KR101153859B1 - 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재 - Google Patents

금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라서 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합재를 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 1) 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계로서, 금속 기지 분말과 다공질 입자 또는 나노파이버를 용기 내에 혼합한 후 그 혼합 분말에 대해 외부로부터 충격 에너지를 인가하여 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 상기 금속 기지 분말의 금속 원자를 충진시킴과 아울러, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 충진된 금속 원자와 상기 금속 기지의 금속 원자가 금속 원자 결합하도록 하여, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 주변의 금속 기지의 금속 원자 네트워크 구조에 의해 금속 기지와 계면 결합을 형성함으로써, 상기 다공질 입자 또는 나노 파이버가 상기 금속 기지 분말 내부에 결합되어 분산된 구조를 갖도록 하는 것인, 상기 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계와, 2) 상기 1)의 과정을 통해 제조된 금속기지 복합 분말을 용기 내에 장입한 후 예비 압력을 가하여 상기 복합 분말이 결합된 중간체를 제조하는 단계와, 3) 상기 중간체를 비산화 분위기를 조성할 필요 없이 열간 성형하여 벌크 형태의 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재{METAL MATRIX COMPOSITE CONTAINING CARBON NANOTUBES AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 금속기지 복합재의 제조 방법 및 그 복합재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다공질 입자 또는 나노 파이버가 균일 배열되어, 고품질의 최종 성형체를 용이하게 제조할 수 있도록 해주는 금속기지 복합재의 제조 방법 및 그 복합재에 관한 것이다.
다공질 입자 또는 나노파이버와 금속기지의 혼합 및 합성에 관한 연구는 수년간에 걸쳐 진행되어 왔다. 특히, 극대화된 지름 대 길이의 비(aspect ratio)와 탄소 간의 강한 공유 결합으로 인하여 우수한 특성을 나타내는 탄소나노튜브의 경우, 균일 분산은 연구의 핵심 화두라 할 수 있다. 최근 금속기지 탄소나노튜브 복합재 제조 방법으로 casting법(Noguchi T, Magario A, Fukazawa S, Mater Trans 2004;45:602, Yanagi H, Kawai Y, Kita K, Japanese Journal of Applied Physics 2006:45:L650-3)과 분말법 (Zhong R, Cong H, Hou P. Carbon 2003:41:848, George R, Kashyap KT, Rahul R, Yamdgni S. Scripta Mater 2005:53:1159)이 제시되고 있다.
casting법의 경우, 제조 공정이 분말 공법에 비해 쉽고 단순하여 산업적 응용 가능성이 우수한 것으로 평가되고 있다. 그러나, 금속에 비해 상대적으로 비중이 매우 낮은 다공질 입자 혹은 나노 파이버가 주조 시 용탕 표면으로 떠서 용해 과정에서 금속과 섞이지 않아 복합재 제조에 어려움이 있다. 또한, 높은 공정 온도로 인하여 탄소나노튜브가 금속기지와 반응하여 카바이드가 형성되어, 최종 성형체의 특성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 분말 공법에 있어서, 탄소나노튜브를 금속 분말에 분산시킬 수 있는 다양한 방법이 제시되어 있지만, 이후에 복합 분말의 탄소 성분이 분말의 일체화를 방해하여 양질의 벌크재를 제조하거나 최종 형상을 대형화한 연구 사례가 전무하여 산업적 응용 가능성이 미비한 것이 현재의 실정이다. 금속/탄소나노튜브 복합 분말을 일체화하는 방법으로는 현재까지 1) 분말에 바로 열과 압력을 가하여 일체화하는 방법과, 2)분말을 다른 금속 용기에 장입하여 용기에 열과 압력을 가하여 일체화하는 방법이 소개되었다. 그러나 분말에 바로 열과 압력을 가할 경우, 분말의 산화를 방지하기 위해서 진공 및 분위기 하에서 공정을 수행해야 하므로 공정비용이 매우 비싸고 산업화가 어렵다. 또한 이 경우 분말 표면에 존재하는 탄소나노튜브가 쉽게 분해되며 분말이 일체화 공정에서 많이 손상되므로 최종 벌크재의 특성이 저하된다. 분말을 다른 금속 용기에 장입하여 용기에 열과 압력을 가하는 경우, 일체화 공정에서 분말의 손상이 적어 벌크재의 특성이 우수하다는 장점이 있지만, 용기에 장입한 후 용기 내부를 진공 상태로 만들고 일체화 후 용기를 다시 제거하 는 등 공정이 복잡하여 역시 공정비용이 비싸고 산업화 및 자동화가 어려운 단점이 있다. 상기 종래의 두 기술은 모두 단일 공정으로 분말을 일체화하게 되는데, 탄소나노튜브는 금속의 물질이동을 매우 방해하므로 최종 벌크재의 밀도가 낮아 특성이 저하되는 문제를 지니고 있다. 더욱이, 다공질 입자 또는 나노파이버는 분말 내부에 균일하게 분산되어 있지 않고 분말 표면에 혼합되어 있는 수준에 그치게 된다. 