KR20060134744A - 재료와, 이를 포함하는 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료와, 이 재료를 포함하는 제품을 제공한다. 재료는 복수의 구조적 구성요소(100)를 포함한다. 구조적 구성요소(100)는 증대되는 구조적 구성요소 크기 등급의 열로 구성된다. 상기 열은 기초 단위 크기 등급(102) 및 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)을 가지며, 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)의 구성요소는 상기 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함한다. 기초 단위 크기 등급(102)의 구조적 구성요소는 적어도 하나의 벌크상(103)을 포함하고, 구조적 구성요소(100)는 계면부(112)에 서로 접합된다. 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에서 발생하는 기계적 손상(102)은 상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에 포함된 상기 복수의 구조적 구성요소 사이에서 분배된 방식으로 강하게 전파되도록 한다.

Description

재료와, 이를 포함하는 제품{HIERARCHICAL MATERIALS}

도 1 및 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도,

도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른 시뮬레이션된 2가지 레벨의 계층 재료의 개략적인 단면도,

도 4는 시뮬레이션된 한 가지 레벨의 계층 재료의 개략적인 단면도,

도 5는 도 3 및 도 4에 도시한 재료의 컴퓨터 시뮬레이션된 테스트에서 발생된 하중 대 변위의 데이터를 도시한 그래프.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 구조적 구성요소 102 : 기초 단위 크기 등급

103 : 벌크상 104 : 분자 크기 등급

112, 202, 206 : 계면부 500 : 재료

602 : 벽돌 형상부 604 : 계면 재료

본 발명은 고온에서 사용되는 재료에 관한 것으로, 특히 고온에서 개선된 강인성(toughness)에 맞게 설계된 재료에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 재료를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

예컨대, 우주선, 발전 플랜트 및 항공 엔진용 터빈 장비, 그리고 금속 성형 장비(metal forming equipment) 및 유리 블로우잉 장비(glass blowing equipment)를 포함하는 광범위한 적용예에 사용하기 위해 매우 높은 온도에서 적절한 특성을 유지하는 능력을 갖는 재료를 찾고 있다. 예를 들면, 가스 터빈을 구동하는데 이용되는 연소 가스의 온도를 증가하면, 일반적으로 터빈이 발전할 수 있는 전위 효율(potential efficiency)을 증대시킨다. 그러나, 터빈 구성요소를 제조하는 이용되는 합금 및 보호 코팅은 전형적으로 최첨단 기술의 터빈 장비내에 온도 한계점 또는 그 근방에서 작동하고, 이러한 터빈의 발화 온도에서의 적당한 증대시키면, 예컨대 강도, 내산화성(oxidation resistance) 및 내크리프성(creep resistance)을 포함하는 임의의 다수 특성에서의 이들 재료의 성능을 저하시킬 것이다.

다수의 세라믹 재료는 특정 고온 특성에서 금속을 쉽게 능가하므로, 상술한 합금의 제한 조건에 잠재적인 해결책을 제공한다. 일반적으로, 세라믹은 고온 합금보다 강하고 가벼우며, 훨씬 더 효과적으로 주위 공격 및 크리프에 대한 저항성을 갖는다. 그러나, 세라믹 재료는 그들의 낮은 내손상성으로 인해 많은 공학 구조적 구성요소에 비교적 적게 이용되고 있다. 세라믹은 과부하시, 특히 세라믹이 크랙, 틈, 공극 또는 다른 갈라진 금의 형태로 기계적 손상을 받은 상황에서 깨어지기 쉽고 급속한 파국적인 파괴(catastrophic failure)를 받기 쉽다. 세라믹과 같이 깨지기 쉬운 재료는 소성(영구) 변형이 없는 경향이 있으며, 완전한 파쇄를 받는데 필요한 에너지와, 강인성으로 본 기술에서 종종 언급되는 양이 상당히 낮다. 한편, 금속 및 합금은 일반적으로 파괴전에 상당히 높은 양의 에너지를 필요로 하는데, 그 이유는 금속 및 합금이 크랙 및 간극의 형성을 막고, 기존의 크랙 팁(crack tip)을 무디게 하며, 이와는 달리 파국적인 파괴를 방지하는 방식으로 손상을 수용하는 상당한 양의 소성 변형을 나타내기 때문이다. 높은 강인성을 갖는 재료는 파괴전에 보다 많은 양의 에너지를 "흡수"하는 그들의 능력 때문에 깨지기 쉬운 재료보다 훨씬 많은 손상에 내성을 갖는 경향이 있다. 유용성을 위해, 세라믹에 의해 제공된 이점을 이용하는 재료는 전체의 강인성 및 손상 허용값을 강화하기 위한 몇 가지의 메커니즘을 또한 가져야 한다.

세라믹을 포함하는 재료내의 강인성으로 강도의 요구된 밸런스를 성취하기 위해 가장 보편적으로 이용되는 방법중 하나는, 다수의 재료가 그들의 이점을 최적화하는 방식으로 화합되는 한편 그들의 단점을 최소화하는 복합 재료의 개발이다. 몇 가지 등급의 복합 재료는 세라믹을 활용하도록 개발되고 있다. 예를 들면, 메탈 매트릭스 복합 재료(metal-matrix composite)에는 알루미늄 또는 니켈 합금와 같은 단단하고 연성의 금속이 포함되며, 보다 연한 금속을 강화하는 견고하고 강하지만 깨지기 쉬운 세라믹이 포함된다. 세라믹을 포함시키면, 복합 재료의 강도를 증대시키는 한편, 연성의 메탈 매트릭스는 강인성 및 손상 허용값의 필수적인 레벨을 유지한다. 이에 따라, 메탈 매트릭스 복합 재료에서, 응력을 흡수하고, 이에 의해 강인성을 강화시키는데 이용되는 메커니즘은 메탈 매트릭스의 소성 변형이다.

