KR100431828B1 - 형상기억합금으로 강화한 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공우주분야, 자동차 경량화 부품 등으로 이용되는 복합재료에 관한 것으로, 그 목적은 세라믹섬유나 장섬유 대신에 형상기억함금 섬유를 강화재로 사용하여 복합재료내 압축력을 부여하여 기계적성질이 우수한 복합재료와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두 개의 비철금속판재 사이에, 형상기억합금 장섬유가 다수개 배열된 것을 포함하여 이루어지는 형상기억합금으로 강화한 복합재료와 사이에 간격조절바(1, 1')에 의해 일정간격을 두고 대향하도록 고정된 두 개의 클램프(5, 5')에 다수개의 형상기억합금 장섬유(2) 양단을 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계, 상기 간격조절바(1, 1')에 의해 두 개의 클램프(5, 5')의 간격을 조절하여 형상기억합금 섬유를 신장하는 단계, 비철금속판재 사이에 상기 신장된 형상기억합금 장섬유 배열을 위치시켜 복합체로 하는 단계, 상기 복합체를 형상기억합금의 오스테나이트 변태온도이상에서 형상기억 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 형상기억합금으로 강화된 복합재료의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

형상기억합금으로 강화한 복합재료의 제조방법{Fabrication method of metal metrix composite reinforced by shape memory alloy}

본 발명은 항공우주분야, 자동차 경량화 부품등으로 이용되는 복합재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금판재 내부에 형상기억합금을 강화재로 삽입하여 기계적 특성을 향상시킨 형상기억합금으로 강화한 복합재료에 관한 것이다.

금속복합재료는 경량이면서 고강도와 고강성을 가지고 있기 때문에 항공우주분야뿐 아니라 자동차 경량화 부품으로도 많이 사용되고 있다. 금속복합재료는 연한금속기지에 단단한 세라믹 강화재(단섬유, 휘스커, 입자 등)를 분산시켜 인장강도, 탄성률 등의 기계적 성질이 크게 개선시킨 재료이다. 그런데, 금속과 세라믹은 서로 혼합할 때 젖음성(wettability)이 좋지 않기 때문에 미리 세라믹으로 예비성형체(preform)를 만들고, 여기에 금속을 용해하여 용탕단조법이라하는 방법을 이용하여 기계적인 압력에 의해 금속을 예비성형체 내부에 침투시켜 금속복합재료를 제조하고 있다(일본공개특허 소63-128965). 또한, 장섬유를 이용하여 금속복합재료를 제조할때는, 미리 섬유로 만든 천이나 매트를 이용하거나, 섬유표면에 프라즈마를 이용하여 용사코팅하여 예비성형체를 제조하고 이를 이용하여 분말야금법이나 용탕단조법을 이용하여 금속복합재료를 제조하고 있다. 이와 같이 제조한 금속복합재료는 모재로 사용되는 알미늄이나 마그네슘 등이 대부분이며 강화재로 사용하는 단섬유나 장섬유에 의해 모재금속 보다 기계적 특성이 향상된다. 이러한 복합재료는 재료 그 자체에서 복합화에 의해 기계적 특성을 향상시키고자 하는 것이고, 열처리 등에 의해서 강도를 높이고자 하였다(일본특허공보 소62-256954).

그러나 단섬유로 복합재료를 제조할 때는 큰 문제가 되지 않지만 장섬유나 금속선재로 강화된 금속복합재료를 제조할 때는 제조시에 장섬유나 금속선재가 제조시의 배열과는 달리 제조시의 열과 압력에 의해 배열이 흐트러져서 원하는 기계적 성질을 얻지 못하는 문제점이 있다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 세라믹섬유나 장섬유 대신에 형상기억합금 섬유를 강화재로 사용하여 섬유이 배열이 흐트러지지 않고 배열함과 동시에 형상기억합금의 회복력을 이용하여 복합체내에 압축력을 부여함으로서 기계적성질이 우수한 복합재료와 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 형상기억합금 고정용 지그의 일례도

도 2는 형상기억합금과 비철금속판재를 복합체로 하는 공정의 상세도

도 3은 형상기억합금 섬유강화 알루미늄 복합재료의 인장강도(363K)를 보여주는 그래프

도 4는 형상기억합금섬유의 부피분율에 따른 인장강도변화(상온,363K)를 보여주는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1, 1'..... 간격조절바 2..... 형상기억합금섬유

