퍼듀 대학교(Purdue University) 공학 연구원들은 최근 재료 과학 분야에서 획기적인 발전을 이루었고 새로운 코발트-알루미늄 나노적층 복합 재료를 성공적으로 개발했습니다. 이 소재는 전통적인 고성능 금속의 양립할 수 없는 강도와 연성의 저주를 완전히 깨뜨립니다. 강도는 고강도 구조용 강철의 최대 10배에 달할 수 있으며, 실온에서의 변형 및 파손에 대한 저항력도 여전히 우수합니다. 이번 연구 결과는 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 공식 게재됐다.
항공우주 및 에너지와 같은 고정밀 분야에서 터빈 블레이드와 같은 핵심 부품은 굽힘, 균열 또는 크리핑 없이 극한의 고온과 심한 기계적 응력을 견뎌야 합니다. 코발트, 알루미늄 등의 금속간화합물은 규칙적인 결정구조로 인해 매우 높은 융점, 내크리프성, 강도를 갖고 있지만, 치명적인 약점은 상온에서 매우 부서지기 쉽고, 외부 충격에도 부서져 실제 제조 및 응용에 큰 어려움을 안겨준다.
이러한 업계 문제를 해결하기 위해 퍼듀 대학교 연구팀은 기존의 관행을 깨고 제조 공정에 원자 수준의 결함을 도입했습니다. 연구진은 마그네트론 스퍼터링 증착 기술을 사용하여 재료를 합금 증기에서 고체 필름으로 직접 변환했습니다. 그 과정에서 그들은 코발트-알루미늄 재료 내부에 기존의 미세한 전위를 대량으로 교묘하게 이식하고 비정질 경계면으로 구성된 독특한 프레임워크를 구축했습니다. 이러한 비정질의 유연한 경계는 외부 힘에 의해 압출 및 변형될 때 부분적으로 결정화되어 주변 코발트-알루미늄 층에서 더 많은 전위를 활성화하고 유도합니다. 이러한 미세한 디자인은 원래 깨지기 쉬운 결정 격자에 새로운 에너지 흡수 및 변형 메커니즘을 제공합니다.
나노역학 테스트에 따르면 이 새로운 코발트-알루미늄 나노적층 재료의 항복 강도는 고강도 구조용 강철의 6~10배에 해당하는 놀라운 6기가파스칼에 도달합니다. 동시에 상온 압축 조건에서 15% 이상의 소성 변형률을 견딜 수 있어 영구 변형 및 취성 파괴에 강한 저항성을 나타냅니다. 휴스턴 대학의 연구원들은 분자 역학 시뮬레이션을 통해 이 비정질 인터페이스가 압력을 받을 때 소성 변형의 활성 소스로 작용하여 초고 기계적 강도와 우수한 연성의 균형을 완벽하게 유지한다는 사실을 추가로 확인했습니다.
연구팀은 이번 혁신이 금속간 화합물의 취성 결함을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제공할 뿐만 아니라, 항공우주, 우주탐사, 첨단 에너지 및 국방 분야에서 미래 첨단소재 설계를 위한 견고한 기반을 마련했다고 밝혔다. 다음 단계에서 연구자들은 이 나노 규모의 구조 설계 개념을 대규모 벌크 복합재 제조로 확장하고 다른 부서지기 쉬운 금속간 화합물 시스템에 대한 적용을 촉진하여 더 넓은 산업 응용 분야에 초강력하고 견고한 새로운 합금을 홍보하기 위해 노력할 것입니다.