과학 신소재 질문

과학 신소재 질문

끓는점 녹는점에 관한 신소재 알려주세요!

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초내열 합금 (super heat resisting alloy)

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고온에서의 사용에 견디는 것을 주요 목적으로 만들어진 합금으로 초합금·입자분산강화합금·결정제어합금을 합쳐서 칭하며 보통 700℃ 이상의 고온에 견딜 수 있도록 만들었으며, 제트 엔진의 터빈 날개 등에서 사용된다.

초합금에는 니켈이나 코발트를 주성분으로 하며 고온·강도 외에 치수의 시간 경과에 따른 변화나 산화·유화 등 부식에 대한 내구성이 요구되므로 많은 합금원소를 첨가하여 성질의 최적화를 꾀한다.

한편 입자분산강화합금에서는 초내열 합금인 니켈기(基) 합금에 토리야(이산화 트리움) 입자를 분산시킨 TD니켈과 니켈기 초합금에 미립의 이산화트리움을 분산시킨 것이 주류를 이루고 있다.

이들 합금은 초내열 합금이 고온에서 변형 파괴되는 것에 견딜 수 있는 내(耐)크리프 변형을 향상시키고 있다.

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초탄성 (superelasticity) 합금

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의탄성(Pseudoelasticity) 이라고도 불리며 형상 기억 합금이 탄성을 발휘하여 미리 설정된 모습으로 돌아오게 하는 성질을 말하며 강철과 같은 일반 기계 부품에 쓰이는 용수철에 비해 탄성 변형의 허용폭이 더 크다.

이를테면, 기계 부품으로서 그 기계의 작동 온도보다 낮은 온도로 탄성을 회복하는 형상기억합금으로 용수철을 만들어 사용할 경우, 보다 큰 부하를 용수철에 걸 수 있기 때문에 공학쪽에서 보면 설계가 더 유리하다.

특히 탄성 회복 온도가 낮은 형상기억합금을 의탄성 합금이라고 말한다.

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액체 금속 (liquid metal)

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액체상태로 되어 있는 금속. 상온에서의 수은이나 원자로 또는 고온동력기관의 냉각재로 쓰는 나트륨·리튬 및 나트륨-칼륨 합금은 그 사용온도에서 액체상태이므로 액체금속이다.

또는 일반적인 금속소재보다 매우 단단한 비정질합금(Amorphous Alloy)을 액체금속이라고 부르기도 한다.

넓은 뜻으로 녹는점 이상에서 액체상태가 된 모든 금속이 포함되지만, 좁은 뜻으로는 사용온도에서 액체상태인 금속만을 가리킨다.

금속이 융해해 액체금속이 될 때 나트륨 등의 알칼리금속은 2∼3%, 구리·은·금은 4∼5% 그 부피가 증가하지만, 갈륨(Ga)·비스무트(Bi) 등은 3% 정도 감소한다.

액체금속의 구조는 X선·중성자선의 회절에 의해 알아볼 수 있다. 비록 액체상태여도 어떤 1개의 원자 주변의 원자의 배치는 고체상태에서의 배치와 아주 비슷하다.

원자로에는 핵연료에서 발생한 열을 밖으로 보내기 위해 냉각재가 사용된다. 좋은 냉각재는 중성자의 흡수단면적이 작아야 하고, 열전도도가 높으며, 점성과 비중이 작아 순환에 소요되는 동력이 적어야 한다.

또 녹는점이 낮고 끓는점이 높으며, 열 및 방사선에 대해서 안정하고 유도방사능(誘導放射能)이 적으며, 부식성이 없는 것이 좋다.

나트륨이나 나트륨 합금은 액체금속의 상태일 때 이런 조건을 만족하므로, 고속증식로의 냉각재로 많이 쓴다.

이와는 별개로 액체처럼 불규칙한(비정질) 원자구조를 지닌 합금인 비정질합금을 액체금속이라고 부르기도 한다.

비정질합금은 분자단위까지 관찰해도 결정구조가 없기 때문에 일반적인 금속소재보다 단단하지만 가공성이 떨어져 과거에는 분말이나 얇은 리본형태로만 제품 가공이 가능했다.

그러나 90년대 이후 적당한 열을 가하면 플라스틱처럼 자유자재로 형태를 만드는 비정질합금 제조법이 개발되면서 새로운 산업용 소재로 급부상하고 있다.

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초전도재료 (superconducting material)

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초전도 특성을 가지고 있는 재료로, 다양한 형태로 가공해 코일 등으로 만들어 사용한다.

