본문내용
1. 방탄재료 소결
1.1. 실험 개요
실험 개요는 다음과 같다. 방탄재료 소결 실험의 목적은 분말야금(소결)의 효과를 이해하고, 소결에 사용되는 금속분말의 형태를 알아보며, 소결체의 상대밀도와 기공도 등을 아르키메데스 원리를 이용하여 구하는 것이다. 실험을 위해 사용한 시약은 MgAl2O4 스피넬 소결체와 수득분말이며, 기기로는 저울, 펠렛 압축기, 포수장치, 밀도 측정 장치 등을 사용하였다. 실험 방법은 non-silica와 4wt% silica를 첨가한 분말을 혼합하고, 펠렛 프레스로 압축하여 펠렛 샘플을 만든 후 소결하는 것이다. 그리고 아르키메데스 원리를 이용하여 소결체의 상대밀도와 겉보기 기공도를 측정하였다.
1.2. 소결과정 및 분석
소결과정 및 분석은 다음과 같다.
분말야금 공정에서 소결은 금속분말을 고온에서 가열하여 분말 사이의 접착력을 증가시키는 중요한 공정이다. 소결 과정에서는 분말입자들이 확산, 입자성장, 기공의 치밀화 등의 과정을 거치게 된다. 분말을 일정한 압력으로 성형한 후 가열하면 입자간 결합이 형성되고 기공이 감소하게 된다.
먼저 실험에서는 MgAl2O4 스피넬 분말에 대해 두 가지 방법으로 소결을 진행하였다. 첫 번째는 순수 MgAl2O4 분말을 사용하였고, 두 번째는 MgAl2O4 분말에 4 wt% 의 SiO2를 첨가하여 소결을 진행하였다. 두 경우 모두 125 MPa의 압력으로 성형한 후 1450℃에서 2시간 동안 소결하였다.
SiO2를 첨가하지 않은 경우, 소결 중 입자간 결합이 원활하게 이루어지지 않아 기공이 많이 잔존하게 되었다. 반면 SiO2를 첨가한 경우에는 소결 과정에서 SiO2가 용융되어 입자간 결합을 촉진시켜 보다 치밀한 미세구조가 형성되었다. SiO2는 소결온도에서 액상을 형성하여 입자간 물질 이동을 증가시키고 결정립 성장을 도와 기공을 효과적으로 제거할 수 있었던 것으로 보인다.
이러한 소결과정의 차이는 최종 소결체의 물성에 큰 영향을 미쳤다. SiO2를 첨가하지 않은 소결체의 상대밀도는 0.2965, 기공도는 1.863%로 나타났다. 반면 SiO2를 첨가한 소결체의 상대밀도는 0.2837, 기공도는 1.277%로 더 높은 치밀도와 낮은 기공도를 보였다. 이는 SiO2 첨가가 소결 과정에서 치밀화를 촉진시켜 보다 조밀한 미세구조를 형성했음을 의미한다.
1.3. 소결체의 상대밀도 및 기공도
실리카를 첨가하지 않은 소결체의 상대밀도는 0.2965이다. 이는 건조 무게에서 수중 무게를 제한 값을 건조 무게로 나눈 것이다. 즉, 소결체의 건조 무게가 0.9767g이고 수중 무게가 0.6871g일 때, 상대밀도는 (0.9767-0.6871)/0.9767 = 0.2965로 계산된다.
실리카를 4wt% 첨가한 소결체의 상대밀도는 0.2837이다. 이 경우 건조 무게가 0.9814g이고 수중 무게가 0.7030g이므로, 상대밀도는 (0.9814-0.7030)/0.9814 = 0.2837로 계산된다.
실리카를 첨가하지 않은 소결체의 겉보기 기공도는 1.863%이다. 이는 포수 무게에서 건조 무게를 제한 값을 포수 무게에서 수중 무게를 제한 값으로 나누고 100을 곱한 것이다. 즉, 포수 무게가 0.9823g, 건조 무게가 0.9767g, 수중 무게가 0.6817g일 때, 기공도는 (0.9823-0.9767)/(0.9823-0.6817) x 100 = 1.863%로 계산된다.
