KR101680454B1 - 분말 소결법을 이용한 아키텍쳐드 복합재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 소재, 항공 우주 소재, 전자 재료, 레저 용품 등 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있는 저중량, 고강도, 고기능, 다기능 재료의 구현이 가능한 아키텍쳐드 복합재를 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 아키텍쳐드 복합재의 제조방법은, 몰드 내부에 분말과, 상기 분말에 상기 분말을 구성하는 물질의 융점에 비해 높은 융점을 갖는 금속으로 이루어지며 소정 형상으로 이루어진 하나 이상의 강화재를 배치하는 단계; 상기 분말과 강화재를 압축하여 성형체를 만드는 단계; 및 상기 성형체를 가열하여 상기 분말을 소결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분말 소결법을 이용한 아키텍쳐드 복합재의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING METAL ARCHITECTURED COMPOSITE BY POWDER SINTERING}

본 발명은 기지(matrix)에 소정 형상의 강화재가 복합화된 아키텍쳐드 복합재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 분말 소결법을 이용하여 지지(matrix)의 손상 없이 다양한 물성의 구현이 가능한 아키텍쳐드 복합재의 제조방법에 관한 것이다.

최근 재료 분야의 소재 개발 방향은 기존의 단일 재료로서는 얻을 수 없던 물성의 한계를 극복하고 고기능성 및 다기능성을 구현하기 위해 두 가지 이상의 재료뿐만 아니라 다양한 형상(Geometry)을 조합하여, 일반 복합재보다 더 향상된 물성(밀도, 강도, 탄성계수 등)을 얻고자 하는 방향으로 이동하고 있다.

이와 같은 아키텍쳐 복합재의 장점은 혼합 법칙(Rule of mixtures)을 따르던 기존 복합재의 특성뿐만 아니라 기하학적으로 유도되는 가공 경화 효과(Geometrically-induced strain hardening)를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.

아키텍쳐드 복합재는 2003년 영국 cambridge 대학의 애쉬비(Ashby)에 의해 처음 제시된 후 프랑스의 Domain 대학의 Brechet에 의해 발전되어 왔으며, 특히 최근 프랑스 Arcelor의 Bouaziz가 복합재의 공간적 배치에 따른 기하학적으로 유도된 가공 경화(Geometrically induced strain hardening)에 대한 논문(비특허문헌)을 발표하면서 더욱 활발히 연구되고 있다.

아키텍쳐드 복합재를 이용하면 기존에 가지고 있던 복합재의 특성과, 기하학적으로 유도되는 가공 경화 효과를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 기존의 재료의 조합만으로는 기능 설계 범위를 확장하는 데에는 한계가 있다.

그런데 최근 급격히 개발되고 있는 나노 구조재를 적용할 경우, 성능 설계 범위를 급격히 확장시키면서 동시에 기존 나노 구조재가 가지고 있는 취성을 극복할 수 있게 되는데, 이처럼 나노 구조재를 사용한 아키텍쳐드 복합재를 멀티스케일 아키텍쳐드 소재라고 한다.

멀티스케일 아키텍쳐드 소재를 사용하면 기존 조대 결정립 재료를 사용하는 것과 비교할 때, 동일한 밀도와 탄성계수임에도 불구하고 훨씬 큰 강도를 구현할 수 있으며, 동시에 적당한 연성을 유지할 수 있다. 또한 우수한 내식성, 내마모성으로 인해 의료, 수송기계, 항공 소재 등 다양한 산업에의 적용이 기대된다.

아키텍쳐드 소재의 제조에 있어서 Bouaziz는 물결 모양의 판재를 아키텍쳐드 강화재(Archiectured reinforcement)로 사용하였으며, 융점이 233℃로 다른 금속에 비해 매우 낮은 주석을 용융시킨 뒤, 물결무늬 구리 조각을 담그는 방법으로 제조되었다. 이 방법은 구리와 주석 사이의 완전한 접합을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 이들에 비해 높은 융점을 갖는 금속 재료나 세라믹 재료에는 적용하기 힘들다는 단점이 있으며, 일반적으로 강도가 강한 재료는 원자끼리의 인력이 매우 높아 융점이 높은 특징이 있기 때문에 결과적으로 강도가 높은 구조재를 얻기에는 매우 어렵다.

또한 비틀림을 사용하여 나선형 강화재를 금속 기지(matrix) 내부에 만드는 방법도 있지만, 비틀림의 경우 조그만 변형에도 금속 기지(matrix) 외부에 쉽게 금이 생기고, 이 금이 내부로 전파되면서 재료의 파괴를 야기하기 때문에 적절하지 않다. 따라서 금속 기지(matrix)의 파괴를 야기하지 않고 금속 기지(matrix) 내부에 나선형 강화재를 삽입하는 방법의 개발이 필요하다.

