표면 거칠기 정량화 및 주조 최적화를 위한 새로운 기계 학습 접근 방식

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13369(2023) 이 기사 인용

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표면 거칠기는 재료의 수명에 부정적인 영향을 미칩니다. 이는 공식 부식을 가속화하고 유효 열 전달을 증가시키며 유효 전하 손실률을 증가시킵니다. 그러나 제어된 표면 거칠기는 많은 응용 분야에서 바람직합니다. 자동차 납축전지는 이러한 영향에 매우 민감합니다. 우리의 사례 연구에서 캐스트 온 스트랩 기계는 납-안티몬 합금의 표면 거칠기에 가장 큰 영향을 미칩니다. 이와 관련하여 통계적 상관함수는 이종 상관함수에 대한 통계적 형태학적 설명자로 흔히 사용됩니다. 2점 상관 함수는 2상 재료 구조의 미세 구조를 정량화하는 유용한 도구입니다. 여기에서는 표면 거칠기를 정량화하고 부식성이 높은 매질에서 사용할 때 전기화학적 부식을 줄이기 위한 솔루션으로 납산 배터리에 사용되는 납-안티몬 극과 스트랩을 최적화하기 위해 2점 상관 함수를 사용하는 방법을 보여줍니다. 그러나 우리는 이 방법이 레이저 절단뿐만 아니라 해수에 잠긴 파이프와 같은 광범위한 응용 분야의 표면 거칠기 매핑에 사용될 수 있다고 추론합니다. 2점 상관 함수에서 얻은 정보를 사용하고 시뮬레이션된 어닐링 절차를 적용하여 표면 미세 불규칙성을 최적화할 가능성을 조사합니다. 결과는 초기에 제안된 가설과 일치하는 성공적인 표면 표현 및 최적화를 보여주었습니다.

재료과학의 핵심은 재료 사면체입니다. 구성 요소 간의 중요한 관계를 아는 것이 원하는 특성을 가진 새로운 재료를 설계하는 열쇠입니다. 표면 특성은 재료의 파손을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. 납축전지 산업에서는 극과 스트랩(각 전기화학 전지 사이의 커넥터)이 배터리의 전기 및 열 전류 연결에 중요합니다1. 따라서 이러한 재료의 표면 균열 시작을 제어하는 ​​것은 배터리 성능과 제조 공정을 향상시키고 더 낮은 질량의 납 배터리 구성 요소를 설계하는 데 도움을 주어 납 소비와 독성을 줄이는 데 중요합니다. 극과 스트랩은 그림 1에 나와 있습니다. 극은 배터리의 단자이지만 스트랩은 각 단일 2.1V 배터리 셀에서 양극판을 서로 연결하고 음극판을 서로 연결하여 12.6V 배터리 스택을 형성합니다2. 플레이트를 각 스트랩에 용접하는 과정에서 플레이트의 러그가 플럭스되고 용접되어 표면이 매우 거칠어집니다. 배터리 스트랩은 부식성 매체(황산 1.27~1.28 sp.gr)2에 담겨 있습니다. 거친 표면은 재료의 전기화학적 부식에 영향을 미쳐 전기 전도성, 열 전도성이 저하되고 작동 중에 피로 균열이 시작됩니다3,4,5. 우리는 높은 방전율로 인해 많은 배터리 극이 폭발하는 것을 경험적으로 관찰했습니다. 거칠기는 문헌의 다른 재료 시스템에서 광범위하게 조사된 일반 부식에 대한 주요 영향 매개변수입니다. 그러나 우리 시스템에서는 거친 표면을 가진 셀 사이에 기둥과 커넥터를 생성하는 것이 부식을 증가시키는 다른 금속 시스템과 동일하게 수행할 수 있으며, 표면 균열이 코어를 향해 전파되는 가스 취성으로 인해 공동 경로가 생성될 수 있습니다. 배터리가 작동하는 동안 지속적인 수소와 산소 가스가 화학 반응에 의해 상승하고, 부식으로 인해 초기 균열이 발생하면 배터리의 진동으로 인해 피로가 발생할 수도 있습니다. 진행성이 높은 부식 샘플에서는 극에서 더 큰 직경의 공동과 부식 경로가 발견되어 표면 수축에 영향을 받아 극 폭발이 발생할 수 있으며, 이는 높은 진행성 부식에서 배터리의 주기성을 향상시키려는 시도를 제한합니다.