써모

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11076(2022) 이 기사 인용

1622 액세스

측정항목 세부정보

다양한 온도 구배에서 열충격을 흡수하는 효과적인 절삭 공구 인서트를 위해서는 향상된 열 전도성과 인성이 필요합니다. 또한 열팽창계수와 같은 매개변수도 합리적인 범위 내에서 유지되어야 합니다. 이 연구는 수많은 복합재 매개변수를 고려하여 세라믹 절단 도구에 필요한 기계적 및 열적 특성을 조정하기 위해 니켈(Ni) 강화 알루미나(Al2O3) 복합재를 제안하는 다중 규모 모델링 접근 방식을 기반으로 하는 새로운 재료 설계 프레임워크를 제시합니다. 대표 볼륨 요소(RVE)는 DREAM.3D 소프트웨어 프로그램을 사용하여 생성되고 출력은 상용 유한 요소 소프트웨어 ABAQUS로 가져옵니다. 다양한 다공성과 부피 분율을 갖는 다중 Ni 입자를 포함하는 RVE는 적절한 경계 조건(BC)에서 계산 균질화 방법을 사용하여 효과적인 열적 및 기계적 특성을 예측하는 데 사용됩니다. RVE 프레임워크는 다양한 구성의 Al2O3-Ni 복합재 소결을 통해 검증되었습니다. 예측된 수치 결과는 측정된 열적 및 구조적 특성과 잘 일치합니다. 수치 모델에 의해 예측된 특성은 혼합 규칙, SwiftComp, FFT(Fast Fourier Transform) 기반 계산 균질화 방법을 사용하여 얻은 특성과 유사합니다. 결과는 ABAQUS, SwiftComp 및 FFT 결과가 서로 상당히 유사하다는 것을 보여줍니다. 기계적 및 열적 특성에 대한 다공성과 Ni 부피 분율의 영향도 조사되었습니다. 다공성이 증가함에 따라 기계적 특성과 열전도도가 감소하는 반면 열팽창은 영향을 받지 않는 것으로 관찰됩니다. 제안된 통합 모델링 및 경험적 접근 방식은 세라믹 절삭 인서트에 대해 원하는 열적 및 기계적 특성을 갖는 고유한 Al2O3-금속 복합재의 개발을 촉진할 수 있습니다.

Al2O3 기반 세라믹은 열 충격에 대한 저항성, 화학적 안정성, 내화 특성 및 소결과 같은 잘 확립된 개발 경로로 인해 현재 가장 성숙한 세라믹 절삭 공구 재료입니다. 그러나 본질적인 취성과 낮은 열 전도성은 절단 응용 분야의 주요 단점입니다. 특히 간헐적인 가공 작업을 위한 공구 재료의 중요한 요구 사항인 원하는 낮은 열팽창 계수를 크게 손상시키지 않으면서 Al2O3의 강성, 인성 및 열 전도성을 향상시키려는 많은 시도가 있었습니다. Al2O3에 금속 입자를 통합하면 고유한 열적 및 구조적 특성으로 인해 열 전도성과 인성이 증가할 것으로 예상되므로 Al2O3-매트릭스 복합재의 잠재적 후보가 됩니다. 따라서 복합 재료를 제조하기 전에 더 나은 설계를 위해서는 Ni 강화 Al2O3 특성을 조정하기 위한 계산 균질화 구현이 필요합니다. 다양한 상으로 구성된 Al2O3 복합재와 같은 이종 재료의 특성은 멀티스케일 모델링(MM)을 사용하여 맞춤화될 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 입자와 매트릭스 재료의 고유한 특성을 고려하는 동시에 복합재의 효과적인 열적, 기계적 특성을 평가하는 데 도움이 됩니다. 이러한 특성은 미세한 수준의 RVE 시뮬레이션에 활용됩니다. RVE를 기반으로 한 업스케일링 접근 방식을 사용하면 고려 중인 재료의 효과적인 기계적 특성에 대한 재료 및 기하학적 매개변수의 영향을 정량화할 수 있습니다1,2,3,4.

Al2O3의 유효 특성은 열 성능 및 열 충격 저항, 탄성 계수, 전기 전도성과 같은 기타 특성에 영향을 미치기 때문에 연구하는 것이 필수적입니다. 다공성, 부피 비율 및 분포는 유효 열전도율9,10에 중요한 영향을 미칩니다. 부서지기 쉬운 Al2O3 세라믹의 파괴인성은 연성 금속의 결합을 통해 증가될 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다11. 향상된 열적, 기계적, 전기적 특성으로 인해 다양한 엔지니어링 분야에서 세라믹-금속 복합재를 사용할 수 있는 잠재력이 큽니다. 금속/세라믹 복합재의 가공 및 물리적 특성은 문헌12,13에 자주 보고됩니다. 서로 다른 구성 상 사이의 복합재의 계면 열 저항은 계면에서의 열악한 화학적 및 기계적 부착과 이러한 상의 열팽창 불일치로 인해 발생합니다. 이 계면 저항은 일반적으로 금속-액체 계면의 온도 분포에 불연속성이 있음을 발견한 Kapitza의 이름을 따서 Kapitza 저항이라고 합니다. 계면 열 저항은 다양한 복합 재료의 열전도도에 의해 크게 영향을 받는 것으로 보고되었습니다14.