공학재료(재료공학)

목차

Engineering Materials
1. Metallic Materials(Metal)
2. Polymeric Materials(Polymer)
3. Ceramic Materials(Ceramics)
4. Composite Materials(複合材料)
5. Electronic Materials

본문내용

알려진 어느 폴리머 재료에 비하여 길이 방향으로의 인장 강도가 높으나, 압축 강도는 상대적으로 약하다. 또한 이 재료는 인성, 충격 저항, 크리프 저항 및 피로 저항이 높은 특성을 가진다. 아라미드가 열가소성임에도 불구하고, -200~200℃의 온도 범위에서 우수한 기계적 특성을 유지하고, 연소에 대한 저항성이 크다. 이들 재료는 강산과 알칼리에 상대적으로 취약하나, 솔벤트나 다른 화학 물질에는 저항성이 대체로 우수하다.
아라미드 섬유는 대개의 경우 폴리머 기지 복합재료에 많이 사용된다.
폴리머 기지 재료
기지는 대개의 경우 섬유보다 낮은 온도에서 연화되거나 용융되기 때문에, 복합재료의 사용 온도는 기지에 의하여 결정된다. 가장 저렴하게 가장 많이 사용되는 폴리머 기지는 폴리에스터와 비닐에스터인데, 이 재료는 유리 섬유 강화 복합재료의 기지로서 주로 사용된다.
7) 금속기지 복합재료
금속기지 복합재료(metal-matrix composite,MMC)는 기지가 연성을 가진 금속이다. 이들 재료는 기지 금속에 비하여 높은 온도에서 사용하는 것이 가능하고, 강화상은 재료의 비강성, 비강도, 마멸 저항, 크리프 저항, 열전도도, 치수 안정성 등을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 재료의 장점으로는 높은 사용 온도, 비가연성, 유기 유체에 대한 저항성이 폴리머 기지 복합재료에 비하여 크다는 점이다. 그러나 폴리머 기지 복합재료에 비하여 이들 재료는 가격이 고가이기 때문에 그 용도가 훨씬 제한적이다.
어떤 기지와 강화상은 고온에서 계면반응이 자주 발생한다. 따라서 고온 제조 공정 또는 고온에서 사용하는 중에 복합재료의 특성이 열화될 가능성이 있다. 이러한 문제점은 대개의 경우 강화상에 보호 코팅을 하거나 기지 합금의 조성을 변경하여 해결한다.
일반적으로 금속기지 복합재료를 제조하는 공정은 최소한 두 단계가 있다. 즉 결합 또는 합성과 성형하는 공정이다.
최근 자동차 제조업체에서는 알루미나 또는 탄소 섬유로 강화된 알루미늄 합금 기지 복합재료를 엔진 부품에 사용하기 시작하였다. 초합금의 고온 크리프 및 파단 특성이 텅스텐과 같은 내화 재료 섬유 강화상에 의하여 개선되기도 하는데, 매우 우수한 고온 내산화 저항과 충격 강도가 유지된다.
8) 세라믹 기지 복합재료
최근 세라믹 기지 복합재료(ceramic-matrix composite,CMC)의 개발에 의하여 세라믹의 파괴 인성이 현저하게 향상되었다. 세라믹 입자, 섬유 또는 위스커 형상의 강화재가 세라믹 기지에 첨가되었다. 이러한 파괴 특성의 변화는 전파하는 균열과 분산상과의 상호작용에 의하여 발생한다. 균열은 기지상에서 대개 개시되는데, 균열 전파가 입자, 섬유 또는 위스커 형상의 강화상에 의하여 저지된다. 균열의 전파를 저지하는 매우 가능성이 있는 방법은 상변태를 이용하는 방법인데, 이러한 방법을 변태 강화(transformation toughening)라 한다.
상변태가 발생하면 입자의 부피가 약간 팽창되어 전파하는 균열의 선단에 압축 응력을 발생시키게 된다. 그 결과 이 응력 장은 전파하는 균열을 닫히게 하여 균열의 성장을 억제하는 효과를 나타낸다.
인성을 증가시키는 다른 기법으로 개발된 것은 세라믹 위스커를 이용하는 방법이다. 이러한 위스커는 1. 균열 선단을 전파 경로로부터 벗어나게 하는 효과, 2. 균열면의 양단에 다리를 형성하는 효과, 3. 기지로부터 위스커가 빠져나올 때 에너지 흡수 효과, 4. 균열 선단 주위 부분으로의 응력 재배치 효과 등에 의하여 균열 전파를 억제하게 된다.
위스커 강화 복합재료의 경우 순수한 기지 재료에 비하여 파괴 강도의 산포가 적은 것으로 나타났다. 이러한 세라믹 기지 복합재료는 고온 크리프와 열 충격 파단에 대한 저항성이 향상되는 것으로 나타났다.
세라믹 복합 재료는 고온 프레스, 고온 정수압 프레스, 액상 소결의 공정 등을 이용하여 제조된다. SiC 위스커 강화 알루미나는 경도가 높은 금속 합금을 절삭하기 위한 절삭 공구로서 사용되고 있고, 이들 재료는 서멧에 비하여 수명이 긴 것으로 보고되고 있다.
5. Electronic Materials
1) 재료 원자의 결합
이온결합 : 저온에서 전기전도가 대단히 적고 절연체로서의 특징을 잘 나타내나 고온에서는 이온의 이동에 의한 전기 전도가 증가한다.
*대표적인 물질 - Nacl(염화나트륨), Kcl(염화칼륨), LiF(불소리듐)
금속결합 : 전기전도가 대단히 크고 가시광 영역에서 불투명하다.
*대표적인 물질 - Na(나트륨), Fe(철), Ag(은), Al(알루미늄), Au(금), Cu(구리), Li(리튬)
2) Cu합금
Corson
- 특성 : Cu에 Ni2Si를 3~5[%] 첨가하고, 도전율은 25~45[%],
인장강도 75~95[㎏/㎟]정도로 크며, 내식성이 우수하다.
Cu에 대한 고용도가 1000[℃]에서 약 8[%], 상온에서 0.7[%]정도로 온도 영향이 크다.
- 용도 : 도전용 스프링, 가공 통신선, 전신 전화선, 전차선, 송전선, 바인드선
3) 납땜재료 (용도 및 합금의 재료와 비율)
- 융점이 60~70[℃] 의 저온 납으로 모재(母材)자체의 융점이 낮은 반도체
* Sn + Pb + Bi + cd 합금
(12%) (18%) (49%) (21%)
4) 열전대 재료 (종류 및 사용온도)
PR (백금-백금로듐) - 상용 1400[℃] 과열 1600[℃]
CA (크로멜-알루멜) - 상용 750[℃] 과열 1200[℃]
IC (철-콘스탄탄) - 상용 450[℃] 과열 800[℃]
CC (구리-콘스탄탄) - 상용 250[℃] 과열 300[℃]
5) Fuse의 재료
개방형 fuse 정격전류 : 1.1배 견디고 1.6배의 전류를 흘렸을 때 60분 이내 용단. 2배의 전류를 흘렸을 때 2분 이내 용단(저압회로 사용)
밀폐형 fuse 정격전류 : 1.3배 견디고 2배의 전류를 흘렸을 때 120분 이내 용단(고압회로 사용)
6) 접촉저항
- 도체의 접촉부분에는 다른 부분보다 큰 저항이 존재하기 때문에 그 부분에 열이 생기는 것
집중저항 : 전류의 용량은 크고 접촉면은 작기 때문
경계저항 : 접촉면에 존재하는 산화피막

키워드

재료공학,   금속재료,   기계재료,   공학재료