이로 인해 분말 표면 등에 다공질 입자 또는 나노파이버의 편석 현상이 발생하여 분산도가 떨어지며 복합재의 특성이 저하된다. 또한, 이들은 일체화 시 표면에 존재하는 다공질 입자/나노파이버가 분말과 분말의 결합을 방해하게 되는 문제점 등이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 금속기지와 이종(異種)의 다공질 입자 또는 나노파이버가 단단하게 결합되어, 최종 벌크재를 용이하게 제조할 수 있도록 해주는 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 주조법이나 분말을 바로 고온에서 가공하는 공법에 비해 탄소나노튜브의 손상을 방지해 우수한 특성을 보이는 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분말 상태에서 금속 기지와 다공질 입자 또는 나노파이버가 강한 계면 결합을 하여, 후속되는 열간 가공 공정에서 양질의 벌크재를 제조할 수 있도록 해주는 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최종 벌크재를 성형할 때 진공 및 분위기를 필요로 하거나 공정이 복합하고 자동화가 어려운 종래의 분말 공법에 비해 공정비용이 저렴하여 산업적 응용 가능성이 우수한 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브가 금속의 물질 이동을 방해하여 치밀한 벌크재를 제조하기 어려웠던 종래의 문제를 해결하여, 최종 벌크재의 치밀도를 향상하여 우수한 특성을 보이는 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복 합재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단순한 기계적 공정을 이용하여 대형의 벌크재가 대량으로 제조될 수 있고 우수한 기계적 특성을 지닌 금속-탄소나노튜브 복합재 제조 방법 및 그 복합재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합재를 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 1) 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계로서, 금속 기지 분말과 다공질 입자 또는 나노파이버를 용기 내에 혼합한 후 그 혼합 분말에 대해 외부로부터 충격 에너지를 인가하여 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 상기 금속 기지 분말의 금속 원자를 충진시킴과 아울러, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 충진된 금속 원자와 상기 금속 기지의 금속 원자가 금속 원자 결합하도록 하여, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 주변의 금속 기지의 금속 원자 네트워크 구조에 의해 금속 기지와 계면 결합을 형성함으로써, 상기 다공질 입자 또는 나노 파이버가 상기 금속 기지 분말 내부에 결합되어 분산된 구조를 갖도록 하는 것인, 상기 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계와, 2) 상기 1)의 과정을 통해 제조된 금속기지 복합 분말을 용기 내에 장입한 후 예비 압력을 가하여 상기 복합 분말이 결합된 중간체를 제조하는 단계와, 3) 상기 중간체를 비산화 분위기를 조성할 필요 없이 열간 성형하여 벌크 형태의 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 1)의 단계에서 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속 기지 복합 분말은, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부 에 금속 원자를 충진함과 충진시킴과 아울러, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 충진된 금속 원자와 상기 금속 기지의 금속 원자가 금속 원자 결합하도록 하여 상기 계면 결합을 형성함으로써 상기 금속 원자가 충진된 다공질 입자 또는 나노 파이버가 상기 금속 기지 분말 내부에 견고하게 결합되어 분산되도록 하여 얻어질 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 1)의 단계에 있어서 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속 분말은, 금속 기지 분말과 다공질 입자 또는 나노파이버를 혼합한 후 외부로부터의 에너지를 인가하여 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 상기 금속 분말 기지의 금속 원자를 충진시킴과 아울러, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 충진된 금속 원자와 상기 금속 기지의 금속 원자가 금속 원자 결합하도록 하여 상기 계면 결합을 형성함으로써 상기 금속 원자가 충진된 다공질 입자 또는 나노 파이버가 상기 금속 기지 분말 내부에 견고하게 결합되어 분산되도록 하여 얻어질 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 금속 분말은 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 또는 마그네슘의 순금속 또는 이중 선택된 하나 이상을 기지로 하는 소성 변형이 가능한 합금일 수 있다.