4..... 고정볼트 5, 5'.... 클램프(하형)

6..... 알루미늄판재 7..... 프레스

8..... 지그 9..... 다이

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합재료는, 두 개의 비철금속판재 사이에, 형상기억합금 장섬유가 다수개 배열된 것을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 복합재료 제조방법은, 사이에 간격조절바(1, 1')에 의해 일정간격을 두고 대향하도록 고정된 두 개의 클램프(5, 5')에 다수개의 형상기억합금 장섬유 양단을 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계,

상기 간격조절바(1, 1')에 의해 두 개의 클램프(5, 5')의 간격을 조절하여 형상기억합금 섬유를 신장하는 단계,

비철금속판재 사이에 상기 신장된 형상기억합금 장섬유 배열을 위치시켜 복합체로 하는 단계,

상기 복합체를 형상기억합금의 오스테나이트 변태온도이상에서 형상기억 열처리하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

형상기억합금은 온도의 변화에 따라서 저온에서는 마르텐사이트상으로 변형이 쉽고 연한 반면에 고온이 되면 오스테나이트상으로 상변태가 일어나 강화되기 때문에 변형이 되기 어렵다. 저온에서 쉽게 변형시킨 형상기억합금을 오스테나이트상 변태온도 이상으로 가열하면 변형되었던 형상기억합금이 본래의 형태로 돌아오려 하는 회복력이 발생하게 된다. 본 발명자들은 형상기억합금의 이러한 회복력에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다. 즉, 본 발명에서는 형상기억합금 섬유를 일정하게 배열하면서 신장시켜 비철금속판재 사이에 배열하여 적층체로 만든 다음에, 형상기억 열처리하여 일정하게 배열된 형상기억합금의 회복력에 의해서 복합체 내에 압축력을 일정하게 부여함으로써 복합재료의 기계적성질을 개선하는 것이다.

먼저, 도 1, 2를 통해 복합재료의 제조방법을 먼저 설명한다.

본 발명에서는 비철금속판재사이에서 형상기억합금 섬유의 흐트러짐을 방지하기 위해 도 1과 같은 형상기억합금섬유 고정용 지그를 사용하여 형상기억합금 섬유를 일방향으로 배열한다. 이와 같이 도 1의 지그를 이용하여 금속복합재료를 제조하면,금속복합재료 제조 후에 복합재료 내부의 형상기억합금 섬유가 흐트러지지 않아서 기계적 특성이 향상된 복합재료를 얻을 수 있다. 즉, 사이에 간격조절바(1, 1')에 의해 일정간격을 두고 대향하도록 고정된 두 개의 클램프(5, 5')에 다수개의 형상기억합금 장섬유(2) 양단을 고정하여 원하는 부피분율로 배열한다. 그 다음, 간격조절바(1, 1')에 의해 두 개의 클램프(5, 5')의 간격을 늘려 형상기억합금 섬유를 원하는 길이로 신장한다. 형상기억합금 섬유의 신장정도에 따라 복합체에 부여되는 압축력이 정해진다.

다음으로 도 2와 같이 비철금속판재 사이에 상기 신장된 형상기억합금 장섬유 배열을 위치시킨 다음 복합체로 성형한다. 성형은 핫프레스법에 적용될 수 있는데, 이때의 프레스의 가압력은 약 60MPa정도로 할 수 있다.

상기에서 얻은 복합체를 형상기억합금의 오스테나이트 변태온도이상에서 형상기억 열처리하면 형상기억합금 섬유가 원래의 형태로 돌아오게 되고, 이에 따라 복합체에는 압축력이 부여된다. 물론, 형상기억열처리는 형상기억합금이 원래의 형태로 돌아올 수 있는 온도로 하면 되는 것으로 그 보다 높은 온도에서 할 필요성은 없으나 반드시 비철금속판재의 용융점 이하에서 하여야 한다.

본 발명에 따라 얻어지는 복합체는, 두 개의 비철금속판재 사이에, 형상기억합금 장섬유가 다수개 배열된 것으로, 복합재료내 형상기억합금의 분율은 3~7부피%로 하는 것이 바람직하다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 형상기억합금의 분율이 3부피%이상 되면서 복합체의 기계적특성 개선이 효과적이고 7부피%를 초과하더라도 기계적 특성이 크게 좋아지지 않는다.

