to practical use.
We suggest three different methods to solve the above-mentioned problems as the following:
- Development of in-situ bulk metallic glass composites reinforced with crystalline particles
- Development of metastable nanocomposite fabricated from the metallic glass phases
- Development of Cu-base nanocrystalline materials by powder consolidation method
The goals of this project IS to develope bulk amorphous matrix composite materials, which considerably increase the elongation rate while minimizing the reduction of strength of the bulk amorphous materials, so as to control abrupt fracture behaviors of the amorphous materials.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...4
• 요약문...5
• SUMMARY...9
• CONTENTS...10
• 목차...13
• I. 결정상 강화 in-situ 벌크 비정질 복합재료 개발 ...20
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...20
• 제1절 연구의 필요성 ...20
• 제2절 연구개발의 최종목표 (1단계, 3년) ...21
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...23
• 제1절 국내외 연구동향 ...23
• 제2절 현 기술상태의 취약성 ...24
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...26
• 제1절 결정상 강화 in-situ 벌크 비정질 복합재료 개발 ...26
• Chapter I. Introduction ...26
• I.1. Metallic glasses ...26
• I.2. Glass formation ...27
• I.3. Formation and thermal stability of metallic glasses with large glass forming ability ...28
• I.3.1. Kinetics of formation ...30
• I.3.2. Thermodynamics of supercooled glass former liquids ...34
• I.4. Atomic short-range ordering ...37
• I.5. Alloy design ...40
• I.6. Properties ...45
• I.7. Mechanical properties ...46
• I.7.1. Low temperature mechanical properties (T〈Tg)...46
• I.7.1.a) Relation Young...46
• I.7.1.b) Relation shear stress - shear modulus and yielding ...46
• I.7.1.c) Plastic deformation at low temperature ...48
• I.7.1.d) Enhancement of the plastic deformation ...49
• I.7.2. Mechanical behavior in the supercooled liquid region (Tg〈T〈Tx)...52
• Chapter II. Experimental equipments and procedures ...52
• II.1. Arc melting with suction casting ...52
• II.2. Melt-spinning technique ...53
• II.3. X-Ray Diffraction (XRD) ...55
• II.4. Differential Scanning Calorimetry (DSC) ...55
• II.5. Differential Thermal Analysis (DTA) ...57
• II-6. Scanning Electron Microscope (SEM) ...57
• II-7. Transmission Electron Microscope (TEM) ...59
• II-8. Universal Testing Machine ...59
• Chapter III. Alloy design ...61
• III.1. Binary Cu-Zr alloy system ...61
• III.1.1. Introduction ...61
• III.1.2. Cu-Zr phase diagram ...62
• III.1.3. Amorphous phase formation and thermal properties of cast Cu-Zr alloys ...63
• III.1.4. Thermodynamics approach ...65
• III.1.5. Mechanical properties ...75
• III.1.6. Dependence of the plastic deformation with the alloy composition ...79
• III.2. Ternary Cu-Zr-AI alloys ...82
• III.2.1. Introduction ...82
