요약:
티타늄은 강도가 높고 무게가 가벼우며 내식성이 뛰어나 오랫동안 항공우주, 해양공학 등 다양한 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 티타늄은 물보다 밀도가 4배 이상 높기 때문에 사람들은 이 금속을 "떠다니는" 금속과 연관시킨 적이 없습니다. 이제 호주 왕립멜버른공과대학(RMIT 대학) 연구팀이 높은 강도를 유지하면서도 물 위에 떠 있을 수 있고, 장기간 부력을 얻을 수 있는 티타늄 구조물을 만드는데 성공했다.
연구팀이 개발한 것은 '부력 금속-고분자 개방형 격자 메타물질'이라는 새로운 구조다. 티타늄 자체의 밀도는 입방센티미터당 약 4.43그램으로 담수의 밀도인 입방센티미터당 약 1그램보다 훨씬 높지만, 연구진은 특수 구조 설계를 통해 이러한 특성을 변경했습니다.
부유 효과를 얻기 위해 연구진은 3D 프린팅 기술을 사용하여 Ti-6Al-4V 티타늄 합금 격자 골격을 구성하고 격자를 구성하는 모든 지지 빔을 중공 구조로 설계했습니다. 그런 다음 이 빈 채널의 내부를 경량 폴리우레탄 폼으로 채웠습니다. 결과적으로 생성된 복합 구조는 티타늄 금속의 기계적 특성을 유지할 뿐만 아니라 안정적인 부력을 달성합니다.
실험 과정에서 연구진은 소재가 갈라지거나, 연결 부분이 깨지거나, 격자층 일부가 전체적으로 손상되더라도 여전히 떠 있는 상태로 물에 가라앉지 않는다는 사실을 발견했다.
강도와 부력을 모두 갖춘 소재를 추구하는 이유는 해양공학 분야에 실무적 수요가 많기 때문이다. 부표, 해양 모니터링 센서, 해양 플랫폼 및 다양한 해양 인프라는 파도의 지속적인 충격을 견뎌야 할 뿐만 아니라 해수 부식에 저항하고 손상에도 불구하고 작동 능력을 계속 유지해야 합니다.
현재 널리 사용되는 스테인리스강과 고밀도 플라스틱은 일부 요구 사항을 충족할 수 있지만 강도, 내구성, 장기 신뢰성 측면에서는 여전히 한계가 있습니다. 티타늄 합금 자체는 내식성과 내피로성이 뛰어나 항상 이상적인 재료로 여겨져 왔습니다. 그러나 자연적인 높은 밀도로 인해 부유 시설에서의 적용이 제한됩니다.
연구원들은 과거 인간이 부유 문제를 해결하기 위해 주로 두 가지 방법에 의존했다고 말했습니다. 하나는 선박의 중공 구조를 이용해 많은 양의 공기를 감싸는 것이고, 다른 하나는 장비 내부에 폼 등 저밀도 소재를 추가해 부력을 제공하는 것이다. 최근 몇 년간 금속 격자 구조의 증가는 이 문제에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다.
3D 프린팅 기술을 통해 소량의 금속만으로 거대한 메쉬 구조를 구성할 수 있어 중량 대비 강도가 매우 높습니다. 일부 금속 격자의 전체 밀도는 물의 1/10 미만입니다. 그러나 이러한 구조는 개방된 기공이 빠르게 바닷물로 채워져 결국 가라앉게 되기 때문에 오랫동안 해양 환경에서 사용하기에는 실용적이지 않았습니다.
연구팀의 획기적인 발전으로 이 문제가 해결되었습니다. 전체 격자를 둘러싸는 대신, 그들은 단순히 속이 빈 티타늄 지지 빔의 내부를 폼으로 채웠습니다. 이는 격자 구조를 통해 바닷물이 자유롭게 통과할 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 부력이 오랫동안 유지되도록 보장합니다.
이러한 구조물의 부유 능력을 보다 정확하게 평가하기 위해 연구원들은 '골격 밀도'라는 새로운 계산 측정 기준도 제안했습니다.
기존 밀도 계산에는 격자 내부의 모든 열린 공간이 부피 범위에 포함되지만 이러한 공간은 실제로 물로 채워져 부력에 영향을 주지 않습니다. 새로운 뼈대 밀도 개념은 티타늄 합금 벽과 폼으로 채워진 영역을 포함하여 실제로 물을 밀어낼 수 있는 부분만 계산합니다.
이 이론에 따르면, 골격의 밀도가 주변 액체의 밀도보다 낮으면 외부 개구부가 많아 물이 통과하더라도 전체 구조가 안정적으로 부유할 수 있습니다.
성능 테스트 결과도 흥미롭다. 동일한 전체 밀도 하에서 이 새로운 부력 티타늄 구조의 강도는 현재 해양 공학에서 널리 사용되는 스테인레스 스틸이나 고밀도 폴리에틸렌의 강도보다 약 70% 더 높습니다.
또한 연구팀은 멜버른 포트 필립의 천연 해수를 사용하여 내식성 테스트를 수행했습니다. 그 결과, 시료를 바닷물에 2주간 담가두었을 때 질량의 손실은 약 0.15%에 그쳤고, 강도도 1% 미만 감소해 해양 환경에 대한 우수한 적응성을 나타냈다.
또한 실험 샘플은 2개월 이상 계속해서 담수에 떠서 오랫동안 안정한 상태를 유지했습니다. 연구원들은 이것이 구조가 이론적인 부유 능력을 가질 뿐만 아니라 실제 엔지니어링 응용 가능성도 가지고 있음을 증명한다고 믿습니다.
연구팀은 오랫동안 부유할 수 있는 금속 혼합 격자 메타물질을 구현한 것은 세계 최초라고 밝혔다. 향후 이 기술은 해양 부표, 해양 모니터링 장비, 해양 에너지 시설 및 해양 환경에 배치되는 다양한 형태의 인프라에 장기간 적용될 것으로 예상된다.
3D 프린팅 기술과 첨단 재료 공학이 계속해서 발전함에 따라 고강도, 내부식성, 지속적인 부력을 겸비한 이 새로운 유형의 '부유형 티타늄'은 미래 해양공학 설계에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.
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