부식 활용: 과학자들은 합금 거래를 지속 가능한 경량 합금 설계로 전환합니다.
합금화는 금속을 다른 원소와 혼합하는 기술로, 오랫동안 재료 과학과 야금학의 초석이었으며, 맞춤형 특성을 가진 재료를 만들어냈습니다. 반면, 탈합금화는 주로 시간이 지남에 따라 원소를 선택적으로 제거하고 구조를 약화시켜 재료를 분해하는 부식성 공정으로 알려져 왔습니다. 이제 Max Planck Institute for Sustainable Materials(MPI-SusMat)의 연구원들은 이 두 가지 상반되는 공정을 혁신적인 조화 합성 개념으로 전환했습니다. 저널 Science Advances 에 게재된 그들의 연구는 탈합금화와 합금화를 조화시켜 CO 2 가 없고 에너지를 절약하는 가볍고 나노구조의 다공성 마르텐사이트 합금을 만드는 방법을 보여줍니다 .
금속 합금의 미세 구조는 격자 내 원자 배열로 정의되며, 원자의 위치와 화학적 조성은 재료 특성에 중요합니다. 기존의 합금화는 자연적으로 이 격자에서 원자를 제거하여 성능 저하를 유발합니다. 그러나 MPI-SusMat 팀은 판도를 바꾸는 질문을 했습니다. 즉, 거래를 활용하여 유익한 미세 구조를 만들 수 있다면 어떨까요?
"우리는 합금 제거 공정을 사용하여 격자 구조에서 산소를 제거하고 산소 공석의 생성 및 응집을 통해 기공을 조절하는 것을 목표로 했습니다." MPI-SusMat의 훔볼트 연구원이자 이 논문의 첫 번째 저자인 샤올루 웨이 박사가 설명합니다. "이 방법은 가볍고 고강도의 재료를 설계하는 새로운 경로를 열어줍니다." 그들의 접근 방식의 핵심은 반응성 기상 합금 제거입니다. 이는 반응성 가스 분위기를 사용하여 격자 구조에서 산소 원자를 제거하는 기술입니다. 이 공정에서 분위기는 산소를 "끌어당겨" 호스트 격자에서 선택적으로 추출합니다. 여기서 분위기는 암모니아로 구성되며, 이는 환원제(수소 함량을 통해)와 간극 질소의 공여체 역할을 모두 하여 빈 격자 공간을 채워 재료 특성을 향상시킵니다. MPI-SusMat의 전무이사이자 본 연구의 책임저자인 디어크 라베 교수는 "산소 제거와 질소 추가라는 암모니아의 이중 역할은 두 반응 파트너의 모든 원자에 특정 역할을 할당하기 때문에 우리 접근 방식에서 핵심적인 혁신입니다."라고 말했습니다.
한 단계로 이루어지는 4가지 중요한 야금 공정
팀의 혁신은 4가지 중요한 야금 공정을 단일 반응기 단계로 통합하는 데 있습니다.
- 산화물 탈합금: 격자에서 산소를 제거하여 과도한 다공성을 생성하는 동시에 금속 광석을 수소로 환원합니다.
- 치환 합금: 산소를 완전히 제거한 후 또는 금속 원소 사이의 고체 상태 상호 확산을 장려합니다.
- 격자간 합금: 증기상에서 얻은 금속의 호스트 격자에 질소를 도입합니다.
- 상 변환: 나노 구조화를 위한 가장 실행 가능한 경로인 열 유도 마르텐사이트 변환을 활성화합니다.
이 합성 전략은 합금 생산을 단순화할 뿐만 아니라 산화물을 출발 물질로 활용하고 암모니아와 같은 반응성 가스 또는 산업 공정에서 배출되는 폐기물을 활용하여 지속 가능한 접근 방식을 제공합니다. 탄소 대신 수소를 환원제 및 에너지 운반체로 사용함으로써 전체 탈합금 공정은 CO입니다.2-무료이며 유일한 부산물은 물입니다. 열역학적 모델링은 철, 니켈, 코발트, 구리와 같은 금속에 대한 이 기술의 타당성을 보여줍니다.
미세 구조 공학을 통한 지속 가능한 경량 설계
생성된 나노 구조의 다공성 마텐자이트 합금은 밀리미터에서 원자 규모까지 정밀한 미세 구조 제어 덕분에 더 가볍고 강해졌습니다. 전통적으로 이러한 다공성을 달성하려면 시간과 에너지 집약적인 공정이 필요했습니다. 대조적으로, 새로운 전략은 다공성 형성을 가속화하는 동시에 재료의 강도와 기능성을 향상시키는 질소와 같은 침입형 원소의 도입을 허용합니다.
미래의 응용 분야는 경량 구조 부품부터 성능 면에서 희토류 자석을 능가할 수 있는 질화철 기반 경자성 합금과 같은 기능성 장치에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 앞으로 연구원들은 불순한 산업용 산화물과 대체 반응성 가스를 사용하는 접근 방식을 확장할 계획입니다. 이는 희토류 재료와 고순도 공급원료에 대한 의존도를 줄여 글로벌 지속 가능성 목표에 부합함으로써 합금 생산에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
이 혁신적인 거래-합금 전략을 통해 MPI-SusMat 팀은 전통적인 프로세스를 재고하여 재료 과학에서 혁신적인 발전을 가져올 수 있는 방법을 보여주었습니다. 지속 가능성과 최첨단 미세 구조 엔지니어링을 결합하여 합금 설계의 새로운 시대를 열어가고 있습니다.
이 연구는 Alexander von Humboldt 재단의 Shaolou Wei 펠로우쉽, Dierk Raabe의 유럽 고급 연구 보조금, Max Planck 및 Fraunhofer Societies의 팀에 대한 협력 보조금으로 자금을 지원 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250110121925.htm
댓글 없음
아름다운 덧글로 인터넷문화를 선도해 주세요