• III.2.2. Thermal properties and GFA ...82
• III.2.3. Thermodynamics approach to predict the amorphous phase formation ...87
• III.3. Quaternary Cu-Zr-AI-M alloys (M＝Ag, Be, Sn) ...91
• III.3.1. Introduction ...91
• III.3.2. Thermal properties and GFA ...93
• III.3.3. Microstructural investigation of the $CU_{43}Zr_{43}Al_2Ag_7$ alloy...99
• III.3.4. Mechanical properties ...103
• III.3.4.a) Room temperature compression tests ...103
• III.3.4.b) Viscosity properties ...107
• III.3.4.c) Forming of bulk metallic glass ...108
• III.4. Summary ...112
• Chapter IV. Development of particles-reinforced bulk metallic matrix composites...113
• IV.1. Introduction ...113
• IV.2. Formation of the in-situ composites ...114
• IV.2.1. Experimental procedure ...114
• IV.2.2. Cu-Zr-Ti+Ta...115
• IV.2.3. Ti-Ni-Cu-B-Zr-Sn+W...117
• IV.2.4. Spinodal decomposition...117
• IV.3. Microstructure and thermal analyses...120
• IV.4. Mechanical properties...123
• IV.4.1. Cu-Zr-Ti-Ta...123
• IV.4.2. Ti-Ni-Cu-B-Zr-Sn+W...124
• IV.4.3. Deformation mechanism in the in-situ composites...127
• IV.4.4. Modeling of the strength...128
• IV.5. Summary...131
• Chapter V. References...132
• 제2절 비정질의 강화기구 연구 : 위탁기관 (고려대학교)...137
• 1. 서론...137
• 2. 실험 방법...138
• 가. 시편 준비...138
• 나. 미세조직 관찰...139
• 다. 유한요소해석...139
• 3. 실험 결과...140
• 4. 결과 고찰...144
• 가. 변형유기 결정화의 에너지적 고찰...144
• 나. 전단띠의 생성에 미치는 나노결정의 영향...147
• 다. 활성화에너지와 소성과의 관계...148
• 5. 결론...150
• 6. 참고 문헌...150
• 제3절 전산모사기법을 이용한 비정질/나노 복합재료의 합금설계 및 특성 평가 : 위탁기관 (포항공대)...152
• 1. 연구 배경...152
• 2. 연구 목표...152
• 3. 연구개발 수행 내용 및 결과...153
• 가. 비정질로부터 결정화가 일어나는 상의 종류를 예측하기 위한 열역학/속도론적 접근...153
• 나. 비정질→결정화에 의한 복합소재에서의 핵생성·성장거동, 입계 원자구조, 소성변형거동 및 기계적 특성을 분석하기 위한 원자단위 전산모사(분자동력학) 연구...154
• (1) 응력유기 결정화...154
• (2) 비정질/나노 결정립 복합재료...155
• (3) 나노 결정립이 복합재료의 변형기구 및 기계적 특성에 미치는 영향...156
• (4) Rule of Mixture의 확인...158
• 4. 참고 문헌...159
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...171
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...172
• 제1절 기대성과...172
• 1. 기술적 측면...172
• 2. 경제.산업적 측면...172
• 3. 활용방안...172
• II. 결정화 제어법을 이용한 준안전상 나노 복합재료 개발...173
• 제1장 연구개발과제의 개요...173
• 제1절 연구개발의 목적, 필요성...173
• 1. 연구개발의 목적, 필요성...173
• 가. 기술적 측면...173
• 나. 경제·산업적 측면...174
• 다. 사회·문화적 측면...174
• 제2절 연구 목표 및 범위...175
• 제2장 국내외 기술개발 현황...176
• 제1절 국내·외 관련분야 연구개발 현황...176
• 제2절 현 기술상태의 취약성 ...179
• 제3절 본 연구결과가 국내·외 기술개발현황에서 차지하는 위치...179
• 1. 새로운 Cu기지 벌크 비정질 합금조성의 발견...179
• 2. 소재의 원천 특허 확보 및 제품화 기술 개발 기반확립...179
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...180
• 제1절 문헌 연구...180
• 1. Cu base 비정질 합금과 Zr base 비정질 합금 비교...180
• 2. Cu base 비정질 특허 조사 결과...182
• 제2절 비정질 합금의 탐색 및 제조...183
• 1. 합금 탐색 방법...183
• 2. 합금 탐색 범위...183
• 3. Cu base 비정질 합금 개발(1차년도, $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$)...183