세라믹 매트릭스 복합 재료는 매트릭스내의 견고한 금속상(metal phase)을 포함하지 않고, 이에 따라 일반적으로 메탈 매트릭스 복합 재료와는 상이한 강화 메커니즘을 이용한다. 예를 들면, 섬유 강화 세라믹 매트릭스 복합 재료에 있어서, 재료의 경계층은 섬유 및 매트릭스를 포함하는 각각의 재료보다 약하도록 설계될 수 있다. 이러한 상황에 있어서, 단결정 세라믹내에서 보통 관찰되는 바와 같은 하나의 큰 크랙의 형성 및 급속한 파국적인 전파 대신에, 섬유 계면부를 따른 다수의 작은 크랙의 형성 및 전파에 의해, 매트릭스내의 섬유의 마찰 미끄럼에 의해, 그리고 다른 변형된 파괴 모드에 의해 변형 에너지가 흡수될 수 있고, 파괴가 지연될 수 있다. 이에 따라, 세라믹 매트릭스 복합 재료는 보다 느리고 보다 증분되는 파괴를 허용하는 파괴 메커니즘을 포함시킴으로써 소성 변형 없이 강화를 유도하게 한다.

종래의 세라믹 매트릭스 복합 재료(CMC)가 단결정 세라믹 재료에 대해 강인성 및 손상 허용값의 개선을 나타내고 있지만, 세라믹 재료에 의해 제공되는 이점을 충분히 이용하는 능력을 손상시키는 문제점이 남아 있다. 일반적으로, 복합 재료는 혼합물내에서 최악으로 수행되는 성분뿐만 아니라 최적으로 수행되는 혼합물이다. 예를 들면, 섬유 재료의 내산화성이 약하면 전체 복합 재료에 대한 내산화성이 약해지는데, 그 이유는 강화 섬유의 우선적인 열화는 전체 재료의 특성에 대한 주요한 영향을 미치기 때문이다. 명백하게, 늘어나는 적용예를 감수하기 위한 고온 능력 및 손상 허용값을 갖는 개선된 재료에 대한 필요성이 있다.

본 발명의 실시예는 상기한 것 그리고 다른 필요성을 다룬다. 제 1 실시예는 복수의 구조적 구성요소를 포함하는 재료이다. 구조적 구성요소(structural component)는 증가하는 구조적 구성요소 크기 등급의 열(series)로 구성한다. 기초 단위 크기 등급(base unit size class) 및 적어도 하나의 분자 크기 등급의 열이 되고, 적어도 하나의 분자 크기 등급의 구성요소는 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함한다. 기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소는 적어도 하나의 벌크상(bulk phase)을 포함하고, 구조적 구성요소는 계면부에서 서로 접합된다. 분자 크기 등급의 구조적 구성요소내에서 일으키는 기계적 손상은 분자 크기 등급의 구조적 구성요소내에 함유된 복수의 구조적 구성요소를 따라 분배된 방식으로 강하게 전파되도록 한다.

제 2 실시예는 상술한 재료를 포함하는 제품이다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 관점 및 이점은, 동일 참조부호를 도면을 통해 동일 부품을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 판독할 때 보다 잘 이해될 것이다.

특히, 도 1을 참조하면, 이들 도면이 본 발명의 예시적인 실시예를 설명할 목적이지만, 본 발명을 제한할 의도는 아님을 이해할 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 재료를 개략적으로 도시하고 있다. 이 재료는 증가하는 구조적 구성요소 크 기 등급의 열로 구성된 복수의 구조적 구성요소(100)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 구조적 구성요소는 본 발명의 재료가 구성되는 구조의 단위이며, 재료가 제조되는 "빌딩 블록(building block)"으로서 유추될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "크기 등급(size class)"는 구성요소의 등급을 언급하며, 이 등급의 구성요소 각각은 전체 등급에 대한 평균 특성 길이(mean characteristic length)의 약 25%내에 있는 특성 길이를 갖는다. 특성 길이는, 예컨대 원형 단면을 갖는 구성요소의 직경 또는 장방형 단면을 갖는 구성요소의 종방향 또는 횡방향 레그(leg)의 길이와 같은 구조적 구성요소의 특성을 나타내기 위한 모든 크기 등급에 걸쳐서 일관되게 적용된 구조적 구성요소의 임의의 편리한 치수이다.