0.Bouaziz, Scripta Mater. 68 (2013) p. 28-30

본 발명의 과제는, 기지(matrix)의 손상을 유발하지 않으면서 다양한 재료의 사용이 가능하고 저비용으로 기지(matrix)의 내부에 소정 형상, 특히 나선형의 강화재가 복합화된 아키텍쳐드 복합재의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 몰드 내부에 분말과 상기 분말에 상기 분말을 구성하는 물질의 융점에 비해 높은 융점을 갖는 금속으로 이루어지며 소정 형상으로 이루어진 하나 이상의 강화재를 배치하는 단계와, 상기 분말과 강화재를 압축하여 성형체를 만드는 단계 및 상기 성형체를 가열하여 상기 분말을 소결시키는 단계를 포함하는 아키텍쳐드 복합재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 분말에 소정 형상의 강화재를 삽입한 후 분말을 압축시켜 성형체를 만든 후, 강화재의 형상이 유지되는 온도로 상기 분말을 가열하여 소결시키는 방법으로 기지(matrix)를 형성하기 때문에, 강화재의 형상을 소정 형상, 예를 들어 나선형으로 만드는 과정에서 기지 조직에 손상이 발생하지 않게 된다.

또한, 기지(matrix)가 소결방법에 의해 형성되므로, 강화재의 융점에 비해 낮은 소결온도를 갖는 물질이면 특별히 제한 없이 사용될 수 있으므로, 사용 가능한 재료의 범위가 현저하게 넓어져, 다양한 물성을 갖는 아키텍쳐드 복합재의 제조가 가능하게 된다.

또한, 강화재의 배치 위치의 조절을 통해 최종적으로 제조되는 복합재의 이방성을 용이하게 제어할 수 있다.

또한, 분말의 소결 시에 강화재와의 접촉이 높아져, 기지(matrix)와 강화재와의 계면 접합력이 우수한 복합재를 얻을 수 있다.

도 1는 본 발명의 일 실시형태에 따른 아키텍쳐드 복합재 제조공정 중 성형체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 아키텍쳐드 복합재 제조공정 중 성형체를 소결하는 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 따른 아키텍쳐드 복합재의 제조방법은, 몰드 내부에 분말과, 상기 분말에 상기 분말을 구성하는 물질의 융점에 비해 높은 융점을 갖는 금속으로 이루어지며 소정 형상으로 이루어진 하나 이상의 강화재를 배치하는 단계와, 상기 분말과 강화재를 압축하여 성형체를 만드는 단계 및 상기 성형체를 가열하여 상기 분말을 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 몰드의 캐비티는 다면체, 구형, 원주형, 원추형, 피라미드형 등 다양한 형태로 만들어질 수 있으며, 바람직하게 원주형(cylindrical shape)으로 이루어질 수 있으며, 필요할 경우, 상기 캐비티의 내부에 중자가 배치될 수도 있다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서, 사용되는 분말의 종류는 목표로 하는 재료의 물성, 기능에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 또한 분말의 크기도 다양하게 디자인할 수 있다. 예를 들어, 평균크기가 1㎛ 미만의 나노 분말을 사용할 경우 나노 결정립의 강화 효과로 인해 큰 강도의 재료를 얻을 수 있지만 제조비용이 높아질 수 있고, 평균크기가 1㎛를 초과하는 마이크로 분말을 사용할 경우 강도는 상대적으로 낮아도 충분한 연성을 얻을 수 있고 제조비용도 낮아진다. 또한, 필요에 따라서는 나노 분말과 마이크로 분말을 혼합하거나 이들의 비율을 조절함으로써 원하는 물성을 디자인할 수도 있다.

상기 분말은 복합화되는 강화재가 금속으로 이루어지므로, 강화재의 융점과, 강화재와의 접합성을 고려할 때, 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 반드시 금속 재료에 한정되지 않고, 예를 들어 세라믹 재료가 사용될 수도 있다.

또한, 금속 분말을 사용할 경우, 충분한 환원처리를 하여 금속 분말에 형성된 산화막을 제거할 경우, 최종 제품의 소결 특성을 높일 수 있어 바람직하다.

상기 강화재는 최종적으로 요구되는 복합재의 물성에 맞추어 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게 나선형으로 이루어질 수 있다. 나선형 강화재는 3D 프린터를 이용하여 제조되거나, 스프링 형상으로 가공된 상용 금속재료를 사용할 수도 있으며, 나선형 강화재의 제조방법은 그 형상이 구현되기만 하면 특별히 제한을 두지 않는다.

상기 강화재의 배치는 상기 기지 내의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되거나, 비대칭적으로 배치될 수 있다. 이때, 강화재를 기지의 중심에서 벗어난 곳에 배치할 경우, 최종 복합재에서는 기계적 성질의 이방성을 얻을 수 있고, 이를 통해 동일한 강화재를 사용하면서도 예를 들어 굽힘 저항성이 좀 더 높게 하는 것과 같은 물성의 제어가 가능하게 된다.

상기 분말을 압축하여 성형체를 만드는 단계는, 최종적으로 제조되는 복합재의 기공도에 영향을 미친다. 또한, 기공도에 따라 재료의 탄성계수, 강도, 연성 등 아키텍쳐드 복합재의 최종 물성이 달라지며 원하는 용도 및 물성에 기반 하여 적합한 기공도를 설정한 뒤, 이에 맞추어 압축 공정의 압력과 성형체의 밀도를 설계할 수 있다.