한 가지 바람직한 실시예에 있어서, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버는 겉보기 밀도가 진밀도의 20% 이하이고 금속 원자가 침투할 수 있는 내부 공간을 포함 할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 2)의 단계에서, 상기 중간체는 상기 금속 분말의 산화온도보다 낮은 온도에서 제조될 수 있다.
본 발명의 금속기지 복합재 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브 등 뛰어난 특성을 지닌 다공질 입자 또는 나노파이버가 균일하게 금속기지 내부에 첨가되고 주변의 금속 원자 네트워크 구조에 의하여 기지와 강한 계면 결합을 형성하여, 분말의 열간 가공 공정에서 양질의 벌크재로 일체화될 수 있을 뿐만 아니라, 높은 강도와 연성 등 우수한 기계적 특성을 동시에 구현하여 산업적 응용범위를 크게 확대시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 가압 후 열간 가공을 통하여 제조된 탄소나노튜브가 분산된 금속기지 복합재는 분말에 일차적으로 압력만을 가하거나 분말의 손상이 발생하지 않는 범위에서의 열을 가하여 중간체를 제조한 후, 열간 가공하므로 열에 의한 분말의 손상을 입지 않고 벌크재의 치밀도가 향상되어 우수한 특성을 보인다. 더욱이, 본 발명에 따른 제조 방법은 진공 및 분위기를 필요로 하지 않으며, 공정이 매우 단순하고 자동화가 용이하여, 공정비용이 저렴하고 산업적 응용 가능성이 우수하다.
이하에서는, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에서 널리 알려진 기술 등에 대한 설명은 생략한다. 그러나 당업자라면 이하의 실시예를 통해 본 발명의 특징적 구성 내지 그 효과 를 쉽게 이해할 수 있을 것이고, 또 특별한 어려움 없이 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.
1. 금속기지-탄소나노튜브 복합 분말의 제조
본 발명자는 먼저, 탄소나노튜브를 금속 기지 중에 균일하게 분산시키는 방법에 대해 연구를 하였으며, 이를 위해 알루미늄과 탄소나노튜브를 각각 금속기지 및 나노파이버로 선정하여, 이하의 과정에 따라 복합 분말을 제조하였다.
한편, 본 발명에서 금속기지 재료는 후술하는 바와 같이, 탄소나노튜브의 원활한 삽입을 위해 일반적으로 탄성 및 소성 변형이 가능한 재료인 것이 바람직한데, 예컨대 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 등의 순금속 또는 이중 선택된 하나 이상을 기지로 하는 소성 변형이 가능한 합금인 것이 특히 바람직하다.
먼저, 본 발명자는 탄소나노튜브의 비중을 높이는 방법으로서 탄소나노튜브 내부에 알루미늄 원자를 충진하는 것을 고안하였고, 이를 위해 일반적인 볼밀링 법을 채용하였다. 즉 스테인리스 용기 내에 알루미늄 분말 대 탄소나노튜브를 1~4.5%의 부피 분율로 혼합하였다. 다음에 상기 혼합 재료가 들어 있는 용기에 혼합 분말 무게(약 100g)의 15배에 해당하는 지름 5 mm 크기의 스테인리스 볼(약 1.5 kg)을 추가한 후, 각 3시간과 6 시간 동안 500 rpm의 속도로 용기를 회전시켜 물리적 에너지, 즉 운동 에너지를 인가하였다. 이때, 용기 내의 물질들이 충돌하는 동 안 용기의 외부에 냉각수를 흘려 온도가 상승하는 것을 방지하였으며, 용기 내의 분위기를 아르곤 가스로 유지하여 금속 분말의 산화를 방지하였다. 공정 후 체를 이용하여 분말과 볼을 분리하여 혼합 분말을 수거하였다.
