Shape-Memory Alloy : SMA1. Shape memory alloy란?가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형되어도 끓는 물 등으로 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금을 말한다. 1960년대에 미국의 W.뷸러가 형상기억 반응을 나타내는 합금(니켈+티타늄:니티놀)을 발견, 연구가 진행되었고, 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외 없이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금이 실용화되어있다.2. SMA의 작동원리-형상기억합금의 형상기억효과는 왼쪽의 그래프처럼 오오스테나이트와 마르텐사이트 간의 상변화에 의하여 결정구조가 변화함에 따라 일어나는 현상이다. 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외없이 형상기억특성을 나타낸다.- 일반금속재료와 초탄성합금,형상기억합금을 비교한 그래프를 보면 일반금속에서는 재료가 하중을 받고 이때 변형의 크기가 작으면 다시 돌아오지만 커지면 변형력을 제거했을때 대부분은 영구변형으로써 잔류한다. 그러나 초탄성합금에서는 소성변형이 될정도록 큰 변형력을 가해도 다시 원상으로 회복된다. 초탄성합금은 형상기억합금과 완전 다른것처럼 보이지만 사실은 거의 비슷한 원리를 가지고 있다. 형상기억합금은 열처리를 통해서 한다는 것이 조금 다른 점이다.3. SMA의 응용* 일반공학적, 열기계적, 의료적 등 많은 분야에 응용된다.(1) 일반공학적 응용월면 안테나파이프의 조인트
non wetting material lotus effect1. lotus effect란?*약 147도의 접촉각도를 보여주는 연꽃 표면의 물방울*표면을 찍은 컴퓨터그래픽1) 정의 : 연꽃잎이 가지는 매우 높은 수준의 반발성을 ‘lotust effect’라고 한다. 보통 바닥면과 바닥면 위의 물방울이 이루는 각도가 60도 이상이면 ‘소수성’, 30도 이하이면 ‘친수성’을 나타내는데 연잎 표면의 물방울이 바닥면과 접촉하는 각도는 매우 높기 때문에 ‘초소수성’을 나타낸다.2) 원리 : 이러한 초소수성은 연꽃잎의 표면이 가지는 나노구조에 기인하는 것으로써 표면에 존재하는 3~10 마이크로미터크기의 수많은 미세돌기들과 중간 중간에 미세돌기로 이루어진 봉우리들이 분산되어 있는 형태이다. 이러한 봉우리들은 입자들이 표면위에 접착하는 것을 막아주며, 이때 표면에 물 또는 여러 입자들을 녹일 수 있는 액체를 흘려주면 표면에 있는 먼지들을 청소해주는 자기정화효과를 보이게 된다. 이러한 현상은 수증기의 작은 물방울이 연꽃잎에 존재하는 나노크기 실타래 같은 것 사이에 갇혀 응축되기 때문이다. 이렇게 맺힌 물방울이 구르면서 잎에 묻은 먼지를 씻어내기 때문에 연꽃이 흙탕물에서 자라지만 꽃잎은 항상 깨끗하다. 또한 물방울과 연잎 표면이 접촉하는 각도를 커지게 만든다. 봉오리들에도 돌기가 있어서 비슷한 효과를 닌다. 이러한 이중적인 소수성 덕분에 초소수성을 띠게 된다. 최근 연구에서는 연꽃잎 효과가 나노구조뿐만 아니라 연꽃잎이 가지는 진공의 효과가 같이 적용한다는 사실이 발견되었다. 인공적인 연꽃잎 표면을 만들었을 때는 봉우리들 주위에는 음푹 파인 작은 공간에서 물방울들이 응축되었고, 인공적으로 동인한 효과를 내지 못한 것에서 기인해서 자세히 관찰한 결과 연꽃잎의 줄기에서 지동이 전달되는 것을 발견하였다. 