엔지니어들이 새로운 형태를 개발하다

Oct 06, 2023

매사추세츠 공과대학, 매사추세츠주 케임브리지

금속이 아닌 세라믹이라는 새로운 범주의 형상 기억 재료의 발견은 특히 제트 엔진 내부의 액추에이터와 같은 고온 설정에 대한 새로운 응용 분야를 열 수 있습니다.

형상 기억 소재는 서로 다른 두 가지 모양을 갖고 있으며 두 모양 사이를 앞뒤로 전환할 수 있습니다. 온도, 기계적 응력, 전기장이나 자기장에 의해 쉽게 촉발되어 힘을 가하는 방식으로 모양이 바뀔 수 있습니다.

MIT 재료공학과 교수인 크리스토퍼 슈(Christopher Schuh) 교수는 “이들은 고체 피스톤과 비슷하기 때문에 흥미로운 재료”라고 말했다. 다르게 말하면, 무언가를 밀어낼 수 있는 장치입니다.

그러나 피스톤은 많은 부품의 집합체인 반면, "형상기억소재는 그 모든 일을 하는 고체 소재다. 시스템도 필요 없다. 부품도 많이 필요하지 않다. 그저 소재일 뿐이다. , 저절로 모양이 바뀌고 일도 할 수 있어 '스마트 소재'로서 흥미롭다”고 덧붙였다.

형상 기억 금속은 오랫동안 다양한 장치에서 간단한 액추에이터로 사용되어 왔지만 사용된 금속의 달성 가능한 서비스 온도(보통 수백 ℃ 이상)에 의해 제한됩니다.

세라믹은 형상 기억 금속보다 훨씬 더 높은 온도, 때로는 최대 수천도까지 견딜 수 있지만 부서지기 쉽습니다. MIT 연구팀은 손상이 누적되지 않고 작동할 수 있는 세라믹 재료를 생산하는 방법을 찾았으며, 이를 통해 여러 번의 사용 주기를 통해 형상 기억 재료로서 안정적으로 기능할 수 있게 되었습니다.

"세계에 존재하는 형상 기억 물질은 모두 금속입니다."라고 Schuh는 말했습니다. "원자 수준에서 물질의 모양을 바꾸면 엄청난 피해가 발생할 수 있습니다. 원자는 구조를 바꾸고 구조를 바꿔야 합니다. 그리고 원자가 움직이고 섞이면 원자가 내부로 들어가기가 쉽습니다. 잘못된 부분이 생기고 결함이 생기고 재료가 손상되어 피로를 유발하고 결국에는 떨어져 나가게 됩니다.

"몇 번 변형될 수 있는 재료를 사용하게 되지만 결국 품질이 저하되어 분해될 수 있습니다. 그리고 금속은 연성이 있기 때문에 손상에 대한 저항력이 좀 더 강하기 때문에 현장에서는 금속에 중점을 두고 있습니다. 금속은 내부가 손상되면 이를 견딜 수 있기 때문입니다."라고 Schuh는 덧붙였습니다.

팀은 새로운 세라믹을 디자인하고 특히 히스테리시스를 목표로 삼았습니다. "우리는 [모양] 변형이 여전히 거대한 세라믹을 디자인하고 싶었습니다. 우리는 많은 작업을 하고 싶습니다. 그러나 내부적으로 원자 규모에서는 더 온화합니다."라고 그는 말했습니다.

Schuh는 팀이 이 문제를 해결하기 위해 "계산 열역학, 상 변환 물리학, 결정학 계산, 기계 학습 등 모든 현대 과학 도구를 모두 사용했으며 이러한 모든 도구를 완전히 새로운 방식으로 결합했습니다"라고 설명했습니다. .

그 결과 지르코니아의 새로운 변형이 탄생했지만, 다른 원소의 일부 원자가 일부 특성을 변경하는 방식으로 구조에 도입되었습니다. 요소들은 "격자로 녹아서 그것을 조각하고, 그 변형을 바꾸고, 원자 규모에서 더 온화하게 만듭니다."

히스테리시스는 매우 극적으로 변화하여 이제 금속의 히스테리시스와 유사하다고 Schuh는 말했습니다. 그리고 재료가 달성할 수 있는 변형은 약 10%에 이릅니다.

제트 엔진 내부의 공기 흐름을 유도하는 액추에이터는 유용한 응용 분야가 될 수 있다고 팀은 지적했습니다. 전체적인 환경은 뜨겁지만 다양한 기류 채널이 제어되므로 이러한 흐름을 사용하여 형상 기억 세라믹을 작동시킬 수 있습니다.

팀은 계속해서 이 소재를 탐색하고 더 큰 배치와 더 복잡한 형태로 생산하는 방법을 찾고 더 많은 변형 주기를 견딜 수 있는 능력을 테스트할 계획입니다.

자세한 내용은 Abby Abazorius에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.; 617-253-2709.