일련의 구조적 구성요소 크기 등급은 기초 단위 크기 등급(102)과, 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)을 갖는다. 기초 단위 크기 등급은 재료내에서 최단의 특성 길이를 갖는 구조적 구성요소를 포함한다. 임의의 각종 구조체는, 예컨대 종래의 복합 재료 적층 공정에 이용되는 종류의 섬유와, 리소그래피 공정에서 통상적으로 제조되는 부착 물질의 밴드(band)와, 분자 자동 조립 공정(molecular self-assembly process)에서 이용되는 타입의 분자의 자동 조립된 클러스터(cluster)를 포함하는 기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소로서 역할을 하는데 적합하다. 기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소는 적어도 하나의 벌크상(103)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 벌크상(103)은 세라믹, 유기 재료 및 금속 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 벌크상(103)은 세라믹 재료를 포함하고, 이 세라믹 재료는 붕소화물, 질화물, 산화물, 탄화물, 규화물, 규산염 및 이들의 혼합 물중 적어도 하나를 포함한다. 적당한 세라믹 재료의 특정예로는, 이에 한정되지는 않지만, 탄화규소, 탄화티타늄, 탄화지르코늄, 탄화하프늄, 탄화몰리브데늄, 탄화탄탈륨, 질화실리콘, 옥시질화알루미늄 실리콘, 질화알루미늄, 질화티타늄, 이붕화티타늄, 이규화몰리브덴, 산화알루미늄 및 규산알루미늄이 있다.

적어도 하나의 분자 크기 등급(104)의 구성요소는 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함한다. 적당한 분자 크기 등급의 구조적 구성요소의 예로는, 이에 한정되지는 않지만, 복수의 공압출된(co-extruded) 섬유를 포함하는 필라멘트(filament)와, 복수의 전술한 필라멘트를 포함하는 재료의 적층된 블록(block)과, 포토리소그래피 또는 다른 패턴된 부착 공정을 이용하여 제조되는 재료의 복수의 밴드를 포함하는 층과, 복수의 전술한 층을 포함하는 재료의 블록과, 자동 조립된 분자 클러스터의 자발적인 조립체로부터 얻어지는 원통형 튜브와, 복수의 전술한 튜브를 포함하는 필라멘트가 있다. 이에 따라, 본 발명의 재료는, 기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소가 몇몇 실시예에서 훨씬 더 큰 분자 구조적 구성요소 등을 열내의 가장 큰 크기 등급까지 차례로 형성하도록 조립된 보다 큰 분자 구조적 구성요소를 형성하도록 조립되는 복수 레벨의 계층 재료이다.

도 1에 도시한 예시적인 실시예에 있어서, 복수의 구조적 구성요소(100)는, 각각의 "벽돌 형상부(brick)"가 예컨대 섬유 또는 재료의 밴드일 것이기 때문에 도시한 단면 영역 돌기에 수직인 방향으로 반무한적으로 실제로 이루어질 수 있음이 이해될 것이지만, 일련의 벽돌 형상의 구성요소로서 단면으로 나타내어져 있다. 최장 크기 등급(106)의 전형적인 "벽돌 형상부"는 기초 단위 크기 등급(110)의 복 수의 "벽돌 형상부"를 차례로 포함하는 다음의 보다 작은 크기 등급(108)의 복수의 "벽돌 형상부"를 포함한다. 이에 따라, 이 예시적인 실시예는 3가지 레벨의 계층 재료인데, 그 이유는 재료의 구조적 구성요소가 3가지 증가되는 구조적 구성요소의 크기 등급의 열로 구성되기 때문이다. 반대로, 전형적인 벽돌 형상부의 벽은 단일 레벨 "계층(hierarchy)"으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 하나의 크기 등급만을 갖는 구조적 구성요소(벽돌 형상부)를 포함하기 때문이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 선택된 제조 공정에 의해 부가된 실제적인 제한 조건이 있을 수 있지만, 일련의 점진적으로 증가되는 구조적 구성요소 크기 등급에서의 허용가능한 개수의 크기 등급에 대한 이론적인 상한값이 없음을 당업자는 이해할 것이다. 특정 실시예에 있어서, 열내의 크기 등급의 개수는 적어도 2개이고, 특정 실시예에서 열내의 크기 등급의 개수는 3개 내지 5개의 범위에 있다. 후술하는 바와 같이, 2개 이상의 크기 등급을 가지면, 재료를 통해 손상이 상당히 낮게 퍼지고, 파괴가 일어나기 전에 손상을 감지하기 위해 통상적으로 종래의 세라믹 재료에 이용가능하지 않은 기회를 제공하는 파국적인 파괴를 방해하게 된다.

기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소의 크기는 이들 구성요소를 형성하는데 이용되는 공정에 의해 허용되는 제어 등급에 의해 결정된다. 예를 들면, 통상적으로 이용되는 분자 자동 조립 기술은, 약 10nm의 차수에 대한 평균 특성 길이를 갖는, 분자 클러스터와 같은 구조적 구성요소를 제조할 수 있는 반면, 종래의 섬유 제조 방법 및 리소그래피 기술은 일반적으로 마이크로미터 길이 축척에 대한 최소의 특성 길이로 한정된다. 한편, 재료내의 구조적 구성요소의 최장 크기 등급은 재료로부터 제조된 구성요소의 실제 치수에 의해서만 한정된다.

