더 강한 합금을 만드는 직관에 반하는 방법

2023년 2월 9일

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노르웨이 과학 기술 대학교 Kelly Oakes

인간은 수천년 동안 더 유용한 재료를 만들기 위해 금속을 혼합해 왔습니다. 기원전 3300년경 시작된 청동기 시대는 구리와 주석의 합금으로 금속 단독보다 강한 청동을 사용하는 것이 특징입니다.

이제 NTNU의 연구자들은 훨씬 더 최근의 발명품인 나노 크기의 합금 원소 입자를 특징으로 하는 나노 입자 합금을 더욱 강하게 만드는 직관에 반하는 방법을 발견했습니다.

알루미늄은 가볍지만 내구성이 뛰어나 항공우주, 운송, 건설 산업에서 부품을 만드는 데 널리 사용되는 금속입니다. 알루미늄 합금은 이러한 특성을 유지하지만 알루미늄 단독보다 더 강합니다.

NTNU 재료공학과 물리야금학 교수인 Yanjun Li는 "물론 순수 알루미늄이라면 충분히 강하지 않습니다."라고 말합니다.

그러나 최근 몇 년 동안 구리를 함유한 알루미늄의 나노입자 합금을 만들려고 시도하는 연구자들은 문제에 직면했습니다. 구리 원자는 서로 뭉치는 경향이 있어 재료 내부에 알루미늄과 함께 거친 입자를 형성하는 경향이 있으며, 특히 100°C 이상의 온도에서 더욱 그렇습니다.

구리가 더 이상 재료 전체에 고르게 분포되지 않으면 합금이 약해집니다.

"그들은 함께 축적되어 큰 입자를 형성합니다"라고 Li는 말합니다. "이러한 입자는 크기가 크면 실제로 강도를 감소시킬 수 있습니다."

구리 원자는 소위 공극(원자가 차지하지 않은 공간)이 있으면 물질을 통해 이동할 수 있습니다.

그래서 연구자들은 원자의 이동 능력을 줄이기 위해 빈자리 수를 최소화하려고 노력해 왔습니다.

"빈 공간이 없다면 물론 어떤 원자도 움직일 수 없습니다"라고 Li는 말합니다.

그러나 이제 Li와 그의 동료들은 공석 수를 늘리는 동시에 결과 합금의 강도를 높이는 방법을 찾았습니다.

Nature Communications 저널에 발표된 연구에서 연구진은 알루미늄에 구리 원자뿐만 아니라 스칸듐 원자도 추가하면서 공석 수를 늘렸습니다.

스칸듐과 구리 원자는 빈 공간과 함께 물질을 통해 쉽게 이동할 수 없는 구조를 형성했습니다.

"그들은 매우 안정적입니다"라고 Li는 말했습니다. "그들 중 누구라도 움직이기가 더 어려워집니다."

새로운 스칸듐-구리 구조 덕분에 합금을 24시간 동안 200°C로 가열하더라도 이전에 형성되었을 큰 알루미늄-구리 입자가 완전히 억제되었습니다.

이러한 안정성은 구리 원자가 재료 전체에 고르게 분포되어 있으며 합금이 추가된 강도를 유지한다는 것을 의미합니다.

연구팀은 물질 내부의 원자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확인할 수 있는 기술인 APT(Atom Probe Tomography)를 사용하여 구리-스칸듐-공극 클러스터를 확인했습니다.

박사. 학생 Hanne Søreide는 NTNU Nanolab의 Focused Ion Beam을 사용하여 직경이 50nm에 불과한 매우 얇은 합금 바늘을 준비했습니다. 그런 다음 그녀는 원자 탐침을 사용하여 바늘 꼭대기에서 원자를 하나씩 증발시켰고, 검출기는 원자에 대한 정보를 포착했습니다.

"다른 원자는 더 빠르게 또는 더 느리게 날아갈 수 있습니다"라고 Li는 말합니다.

이 정보를 사용하여 연구자들은 각 원자가 원래 물질에 있었던 위치에 대한 그림을 재구성했습니다. 그들은 두 가지 다른 합금 원소의 원자가 알루미늄 내부에서 함께 결합되는 것을 보았습니다.