본 발명의 복합체에서 비철금속판재는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 이들의 합금의 그룹에서 선택된 1종으로 한다. 이들 비철금속판재는 융점이 700℃이하인 것이 바람직한데, 그 이유는, 복합재료 특성상 경량이면서 고강도를 가져야하고, 강화재로 사용되는 형상기억합금보다 융점이 낮아야한다.

또한, 본 발명에서 사용하는 형상기억합금 장섬유는 널리 알려진 TiNi, NiAl, CuZn, FeNiTiCo, TiNb, MnCu, FeCrNi의 그룹에서 선택된 1종으로 한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

형상기억합금 섬유로 강화된 금속복합재료를 제조하기 위하여 판재 Al6061(1mm)와 직경 500μm의 TiNi 섬유(Ti-50.0at.%, 나머지 Ni)를 사용하였다. 형상기억합금섬유는 도 1의 지그에 일정한 등간격으로 배열하였다. 형상기억합금섬유는 200mm×200mm×1mm의 알루미늄 6061 판재사이에 일정한 배열로 고정되며, 알루미늄 판재는 프레스다이 사이에 놓고 고온에서 압력60MPa을 가하였다. 핫프레스법으로섬유의 체적함유량이 3.2%, 5.2% 및 7%인 3종류의 복합재료를 제조하였다. 또한 기지인 알루미늄 6061의 강도를 증가시키기 위하여 T6 열처리를 실시하였다. 제작된 시험편에 대하여 공기 중에서 각각 793K와 813K로 1시간동안 용체화처리 후 수냉 처리하였으며, 이어서 448K에서 시효처리를 실시하였다. 이와 같이 제조한 복합체에 대한 인장시험은 상온(TiNi 섬유의 Ms온도와 As온도 사이) 및 고온(As 온도 이상)의 두 온도에서 실시하였다. 도 3은 TiNi/Al6061 형상기억복합재료의 363K에서의 응력-변형율 선도를 나타내며, TiNi/Al6061 형상기억복합재료의 상온 및 고온에서의 체적함유량에 따른 인장강도의 변화를 도 4에 나타낸다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이 형상기억합금의 부피분율이 높아질수록 복합체의 인장강도는 높아지는 것을 알 수 있었다. 그리고, 도 4에 나타난 바와 같이, 363K에서는 섬유의 체적함유량이 증가할수록 높은 인장강도를 가지나 부피분율이 7%를 넘어서면서 인장강도 개선은 크지 않다. 또한, 고온인 363K에서 상온과는 달리 체적함유량에 따라 강화재인 TiNi 섬유의 강도가 고온에서 매우 높고 또한 인장력이 작용하는 동안 형상기억합금섬유의 형상기억효과가 지속적으로 작용하기 때문에 인장강도가 증가함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 복합재료의 강화재로 사용하는 세라믹 강화재 대신에 온도에 민감하게 반응을 하는 형상기억합금 섬유를 형상기억합금 고정용 지그를 이용하여 복합재료를 제조함으로써 복합재료 제조후에 기존의 장섬유 강화재의 흐트러짐이 없는 복합재료를 제조할 수 있고 기존의 복합재료에서 얻을 수 없었던 높은 인장강도를 얻을 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 비철금속판재사이에 장섬유 배열을 위치시켜 복합재료를 제조하는 방법에 있어서,

   사이에 간격조절바(1, 1')에 의해 일정간격을 두고 대향하도록 고정된 두 개의 클램프(5, 5')에 TiNi, NiAl, CuZn, FeNiTiCo, TiNb, MnCu, FeCrNi의 그룹에서 선택된 1종인 다수개의 형상기억합금 장섬유 양단을 고정하여 상기 복합재료내 형상기억합금의 분율이 3~7부피%가 되도록 배열하는 단계,

   상기 간격조절바(1, 1')에 의해 두 개의 클램프(5, 5')의 간격을 조절하여 형상기억합금 섬유를 신장하는 단계,

   알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 이들의 합금의 그룹에서 선택된 1종으로 융점이 700℃이하인 비철금속판재 사이에 상기 신장된 형상기억합금 장섬유 배열을 위치시켜 복합체로 하는 단계,

   상기 복합체를 형상기억합금의 오스테나이트 변태온도이상에서 형상기억 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 형상기억합금으로 강화된 복합재료의 제조방법.