보고서 정보
주관연구기관 |
연세대학교 Yonsei University |
연구책임자 |
배동현
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-12 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700011551 |
과제고유번호 |
1711030026 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
금속-비금속 융합 금속재료.나노 클러스터.경량 금속재료.나노단위 구성물.격자 제어.금속-비금속 원자 결합.기계적 특성.기능적 특성.합금 설계법.metal-non metal fusion metallic material.nano cluster.light metallic material.Nano-element.controlled lattice.metal-non metal atomic bonding.mechanical properties.functional properties.alloy design method.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011551 |
초록
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연구의 목적 및 내용
◎ 비금속 원소가 고용된 신 경량 금속재료 설계 및 개발에 대한 창의적 도전 연구.
o 나노크기의 구성물을 이용할 경우, 거시적 특성과는 전혀 다른 새로운 기구로 경량 금속기지의 융점 부근에서 분해가 가능
o 분해된 비금속 원소는 경량 금속기지 원자와 상호 친화력에 의해 분리/분산되어 용탕 내 국부적인 미세조직을 형성
o 본 연구에서는 비금속 원소의 고용도가 없는 경량 금속기지에 비금속 원소를 융합/결합 시켜줌으로써 분자단위/원자단위로 미세조직이 제어된 신 경량 금속재료를 설
연구의 목적 및 내용
◎ 비금속 원소가 고용된 신 경량 금속재료 설계 및 개발에 대한 창의적 도전 연구.
o 나노크기의 구성물을 이용할 경우, 거시적 특성과는 전혀 다른 새로운 기구로 경량 금속기지의 융점 부근에서 분해가 가능
o 분해된 비금속 원소는 경량 금속기지 원자와 상호 친화력에 의해 분리/분산되어 용탕 내 국부적인 미세조직을 형성
o 본 연구에서는 비금속 원소의 고용도가 없는 경량 금속기지에 비금속 원소를 융합/결합 시켜줌으로써 분자단위/원자단위로 미세조직이 제어된 신 경량 금속재료를 설계하고 개발하고자 함.
o 최종적으로 기존 금속재료에 비해 기계적 특성 및 기능적 특성이 월등히 향상된 금속재료를 개발하며, 소재의 특정 부분에 국한되지 않고 소재 전반에 걸쳐 균질하게 구조를 재현할 수 있는 신뢰성 있는 재료 설계법을 구현하는 것을 목표로 함.
o 경량금속을 대표하는 금속으로 알루미늄, 마그네슘을 기지로 하며, 비금속 원소로는 산소, 탄소 등을 이용.
o 경량금속 내에서 나노구성물이 분해/고용 되는 주조/분산 공정을 개발, 그 기구 도출.
o 금속기지 내 나노단위의 국부적인 클러스터링 구현 공정 개발 및 기구 도출.
o 1) 기계적 특성(탄성, 강성, 피로)과 2) 기능적 특성(내부식성, 열전도성, 내마모성) 등의 향상을 도모하고 그 메커니즘을 연구.
연구결과
o 합금에 비금속 원소가 고용되는 현상 관찰
- 고에너지 볼밀링법을 통해 금속 기지에 나노구성물을 균일하게 분리/분산
- 금속 용탕내 나노 산화물을 교반 및 유지를 통해 균일하게 분리/분산
o 경량 금속 내부에 비금속 원소의 고용 확인
- XRD, XPS 및 TEM을 통하여 경량 금속 기지내에 비금속 원소가 고용되어 있으며, 특정 위치에 존재하는 것을 확인.
o 고용 방법에 따른 물성 변화 확인
- 볼밀링법을 통해 나노 산화물이 금속 기지에 분산된 복합체의 경우 열처리 시간에 따라 확산된 산소 원자의 분산 정도에 따라 물성이 변화
o 경량금속에서의 비금속 원소의 기본적인 역할 확인
- 기계적 특성 · 탄성 : 10% 이상 증가, 경도 : 10 ~ 200% 증가, 강도 : 10 ~ 40% 증가
- 기능적 특성 · 내부식성 : 부식전위 0.2~0.35V 증가, 전류밀도 10~100배 증가, 열전도도 : 10~20% 증가
o 합금에서의 비금속 원소의 역할 확인
- 기지 내에 있는 비금속 원소가 결합 에너지 강화 및 격자변형을 일으켜 탄성, 강도 등을 향상시킴
- 공정상과 기지간의 계면을 강하게 결합시켜 기계적 성질 및 부식 특성향상
- 격자내부를 이동하는 비금속 원소에 의해 열전도도 향상
- 현상론적으로 다양한 물성향상을 확인함
연구결과의 활용계획
o 분자/원자 단위로 구조를 제어하는 방법을 이용함으로써, 이에 따른 물리적/화학적 특성의 변화를 예측하여 나노구조 소재 제조 분야에서 새로운 학술적 패러다임의 창출 가능
o 금속-비금속 원소간의 결합기구 제시를 통하여 학문적 이슈의 창출
o 보유한 데이터베이스를 통해 각 분야에 필요한 물성에 따른 추가 공정 및 합금 조성을 설계하여 산업에서 목표로 하는 재료의 보유
o 대용량 제조에 필요한 제작 공정 기술 확보 필요
o 필요한 물성 달성을 위한 후처리 및 가공 공정 기술 확보 필요
o 다양한 나노구성물의 첨가를 통해 다양한 금속/비금속 원소간의 고용/결합기구 연구
o 금속/비금속 원소간의 조합에 따른 격자구조가 확장된 합금의 특성 발현기구의 연구
o 산업에서 필요 물성에 따른 나노구성물의 선택 및 제조 공정 설계 연구
(출처 : 한글요약문 4p)
Abstract
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Purpose&contents
◎ Design and development of new light metallic materials using the decomposition of nano ceramic powders
o In case of using nano size particle, it is decomposed near light metal melting point by new mechanism different from macroscopic properties.