공정 후 알루미늄 분말의 알루미늄 원자가 탄소나노튜브 내부로 침투하여 그 내부를 충진한 것을 관찰할 수 있었는데, 이를 도 1에 나타내었다. 즉, 도 1의 좌측 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 일정한 양의 충격 에너지가 가해진 후에는 탄소나노튜브가 알루미늄 원자들로 충진되어 탄소나노튜브의 지름이 팽창하는 현상을 관찰할 수 있다(탄소나노튜브 내부의 회절 패턴을 통하여 탄소나노튜브 내부에 알루미늄 원자들이 위치하고 있음을 알 수 있다). 또한, 도 1의 우측 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 충격 에너지가 더 가해지면, 탄소나노튜브는 균질한 지름을 가지며 금속 기지와 단단하게 결합하고 있다. 즉 밀링 시간이 증가함에 따라 알루미늄 원자가 탄소나노튜브 내부로 침투하여 균질하게 충진된다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 과정과 동시에 탄소나노튜브, 즉 알루미늄 원자가 충진된 탄소나노튜브가 분말 내부로 삽입되어 그 전체가 금속 분말 내부에 분산되며, 따라서 최종 벌크재 성형시 탄소나노튜브가 산소와 반응을 억제할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 실험적으로 정해지는 적절 한 조건하에서 스테인레스 볼과 같은 매체와 용기 내의 혼합 물질의 충돌로 인하여, 금속 분말의 금속 원자가 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부로 침투하여 그 내부를 충진시키고, 이와 동시에 상기 금속 원자가 충진된 다공질 입자 또는 나노파이버의 금속 원자가 상기 금속 분말 기지와 금속 결합하면서 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 금속 분말 기지 내부에 균일하게 분산된다. 이를 위해, 본 발명에서 이용될 수 있는 다공질 입자 또는 나노파이버는 겉보기 밀도가 진밀도의 20% 이하이고 금속 원자가 침투할 수 있는 공간을 내부에 포함하고 있는 것이 이용된다.
또한, 공정 시간이 증가함에 따라, 즉 운동 에너지의 양이 증가함에 따라, 탄소나노튜브가 분말 내부로 삽입되어 가는 과정을 도 2에 나타낸 공정 시간별 복합 분말의 사진을 통해 확인할 수 있다. 초기에 알루미늄 분말의 표면에 고르게 분산되기 시작한 탄소나노튜브는 반복되는 충격에 따른 응력이 가해짐에 따라 알루미늄의 소성 변형에 의하여 분말 내부로 삽입되어 균일하게 분산된다.
즉 본 발명에 따르면, 상기 금속 원자가 충진된 다공질 입자 또는 나노파이버가 금속 분말 기지의 표면에 일부가 삽입되도록 하고, 지속적으로 물리적 에너지를 가하여 상기 금속 분말 기지가 소성변형을 일으켜, 초기에 엉켜 있거나 불균질하게 분포된 다공질 입자 또는 나노파이버가 상기 금속 분말 기재 내부로 완전히 삽입되어 균일하게 분산된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 금속 분말 내부에 다공질 입자 또는 나노파이버가 균일하게 분산되어, 금속 원자의 확산을 방해하여 미세구조를 안정화시킨다. 또한, 분말 표면에 나노파이버가 존재하지 않아 표면에서는 금속 원자의 확산이 원활하게 일어나 분말과 분말의 결합이 방해받지 않아, 양질의 벌크재를 제조할 수가 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 금속 분말에서는 금속 기지와 다공질 입자 또는 나노 파이버가단히 결합되어 있어, 후속하는 열간 가공 공정에서 크랙과 같은 품질 저하 요인이 발행하지않아,양질의 벌크재를 제조할 수가 있다. 즉 본 발명에 따른 금속 기지 복합 분말에서는 다공질 입자 또는 나노파이버 주변의 금속 원자 네트워크 구조가 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부의 금속 원자와 결합하여, 전체적으로 금속 기지와 다공질 입자 또는 나노파이버가 강합 계면 결합을 형성한 금속 기지 복합 분말이 얻어지고, 이를 이용하여 후술하는 과정에 따라 양질의 벌크재를 제조할 수가 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, 실험적으로 결정되는 소정의 조건 하의 볼밀링 또는 핸드밀링과 같은 단일의 밀링 공정을 통하여 용기 내의 혼합 분말에 볼과 같은 매체를 통해 충격 에너지를 가함으로써 금속 원자를 탄소나노튜브 내부로 충진시킬 수 있고, 이와 동시에 금속 원자가 충진된 탄소나노튜브를 금속 분말 내부로 삽입할 수 있다. 