실리카를 4wt% 첨가한 소결체의 겉보기 기공도는 1.277%이다. 이 경우 포수 무게가 0.9850g, 건조 무게가 0.9814g, 수중 무게가 0.7030g이므로, 기공도는 (0.9850-0.9814)/(0.9850-0.7030) x 100 = 1.277%로 계산된다.
이처럼 실리카를 첨가한 소결체가 실리카를 첨가하지 않은 소결체에 비해 상대밀도가 낮고 기공도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 실리카 첨가가 소결 과정에서 입자 간 결합을 강화하여 소결체의 밀도를 높이는 데 효과적이기 때문이다.
1.4. 소결조제(SiO2)의 효과
SiO2는 소결과정에서 가하는 온도에 녹는 물질이다. 따라서 저번 실험에서 준비했던 수득분말과 함께 압력을 가하면 입자와 입자 사이의 빈공간을 매꿀수 있고, 녹아서 잘 뭉쳐지는 효과를 보인다. 열에 녹아든 SiO2는 원자들 사이사이를 보충해주고 다시 식으면서 단단한 물성을 보이기 때문에 소결과정에서 큰 도움이 된다. 하지만 과도한 양의 SiO2를 넣으면 유리의 성질을 보이기 때문에 단단해지기 보다는 쉽게 깨져버리는 현상이 발생한다. 따라서 단단한 성질을 만들기 위해서는 소량의 SiO2를 넣어주어 가열해주어야 한다.
2. 신소재 개요
2.1. 광 파이버
광 파이버는 투명한 재료인 유리를 소재로 하여, 굴절률이 높은 코아 유리(core glass)를 굴절률이 낮은 클래드 유리(clad glass)로 피복한 이중 구조를 갖고 있다. 따라서 코아에 들어간 빛은 클래드 유리와의 계면에서 전반사되어 파이버가 구부러져 있더라도 빛은 속에서 전파되어 간다. 이 원리를 이용하여 라이트 가이드(light guide) 또는 화소(畵素)를 각각의 파이버로 전하는 이미지 가이드(Image guide)등이 개발되었다.
유리는 투명하다고 생각되지만, 이 광섬유도 수 미터의 길이가 되면 빛이 끝부분에 도달하지 못한다. 그 이유는 유리 중의 불순물에 의한 흡수 손실이 큰 까닭이다. 이것을 없이 하여 초고순도의 유리를 만들면 킬로미터 이상까지도 빛이 전달된다. 따라서 광 파이버 통신이 가능하게 되므로 저손실 광 파이버 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 투명 재료의 출현으로 그 응용 분야는 크게 넓어지고 있으며 라이트 가이드는 물론 광 통신, 의료용, 공업용 등 많은 용도가 개발되고 있다. 이용 형태를 분류하면 정보 전송 매체, 에너지 전송 매체 및 센서 등으로 분류된다.
먼저 광 통신용 유리 파이버는 통신용에서 쓰이고 있으며, 광 파이버 통신 시스템은 반도체 레이저를 사용하여 전기 신호를 광 신호로 변환시키고 이것을 광 파이버를 통해서 정보를 먼 거리까지 전송하는 것을 말한다. 따라서 광 파이버에 요구되는 특성은 다양의 신호를 멀리까지 손실이나 변형 없이 전해야 한다. 즉 광 손실이 아주 작아야 한다.
다음으로 광 에너지를 전송할 경우에는 통신용 광 파이버와는 달리 구경이 크고 개구수도 크며 저손실이 요구된다. 또 가소성을 잃지 않게 하기 위하여 가는 파이버를 묶어서 단으로 한 구조가 사용된다. 재료로는 고순도 광학 유리를 사용한 개구수가 0.5이상, 공기 중에서 최대 입사각이 30도 이상으로 하여 많은 광 에너지가 보내지게 되어 있다. 용도로는 라이트 가이드 외에 의학...
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