새로운 내구성의 구리

연구원들은 열처리 사이클을 통해 탄성칼로리 냉각에 필요한 높은 주기 부하를 견딜 수 있는 내파괴성 합금을 개발했습니다.

도쿄이과대학

이미지: 도쿄 이과 대학 연구진은 상 경계 전체에서 가열 및 냉각을 반복하여 결정립 크기를 늘리고 결정립 경계를 줄여 내구성이 더 뛰어난 합금을 개발했습니다.더보기

출처: 일본 TUS의 Kenjiro Fujimoto

탄성칼로리 효과는 물질이 기계적 응력에 노출되었을 때 온도 변화를 나타내는 현상입니다. 온도변화는 응력하에서 재료의 결정구조 변화에 따른 마르텐사이트 변태에 따른 엔트로피 차이로 인해 발생한다. 고무 밴드가 늘어나면 유사한 효과가 관찰됩니다. 고무 밴드의 폴리머 사슬이 규칙적인 방식으로 정렬되어 엔트로피가 감소합니다. 이로 인해 고무밴드가 주변으로 열을 방출하고 따뜻해집니다. 고무줄을 풀면 반대 현상이 일어나 고무줄이 냉각됩니다.

고무 밴드와 마찬가지로 금속 초탄성 형상기억합금(SMA)도 냉각을 위해 탄성 고칼로리 효과를 활용할 수 있습니다. Cu, 알루미늄(Al) 및 아연(Zn)으로 구성된 구리(Cu) 기반 SMA는 온도 상승을 유발하기 위한 저렴한 비용과 적당한 응력 요구로 인해 특히 유망합니다. 그러나 Cu-Al-Zn SMA는 거친 결정립과 수많은 결정립 경계가 반복적인 팽창과 수축으로 인해 파손되기 쉽기 때문에 주기적인 피로 문제를 겪고 있습니다.

이제 2023년 3월 31일 Journal of Physics: Energy에 발표된 연구에서 도쿄 이과 대학의 Kenjiro Fujimoto 교수, 메릴랜드 대학의 Ichiro Takeuchi 교수가 미국 메릴랜드 에너지 및 센서 기술의 연구원들과 함께 높은 반복 하중을 견딜 수 있는 내구성이 뛰어난 Cu-Zn-Al SMA입니다. "우리는 68Cu-16Al-16Zn 합금의 탄력성 칼로리 특성을 개선하기 위해 결정립 성장을 촉진하는 조건을 찾고 있었습니다"라고 Fujimoto 교수는 연구의 동기를 설명하면서 말했습니다.

최근 그들은 혼합 및 고온 단계에서 Cu-Al-Mn 합금을 반복적으로 가열 및 냉각하면 재료의 입자 크기가 증가한다고 보고했습니다. 이러한 발견에 흥미를 느낀 연구팀은 유사한 상 변형이 Cu-Zn-Al 합금의 특성을 향상시킬 수 있는지 여부를 조사하기로 결정했습니다.

Cu-Al-Zn 합금을 준비하기 위해 연구진은 Cu, Al 및 Zn을 탄소 도가니에 결합했습니다. 그들은 아연의 휘발을 억제하기 위해 낮은 압력에서 금속을 녹였습니다. 일단 합금이 준비되면, 연구원들은 이를 냉각하고 세 가지 다른 압연 속도(각각 0%, 67%, 83%)로 7mm 두께의 주괴로 압연했습니다. 그런 다음 고온 X-선 회절을 사용하여 합금의 상 경계 온도를 결정했는데, 이는 혼합상과 고온 상 사이의 상 경계가 700°C와 750°C 사이에서 발생한다는 것을 보여줍니다. 이를 토대로 연구진은 합금을 500°C에서 900°C 사이에서 가열과 냉각을 반복했습니다.

열처리 사이클을 거친 모든 잉곳은 결정립 크기의 증가를 보였으며, 67%의 비율로 압연된 합금에서 최대 증가가 관찰되었습니다. 초기 잉곳의 결정립 크기는 2.21mm였으나, 이 그룹의 열처리된 잉곳의 평균 결정립 크기는 11.1mm로 증가하였다.

Fujimoto 교수는 "결과는 67% 압연 비율 외에도 주기적인 상 경계에 걸친 열처리가 단결정과 같은 입자 성장에 효과적이라는 것을 나타냅니다."라고 말했습니다. 더 큰 결정립과 더 적은 결정립 경계로 인해 열처리된 합금은 파괴에 훨씬 더 강했고 2% 변형률에서 60,000회 이상의 기계적 사이클을 견딜 수 있었습니다.

또한 열처리 공정은 Cu-Zn-Al 합금의 탄성 고칼로리 특성을 크게 향상시켰습니다. 이전에 보고된 동일한 조성의 합금과 비교하여, 열처리된 합금은 해제 변형률에 대한 잠열이 6.3J/g으로 이전에 측정된 값인 2.3J/g의 두 배 이상인 것으로 나타났습니다. 이는 열처리된 합금이 더 효과적으로 냉각될 수 있음을 나타냅니다. 또한, 합금은 낮은 반복 하중(106MPa)에서 로딩 및 언로딩 시 각각 +5.9K 및 -5.6K의 단열 온도 차이를 나타냈습니다.