이 진동이 연잎위에 물방울들이 응축하지 않고 튕겨져 나가게 하는 효과를 가져온다.2. Lotus effect의 공정1) 나노구슬① 원리 : 감광성 액체방울을 이용하여 연꽃잎의 나노구조를 생체 모방하여 크기가 균일한 미세입자를 대량으로 생산② 공정법*연꽃잎의 나노구조를 생체모방한 미세입자제조 공정모식도- 우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 감광성 액체 속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터로 균일한 액체방울로 만들어 물에 주입하고, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다. 이 때 자외선을 감광성 액체방울에 쪼여서 고형화 시킴으로써 수 천개의 유리 나노구슬이 박혀있는 입자를 얻게 된다. 그 후 유리구슬을 불산으로 녹여내면 마치 골프공 같이 분화구가 촘촘하게 파진 미세입자를 만들 수 있고 여기에 플라즈마(높은 에너지를 갖는 기체이온)를 쪼여주면 분화구가 깊게 깎이면서 연꽃잎과 같은 나노구조가 형성된다.- 주목할 것은 나노구슬이 스스로 구조를 형성하는 자기조립 원리를 이용함으로써 제조공정이 손쉽고 빨라 경제적이란 점이다.2) 상향식방법(Bottom up approach)- 연꽃잎을 모사한 마이크로/나노 복합구조의 제조의 화학적 제조방법이다. 화학적 제조 방법의 경우 공정이 용이 하다는 장점을 지니며, 초소수성 표면을 만들기 위한 매우 유용한 방식이지만, 마이크로/나노 구조체가 화학반응에 의해 임의적으로 형성됨으로써 일정한 형상을 의도한 크기로 제어하기가 어려우며, 또한 이러한 형상을 원하는 위치에 선택적으로 형성시키는 것이 불가능하다는 단점과 고체 표면상 액체와의 접촉각에 대한 제어가 어렵다.- 종류상 분리(Phase separation)이소탁틱 폴리프로필렌(i-pp)과 같이 아주 간단한 고분자를 적당한 용매 하에서 조건을 맞추어주면 마이크로/나노 구조를 형성시킬 수 있다. 먼저 i-pp를 약 130℃에서 p-xylene에 녹인 후 슬라이드 글래스 상에서 코팅을 한다. 그 후 약 70℃의 진공오븐에서 증발과정을 거치면 160도 이상의 접촉각을 가지는 초소수성 표면을 만들 수 있게 된다. 이는 간단한 공저만으로도 초소수성을 얻을 수 있다.미셀 뭉침(Micelle aggregation)미셀 뭉침 현상을 통하여 나노구조 또는 마이크로/나노 복합구조를 제조함으로써 초소수성 표면을 구현할 수 있다. PPPMM-A 블록 혼성 중합체를 DMP에 녹여 미셀용매를 만든 후, 이를 유리 기관위에 코팅을 하고 용매를 증발시키면, 미셀들이 서로 뭉쳐 나노/마이크로 복합구조를 형성하게 된다. 이때의 접촉각은 160도의 초소수성 성질을 가지게 된다.자가 조립(Self assembly)실리카 나노입자의 자가조립을 이용하여 공정이 가능하다. 공정과정은 미셀 뭉침 과정과 비슷하며, 실리카 입자가 포함된 용매를 적정히 증발시켜 약 200nm 직경의 실리카 층을 형성 후, 직경 5nm 이하의 금나노 입자를 증착시키고 열을 가해주게 된다. 그 결과 접촉각 150도 이상, 접촉각 이력 10도 이하의 초소수성 표면을 제조할 수 있다.탄소나노튜브(Carbon Nano Tube,CNT)최고의 나노재료인 탄소나노튜브를 이용하여도 만들 수 있다. PECVD를 통하여 직경 50nm, 높이 2㎛의 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 표면을 PTFE로 코팅해 접촉각이 거의 180도에 이르는 초소수성 표면을 얻을 수 있다. 