이 새로운 합금은 강철보다 최대 10배 강하며 놀라울 정도로 유연합니다.

엔지니어들이 깨지기 쉬운 금속 화합물을 차세대 고성능 엔진에 활용될 수 있는 초강력 유연 소재로 변환했습니다. (사진 제공: AI/ScienceDaily.com)

재료 과학자들은 이제 특정 합금의 내부 구조를 극히 미세한 규모로 재구성할 수 있게 되었으며, 이를 통해 강도, 내구성, 유연성과 같은 특성을 향상시킬 수 있습니다. 특히 유망한 재료군 중 하나는 금속간 화합물입니다.

금속간 화합물은 두 가지 이상의 금속 원소가 고도로 규칙적인 결정 구조로 배열된 고체 물질입니다. 이러한 특이한 원자 배열 덕분에 금속간 화합물은 탁월한 강도, 높은 융점, 그리고 크리프(장시간 열과 응력 하에서 물질이 천천히 변형되는 현상)에 대한 강한 저항성을 지닙니다.

이러한 특성 덕분에 금속간 화합물은 제트 엔진, 가스 터빈, 에너지 저장 시스템 및 자동차 부품을 포함한 까다로운 기술 분야에서 가치가 높습니다. 그러나 이러한 재료 중 상당수는 심각한 약점을 가지고 있는데, 바로 극도로 취성이 강하다는 것입니다.

강하지만 잘 부러지는 소재를 더 유연하게 만들기

퍼듀대학교 엔지니어들은 과학 학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 발표된 연구에서 코발트-알루미늄(CoAl) 금속간 화합물에서 매우 높은 강도와 ​​상당한 가소성을 결합하는 새로운 방법을 제시했습니다.

소성이란 재료가 균열이나 파손 없이 영구적으로 모양을 바꿀 수 있는 능력을 말합니다. 산업 분야에서 소성은 매우 중요한데, 변형이 불가능한 재료는 복잡한 부품으로 성형하기 어렵고 응력을 받으면 갑자기 파손될 수 있기 때문입니다.

퍼듀대학교 재료공학과 교수인 싱항 장(Xinghang Zhang)은 "비정질 계면과 기존 전위의 구조에 의해 가능해진 취성 금속간 화합물의 소성 변형"이라는 제목의 논문의 교신 저자입니다. 이 연구에는 퍼듀대학교의 다른 공동 연구자로 재료공학과 및 엘모어 가족 전기컴퓨터공학과 교수인 하이얀 왕(Haiyan Wang) 교수와 재료공학과 박사후 연구원이자 제1 저자인 케 쉬(Ke Xu)가 참여했습니다.

"대량 CoAl 금속간 화합물은 고강도 화합물입니다."라고 장 교수는 말했다. "이러한 화합물은 항공기 추진을 위한 추력을 발생시키는 가스 터빈 엔진의 차세대 터빈 블레이드 소재로 활용될 가능성이 있습니다. 고강도이면서 소성 변형이 가능한 CoAl 합금은 엔진이나 터보차저가 더 높은 원심력을 유지하면서 더 빠른 속도로 회전할 수 있도록 하여 성능을 향상시킬 수 있습니다."

다른 많은 금속간 화합물처럼, 벌크 CoAl은 상온에서 특히 취성이 강합니다. 이 소재에 더 큰 가소성을 부여하면 제조가 용이해지고, 엔지니어들은 엔진 및 기타 고성능 시스템을 위한 더욱 정교한 구조를 설계할 수 있게 될 것입니다.

"이번 연구에서 우리는 CoAl이 상온에서 상당한 가소성을 나타낼 수 있음을 보여줌으로써 CoAl의 가소성 변형 능력을 향상시키는 새로운 대안적 접근 방식을 제시합니다."라고 Xu는 말했다.

원자 결함이 오히려 장점이 되다

이전에는 CoAl의 가소성을 향상시키기 위해 조성 변경, 미세구조 조정 또는 다른 재료와의 결합에 초점을 맞추었습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 금속간 화합물 내부에 충분한 고밀도 전위를 생성하지 못했기 때문에 제한적인 결과만을 가져왔습니다.

전위는 결정 내에서 원자들이 완벽하게 정렬된 패턴을 유지하지 못하는 미세한 불규칙성입니다. '결함'이라는 단어가 약점을 암시할 수 있지만, 전위는 금속이 극한의 힘을 받았을 때 부서지지 않고 변형될 수 있도록 도와줍니다.

상온에서 CoAl이 가소성을 띠려면 재료에 이러한 전위가 많이 필요합니다.

"우리는 스퍼터링 증착 과정에서 CoAl에 직접 전위를 도입했습니다."라고 장 교수는 말했다. "더 중요한 것은, 구조적 유연성을 위해 재료 내에 유연한 경계면인 비정질 계면(FAI) 프레임워크를 설계했다는 점입니다. 이 FAI는 변형 중에 부분적으로 결정화되어 CoAl 금속간 화합물에서 전위 핵 생성을 촉진합니다."