상기 분말을 가열하여 소결시키는 단계에서는, 소결온도를 상기 강화재의 융점 이하에서 수행해야 하며, 강화재의 융점보다 높을 경우 강화재가 용융하여 소결 후에 그 형상을 유지할 수 없기 때문이며, 바람직하게는 상기 강화재 융점의 10% 이하에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

도 1는 본 발명의 일 실시형태에 따른 아키텍쳐드 복합재 제조공정 중 성형체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 아키텍쳐드 복합재 제조공정 중 성형체를 소결하는 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 멀티스케일 스파이럴 아키텍쳐드 복합재 제조방법은, 원주형으로 이루어진 캐비티를 구비한 몰드의 내부에 나노 크기의 금속 분말을 장입하고, 캐비티의 중심에 나선형 금속 강화재를 배치한 후 금속 분말에 압력을 가하여 1차적인 치밀화를 이루는 성형 단계(제1 단계)와, 성형된 금속 분말을 소결하여 벌크재로 만드는 소결 단계(제2 단계)로 구분할 수 있다.

상기 제1 단계에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 나선형 금속 강화재와 금속 나노 분말을 혼합한 후 압력을 가해 치밀화를 시키게 된다.

이때 금속 나노 분말 내부에서의 나선형 강화재의 위치는 최종적으로 원하는 복합재의 물성에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들어 나선형 금속 강화재를 원주형 복합재의 정중앙에 위치시킨다면 원주형으로 제조된 복합재의 측 방향에서는 기계적 성질에 이방성이 없는 재료를 만들 수 있다.

또한, 나선형 금속 강화재의 위치를 원주형 복합재의 중앙에서 벗어난 곳에 위치시킨다면 최종 원주형 복합재의 측방향에서는 기계적 성질에서 이방성을 얻을 수 있고, 따라서 동일한 강화재를 사용하고도 굽힙 저항성이 더 높은 재료를 제작하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 도 1에는 나선형 금속 강화재를 하나 배치하는 것으로 도시하였으나, 나선형 금속 강화재는 2 이상으로 복수 개 배치될 수 있으며, 이 경우 배치되는 강화재 간의 간격 및 배치 형상에 따라서도, 최종적으로 얻을 수 있는 물성이 다양하게 제어될 수 있다.

상기 금속 나노 분말과 나선형 금속 강화재의 혼합체에 압력을 가하는 방법은, 수동 프레싱, 프레싱 머신과 같은 다양한 장치가 사용될 수 있으며, 가해지는 압력에 따라 금속 분말의 치밀화도가 달라져 최종 제품의 기공도가 달라지게 되고, 이와 같이 달라지는 기공도는 제조된 아키텍쳐드 복합재의 최종 물성에 큰 영향을 미칠 수 있다.

상기 제2 단계에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 단계에서 제조된 성형체를 열처리를 통해서 소결시키는 단계이다. 이때 소결 온도는 금속 분말 기지에 따라 달라질 수 있으며, 나노 분말을 사용할 경우, 소결 온도가 너무 높으면 재결정이 일어나 분말의 나노화 효과가 크게 저하되므로, 재결정이 일어나지 않는 온도에서 열처리가 이루어져야 한다.

이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아키텍쳐드 복합재의 제조방법에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 바람직한 실시예에 제한되는 것은 아니며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

Claims (9)

1. 몰드 내부에 분말과, 상기 분말에 상기 분말을 구성하는 물질의 융점에 비해 높은 융점을 갖는 금속으로 이루어지며 소정 형상으로 이루어진 하나 이상의 강화재를 배치하는 단계;
   상기 분말과 강화재를 압축하여 성형체를 만드는 단계; 및
   상기 성형체를 가열하여 상기 분말을 소결시키는 단계;를 포함하고,
   상기 강화재의 배치위치의 조절을 통해, 아키텍쳐드 복합재 물성의 이방성을 제어하는 아키텍쳐드 복합재 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강화재는 나선형으로 이루어진 아키텍쳐드 복합재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 분말의 소결로 만들어지는 기지는 원주형으로 이루어지고, 상기 강화재는 상기 기지 내에 중심을 기준으로 대칭적으로 배치되는 아키텍쳐드 복합재의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분말의 소결로 만들어지는 기지는 원주형으로 이루어지고, 상기 강화재는 상기 기지 내에 비대칭적으로 배치되는 아키텍쳐드 복합재의 제조방법.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 분말은 금속으로 이루어지는 아키텍쳐드 복합재의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 분말은 나노 분말, 마이크로 분말, 또는 상기 나노 분말과 마이크로 분말의 혼합물인 아키텍쳐드 복합재의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 성형체의 치밀화정도, 소결온도, 강화재의 배치위치, 또는 강화재의 형상의 조절을 통해 상기 아키텍쳐드 복합재의 물성을 제어하는 아키텍쳐드 복합재 제조방법.
9. 삭제

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