또, 탄소나노튜브를 수직으로 배향해서 나노구조를 형성시킴으로써 초소수성 표면을 제조할수도 있고, 철 프탈로시아닌을 열분해 함으로써, 벌집형태의 초소수성 CNT 복합구조를 만들 수도 있다. 이 표면의 경우 접촉각은 약 163.4도 였으며, 접촉각 이력은 5도 이하로 매우 우수한 특성을 보인다.3) 하향식방법(Top bottom approach)- 최근 화학적 방식에서 벗어나 기계적 몰딩 방법으로 마이크로/나노 복합구조를 형성하는 기술이다. 이 기술은 2단계 열성형 모세관리소그라피 방식에 의한 것으로, 먼저 기관위에 스핀코팅을 하여 균일한 고분자 박막을 형성하고, 형성된 고분자 박막위에 음각의 패턴을 가진 PDMS 몰드를 접촉시킨다. 그 후 온도를 고분자의 유리전이 온도이상으로 가해줌으로써 모세관 현상을 유발하여 1차 마이크로 구조물을 형성시키고, 뒤이어 형성된 마이크로 구조물 상에 나노크기의 음각패턴을 가진 PUA몰드를 접촉시킨 후 다시 2차 가열을 통해 기형성된 마이크로 구조물 상에 나노 구조물을 형성시키는 방법이다. 이러한 방법은 화학적 방식과 비교하여 정밀하게 제어된 나노/마이크로 복합 구조물을 원하는 위치에 형성시킬 수 있다는 장점을 가지고 있어 초소수성 표면의 제조 뿐만 아니라 젖음(wetting) 정도를 제어할 수 있다는 장점 역시 지니고 있다. 원하는 크기의 나노/마이크로 복합구조물 제조가 가능함을 제시하였다는 의의가 있으나, 열 성형 방식을 이용함에 따라 적절한 공정조건을 확보하지 못할 경우 기 형성된 마이크로 구조물이 붕괴되는 단점이 존재하였다. 이러한 단점을 극복하고자 최근에는 UV방식에 기반을 둔 2단계 UV 성형 모세관 몰딩 공정이 개발되었다. 이 경우 원하는 마이크로/나노 복합구조물 제조를 가능하게 할 뿐만 아니라, 열 성형방식이 가지고 있던 단점도 극복 할 수 있다.
재료 공정 실험 예비 레포트 (2)-밀링의 종류 및 특징-1. Milling 이란?(1) 정의 : ball mill 등 기기로 분쇄 하는 것, 또는 그와 동시에 하나의 성분 입자 표면을 다른 성분의 분말로 덮어 싸는 것.(2) 분류 : 밀링은 기계적인 분쇄 과정으로써 분쇄기의 종류나 분쇄조건에 따라서 원료분말의 입자크기, 입도분포, 입자형태 등이 달라진다. 분쇄는 조립분쇄와 미립분쇄로 나누어지며 이중 밀링은 미립분쇄에 해당된다.(3) 특징 : 과정이 밀링과정에서 입자는 밀링매체나 다른 입자간의 접촉점에서 생기는 압축, 충격, 전단의 기계적 응력을 받는다. 이 응력의 크기가 입자의 강도를 초과하면 탄성 또는 비탄성 변형을 유발하고 분쇄가 일어난다. 이 기계적 에너지는 새로운 표면적을 만들어내고 또한 입자 내에서 비탄성 변형, 온도 증가와 격자의 재배열 등의 다른 물리적 변화를 유발한다. 표면 특성 변화와 같은 화학적 특성 변화도 일어날 수 있다. 에너지 효율은 압축에 의한 밀링일 경우 20%이하, 충격 밀링의 경우 5% 이내로 낮다. 대개의 경우 분쇄시간이 길어지면 입자크기가 고르게 되는 경향이 있지만 이 경우 분쇄장치로부터의 오염이 문제될 수 있다.2. Milling의 종류(1) Ball Mill분쇄기의 하나. 길이와 지름이 거의 같은 원통상의 통체 속에원료와 분쇄 매체를 넣고 적당한 속도로 회전시켜 분쇄 매체로서의 볼의 낙하에 의한 충격작용, 마찰작용으로 원료를 분쇄 한다.① 원리이름특징고상볼밀볼밀통 플라스틱 혹은 알루미나 재질에 파우더 원료를 혼입하고 비드라고 부르는 작은 볼을 넣어 준다. 비드의 재질은 유리, 알루미나, 지르코니아 등 다양하다. 그리고 그 통을 볼밀 기계를 이용하여 상당수의 시간동안 돌려 잘 혼합된 재료를 얻는다.