이러한 최종 벌크재 성형 전(前) 공정을 통해, 탄소나노튜브 내의 금속 원자와 외부의 금속 원자가 단단히 결합되어 계면 특성을 향상시킬 수 있으며, 탄소나노튜브가 분말 내부에 균일하게 삽입되어 최종 벌크재 성형시 산소와 반응이 억제될 수 있는 탄소나노튜브-금속기지 복합 분 말을 생성할 수가 있다. 또한 분산 용매를 이용한 분산, 하소(calcination) 등의 여러 단계를 거쳐 탄소나노튜브를 금속기지 내부에 분산시키는 종래의 방법과 비교하여 단순화된 단일 과정을 통해 상기 단계를 달성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서, 볼밀링 또는 핸드밀링법에서 사용되는 기계적 에너지는 금속 기지의 종류 및 미세구조에 따라 달라질 수 있으며, 밀링 매체의 종류/크기/무게, 밀링 속도, 밀링 용기의 크기 등에 의해 제어될 수 있다. 또한, 볼 밀링 법 이외에, 단순 혼합, 초음파법, 핸드 밀링과 같은 다양한 방법을 적용하여 금속 분말에 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있다.
2. 금속기지-탄소나노튜브 벌크재 제조
본 발명자는 상기한 것과 같은 공정을 통해, 금속 기지 중에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있다는 것을 확인하고, 이러한 공정을 통해 제조한 복합 분말을 이용하여 최종 복합재를 보다 단순화된 공정을 통해 제조할 수 있는 방법에 대해 연구를 하였다.
즉 본 발명자는 금속/탄소나노튜브 복합재를 제조할 때, 탄소나노튜브가 분산된 금속기지 복합분말을 직접적으로 고온과 고압에서 가공할 때 분말이 손상되는 문제를 해결하기 위하여, 분말에 일차적으로 압력만 가하거나 혹은 분말이 손상되지 않는 범위의 온도에서 압력을 가하여 중간체(컴팩트 성형체)를 제조하고, 상기 중간체를 열간 가공하여, 최종 벌크재를 제조한다면, 열간 공정 중 금속기지 복합분말의 특성 저하를 방지할 수 있을 것이라고 예상하고 그러한 기술적 과제에 주안점을 두면서 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명자는 알루미늄-실리콘(5 wt%) 합금을 금속기지로 선정한 다음에, 상기한 과정에 따라 볼 밀링법을 이용하여 3 vol.%의 탄소나노튜브를 상기 금속 기지 중에 분산시켰다. 본 실시예에서 사용된 복합 분말의 형상을 도 3에 나타내었다. 또한, 상기 복합 분말을 이하의 과정에 따라 복합재를 제조하고 그 특성을 평가하였다.
먼저, 본 발명자는 복합 분말에 압력을 가하여 중간체를 제조하는 방법으로서 상온가압법을 채용하였다. 즉 내경 3 cm, 외경 5 cm, 높이 10 cm의 SUS 용기 내에 상기한 과정에 따라 제조한 복합 분말을 장입한 후, 500 MPa의 압력을 10분 동안 가하여 도 4에 제시한 것과 같은 컴팩트 성형체(도 4의 중간)를 제작하였다. 컴팩트 성형체를 용기에서 빼낸 후에도 손의 힘으로 부서지거나 약한 충격에 깨어지지 않을 정도로 분말이 매우 치밀하게 결합되어 있어, 추후의 열간 가공 공정에서 분말의 산화나 탄소나노튜브의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 컴팩트 성형체를 제조할 때, 분말의 산화가 급격히 발생하거나 탄소나노튜브가 손상될 수 있는 임계온도, 분말의 산화 온도보다 낮은 온도에서 가압 공정을 시행하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명자는 상기 과정에 따라 제조된 컴팩트 성형체를 열간 가공하기 위하여, 15:1의 비율로 480℃에서 열간 압출 하였으며, 최종 압출재의 형상을 도 4에 나타내었다.
