| 초록 |
재료의 접합은 상업적으로나 기술적으로 중요한 기술이다. 특히 큰 부품이나 복잡한 형상의 부품을 생산하는 경우에 더 중요시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 물성의 점진적인 변화를 통해 재료에 다양한 특성을 확보할 수 있는 기술인 이종 재료간 경사 기능재료(Functionally Graded Material, FGM) 방식을 이용한 접합에 대해 연구하였다. 본 연구의 목적은 경사 기능 재료로 이종 물질을 접합하는데 있어서 FGM 층의 체적분율을 최적화하여 크랙이 없는 결합을 구현 하는 것이다. 그리하여 이종 물질이 고온에 견디고 기계적 강도도 높은 특성을 가짐으로써 열전변환기, 등급화 고체 산화물 연료전지, 전기절연 조인트, 핵융합의 열 저장기, 우주선의 열차폐막 같은 분야에서 고부가가치 부품을 제작하는 기술을 개발하고자 한다. 본 연구에서 제작된 FGM은 Si3N4-Al2O3를 사용하여 접합을 시도하였는데 이때 두 물질의 열팽창계수 차이로 인해 잔류응력이 존재하게 된다. 따라서 ANSYS 프로그램을 이용하여 잔류 응력값을 계산하고 이를 최소화하는 방향으로 층을 설계하여 크랙이 없는 접합을 제작하는데 성공하였다. 이러한 시편의 기계적 특성을 알아보기 위해 상온(25℃)과 고온(1000℃)에서 3-point bending test를 실시하여 파괴 강도를 측정하였으며 이 실험 결과를 통해 본 연구에서 제작된 FGM의 강도와 파괴 경향을 분석하였다. 시험 샘플들은 ASTM 규격에 따른 3×4×35(mm)의 크기로 커팅하고 지그와 맞닿는 면은 1㎛로 폴리싱하여 스크래치에 의한 notch effect를 최소로 하였다. 하중 속도는 0.6mm/min와 6mm/min으로 설정하였으며 그 결과 상온(25℃)에서 25%Si3N4 / 75%polytypoid와 20%Si3N4 / 80%polytypoid 층 사이가 깨지는 것을 관찰하였으며, 평균 굴곡강도는 437MPa로 측정되었다. 한편 고온 (1000℃) 에서 측정한 굴곡강도는 하중속도 0.6mm/min 로 측정시 437MPa, 6mm/min 로 측정시 380MPa로 측정되어 약간의 강도 저하가 발생함을 알 수 있었다. 또한 상온 굴곡강도 테스트 후 파단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 결과 입계와 입내 파손거동이 공존함을 알 수 있었고, 고온 굴곡강도 테스트 후 파단면에서는 절단면에 약간의 유리상이 발견되었으나 대체적으로 고온 강도 값과 상온 강도 값의 차이가 없는 것으로 보아 고온에 견디는 접합을 성공적으로 만들었음을 알 수 있다. |