액상볼밀액상볼밀은 혼합한 샘플을 증류수 혹은 에탄올, 아세톤등과 혼합하고 여기에 지르코니아나 알루미나 볼을 넣어주고 볼밀 후 증발 시켜 분말을 얻는다. 알루미나나 지르코니아를 쓰면 무게감이 있어 좋지만 불순물을 발생할 염려가 있다제트밀(zet mill)볼밀 기계안에 파우더를 넣고 비드는 잘 넣지 않습니다. 비드의 역할이 무게감으로 파우더를 혼입 분쇄하는 것인데 제트밀에서는 가한 기류를 사용합니다. 볼밀기 속으로 강한 회오리를 형성시켜 혼합,분쇄하는 방법입니다.② 종류*24시간 이전에는 액상볼밀이, 24시간 이후에는 고상볼밀이 분쇄에 더 유용하다(2)Rod Mill① 원리기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기이다. 분쇄재를 볼 대신에 강철의 로드를 쓰는 회전밀이다.(로드들이 서로 엇갈리지 않고 가지런히 돌도록 하기위해 원통은 그 길이가 지름의 2배 가까이 되도록 만든다.)② 특징 : 분쇄작업에서 대 · 소입자의 선택 분쇄작용을 줄 수 있으며 Ball mill은 점의 분쇄인데 반하여 rod mill은 선의 분쇄이다. 거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며, 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻을 수 있는 특징이 있다. 단독으로 사용되는 외에 볼밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기로서도 종종 사용된다.(3)Roller Mill① 원리작동하는 동안, 모터 연삭 롤러의 행거가 V 풀리 및 센터 베어링을 따라 회전한다. 베어링과 pendulum shaft에 매달려 있는 롤러는 행거가 회전하는 동안 내부 써클을 따라 회전한다. 먼지 제거 송풍기가 그라인더의 유입구와 배출구에서 기계내의 먼지와 열을 내뿜는 것을 방지하기 위해 negative pressure을 생산한다.② 특징- 장점*에너지 효율이 좋다*입자크기가 균일하게 분포 한다*소음과 먼지 생성이 적다- 단점*입자의 형상 등이 불규칙한 경향이 있다.(4)Hammer Mill짧은 시간에 큰 에너지를 주어 분쇄 하는 형식으로 본질적으로 내부에 망치가 탑재되어있거나 수직 또는 수평으로 회전 하는 드럼을 포함하는 강철 기기이다. 이 망치는 십자가 끝이 자유롭게 움직이거나 중앙에 고정되어서 회전합니다.① 원리② 특징- 주로 곡물 분쇄에 많이 사용된다. 투입 크기가 30mm이하가 적당하고 분쇄 사이즈는 망의 구경에 따르며 3-6mm정도가 적당하게 된다고 볼 수 있다..- 장점*입자가 다양한 크기로 분쇄된다.*어떤 재료나 섬유도 분쇄가 용이하다.- 단점*롤러 밀에 비해 열 생산 등으로 에너지효율성이 적다*소음과 먼지 오염 등이 많다.*입자 크기를 규격화되게 생산할 수 없다.(5)Wheeler Mill① 원리 및 특징 : 수 μm 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다. 소위 유체에너지밀의 일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나, 또는 다른 입자에 충돌시켜서 분쇄하는 장치.(6)Vibration Mill기계 내부의 상대 적으로 작은 media와 함께 생산하는 가장 오래된 dry타입의 mill로써 일반적으로 배열에 하나 또는 두 개의 원통 연삭 혈관을 가지고 있다. 이 기계 내부의 모터에 의한 진동 작용에 의해 상호간의 충돌,전단 작용에 의해 분쇄 되는 원리이다.① 원리② 특징 : 밀의 통이 비평형 드라이브의 모습이며, 고주파와 작은 진폭에 자유로운 진동이 특징 이다. 