도 5는 상기한 과정을 통해 제조된 복합재에 대하여 10-4s-1의 변형률로 인장 시험을 실시한 결과를 보여주는 그래프이다. 일반적으로 알루미늄-실리콘계 합금은 100~150 MPa의 인장강도를 보이는 반면, 상기 발명에 따른 복합재는 탄소나노튜브가 분산됨에 따라 300 MPa 이상의 강도를 보이며 12% 이상의 연신을 보이는 등 우수한 특성을 보인다.
이처럼 본 발명에 따른 복합재는 높은 강도와 같은 우수한 기계적 특성 등을 나타내고 있는데, 이는 상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 복합 금속 분말 제조시, 금속기지와 입자를 단단히 결합, 즉 금속 기지 복합 분말 제조시 탄소나노튜브가 금속 기지 내부에 완전히 침투되어 균일하게 분산되어, 다공질 입자 또는 나노 파이버 주변의 금속 원자 네트워크 구조에 의하여 상기 다공질 입자 또는 나노 파이버 내부의 금속 원자와 강한 계면 결합을 하게 되어, 탄소나노튜브가 금속의 물질이동을 방해하지 않고 또 탄소나노튜브 내부에 충진된 금속 원자와, 금속 기지의 금속 원자가 서로 금속 결합을 통해 단단히 결합하고 있으며, 더욱이 열간 가공시 종래와는 달리 중간체를 형성한 후 열간 가공함으로써 열에 의한 분말의 손상을 방지하면서도 매우 효율적으로 분말을 치밀하게 일체화할 수 있다는 사실에서 비롯된 것으로 파악된다.
본 발명에 따른 분말의 일체화 방법은 일반 산업에서 응용될 수 있는 단순한 방법이며, 우수한 생산성을 가능하게 한다. 또한, 상기한 바와 같이, 최종 가공재는 밀도가 매우 높고 분말의 특성을 그대로 유지하고 있어 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
도 1은 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 탄소나노튜브 내부로 금속 원자가 충진되어 가는 모습을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 제조된 복합 분말의 최종 형상에서 탄소나노튜브가 균일 분산되어 삽입되어 가는 모습을 촬영한 사진이다.
도 3은 일반적으로 일체화가 되기 전 단계의 금속/탄소나노튜브 복합 분말의 모습을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 제조된 컴팩트와 압출재의 모습을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 제조된 복합재의 인장시험결과를 도시화한 그래프이다.

Claims (7)

  1. 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합재를 제조하는 방법으로서,
    1) 다공질 입자 또는 나노파이버가 분산된 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계로서, 금속 기지 분말과 다공질 입자 또는 나노파이버를 용기 내에 혼합한 후 그 혼합 분말에 대해 외부로부터 충격 에너지를 인가하여 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 상기 금속 기지 분말의 금속 원자를 충진시킴과 아울러, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버 내부에 충진된 금속 원자와 상기 금속 기지의 금속 원자가 금속 원자 결합하도록 하여, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버가 주변의 금속 기지의 금속 원자 네트워크 구조에 의해 금속 기지와 계면 결합을 형성함으로써, 상기 다공질 입자 또는 나노 파이버가 상기 금속 기지 분말 내부에 결합되어 분산된 구조를 갖도록 하는 것인, 상기 금속기지 복합 분말을 제조하는 단계와,
    2) 상기 1)의 과정을 통해 제조된 금속기지 복합 분말을 용기 내에 장입한 후 예비 압력을 가하여 상기 복합 분말이 결합된 중간체를 제조하는 단계와,
    3) 상기 중간체를 비산화 분위기를 조성할 필요 없이 열간 성형하여 벌크 형태의 복합재를 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 분말은 알루미늄, 구리, 철, 티타늄 또는 마그네슘의 순금속 또는 이중 선택된 하나 이상을 기지로 하는 소성 변형이 가능한 합금인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 다공질 입자 또는 나노파이버는 겉보기 밀도가 진밀도의 20% 이하이고 금속 원자가 침투할 수 있는 내부 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 2)의 단계에서, 상기 중간체는 상기 금속 분말의 산화 온도보다 낮은 온도에서 제조되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재 제조 방법.
  7. 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5 및 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 따라 제조되는 금속기지 복합재.
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