합금의 결정립 경계에서 석출물 성장 안정화

재료는 흔히 하나의 상으로 간주되지만 많은 엔지니어링 재료에는 두 개 이상의 상이 포함되어 있어 특성과 성능이 향상됩니다. 이러한 2상 물질은 미세구조에 침전물이라고 불리는 함유물이 내장되어 있습니다. 두 가지 이상의 금속을 결합한 합금은 내장된 석출물로 인해 기계적 성질이 매우 우수하기 때문에 제트 엔진용 터빈, 자동차용 경량 합금 등 다양한 용도에 사용됩니다. 그러나 평균 석출물 크기는 조대화(coarsening)라는 과정에서 시간이 지남에 따라 증가하는 경향이 있으며, 이로 인해 나노규모 석출물이 있는 미세 구조의 성능이 저하됩니다.

일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 연구진새로운 경로를 발견했습니다 합금의 나노 규모 침전물을 안정화합니다. 새로운 연구에서 재료 과학 및 공학 교수인 Pascal Bellon, 박사후 연구원 Gabriel Bouobda Moladje 및 그들의 동료들은 비평형 공정을 활용하여 석출물 조대화를 중지하여 안정적인 나노 구조를 얻을 수 있음을 보여주었습니다.

이번 연구 결과는 최근 Physical Review Letters에 게재됐다.

Bellon은 “지난 20년 동안 연구자들은 나노크기의 함유물이 구조에 실제로 매우 유익할 수 있다는 사실을 깨달았습니다.”라고 말했습니다. "문제는 이 작은 입자들이 자발적으로 더 커지기를 원한다는 것입니다."

파스타를 만드는 것과 비슷하다고 생각해보세요. 끓는 물에 기름을 넣고 처음 섞을 때 기름 방울은 작을 수 있지만, 젓는 것을 멈추면 기름 방울이 서로 결합하여 더 큰 방울을 형성합니다. 이것이 거칠어지는 과정이다. Bellon은 “소규모 물체의 분포에 관심이 있다면 물체가 거칠어지는 자연스러운 경향에 맞서 작업해야 합니다.”라고 설명합니다.

연구팀은 컴퓨터 모델링을 사용하여 비평형 힘인 방사선 조사를 받을 때 입자 경계라고 불리는 물질의 서로 다른 결정 사이의 영역에 형성된 침전물을 조사했습니다. 평형 환경에서는 힘이 균형을 이루며 재료에 순 변화가 없습니다. 그러나 대부분의 응용 분야에서 단단한 재료는 조사나 심지어 교반과 같은 비평형 힘을 받습니다. 그러므로 이러한 비평형 환경에서 침전물이 어떻게 진화하는지 이해하는 것이 중요합니다.

“우리는 에너지 입자 조사를 받는 합금에 특히 관심이 있었습니다.”라고 Bellon은 말합니다. “이것은 예를 들어 핵 응용 분야에 사용되는 재료에서 발생하는 상황입니다. 우주선(cosmic ray)의 공격을 받는 우주에서 사용되는 재료의 경우에도 마찬가지입니다. 우리가 구체적으로 조사한 것은 알루미늄과 안티몬의 모형 합금이었습니다.”

알루미늄과 안티몬의 합금에서 안티몬은 기름이 물에 물방울을 형성하려는 것처럼 침전물을 형성하려고 합니다. 연구자들은 조사될 때 예상대로 결정립 경계에 침전물이 형성된다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들은 또한 침전물이 거칠어지고 계속 성장하는 대신 특정 크기에 도달하고 멈추는 것을 발견했습니다. 이를 조잡한 행동을 정지했다고 하는데 예상치 못한 결과였습니다.

이 접근법은 배터리의 전극 간 이온 종의 이동과 같이 종의 이동이 중요한 역할을 하는 다른 재료 시스템에 적용될 수 있습니다. 배터리 재료에서는 석출물이 작은 것이 유리할 수 있습니다. 석출물이 크면 재료에 많은 응력이 발생할 수 있기 때문입니다. 그러한 경우에는 조대화를 억제하는 것이 유리할 것입니다.

이 전산 연구에 이어 Bellon은 UIUC MatSE 교수인 Robert Averback 및 Marie Charpagne와 함께 최근 발표된 결과에 대한 실험적 검증을 탐색하기 시작할 계획입니다. Bellon은 "모델링, 이론 및 실험을 결합하는 동시에 모든 재료 연구소 도구를 활용하여 실험 수준에서 컴퓨터 시뮬레이션의 예측을 테스트하게 되어 기쁘게 생각합니다."라고 말합니다.