도 1에 도시한 바와 같은 특정 실시예에 있어서, 실질적으로 모든 구조적 구성요소(100), 즉 재료의 소정 샘플내의 구성요소(100)의 약 80% 이상은 실질적으로 동일한 형상을 가지지만, 이러한 조건이 재료의 일반적인 운용도(operability)에 반드시 필요한 것은 아니다. 구조적 구성요소(100)의 형상은, 예컨대 도 1에 도시한 구성요소(100)의 장방형 형상과 같은 단면 기하학적 형상을 특징으로 한다. 본 명세서에서, 용어 "실질적으로 유사한 형상(substantially similar shape)"은 구조적 구성요소의 크기가 상이하지만, 하나의 크기 등급의 구성요소의 일반적인 기하학적 형태는 상이한 크기 등급의 구성요소의 것으로부터 당업자가 상이한 기하학적 형태를 특징으로 하는 정도까지 변경되지 않음을 의미한다. 예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같은 구성요소의 벽돌 형상의 단면은, 예컨대 정확한 직각으로부터의 약간의 이탈 및 모서리부의 약간의 라운딩(rounding) 처리를 변화시킨 크기 등급의 구성요소 사이를 특별히 언급하였지만, 당업자에 의해 실질적으로 유사한 직사각형으로 특징 지워질 것이다. 각종 단면 형상은, 이에 한정되지는 않지만, 장방형 단면 및 원형 단면을 포함하는 구조적 구성요소(100)로서 사용되기에 적합하다.

열내의 모든 크기 등급의 구조적 구성요소(100)는, 예컨대 기계 결합식 계면부(mechanically interlocked interface), 화학 접합식 계면부(chemically bonded interface) 및 구조적 구성요소를 서로 접합하도록 기계 결합식과 화학 접합식의 조합을 이용하는 계면부와 같은 계면부(112)에서 서로 접합된다. 전형적으로, 계면부(112)는 모든 3차원으로 구조적 구성요소를 접합하는 계면부와 같은 1차원 이 상으로 구조적 구성요소(100)를 접합한다. 화학 접합식 계면부는 구조적 구성요소(100)를 서로 접합할 때에 작용하는, 벌크상(103)으로부터 떨어진 적어도 하나의 계면상(interfacial phase)을 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 구조적 구성요소(100)를 서로 접합하는데 이용되는 적어도 하나의 계면상은 세라믹, 유리 세라믹, 탄소 및 그의 조합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 계면상용으로 적당한 세라믹 재료의 예로는, 이에 한정되지는 않지만, 육방정 질화붕소, 인산란탄, 산화알루미늄(알루미나), 탄화규소티타늄(Ti₃SiC₂), 실리카, 지르코니아가 포함된다. 특정 실시예에서의 계면상은 구조적 구성요소의 어떠한 크기 등급이 접합되는지에 관계없이 재료 전체에서 동일하다. 변형 실시예에 있어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 제 1 크기 등급(204)의 구조적 구성요소를 접합하는 계면부(202)는 제 2 크기 등급(208)의 구조적 구성요소를 접합하는 계면부(206)와는 상이한 재료를 포함한다. 본 명세서에서 용어 "제 1(first)" 및 "제 2(second)"는 구성요소 크기 등급의 열내의 크기 등급의 절대 또는 상대 위치를 언급하는 것이 아니라, 열내의 그들의 위치를 참조하지 않고 하나의 크기 등급을 다른 것과 구별하는 데에만 이용됨을 이해할 것이다. 특정 실시예에 있어서, 구조적 구성요소의 크기 등급 각각은 그러한 크기 등급을 접합하는 계면부에 독특한 재료를 포함하는 계면부에 의해 서로 접합된다. 예를 들면, 구조적 구성요소의 3가지 크기 등급을 갖는 재료에 있어서, 제 1, 제 2 및 제 3 계면 재료가 서로 상이하도록, 기초 단위 크기 등급의 구성요소는 제 1 재료를 포함하는 계면부에 의해 서로 접합되고, 이들 기초 단 위 구성요소(즉, 열내의 다음의 크기 등급)만을 포함하는 분자 크기 등급의 구성요소는 제 2 재료를 포함하는 계면부에 의해 서로 접합되며, 최장의 크기 등급의 구성요소는 제 3 계면 재료에 의해 서로 접합된다.

계면상을 제조하는 것은, 예컨대 코팅법(coating method) 및 침투법(infiltration method)을 포함하는 임의의 몇 가지 공지된 방법에 의해 용이하게 성취될 수 있다. 코팅 방법은 계면상으로서 사용하도록 요구된 재료를 갖는 구조적 구성요소를 둘러싸는데 이용되고, 그 다음 코팅된 구성요소는 서로 팩킹(packing)되어서 코팅 재료가 팩킹된 구조적 구성요소 사이의 간극내에 배치된다. 예를 들면, 단결정 세라믹 섬유는 소망된 계면 재료로 코팅되고, 그 다음 미가공 상태[즉, 기계식 처리가 가능한 결합제(binder) 및 가소제(plasticizer)를 포함함]에서 복수의 코팅된 섬유는 계면상(섬유상에 코팅된 재료)에 의해 서로 접합된 복수의 기초 단위 구조적 구성요소(단결정 섬유)를 포함하는 필라멘트를 형성하도록 서로 공압출된다. 본 발명의 실시예에 있어서 분자 크기 등급의 구성요소인 필라멘트는 제 2 계면상에 되도록 요구된 재료로 차례로 코팅되고, 이러한 코팅된 복수의 필라멘트는 계면상(제 2 계면상)에 의해 서로 접합된 복수의 구조적 구성요소(보다 작은 필라멘트)를 포함하는 보다 큰 크기 등급의 필라멘트를 형성하도록 서로 공압출된다. 변형 실시예에 있어서, 계면 재료는, 때때로 계면 재료를 수용하는 계면 영역을 형성하도록, 선택적인 에치 공정(selective etch process)에 의해 진행되는 리소그래피 공정에서의 소정 재료의 선택적인 부착에 의해 제조된다. 변형예로서, 특정 실시예에 있어서, 예컨대 계면 재료가 벌크상이 메소포러스 산화세라 믹(mesoporous ceramic oxide)이고 계면 재료가 진공 침투를 거쳐서 산화물의 메소포러스 망상 조직으로 침투되는 경우, 재료를 통해 지나는 포러스 망상 조직을 침투함으로써 소정 위치에 계면 재료가 배치된다. 코팅 방법으로는, 이에 한정되지는 않지만, 화학적 증착법(chemical vapor deposition), 물리적 증착법(physical vapor deposition), 스프레이잉(spraying) 또는 딥핑(dipping)에 의한 적용법, 솔-겔 처리법(sol-gel processing method) 등이 포함된다.