비정질 계면의 구조는 주변 물질과 동일한 규칙적인 결정 구조를 초기에는 갖지 않는 유연한 내부 경계로 구성됩니다. CoAl이 변형됨에 따라 이러한 계면의 일부가 결정화되어 새로운 전위를 생성하는 데 기여합니다.

구조용 강철보다 최대 10배 더 강함

제조 과정에서 발생한 전위와 비정질 계면의 구조가 결합되어 매우 강한 CoAl 금속간 화합물이 생성되었습니다.

시험 결과 해당 소재는 6 GPa(기가파스칼, 응력 측정 단위)의 항복 강도에 도달한 것으로 나타났습니다. 이는 고강도 구조용 강재의 항복 강도보다 약 6~10배 높은 수치입니다.

항복 강도는 재료가 영구적인 변형을 일으키기 전에 견딜 수 있는 응력의 크기를 나타냅니다. 극도로 강한 강도에도 불구하고, CoAl 소재는 상온에서 압축 시 15%의 소성 변형률을 보였습니다.

"이처럼 초고강도의 기계적 강도와 뛰어난 가소성을 결합한 현재의 CoAl 나노적층 시스템은 지금까지 보고된 금속간 화합물 시스템 중 최고 수준입니다."라고 쉬 교수는 말했다.

금속간 화합물을 제조하는 새로운 방법

연구진은 마그네트론 스퍼터링 증착이라는 공정을 사용하여 해당 소재를 제작했는데, 이 공정은 표면에 얇은 막을 형성하는 방식입니다. 이러한 비평형 제조 방법을 통해 연구진은 비정질 알루미늄 코발트 이원계면을 가진 CoAl을 만들 수 있었습니다.

이 방식은 용융된 재료를 사용하여 식혀 고체 형태로 만드는 전통적인 금속 주조 방식(액체에서 고체로)과는 매우 다릅니다.

대신, 마그네트론 스퍼터링 증착법은 합금 증기로부터 재료를 생성합니다. 이 공정을 통해 연구진은 기존 주조 방식보다 훨씬 더 많은 전위를 CoAl에 도입할 수 있었습니다.

"이 비평형 제조 방식을 통해 합금 증기에서 고체로 재료를 제조할 수 있으며, 이 과정에서 CoAl에 상당수의 전위를 도입할 수 있습니다."라고 장 교수는 말했다. "기존의 주조 방식으로는 구현할 수 없었던 CoAl의 높은 강도와 ​​소성을 달성할 수 있었습니다."

재료가 변형되는 것을 관찰하기

CoAl 금속간 화합물의 기계적 성능(강도 및 소성)을 측정하기 위해 연구팀은 주사 전자 현미경 내부에서 현장 기계적 테스트를 수행했습니다.

이 방법을 통해 연구원들은 재료가 변형되는 과정을 관찰하고 마이크로미터 단위의 정밀도로 그 거동을 추적할 수 있었습니다.

휴스턴 대학교의 야샤슈리 쿨카르니 교수와 그녀의 박사 과정 학생인 아난드 매튜도 이 프로젝트에 참여했습니다. 그들은 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 CoAl 내부에서 일어나는 과정을 원자 수준에서 조사했습니다.

시뮬레이션 결과, 비정질 계면의 구조가 변형 과정에서 결정화되는 것으로 나타났습니다. 또한, 층 계면에서 주변 CoAl 층으로 전위가 이동하는 현상도 관찰되었는데, 이는 재료가 빠르게 파손되지 않고 변형될 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

산업용으로 금속 크기 조정

실험 결과, 특별히 설계된 층간 계면이 CoAl의 소성 변형성을 크게 향상시킬 수 있음이 밝혀졌습니다. 연구진은 이제 동일한 개념을 산업 규모로 생산 가능한 벌크 CoAl 나노복합재료에 적용하는 연구를 진행할 예정입니다.

"우리는 또한 다른 금속간 화합물을 사용하여 이 개념을 테스트할 예정이며, 목표는 이 금속 계열에서 소성 개선을 위한 FAI의 일반적인 적용 가능성을 확립하는 것입니다."라고 Xu는 말했습니다.

다음 연구 단계는 장 교수의 나노금속 연구팀이 주도할 예정입니다. 이 연구팀은 재료 합성, 현장 나노기계적 시험, 첨단 원자 규모 미세구조 분석을 결합하여 강도와 변형성을 모두 갖춘 금속 재료를 개발합니다.

장 교수의 연구 분야는 나노물질 합성, 나노구조 물질의 방사선 손상, 나노구조 금속의 기계적 거동, 기능성 물질 등 더욱 폭넓게 다루고 있습니다.

항공우주 및 에너지 분야에서의 잠재적 응용 분야

이번 연구 결과는 여러 첨단 기술 분야에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 더 강하고 연성이 뛰어난 금속간 화합물은 터빈 블레이드, 항공기 엔진, 에너지 시스템, 방위 기술 및 우주용 소재 개발에 기여할 수 있습니다.

장 교수는 "연성 금속간 화합물은 항공우주, 에너지 및 국방 분야에 적용될 첨단 소재 설계 능력을 크게 향상시킬 것"이라고 말했습니다.

이 연구는 주로 미국 국립과학재단의 금속 및 금속 나노구조 프로그램의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260729051524.htm