o Decomposed nonmetal
Purpose&contents
◎ Design and development of new light metallic materials using the decomposition of nano ceramic powders
o In case of using nano size particle, it is decomposed near light metal melting point by new mechanism different from macroscopic properties.
o Decomposed nonmetal atom which forms local microstructure diffused & distributed in molten metal by mutual affinity
o This research design and develop light metallic materials which do not have solubility of non metallic atom to control microstructure as molecular/atomic unit by fusion & bonding with non metallic atoms in light metal matrix.
o Finally, significantly enhanced metal materials in mechanical and functional properties compared with existing metal materials are developed, and to materialize material design method aim to reproducible and reliable homogenized materials for entire area beyond the local area are aimed.
o Using matrix of aluminum and magnesium which represent light metallic materials, and using non metallic atoms, for example, oxygen and carbon, etc.
o The casting and dispersal method decomposed and dissolved nanoparticles in light metallic materials are developed and drew to its mechanism.
o To materialize process of localized nano size clustering in metal matrix are developed and drew to its mechanism.
o 1) The research are experimented to improve 1) mechanical properties (elastic, toughness, fatigue) and
2) functional properties (corrosion, thermal conductivity, wear resistance), etc. and to reveal mechanism.
Result
o Confirm the method of dissolving non metallic atoms in alloy
-Equally decomposed and dissolved nanoparticles in metal matrix by the high energy ball milling method.
-Equally decomposed and dissolved nanoparticles in moten metal by stirring and maintaining.
o Observing the dissolved non metallic atoms in light metallic materials
-Observing dissolved and located non metallic atoms in specific space of light metallic material matrix by XRD, XPS and TEM.
o Confirm the changed properties followed by dissolving method
-In case of composites dispersed nanoparticles in metal matrix by ball milling method, properties are changed by diffuse rate of non metallic atoms by heat treatment time.
o Confirm the basic role of non metallic atoms in light metallic material
- Mechanical properties
Elastic : enhanced over 10%, Hardness : enhanced 10 ~ 200%, Strength : enhanced 10 ~ 40%
-Functional properties
Corrosion : corrosion potential +0.2~0.35V, corrosion current density reduced 10~100 times, Thermal conductivity : enhanced 10~20%
o Confirm the role of non metallic atoms in alloy
-non metallic atoms in matrixexpand and increase bonding the lattice structure.
-mechanical & corrosion properties are enhanced by increasing bonding energy between matrix and eutectic phase
-enhanced thermal conductivity by migration of non metallic atoms in lattice structure
-phenomenalistically confirm the several enhanced properties
Expected Contribution
o Using method of controlled microstructure as molecular/atomic unit, estimate the mechanical/chemical properties to create new scientific paradigm in field of manufacturing nanostructure materials.
o Create academic issue by suggest the bonding mechanism between metal-non metal atoms.
o Possess the materials which have specific properties required in various fields of industry by design additional process and composition of alloy through database retention.
o Need to secure manufacturing process technology followed by mass manufacturing.
o Need to secure after-treatment process and forming process technology for achieving of required properties,
o Research the solution and fusion mechanism between several metal and nonmetal atoms through addition of several nanoparticles.
o Research the activation mechanism of alloy which has expanded lattice structure through combination of metal and nonmetal atoms.
o Research the manufacturing process design and select the nanoparticles through needed properties in various fields of industry.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22 5. 연구결과의 활용계획 ... 25 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 26 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 28 8. 참고문헌 ... 29 9. 연구성과 ... 30 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 31 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 32 12. 기타사항 ... 35별첨1 ... 36별첨2 ... 51끝페이지 ... 70
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