한편, 기계 결합식 계면부는 구조적 구성요소의 접합을 성취하도록 계면상의 존재에 따라 다른 것이 아니라, 접합을 형성하여 유지하도록 구조적 구성요소의 표면 사이의 기계적 상호 작용에 따라 다르다. 특정 실시예에 있어서, 기계 결합식 계면부는 미끄럼 운동 및 결합의 순서를 통해 비탄성 변형을 수용하는, 에스페러티(asperity)로 공지된 거칠거칠한 특징(rough feature)을 갖도록 설계된다. 재료의 체적에 의한 횡방향 압박을 받는 계면부에서의 순차적인 미끄럼 운동 및 결합은 변형 경화(strain hardening)에 의해 성취되는 잔여 이동(residual displacement)을 초래한다. 계면부를 따른 미끄럼 운동 공정은 응력 집중(stress concentration)을 줄이고, 이에 따라 주요한 크랙의 형성을 지연하는 동안, 변형 경화 거동은 인접한 계면부를 따른 복수의 장소가 활성화되고 공정에 참여하게 한다. 이들 실시예에 있어서, 계면부를 따른 에스페러티의 진폭 및 파장은 복수의 장소의 형성을 허용하기에 충분히 크지만, 재료의 응력 집중 및 파괴를 야기하는 충분한 크기의 국부적인 결합 작동을 일으키기에 충분히 크지 않도록 설계된다. 계면 미끄럼 운동이 0.01 내지 0.1의 마찰 계수하에서 일어나는 경우, 상술한 계수의 적당한 밸런스를 성취하기 위해서, 에스페러티는 약 20 내지 50nm의 진폭을 가지고 약 50 내지 200nm의 파장으로 분리되어야 함이 본 기술에서 공지되어 있다. 이러한 결합 계면부의 예는, 진주층(mother-of-pearl)으로서도 불리는 진주층의 구조에서 알 수 있다. 압축된(소결되진 않음) 파우더 및 공압출된 섬유(계면상 첨가물이 없음)는 설계된 재료내의 기계 결합식 계면부에 의해 접합된 구조적 구성요소의 예이다.

계층 구조와 비벌크상(specific bulk phase) 및 계면상 재료 선택의 조합은, 본 발명의 재료에 있어서, 분자 크기 등급의 구조적 구성요소내에서 발생되는 예컨대 크랙, 간극, 다공 등과 같은 기계적 손상이 분자 크기 등급의 구조적 구성요소내에 포함된 복수의 구조적 구성요소 사이에서 분배된 방식으로 강하게 전파되도록 강하게 작용하는, 다시 말하면 적은 작업을 필요로 한다. 본 발명의 특징 실시예는 계면부(112)의 특성을 조작함으로써 분배된 파괴 모드(distributed failure mode)를 성취한다. 도 2를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)와 함께 접합되는 계면부(206)의 강인성은 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)내에 포함된 복수의 구조적 구성요소(204)와 함께 접합되는 계면부(202)의 강인성보다 크다. 상술한 바와 같이, 강인성은 재료의 완전한 파쇄를 야기하는데 필요한, 에너지로서도 언급되는 작업을 의미하도록 본 기술에서 잘 이해되는 용어이다. 이에 따라, 재료내의 파쇄되기에 가장 쉽고 손상이 전파되기 가장 쉬운 계면부는 기초 단위 등급의 구성요소(204)를 접합하는 계면부이고, 계면부는 종종 재료 선택을 통해 계면부에 의해 서로 접합되는 구조적 구성요소의 크기 등급이 증대될 때 점진적으로 보다 강하게 되도록 설계된다. 추가적으로, 분자 크 기 등급의 구조적 구성요소를 서로 접합하는 계면부(206)의 강인성은 적어도 하나의 벌크상(210)의 강인성보다 적으므로, 재료의 가장 강한 부분인, 적어도 손상이 전파되기 쉬운 영역은 기초 단위 크기 등급의 구성요소(210)를 포함하는 재료이다. 이로써, 손상(212)은 종래의 세라믹 재료에서 통상적인 바와 같은 재료를 직접 통하기보다는 최소 크기 등급의 구조적 구성요소의 계면부(202)에 의해 형성된 매우 복잡한 경로(highly convoluted pathway)를 따라 이동하는 것이 효과적으로 유리하므로, 전체 재료의 완전한 파쇄에 영향을 주는데 필요한 보다 많은 에너지를 초래한다. 파국적인 크랙의 전파는 구조적 구성요소 사이의 다수의 계면부에 의해 크랙 블런팅(crack blunting) 및 휨(deflection)을 통해 구속되어서, 재료가 손상되는 동안에도 그 전체를 유지하게 하는 보다 분배적인 파괴 모드를 제공한다. 따라서, 본 발명의 재료는 세라믹 재료의 이점을 이용하지만, 이들 재료가 일반적으로 나타내는 것보다 상당히 강화된 강인성을 갖는다.

