그래핀 강화 알루미늄 매트릭스 복합재의 미세구조 분석, 마찰학적 상관 특성 및 강화 메커니즘

Dec 03, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9561(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 그래핀 강화 알루미늄 매트릭스 복합재가 고에너지 볼 밀링을 통해 성공적으로 제조되었습니다. 그 결과, 혼합분말에서는 그래핀 뭉침이 발견되지 않는 것으로 나타났다. 고에너지 볼밀링과 분말야금으로 제조된 복합복합체는 대략 4~5층의 그래핀을 가지며, 단일층 그래핀의 두께는 대략 0.334nm이다. 최종 실험 결과는 미세구조 내 화합물 AlC3의 형성을 확인하였으며, 그 회절점 지수는 (\(\overline{2 }\)00), (\(\overline{1 }\)1\(\overline{1 }\)) 및 (11\(\overline{1 }\)). 최대마찰계수는 0.126, 평균마찰계수는 0.027로 내마모성과 내식성이 양호한 것으로 나타났다. 또한 재료의 마찰 부식 메커니즘을 심층적으로 분석합니다. 강화 메커니즘 분석 결과, 본 실험에서 설계한 재료의 주요 강화 메커니즘은 열적 불일치 강화인 것으로 나타났다. 수정된 모델에 의해 계산된 재료의 항복강도는 227.75MPa라는 결론을 내릴 수 있다. 이 값은 일반 전단지연모델의 계산값(237.68MPa)보다 약간 낮은 값이다. 그러나 실제 재료의 항복강도 값(211MPa)에 더 가깝습니다.

알루미늄 매트릭스 복합재는 우수한 특성으로 인해 항공우주, 자동차, 군사 및 전자 포장과 같은 다양한 분야에서 널리 사용됩니다1,2. 교반 주조, 압력 침출, 마찰 교반 및 분말 야금을 포함하여 이러한 종류의 금속 복합재 준비 기술이 점차 성숙해졌습니다. 알루미늄 매트릭스 복합재의 강화 접근법은 어떤 방식으로든 불연속적인 단단한 상을 매트릭스에 추가하는 것입니다. 널리 사용되는 몇 가지 강화 단계에는 세라믹 입자, 위스커, 단섬유 등이 포함됩니다4. 알루미늄 매트릭스 복합재의 특성을 개선하기 위해 경질상을 추가하는 것이 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다. 그러므로, 경질상으로 개선된 알루미늄 매트릭스 복합재를 연구하는 것은 큰 의미가 있다.

기술이 발전함에 따라 더 많은 분야의 재료 요구 사항을 충족하기 위해 새로운 강화 단계가 지속적으로 탐색되고 있습니다. 또한, 일종의 강화에 대한 욕구는 다차원 가공 기술을 통해 처리되어 알루미늄 매트릭스 복합재를 강화할 수 있습니다. 2004년부터 영국 맨체스터 대학의 과학자 Geim과 Novoselov는 미세 기계적 스트리핑을 사용하여 흑연에서 그래핀을 성공적으로 분리하고 전자 특성을 설명했습니다5. 과학기술의 발달로 그래핀에 대한 선호도가 높아지고 있으며, 그 응용분야도 확대되고 있다. 이는 주로 그래핀의 뛰어난 열전 특성과 130GPa의 인장 강도 때문입니다. 영률은 1TPa이며 변형 저항이 뛰어납니다6,7. 따라서 그래핀은 과학계에서 많은 관심을 받고 있다. 그래핀은 금속재료뿐만 아니라 비금속재료에도 첨가되는 것으로 밝혀졌다. 재료의 특성에 중요한 영향을 미치기 때문에 재료 특성의 연구 및 개선에 널리 사용됩니다. 그래핀은 재료 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

그러나 그래핀은 응용 분야에서 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 그래핀은 최대 2630 cm2/g8의 큰 비표면적을 갖고 있어 그래핀이 쉽게 응집됩니다. 그래핀이 매트릭스에 균일하게 분포되지 않으면 재료의 특성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이를 위해 문제를 개선하고 그래핀의 균일한 분산을 달성하기 위해 다양한 접근 방식이 시도되었습니다. Wang 등은 매트릭스에 효과적인 그래핀 분산을 달성하기 위해 산화 그래핀 나노시트와 폴리비닐 알코올을 혼합하여 알루미늄 플레이크 분말을 변형했습니다. 복합재는 분말 야금 및 열간 압출을 통해 성공적으로 제조되었습니다. Xin Gao 등10은 서로 다른 전하의 상호 인력을 통해 산화알루미늄 분말에 그래핀 시트를 균일하게 흡착하는 것을 달성했습니다. 균일하게 분산된 그래핀으로 강화된 알루미늄 매트릭스 복합재는 분말 야금법으로 제조되었습니다. 일부 긴급한 문제와 결함으로 인해 여전히 개발 및 적용이 제한됩니다. 예를 들어, 제품의 무게를 줄이고 재료의 고온 저항, 바이트 저항 및 내마모성을 동시에 보장합니다.