현재 비교적 널리 사용되고 있는 초전도재료들의 온도 상한은 10~20K이다.

아주 저온에서 초전도현상을 일으키므로, 이것을 선재(線材)로 가공해 초전도코일의 권선 등으로 사용한다.

현재 알려져 있는 초전도체는 나이오븀·바나듐과 같은 원소를 함유하는 합금 또는 금속화합물인데, 그 중에서도 잘 알려져 있는 것은 나이오븀-지르코늄(지르코늄 약 20%)합금, 나이오븀-타이타늄 (타이타늄 약 40%)합금, 나이오븀-주석의 화합물 Nb3Sn 및 바나듐-갈륨의 화합물 V3Ga 등이다.

이들 재료가 초전도현상을 보이는 온도의 상한은 각각 10.8K, 9.7K, 18.0K, 14.5K이다.

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■무기계 신소재(비금속 무기재료)

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파인 세라믹스 (fine ceramics)

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뉴세라믹스라고도 불리우며 가볍고, 내마모성, 내열성 및 내화학성이 우수해 연료효율 향상, 생산성 증대, 희귀자원의 대체에 크게 기여할 수 있어 향후 20~25년 후 급성장이 예상되는 재료다.

제트엔진에 사용할 경우 현재의 작동온도 1000℃를 1500℃로 상승시킬 수 있다.

엔진의 작동온도를 30도 올리면 엔진 출력을 20%상승시키게 된다.

파인 세라믹스로 제조한 주요 제품은 절삭공구 터보차저의 회전자, 기계의 실부품, 자동차 벨브 등 다양하다.

결점은 강도가 약한 편이며 제조비는 비싸지만 원료는 금속과 고분자 물질을 제외한 거의 모든 재료에서 얻을 수 있다.

미세한 입자로 제조된 유리 시멘트, 도자기 등의 요업재료가 이에 속한다.

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■구조용 복합재료

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HSLA 합금

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고강도 저합금강으로서 HSLA(high strength low alloy steel)는 자동차용 탄소강판의 대용제품이며, 자동차 한 대당 135kg을 사용함으로써 폐차할 때까지 약 1140l의 연료를 절약할 수 있다고 알려져 있다.

이 재료의 개량품으로써 DP(dual phase)강이 개발되고 있다.

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DP강

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복합조직강(dual phase alloy)으로서 HSLA강의 결정을 보강하기 위해 개발됐고 자동차의 경량화 재료로써 활용하려고 연구되고 있다.

이 강은 저탄소강으로서 성형성이 극히 우수하고 강도가 높으며, 기지조직은 약 80%PF(polygonal ferrite) 와 약20% 분산된 마텐자이트 또는 베이나이트조직과 액간의 잔류 오스테나이트의 혼합조직들로 구성돼 있다.

DP강은 항복점이 잘 나타나지 않으며 낮은 응력에서 항복이 발생해 점진적이고 연속적으로 응력이 증대하면서 연신되고, 가공 경화 속도가 커서 최대 인장 강도는 최초의 항복강도에 비해 아주 크고 많은 양의 가공 후에 높은 강도를 유지해야 되는 자동차용 재료로 각광받고 있다.

DP강의 최대인장강도는 분산돼 존재하는 마텐자이트조직이 많을수록 증가하므로 마텐자이트 양을 5~30% 범위에서 조절하는 것이 좋다.

DP강의 산업적 제조는 열간 또는 냉간압연된 스트립을 연속적으로 풀림 처리하는 방법과 열간압연한 상태로 사용하는 방법 등이 있다.

그러나 열간압연한 상태의 재질이 풀림처리한 것에 비하여 아주 미세한 페라이트 결정입도를 형성하므로 동일 탄소량의 강일 때에도 약간 높은 강도를 유지한다.

결굴 DP강의 강도향상방법은 마텐자이트의 양을 증가시키거나 페라이트 결정입도의 미세화가 가장 용이한 것으로 알려져 있다. 그러나 마텐자이트의 양을 증가시키려면 탄소량이 많아지므로 강의 용접성이 저하된다.

최대 인장강도를 요할 때 열간압연한 DP강은 8~12%의 마텐자이트(0.05~0.07%C)가 필요한 반면, 풀림 처리한 DP강은 20~24%의 마텐자이트(0.11~0.13%C)가 필요하므로 열간 압연한 재질이 용접성이 우수함을 알 수 있다.