계면부(112)(도 1)의 강인성과 같은 특성은 계면부(112)의 화학적 조성을 조작함으로써, 그들의 물리적 구조를 조작함으로써, 또는 이들 양자의 조합으로 제어될 수 있다. 예를 들면, 질화붕소(BN)를 포함하는 계면부는 분자 크기 등급의 구성요소내에서 기초 단위 크기 등급의 구성요소를 서로 접합하는데 이용된다. 분자 크기 등급의 구성요소는 BN보다 더 강한 산화알루미늄과 BN의 혼합물을 포함하는 계면부에서 서로 접합되어서, 본 발명의 실시예에 따르면 BN 계면부를 따라 손상이 강하게 전파되도록 하는 재료를 형성한다.

또한, 계면부의 구조는 계면 강인성을 제어하기 위해 조작될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에 있어서, 계면부(112)는 사전결정된 다공 레벨을 갖는 재료를 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 계면부(112)의 다공 레벨은 계면부(112)에 대응하는 구조적 구성요소(100)의 크기 등급의 함수로서 변화된다. 예를 들면, 몇몇 실시예에 있어서, 화학적으로 접합된 계면부(즉, 계면상을 포함하는 계면부)는 소결 재료를 포함한다. 예컨대, 소결 온도, 시간 및 개시 재료와 같은 소결 변수를 제어함으로써, 소결되는 재료의 다공성 및 이에 따른 본 실시예에서의 계면부의 다공성이 소정 레벨로 제어될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 코팅 또는 침투 공정이 구조적 구성요소상에 계면상으로 이용되도록 재료를 배치하는데 이용되는 경우, 처리 변수는 소정 결과를 성취하는 다공 레벨을 제어하도록 공지된 관계에 따라서 조작된다. 일반적으로, 계면 다공성이 높을수록, 계면부는 더욱 약해지거나 강해지지 않는데, 그 이유는 접합 장소를 형성하는 계면부에 적은 재료가 있기 때문이다.

본 발명의 다른 실시예는 본 명세서에 설명된 재료와 같은 본 발명의 재료를 포함하는 제품을 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 제품은, 이에 한정되지는 않지만, 터빈 블레이드(turbine blade), 베인(vane), 슈라우드(shroud) 및 연소기 구성요소(combustion component)를 포함하는 가스 터빈 조립체의 구성요소를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 재료 및 제품은, 이에 한정되지는 않지만, 자동 조립 기술, 종래의 적층 기술 및 리소그래피 기술을 포함하는 본 기술의 당업자에게 공지된 각종 기술을 이용하여 제조된다. 분자 자동 조립 기술은, 강한 극성을 갖는 화학적 전구체(precursor)가 그 자체를 정전기적 상호 작용에 따라 조립된 예견 가능한 주기적인 구조로 정렬하는 제조에서의 "상향식(bottom-up)" 접근법이다. 전구체의 선택에 따라서, 이 조립체는 (자연적으로 발생하는 상호 작용에 기인하여) 자발적일 수 있거나, 또는 외부 전기식, 자기식 또는 다른 분야, "안내된 자동 조립(guided self-assembly)으로서 알려진 기술의 적용에 의해 유도될 수 있다. 임의의 기술은, 예컨대 섬유, 시트 및 구와 같은 유용한 3차원의 기하학적 형상으로 구조체의 조립을 유도하도록 자발적 및 안내된 자동 조립의 조합을 이용한다. 재료가 적어도 하나의 벌크상 및 적어도 하나의 계면상을 포함하는 경우와 같은 본 발명의 실시예와 일치된 다수의 상 구조는, 비제한적인 예로서, 벌크상을 메소포러스 "틀 구조(framework)"로 조립한 다음, 상술한 바와 같이 다공을 계면상으로 침투함으로써 얻어질 수 있다. 또한, 계면상 재료는 본 기술에 잘 공지된 다수의 적당한 기술을 이용하여 적어도 하나의 벌크상을 포함하는 입자 또는 조립체상에 사전 기술된 바와 같이 코팅될 수 있다. 처리 루트를 따른 각종 단계에서, 각종 변환 단계가 전구체를 중간 조성물 또는 최종 조성물로 변환하는데 이용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 변환 단계는 열 노출, 다른 화학적 조성물, 전자기 복사 및 화학적 조성 변화에 영향을 미치기에 적합한 외부 영향을 포함할 수 있다. 분자 자동 조립 공정의 결과로서, 재료의 2차원 계층이 분자 전구체로부터 형성된 다음, 이에 한정되지는 않지만, 압출, 사출 성형 등을 포함하는 몇 가지의 적당한 공정에 의해 소정 형상으로 형성될 수 있다.

