네트 제작 및 조정 가능한 강화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 16334(2023) 이 기사 인용

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MMC(금속 매트릭스 복합재)와 같은 첨단 소재는 혁신, 국가 안보 및 기후 변화 해결에 중요합니다. MMC는 탁월한 기계적 및 열적 특성으로 인해 군사, 항공우주 및 자동차 응용 분야에 사용되지만 비용이 많이 들고 번거로운 제조 공정으로 인해 채택이 더디게 진행되었습니다. 융합 필라멘트 제조 3D 프린팅을 사용하는 새로운 공정이 툴링이나 기계 가공 없이 그물 모양의 MMC를 만들기 위해 개발되었습니다. 이 공정에는 알루미나 프리폼을 프린팅한 다음 용융 알루미늄 합금을 무압력 침투시켜 복합재를 형성하는 과정이 포함됩니다. 이 과정에서 임의의 모양이 형성될 수 있으며(브레이크 레버와 플랜지가 시연됨) 세라믹 충전 기하학적 패턴과 세라믹 로딩을 변경하여 특성을 조정할 수 있습니다. 800MPa 이상의 강도와 140GPa 모듈러스를 초과하는 35vol% 연속 섬유 보강재를 사용하면 알루미늄 복합재의 경우 매트릭스 알루미늄 특성의 3.4배 및 2배가 달성됩니다.

첨단 소재는 혁신, 국가 안보, 기후 변화와 같은 대규모 과제 해결을 위한 핵심 요소로 간주되므로 전 세계적으로 전략적으로 중요합니다1,2. Deloitte가 Advanced Materials Systems 프레임워크에서 언급한 바와 같이, 고급 소재는 비용과 성능 사이의 기존 상충 관계를 깨뜨리고 기업이 경쟁력을 유지하기 위해 제품에 통합하는 데 필요할 것입니다3. 폴리머 매트릭스 복합재(PMC)는 시장에서 채택된 것으로 칭찬받는 고급 소재입니다2. 이러한 폴리머 매트릭스에서는 일반적으로 에폭시가 탄소, 유리 또는 Kevlar™ 섬유로 강화됩니다. 그 결과 생성된 복합재는 고성능 항공기, 풍력 터빈, 스포츠 용품 등 다양한 용도에 사용할 수 있는 경량, 고강도, 고강성 소재입니다. 그러나 Maine과 Garsney가 강조한 것처럼 이러한 혁신은 제조업체가 이를 수용할 수 있도록 프로세스 혁신이 개발될 때까지 실현되지 않았습니다4. PMC와 유사하게 금속 매트릭스 복합재(MMC)는 60년 전에 Stuhrke에서 처음으로 제작되었습니다5. 6의 선구적인 최신 MMC로 설명된 이 논문은 12~15% 붕소 필라멘트로 강화된 5개 층의 비합금 알루미늄으로 구성된 확산 결합 복합재에 대해 논의합니다. MMC는 군용(예: 갑옷 및 탄약), 항공우주(예: 엔진 부품, 랜딩 기어) 및 자동차(예: 브레이크 디스크) 애플리케이션7,8,9,10,11,12,13에 사용되지만 채택 제조, 특히 MMC 부품 성형의 어려움으로 인해 PMC보다 훨씬 뒤쳐졌습니다. 실제로 2022년 세계 PMC 시장 규모는 186억 달러14로 추산되는 반면, MMC 시장은 그 중 2%(3억6600만 달러)에 불과하다15.

MMC에서 금속 매트릭스는 연속 또는 불연속 탄소 또는 세라믹 섬유 및/또는 입자로 강화됩니다. AMC(알루미늄 매트릭스 복합재)는 가장 일반적인 유형의 MMC이며 PMC에서는 얻을 수 없는 매력적인 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 금속 매트릭스로 인해 AMC는 우수한 열 전도체이며 훨씬 더 높은 온도에서 사용할 수 있는 반면 강화로 인해 훨씬 ​​낮은 열팽창을 나타내고 실내 및 고온에서 우수한 강성과 강도를 가지며 우수한 마모를 나타냅니다. 강화되지 않은 알루미늄에 비해 저항이 높습니다. 그러나 세라믹 강화 AMC는 기존 방법을 사용하여 가공하기가 매우 어려우며 강화 부피 비율이 증가함에 따라 어려움이 급격히 커집니다. 이러한 과제로 인해 분말 야금, 압착 주조 또는 압력 침투 주조와 같은 그물 모양 또는 그물 모양에 가까운 제조 기술만이 고도로 강화된 복합재를 위한 실행 가능한 제조 옵션이었습니다. 그러나 이러한 기술에는 제조된 부품에 특정한 고가의 장비와 툴링이 필요합니다. 고도로 강화된 MMC를 제조하는 유망 기술은 무압력 침투로, 자체 지지형 세라믹 미립자 프리폼을 질소 분위기 용광로에서 용융 알루미늄-마그네슘 합금으로 채워진 내화 저장소에 배치합니다. 이 접근 방식에서는 용융된 합금이 모세관력으로 인해 세라믹 프리폼으로 흡수되고 합금 응고 시 AMC 부품이 생성됩니다. 침투에 금형이 필요하지 않더라도 이 기술은 여전히 ​​미립자 보강 프리폼을 성형하거나 압축하기 위한 도구 세트가 필요하므로 많은 응용 분야에서 엄청나게 비용이 많이 듭니다.