미디어 충전으로 가는 에너지 전송은 벽-볼을 접촉에 의해 시작하고 볼 영향에 의해 전달된다. 매우 단단한 재료들을 분쇄하는데 적합하다.(7)Attrition Mill① 원리1차 분쇄용이기 때문에 매우 간단한 구조를 가지고 있다. 충격과 전단 작용이 동시에 일어난다. 또한 집단이동보다는 불규칙이동이 대부분 일어난다. Ball media의 크기가 작아지므로 피분쇄물과 접촉하는 비 표면적이 커짐으로 인하여 분쇄효율이 높아진다.② 특징- 분쇄, 분산속도가 빠르며 Ball mill의 분쇄 효율보다 수십배이다.- 입도분포 범위가 상당히 좁다.- 불규칙 이동이 대부분 일어나므로 입자 모양이 불규칙 적이다.
재료 공정 실험 예비 레포트원료의 조합 및 분쇄조합 : 잘 정제된 원료를 물과 유기물 등을 섞어서 정해진 시간 동안 잘 섞는 공정이다.분쇄 : 볼밀에서 행해지며, 비중이 큰 매체가 작은 매체에 비해 더 빠르게 분쇄 된다.▼조립조립을 하는 과정에는 일반적으로 ‘분무 건조’를 사용한다. 열풍으로 순간건조 시켜 비교적 일정한 형태와 크기의 구형의 파우더를 생산한다. 이때 함수량이 3%정도 되도록 한다.▼성형각 사양에 적합한 성형방법을 선택하여 생소재(GreenBody)를 만든다.▼1차 가공생소재를 최종 제품에 근접한 형상으로 만든다.▼소결성형체가 가열에 의해 조립화 또는 치밀화를 이루는 과정-조립화 : 기공이 많은 성형체가 가열에 의해 밀도의 변화 없이 입자간 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것-치밀화 : 기공이 많은 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 증가와 함께 입자간의 결합에 의해 표면적의 감소와 강도가 커지는 것▼2차 가공세라믹 특성을 고려하면서 다이아몬드 휠을 이용, 고정도의 정밀 치수가공을 한다.▼측정세라믹을 측정 관리한다.종류특징볼밀(ball mill)원통 속에 강으로 만든 볼(강구)을 여러 개 재료와 함께 넣어 회전시켜 강구운동에 의한 충격으로 재료를 분쇄하는 장치. 지름의 수 배 이상으로 긴 형의 튜브밀, 그 중간인 콤파운드밀(compound mill) 등의 종류가 있다. 최종적인 미분을 만들 때 사용되며, 도토(陶土) ·염료 등의 최미분인 경우에는 건식으로 사용된다. 용도가 매우 넓다.로드밀(rod mill)기체 내면의 길이보다 약간 짧은 강봉을 분쇄매체로 사용하는 회전식 분쇄기. 거친 입자부터 선택적으로 분쇄하며, 입도(粒度)가 비교적 가지런한 분쇄산물을 얻을 수 있는 특징이 있다. 단독으로 사용되는 외에 볼밀에 의한 분쇄의 예비분쇄기로서도 종종 사용된다.롤러밀(roller mill)볼밀과 같은 원리의 분쇄기로 시멘트원료를 분쇄할 때나 석탄을 분쇄할 때 사용된다. 분쇄기 중에 롤러나 볼을 이용한 것을 링롤러밀이라고도 한다.조크러셔(jaw crusher)전 ·후로 조금씩 진동하는 강철제의 철판과 이와 마주 보는 고정판 사이에 암석 등의 덩어리(수 cm에서 1 m 정도)를 물려 넣고 짓씹어 부수게 하는 구조로 되어 있다.임팩트크러셔(impact crusher)매초 수십 m의 주속도로 고속회전하는 원통에 장치된 충격판에 의해 분쇄하는 장치. 골재 정형에 널리 쓰인다.휠러밀(wheeler mill)수 μm 이하의 미분쇄를 필요로 하는 분야에서 널리 사용된다. 소위 유체에너지밀의 일종으로 고압기체를 불어 넣음으로써 입자를 기계의 벽이나, 또는 다른 입자에 충돌시켜서 분쇄하는 장치.어트리션밀(attrition mill)회전에 의해 상호간의 충격및 절단 운동으로 이용됨.media와 분쇄물의 분리가 용이하다. 