• 가. 특허출원 및 등록 내용...183
• 나. Cu base 비정질 합금의 특징...184
• (1) Ni 첨가에 따른 $Cu_{60-x}Ni_xZr_{22}Ti_{18}$의 기계적 성질...184
• (2) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$ 비정질 합금의 과냉 액체 구간...184
• (3) 개발된 Cu-Ni-Zr-Ti 계 비정질 합금의 과냉 액체 구간...184
• (4) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$의 고온 기계적 거동(△Tx구간)...185
• (5) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$의 결정화에 의한 고온 기계적 거동(△Tx구간에서 유지)...185
• (6) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$의 고온 파괴 거동...186
• (7) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$의 고온결정화에 의한 변형 거동...186
• (8) $Cu_{54}Ni_6Zr_{22}Ti_{18}$의 결정화 거동...187
• 4. Cu base 비정질 합금의 개발(3차년도, $CU_{50}Ni_7Zr_{19}Hf_1Ti_{21}Nb_2$)...199
• 가. Cu base 비정질 합금 설계...199
• 나. Cu base 비정질 합금의 특징...199
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...204
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...206
• 제6장 참고문헌...207
• III. 분말야금법을 이용한 Cu-base 나노결정재료 개발...208
• 제1장 연구개발과제의 개요...208
• 제2장 국내외 기술개발 현황...210
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...212
• 제1절 SPS(Spark Plasma Sintering)를 이용한 벌크 비정질 합금 개발...212
• 1. Cu-based 비정질 합금 제조...212
• 가. Cu-based 비정질 합금 설계...212
• 나. Cu-based 비정질 분말 제조...212
• 2. SPS를 이용한 벌크 비정질 합금 제조...214
• 가. SPS를 이용한 고온압축성형...214
• 나. 80 MPa의 압력으로 성형된 비정질 합금...216
• 다. 300 MPa의 압력으로 성형된 비정질 합금...219
• 라. Pure Cu/비정질 복합 재료...223
• 제2절 고에너지 전자빔을 이용한 비정질 표면복합재료 제조...225
• 1. 고에너지 전자빔 투사에 의한 제조공정...225
• 2. Zr/Cu 비정질 표면합금층의 파괴 인성 및 내마모 특성...226
• 제3절 준안정상의 상 선택기구의 고찰을 통한 Tailoredmicrostructure map 구축 (위탁기관-고려대학교)...230
• 1. DET 장치 설계 및 공정 조건 확립...230
• 가. DET장치 구성...230
• (1) Furnace...230
• (2) Motor부...230
• (3) Blade...230
• (4) Crucible...230
• (5) 분위기 조절 장치...230
• 나. DET장치 공정조건 확립...230
• (1) 회전속도에 따른 입도분포의 변화...230
• (2) Blade형상이 입도 분포에 미치는 영향...231
• (3) 회전시간이 입도 분포에 미치는 영향...231
• 2. Cu-based 합금의 상변화 거동 관찰...233
• 가. DET장치 이용한 Cu47Ti33Zr11Ni6Sn2Si1 합금 분말제조...233
• (1) 분말크기에 따른 과냉 측정...233
• (2) 과냉에 따른 상 변화...233
• (3) XRD 상 분석...233
• 나. $Cu_{47}Ti_{33}Zr_{11}Ni_6Sn_2Si_1$ 기지내에 Pb 입자가 균질하게 분산된 모합금 제조...238
• 다. DET의 공정변수를 통한 과냉 제어...238
• 라. 과냉에 따른 상분석...242
• 마. 미세조직 관찰...253
• 바. TEM 관찰을 통한 bright field image와 SADP 분석...245
• 사. 미소경도 측정...249
• 아. Microstructure Selection Map 작성...249
• 3. Cu-based 비정질 합금 복합재료 설계...252
• 가. Cu-Pb monotectic계를 이용한 상분리...252
• 나. 미세조직 관찰...252
• 다. TEM 관찰...252
• 라. Mapping...253
• 마. 열분석 결과 (Arc Melted Specimen)...253
• 바. 열분석 결과 (Suction Casting Specimen)...256
• 사. 상분리 기구 고찰...257
• 아. Cooling rate의 변화에 따른 미세조직상의 결정상의 분포 변화 분석...257
• 자. 복합재료의 기계적 특성 평가...261
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...263
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...265
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...266