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admin

2016-12-22 11:31:45

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경사기능재료[functionally graded materials, FGM]

세라믹스와 금속과 같이 열팽창계수가 다른 물질의 것을 조합시키면 재료의 가열냉각시에 큰 스트레스(열응력)가 발생하여 자주 부재가 파괴된다.

여기서 중간에 양쪽 물질의 배합비율이 연속적으로 변화하는 중간층(경사제어층)을 배치하면 열응력의 원인이 되는 열팽창계수의 격차는 해소하고, 스트레스도 발생되지 않으며 재료 양측에서 내열성과 강인성을 분담하는 이상적인 부재로 된다.

이것이 경사기능재료의 기본적 발상이다. 이 재료는 원래 통상의 항공기와 같이 수평으로 이륙하고 공기마찰에 의한 가열을 받으면서 장시간 대기 속을 항행하면서 우주로 비행해 가는 우주항공기, 소위 스페이스플레인으로의 적용을 목표로 한 것인데, 과혹한 또는 복잡한 사용환경에 놓인 재료가 재료의 앞과 뒤에서 기능을 분담해야 하는 경우에 유효한 재료설계개념이다.

경사기능재료는 넓은 의미에서는 복합재료의 범주에 들어가는데, 이 설계사상은 지금까지 균질화지향의 재료개발에 대한 설계사상과는 크게 다르다. 사용환경에 있어서 재료가 최적응답이라는 것을 우선 염두에 두고, 그것을 실현하기 위해 조성 또는 미세구조를 경사분포시킨다. 따라서 각부에서 기능에 구배가 있는 재료라는 의미가 된다.

경사기능재료는 실환경에 있어서 재료의 최적화를 지향하는 이상으로 종래의 재료개발과는 다른 어프로치가 강구되고 있다. 실사용 환경에 대응하는 스펙(재료사양), 그것을 만족하기 위한 재료설계, 재료설계안에 따른 재료구조, 그리고 완성된 재료의 평가라는 순서를 거쳐 재료를 만들어 내는 방법이다.

현재 재료 표면을 약3000 ℃의 고속아크염으로 강열, 재료 뒷면을 물로 냉각하는 1000℃ 이상의 온도차 하에서 내구시험에 견디는 경사기능재료가 만들어지고 있다.

경사기능재료는 당초 우주항공기나 핵융합로 내벽용 초내열재료로서의 응용만이 예상되었다. 그러나 개발과정에서 많은 응용분야가 있음을 알게 되었다. 초고온이 아니라도 재료가 열적 또는 기계적으로 일정하지 않는 환경에서 사용되는 경우, 전혀 다른 물질의 접합부재를 만들고자 할 때 또는 재료에 복수의 기능을 가진 인텔리전트화하고자 할 때 등등에 응용가능하다.

그 꿈의 하나는 국가프로젝트로서 연구된 [열전변환재료의 경사기능화에 의한 고성능화]가 있다.

이 프로젝트는 지구의 환경문제 및 장래의 에너지문제 해결에 희망을 부여함으로써 주목받고 있다.