알아야 할 고엔트로피 합금의 몇 가지 중요한 측면

소개

고엔트로피 금속 합금(HEA)은 기존 합금의 유망한 대안으로 떠오르고 있는 새로운 종류의 소재입니다. 다음은 HEA에 대해 고려해야 할 몇 가지 중요한 사실입니다. 이러한 미래 소재에 대해 더 잘 이해할 수 있기를 바랍니다.

[1]

그림 1. 고엔트로피 합금의 예

고엔트로피 합금이란?

--정의

고엔트로피 합금은 5개 이상의 금속 원소, 무질서한 구조, 높은 엔트로피로 구성된 첨단 소재입니다. HEA는 기존 합금과는 상당히 다릅니다. 한 가지 주성분이 아닌 여러 가지 주요 원소로 구성되어 있습니다. 즉, HEA는 최소 5가지 원소를 포함하며 모든 원소의 비율은 같거나 거의 동일합니다. 이 합금은 또한 높은 엔트로피가 특징이며, 따라서 고유한 특성과 응용 분야로 이어집니다.

-특성

HEA는 기존 합금에서는 찾아볼 수 없는 우수한 특성 조합을 가지고 있습니다. 이러한 특성에는 고강도, 연성 및 열 안정성이 포함됩니다. 또한 이 합금은 내마모성, 내식성 및 고온 특성도 우수하여 열악한 환경에서 사용하기에 이상적입니다.

예를 들어, VNbMoTaW는 1,400°C의 온도에서도 600MPa(87ksi) 이상의 높은 항복 강도를 제공합니다. CoCrFeMnNi는 뛰어난 저온 기계적 특성과 높은 파단 인성을 가지고 있습니다. 반면 Al0.5CoCrCuFeNi는 기존 강철 및 티타늄 합금에 비해 피로 수명과 내구성 한계가 높은 것이 특징입니다.

--생산

HEA의 생산에는 복잡한 조성과 미세 구조로 인해 분말 야금, 전착, 기계적 합금과 같은 전문 기술이 필요합니다. 대부분은 아크 용해와 유도 용해로 만들어집니다. 스퍼터링, 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 기계적 용융도 사용할 수 있습니다. 이러한 기술을 통해 특정 애플리케이션에 적합한 맞춤형 특성과 미세 구조를 가진 HEA를 만들 수 있습니다.

그림 2. HEA 생산 방법

--응용 분야

HEA는 고온 열전 응용 분야, 내마모성 코팅, 구조용 재료 등 다양한 응용 분야에서 가능성을 보여주었습니다. 또한 항공우주, 자동차, 생체 의학 분야에서도 사용이 검토되고 있습니다. HEA가 보여주는 독특한 특성 조합으로 인해 기존 합금이 실패할 수 있는 혹독한 환경에서 사용하기에 이상적인 후보입니다.

자동차 산업에서도 엔진 부품, 구동계 부품 및 기타 구조 장비를 만들기 위해 HEA를 적용할 수 있습니다. 또한 이 합금은 방사선과 부식에 대한 저항성 덕분에 원자력 분야에서도 유망한 소재입니다.

고엔트로피 합금의 네 가지 기본 원리

고엔트로피 합금의 설립 원리에 대해 알아보면서 글을 이어가 보겠습니다.

1. 고체 용액의 엔트로피 안정화

첫 번째 핵심 효과는 엔트로피 안정화입니다. 이는 높은 구성 엔트로피가 고체 용액상의 안정화를 유도하는 현상을 말합니다. 즉, 깁스 에너지가 낮기 때문에 고체 용액이 금속 간 상보다 더 안정적입니다. [2]

2. 격자의 심각한 왜곡

둘째, HEA 격자는 합금 원소 간의 크기 차이로 인해 크게 왜곡되어 HEA의 물리적 및 기계적 특성에 여러 가지 영향을 미칩니다.

3. 느린 확산 동역학

또한 HEA는 느린 확산 동역학을 보입니다. 이는 주로 원소가 많은 고농도의 고체 용액을 통해 원자가 더 어렵게 확산되기 때문입니다.

4. 칵테일 효과

마지막으로, HEA는 여러 원소가 서로 상호작용하기 때문에 구성이 복잡하여 개별 원소의 특성만으로는 예측할 수 없는 특이한 거동을 보입니다. 이러한 현상을 칵테일 효과라고 합니다. 이러한 요소 간 상호 작용으로 인해 특수하지만 예측하기 어려운 특성이 발생할 수 있습니다.

결론

한마디로 고엔트로피 합금은 뛰어난 특성, 특수한 생산 방법, 다양한 응용 분야에 대한 적합성 등의 조합을 제공합니다. 또한 (1) 엔트로피 안정화, (2) 격자의 심한 왜곡, (3) 느린 확산 동역학, (4) 칵테일 효과로 잘 알려져 있습니다. HEA에 대한 연구가 계속됨에 따라 그 잠재력을 최대한 실현하여 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 더욱 진보된 소재를 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다. Stanford Advanced Materials (SAM) 는 고엔트로피 합금의 신뢰할 수 있는 공급업체입니다. 관심이 있으시면 문의를 보내주세요.

참조:

[1] 사로 산, 양 통, 홍빈 베이, 부파티 콤바야, 얀웬 장, 와이임 칭, 실험적 검증을 통한 4개의 단상 고엔트로피 합금에서 격자 왜곡의 제1원리 계산, 재료 및 설계, 209권, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Pickering, E., & Jones, N. (2016). 고엔트로피 합금: 설립 원칙과 미래 전망에 대한 비판적 평가. 국제 재료 검토. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1180020