운전 중 소음이 크지 않고 온도 조절이 가능하며 대량 생산용에도 극소화가 가능하다.바이브레이션밀(vibration mill)진동에 의해 media상호간의 충격작용으로 이용된다. media와 분쇄물의 분리가 불편하며 분쇄물의 장입및 배출이 불편하다.분말성형(Dry press). 큰 부피의 제품에는 한정이 있으나, 매우 적합한 제조법. 원하는 형상의 몰드 속에서 상.하 서로 반대되어지는 방향에서 압축정수압성형(CIP). 적은 수량이나, 대형기물을 제작할 경우에 매우 경제적이고 적합. 1 차 가공(Pre-Sinter Machinning)을 요하는 복잡한 형상의 제품에 적용. 신축성이 좋은 고무 제품의 Tool System 에서 모든 방향으로 압축성형, 파스칼의 원리 이용. 밀도가 균일하고 NNS(Near Met Size)가 가능한 성형체주입 성형(Slip casting). 원하는 형상을 기공이 않은 몰드(석고)에 슬립으로 주입하는 법. 몰드(석고)의 수분 흡수에 의하여 고형화 시키는 방법.압출 성형(Extrusion). 가소형 유기바인더가 포함된 세라믹 파우다를 높은 압력을 가하여 금형(DIE)을 통하여 뽑아냄. Die Opening 의 형상에 따라서 원형 또는 사각의 Tube 를 성형사출 성형(Injection Molding). Heated Plasticized Ceramic Body 를 높은 압력으로 Die 를 통과시킴.
ASTM1. ASTM으로 grain size측정하는 법(1) grain size를 측정하는 방법 : 결정질의 크기는 매우 다양하고 3차원이므로 정확히 측정하기가 매우 어렵다. 그러나 일반적으로 측정하는 데에는 아래의 3가지가 있다.① 서클법 : 결정립의 평균 면적을 측정② 직경 측정법(일명 라인법) : 완전 구형으로 가정했을때 결정립의 평균 직경을 측정③ ASTM 입도 번호 : 1제곱인치당 결정립의 개수를 측정하여 ASTM의 입도 번호를 결정 (ASTM E-112, E-930, E-1181)이 세가지 이다. 일반 적으로 서클법, 직경 측정법을 이용하여 ASTM의 입도 번호를 결정하는 것이 일반적이다.(2)ASTM 입도번호로 측정하는 법100배로 확대한 사진에서 1인치제곱내의 결정립수를 z라고 하면 z=2^(n-1)이 된다. 여기서의 n이 ASTM 입도 번호 이다.2. ASTM 이란?(1) 정의American Society for Testing and Materials의 약어. 미국의 재료 규격 및 재료 시험에 관한 기준을 정하는 기관. 1898년 창립. 본부는 필라델피아. 아스템이라고 읽는다.(2) 목적- 재료의 용도 및 특성을 시험하고, 재료의 품질을 규격화하여 maker와 user가 보다 손쉽게 재료를 선정하고 취급할 수 있도록 유도한다.(3) ASTM의 규격- 모든 재료에 관한 terms, products, testing method를 규정한 규격- 재료나 제품조합 및 필요한 특성을 결정하는 기준을 제공- purchasing, product design에 필요한 재료와 기술 등 산업 각 분야마다 가장 많이 사용되는 문서들을 수록- 미국을 비롯한 세계 각국에서 보편 적으로 사용- 현 11,000종의 규격이 제정되어졌다KSASTMKorean Standards, 산업표준화법에 의거하여 우리나라 정부가 제정한 우리나라의 국가 규격이며, 제정일로부터 5년 마다 규격의 적합여부를 심의하여 개정, 확인, 폐지 등을 결정 한다. 총 16개 부문 (A~X) 중의 한 부문을 나타내는 알파벳 기호와 규격의 고유번호인 아라비아 숫자 4자리로 구성되어 있다. ISO규격을 인용한 경우가 많다.