알루미늄 금속복합재료
알루미늄 금속복합재료
알루미늄 경량금속복합재료(Al/MMC, metal matrix composites)는 1960년대에 미국NASA의 기초실험으로 연속섬유에서뿐 아니라 불연속섬유의 사용에서도 높은 강화효율을 가진다는 점이 알려지면서 세계의 주목을 받았다. 많은 섬유재료중에서 Boron fiber, Carbon fiber, Al2O3 fiber, SiC fiber 등을 주로 대상으로 하여 우주항공, 수송기계분야에서 경량금속복합재료의 개발을 활발히 수행하였다. NASA에서 우주항공용 스페이스셔틀에 B/Al복합재료를 사용하여 실용화에 성공시킨 것이 대표적인 성과라고 생각이 된다. 표1에 B/Al복합재료의 일방향 인장특성을 보이고 있다.
B/Al복합재료의 실온에서 인장강도(섬유에 평행한 방향)는 고강도알루미늄합금보다 2-3배정도가 높고 고온(590K)에서 인장강도(섬유에 평행한 방향)는 5-10배정도가 높다. 그러나 B/Al의 섬유직각방향에서 인장강도는 고력알루미늄의 섬유직각방향에서 인장강도보다 훨씬 낮다. B/Al의 섬유직각방향에서 현저히 낮은 강도의 원인은 섬유와 알루미늄과의 계면접착력, 섬유의 부피분율, 섬유의 직경방향의 강도 및 기지금속의 강도 등에 크게 영향을 받기 때문이며, 건전한 재료의 선정과 제조공정에 세심한 주의가 필요하다. 한편 Al2O3/Al복합재료의 인장강도는 섬유에 평행한 방향에서 600-800MPa로 B/Al복합재료의 섬유평행방향 인장강도 1500MPa보다 훨씬 낮은 수치를 보이고 있으나 Al2O3/Al복합재료의 섬유직각방향 인장강도는 100-200MPa로 B/Al복합재료의 섬유직각방향 인장강도보다 높다. 표2은 Al2O3/Al복합재료의 기계적 특성을 보이고 있다.
B, Al2O3, SiC 연속섬유를 이용한 B/Al, Al2O3/Al, SiC/Al복합재료는 가벼우면서 비강도와 탄성율을 현저히 높여 경량화를 극대화시키기 위한 목적으로 사용되는 재료로서 고비강도와 탄성율을 현저히 요구하는 우주항공산업에서 주로 용도가 개발되었다. 한편 불연속섬유 Al2O3 또는 입자형태의 SiC를 이용한 Al2O3/Al, SiC/Al복합재료는 가벼우면서 높은 탄성율과 내마모성을 요하는 수송기계의 엔진부품에 응용연구가 주류를 이루고 있다. 일반으로 불연속섬유을 이용한 알루미늄복합재료는 높은 고온강도, 피로강도, 탄성율, 내마모성 및 낮은 열팽창계수 등 우수한 기계적 특성을 가지고 있다. 표3는 Al2O3불연속섬유를 사용한 Al2O3(15vol.%)/Al(AC8A)복합재료의 기계적 특성을 AC8A합금의 기계적 성질과 비교하여 놓았다.
표3에서 보는 바와 같이 알루미늄복합재료(15vol.% Al2O3/AC8A)는 알루미늄합금(AC8A)보다 신율을 제외하고 모든 기계적 성질이 우수하였다. 특히 고온강도와 피로강도는 알루미늄복합재료가 알루미늄합금보다 약 20%의 향상을 보였다. 고온강도는 350oC에서 알루미늄복합재료는 112MPa인 반면 알루미늄합금에서는 83MPa로 30%이상의 향상을 보였다. 또한 피로강도도 알루미늄복합재료는 126MPa인 반면 알루미늄합금은 100MPa로 약 25%의 향상을 보였다. 엔진부품소재로서 중요한 성질은 고온강도와 피로강도이며 알루미늄복합재료는 경량이면서 각종 기계적 성질이 뛰어나서 (i)수송기계의 연비와 엔진성능을 향상시킬 수 있고, (ii)주철 또는 철강부품들을 대체할 수 있는 경량재료로서 관심을 끌고 있다.