복합 재료를 처리하기 위한 적층 기술은 본 기술에 잘 공지되어 있고, 본 발명의 재료를 제조할 때 사용되기에 적합하다. 비제한적인 예로서, 예컨대 압출 전 에 섬유 또는 로드를 계면 재료로 코팅함으로써) 섬유 사이의 간극내에 배치된 제 1 계면 재료를 갖는, 광범위한 단면 형상의 단결정 세라믹 섬유 또는 로드는 제 1 계면 재료에 의해 서로 접합되는 복수의 섬유를 포함하는 각각의 필라멘트를 형성하도록 동압출된다. 그 다음, 이들 필라멘트는, 필라멘트가 서로 적층되고, 동압출되며, 또는 열내의 구조적 구성요소의 다음 레벨을 형성하도록 처리된 다른 처리될 때, 필라멘트를 서로 접합하는 계면 재료로서 기능하는 제 2 계면 재료의 층으로 코팅된다. 이 제 2 계면 재료는, (예컨대, 제 1 계면 재료에 의해 형성된 경로를 따라) 필라멘트내에 포함된 구조적 구성요소 사이의 손상의 분포를 촉진하도록, 상술한 본 발명의 특정 실시예를 유지하는데 있어서 강인성과 같은 특성을 갖도록 선택된다.

포토리소그래피 및 다른 리소그래피 기술은 본 발명의 재료를 제조하는데 이용되기에 적합한 잘 공지된 제조 기술의 또 다른 부류이다. 이들 방법은 기판상에 소정 패턴을 형성하도록 목표된 에칭 및 선택적인 재료 부착의 조합을 이용한다. 패턴은 2차원 또는 3차원일 수 있고, 패턴을 필요한 회수로 반복함으로써 소정 두께로 형성될 수 있다. 공지된 선택적인 부착 및 에칭 기술을 적절히 이용하면, 각종 구조적 구성요소 및 대응하는 계면부를 제조할 수 있다. 예를 들면, 벌크상 재료의 층이 기판상에 부착된 다음, 벌크상의 일련의 가까이 이격된 스트립을 형성하도록 선택적으로 에칭된다. 이 스트립은 제조되는 재료내의 기초 단위 크기 등급의 구조적 구성요소이다. 이에 따라, 제 1 계면 재료는 스트립 사이의 간극내에 선택적으로 부착된다. 계면상과 서로 접합되는 벌크상의 층은 분자 크기 등급의 구조적 구성요소이다. 이에 따라, 층은 제 1 계면상보다 높은 강인성을 갖지만 벌크상보다는 낮은 강인성을 갖는 제 2 계면 재료로 코팅되고, 그 다음 벌크상/제 1 계면상의 또 다른 층이 이전 층(prior layer)에서와 같이 제 2 계면 재료의 상부에 부착된다. 이 패턴은 소정 두께의 계층 재료를 형성하도록 반복될 수 있다.

예

이하의 예는 본 발명의 예시적인 실시예를 더욱 기술하고 설명하도록 제공되며, 임의의 방식으로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지 않는다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 재료(500)의 거동을 모델링하도록 컴퓨터 시뮬레이션이 설계되었다. 기초 단위 크기 등급(502)의 구조적 구성요소는 단면이 장방형인 벽돌 형상부였고, 이들 벽돌 형상부(502)는 장방형의 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(504)로 구성되어 각각의 분자 크기의 구성요소(504)는 가로층(course) 당 6개의 벽돌 형상부(502)의 5개의 가로층을 포함하였다. 벽돌 형상부(502)를 서로 접합하는 제 1 계면 재료(508)는 분자 크기 등급의 구성요소(504)를 서로 접합하는 제 2 계면 재료(510)의 0.1회의 계수와, 벽돌 형상부(502) 자체의 0.01회의 계수인 강인성을 갖도록 모델링되었다. 이 시뮬레이션에서 모델링된 재료(500)는 가로층 당 2개의 구성요소(504)에서 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(504)의 5개 가로층으로 구성되었다. 단축 응력 상태(512)를 시뮬레이팅하는 모델이 재료(500)에 적용되었으며, 일 단부에서 모델 재료의 경계부는 고정되었고 일정 변위는 대향 단부에 적용되었으므로, 고정된 변위량의 단차가 증분적으로 증대되었다. 대향 단부에서의 반응 하중은 각각의 단계에서 계산되었고, 변 위의 순차적인 증대는 모델이 재료의 파괴를 지시할 때까지 수행되었다. 비교를 위해, 도 4를 참조하면, 제 2 시뮬레이팅된 재료(600)는 제 2 재료(600) 벽돌 형상부를 서로 접합하는 벽돌 형상부(602)와 계면 재료(604)만으로 구성되도록 모델링되었다. 경계부 조건은 본 발명의 재료에 존재하는 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(504)가 없는 재료(600)를 제외하고, 비교 재료(600)와 동일하였다. 이에 따라, 제 2 시뮬레이팅된 재료(600)는 단일 레벨의 "계층"을 모델링하였고, 제 1 재료(500)는 2가지 레벨의 재료 계층을 모델링하였다.

시뮬레이션 결과는 단일 레벨의 계층 재료의 재료에 비해 본 발명의 재료의 우수성을 명백하게 나타내었다. 도 5는 곡선(A)으로 표시된 2가지 레벨의 계층 재료(500)(도 3)와, 곡선(B)으로 표시된 단일 레벨의 계층 재료(600)(도 4)에 대한 하중 대 변위 데이터를 도시하고 있다. 곡선(A)은 곡선(B)보다 높은 강도(곡선의 상대 높이) 및 강인성(곡선 아래의 영역)을 도시하고 있으며, 본 발명의 재료의 계층적인 구조 및 재료의 선택에 기인하는 우수한 기계적 특성을 예시하고 있다.

각종 실시예가 본 명세서에 설명되었지만, 요소, 변경물, 동등물 또는 개선책의 각종 조합이 당업자에 의해 이루어질 수 있고, 이들은 첨부된 특허청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위내에 있음이 명세서로부터 이해될 것이다.

본 발명에 따르면, 고온에서 개선된 강인성 및 손상 허용값을 제공하는 재료 및 제품을 얻을 수 있다.

Claims (14)

1. 증대되는 구조적 구성요소 크기 등급의 열로 구성된 복수의 구조적 구성요소(100)로서, 상기 열은 기초 단위 크기 등급(102) 및 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)을 가지며, 상기 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)의 구성요소는 상기 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함하는, 상기 구조적 구성요소(100)와,

   상기 기초 단위 크기 등급(102)의 구조적 구성요소는 적어도 하나의 벌크상(103)을 포함하며,

   상기 구조적 구성요소(100)는 계면부(112)에 서로 접합되며,

   분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에서 발생하는 기계적 손상(202)은 상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에 포함된 상기 복수의 구조적 구성요소 사이에서 분배된 방식으로 강하게 전파되도록 하는

   재료.
2. 제 1 항에 있어서,

   분자 크기 등급의 구조적 구성요소와 서로 접합하는 상기 계면부(206)의 강인성은 상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)내에 포함된 상기 복수의 구조적 구성요소(204)와 서로 접합하는 상기 계면부(202)의 강인성보다 크며,

   상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)와 서로 접합하는 상기 계면부 (206)의 강인성은 상기 적어도 하나의 벌크상(210)보다 작은

   재료.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 계면부(112)는 기계 결합식 계면부, 화학 접합식 계면부 및 그의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는

   재료.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 계면부(112)는 화학 접합식 계면부를 포함하며, 상기 계면부(112)는 적어도 하나의 계면상을 포함하는

   재료.
5. 제 4 항에 있어서,

   제 1 크기 등급(204)의 구조적 구성요소를 접합하는 상기 계면부(202)는 제 2 크기 등급(208)의 구조적 구성요소를 접합하는 계면부(206)와는 상이한 재료를 포함하는

   재료.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 계면상은 세라믹, 유리 세라믹, 탄소 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는

   재료.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 계면상은 육방정 질화붕소, 인산란탄, 산화알루미늄(알루미나), 탄화규소티타늄(Ti₃SiC₂), 실리카, 지르코니아 및 전술한 재료의 혼합물 및 조성물 중 적어도 하나를 포함하는

   재료.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 화학 접합식 계면부는 소결 재료를 포함하는

   재료.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 벌크상(103)은 세라믹, 유기 재료 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는

   재료.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 세라믹은 질화물, 산화물, 규소화물, 규산염 및 그의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는

    재료.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 세라믹은 탄화규소, 탄화티타늄, 탄화지르코늄, 탄화하프늄, 탄화몰리브데늄, 탄화탄탈륨, 질화실리콘, 옥시질화알루미늄 실리콘, 질화알루미늄, 질화티타늄, 이붕화티타늄, 이규화몰리브덴, 산화알루미늄 및 규산알루미늄을 포함하는

    재료.
12. 증대되는 구조적 구성요소 크기 등급의 열로 구성된 복수의 구조적 구성요소(100)로서, 상기 열은 기초 단위 크기 등급(102) 및 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)을 가지며, 상기 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)의 구성요소는 상기 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함하는, 상기 구조적 구성요소(100)와,

    상기 기초 단위 크기 등급(102)의 구조적 구성요소는 질화물, 산화물, 탄화물, 규소화물, 규산염 및 그의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 벌크상(103)을 포함하며,

    상기 구조적 구성요소(100)는 적어도 하나의 계면상을 포함하는 화학 접합식 계면부(112)에 서로 접합되며, 상기 계면상은 세라믹, 유리 세라믹, 탄소 및 그의 혼합물을 포함하며,

    분자 크기 등급의 구조적 구성요소와 서로 접합하는 상기 계면부(206)의 강인성은 상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)내에 포함된 상기 복수의 구조적 구성요소(204)와 서로 접합하는 상기 계면부(202)의 강인성보다 크며,

    상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(208)와 서로 접합하는 상기 계면부(206)의 강인성은 상기 적어도 하나의 벌크상(210)보다 작은

    재료.
13. 증대되는 구조적 구성요소 크기 등급의 열로 구성된 복수의 구조적 구성요소(100)를 포함하는 재료로서, 상기 열은 기초 단위 크기 등급(102) 및 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)을 가지며, 상기 적어도 하나의 분자 크기 등급(104)의 구성요소는 상기 열내의 다음의 보다 작은 크기 등급의 복수의 구성요소를 포함하는, 상기 재료와,

    상기 기초 단위 크기 등급(102)의 구조적 구성요소는 적어도 하나의 벌크상(103)을 포함하며,

    상기 구조적 구성요소(100)는 계면부(112)에 서로 접합되며,

    분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에서 발생하는 기계적 손상(102)은 상기 분자 크기 등급의 구조적 구성요소(104)내에 포함된 상기 복수의 구조적 구성요소 사이에서 분배된 방식으로 강하게 전파되도록 하는

    제품.
14. 제 13 항에 있어서,

    가스 터빈 조립체의 구성요소를 포함하는

    제품.

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