기계/재료

중국 고분자 및 복합재료제조과정 최적화설계시스템 개발

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중국과학원 장춘응용화학연구소와 산동대학은 협력하여 ‘고분자 및 복합재료제조—구조—성능 상관관계의 유한요소분석 및 최적화설계’에서 진전을 가져왔다. 고분자재료제조—구조—성능의 상관관계 및 그 법칙을 정량적으로 밝혔고 재료제조과정의 최적화 설계시스템을 발전하였으며 자체 개발한 시뮬레이션 소프트웨어를 널리 응용시켰다. 이 기술은 2010년도 길림성(吉林省) 과학기술진보상 1등상을 수상했다. 고분자 및 복합재료의 산업화제조과정은 복잡한데, 재료는 대부분 非등온, 非등압, 복잡한 변화상태에 처해 있으며 게다가 화학적 열효과, 겔효과, 점성 열소비효과 등의 현상으로 인해 재료구조와 성능은 시간, 공간내의 非균일성을 유발하며 심지어는 재료의 사용성능에 영향을 미칠 수 있다. 그동안 국내외의 많은 학자들은 해당 문제의 연구에 주력하였고 복잡한 가공조건에서 재료제조—구조—성능의 상관관계 및 그 법칙을 밝혀 재료의 최적화설계와 최적 처리창의 선택을 실현하려고 시도하였으나 시뮬레이션의 복잡한 제조과정, 집적연구 실현 및 정량 재료구조와 성능의 시간변화와 공간분포법칙 규명 등에서 진전이 미미했다. 장춘응용화학연구소와 산동대학은 재료성능에 대한 정량조절제어메커니즘 규명, 재료제조과정의 최적화설계 실현 등의 핵심문제에 입각하여 2002년부터 ‘고분자 및 복합재료제조—구조—성능 상관관계의 유한요소분석 및 최적화설계’에 대한 연구를 추진했다. 연구자는 유한요소법, Monte Carlo법, 증분이론, 반응통계학, 화학유변학, 최적화설계 등의 다양한 학과지식을 종합적으로 활용하였고 실험연구, 이론연구와 시뮬레이션을 상호 결합시켰다. 고분자재료의 겔 전이, 폴리올레핀의 반응압출, 섬유복합재료의 액체상태 모형 등의 대표적인 재료제조과정에서 최초로 겔제조과정의 유한요소 시뮬레이션을 목표함수풀이방법으로 삼았고 유전자 알고리즘을 재료성분과 제조조건의 검색최적화방법으로 삼았으며 겔 전이과정의 최적화설계의 컴퓨터모의시스템을 구축했고 겔제조과정의 반응제어, 구조제어 및 성능조절제어를 실현했다. 非등온, 非등압 등의 복잡한 가공조건에서 화학반응이 고분자재료의 구조와 변화특성에 미치는 영향법칙을 정량적으로 밝혔고 최초로 중합반응압출성형과정의 화학열효과와 겔효과의 커플링작용을 수치로 분석했다. 또한 결함종류, 함량 및 분포의 복합재료역학성능과 파괴행위에 미치는 영향법칙을 밝혔고, 겔 전이, 반응압출 및 복합재료 제조 및 파괴의 기초이론과 연구방법을 다양화하였다. 본 프로젝트 연구과정에 발표한 논문은 30여편이며, 국가판권국으로부터 획득한 컴퓨터소프트웨어저작권은 3건이다. 또한 다수의 국방기술을 보유하여 탄소섬유 복합재료의 우주항공 등 분야에서 응용 및 보급시켰다. 그밖에도 자체 개발한 플라스틱제품의 열경화기법에 기반한 시뮬레이션소프트웨어와 올레핀반응압출 시뮬레이션소프트웨어가 응용되면서 경제적 사회적 효과가 가시화되었다.

중국과학자 공정구조재료의 국제난제 해결

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중국과학자가 공정구조재료의 강도와 인장연성을 동시에 높이는 연구에 성공하여 주목받고 있다. 중국과학원 금속연구소 심양(沈陽)재료과학 국가(연합)실험실의 루커(卢柯)연구팀은 매우 높은 항복강도와 높은 인장연성 변형특성을 지닌 기울기 나노금속 구리(Cu)를 개발하는데 성공했다. 연구결과 기울기 나노금속구리의 탁월한 가소성 변형특성은 기울기나노구조의 독특한 변형메커니즘에서 기인한 것임을 밝혔다. 연구팀은 미세조직에 대한 연구를 통해, 기울기 나노구조의 경우 인장과정에 그 주도적 변형메커니즘이 기계적 구동방식의 결정립계로 전이하며, 이로 인해 결정입자가 커지는데 이러한 변형메커니즘은 전위운동, 쌍정, 결정립계 미끄럼 혹은 크리프 등의 재료변형메커니즘과는 차원이 완전히 다른 것도 규명했다. 관련 연구성과는 2월 17일 미국「사이언스」온라인판에 게재했다. 공정구조재료의 경우 이상적인 성능은 높은 강도와 높은 인장연성을 동시에 갖추는 것이지만 실제로 강도와 인장연성을 두루 갖추기는 매우 힘들다. 고강도재료의 경우 대부분은 가소성이 매우 낮으나 이와 반대로 가소성이 양호한 재료의 경우는 강도가 매우 낮은 것이 단점이다. 대표적인 고강도재료인 나노금속재료(미립사이즈가 나노스케일의 다결정금속)는 강도가 보통금속보다 한자리 높지만 그 대신 인장연성은 거의 없다. 이리하여 나노금속의 가소성과 연성을 어떻게 높이는가 하는 문제는 최근 몇 년간 국제재료분야의 중요한 난제로 남아있었다. 기울기 나노구조는 입자치수의 공간차원의 기울기분포를 가리킨다. 루커연구팀은 표면기계밀링처리(SMGT)기법을 이용해 순수 구리막대표면에 기울기 나노구조를 제조하는데 성공했으며, 표면에서 내부에 이르기까지 결정입자치수를 십몇나노(nm)기울기에서 마이크로(㎛)스케일로 확대하였는데 막대의 코어부분은 거친 입자구조(입자치수는 수십마이크로미터)이며, 이런 기울기 나노구조의 두께는 수백마이크로미터에 달하였다. 기울기 나노구조층은 매우 높은 인장항복강도를 지니는데, 바깥층의 50마이크로미터 두께의 기울기 나노구조의 항복강도는 660MPa(거친 결정 구리의 10배정도)에 달하며, 실온 인장실험결과 기울기 나노구조의 표층은 인장 진변형률(true strain)이 최고로 100%일 경우에도 여전히 균열이 생기지 않고 완벽함을 유지하고 있어 인장연성 변형특성은 거친 입자 구리보다 월등한 것으로 나타났다. 따라서 높은 강도와 높은 인장연성을 동시에 갖춘 나노구조재료는 고성능 공정구조재료의 발전을 위해 전혀 새로운 길을 개척해놓았다는 점에서 그 의의가 깊다. 표면기계밀링처리법은 최근 중국과학원 금속연구소 심양재료과학 국가(연합)실험실이 개발한 기울기 나노구조 제조 신기술로서 제조공법이 간단하여 공업응용에 적합하다. 신기술의 개발은 기울기 나노금속의 기본성능연구를 추진하였음은 물론이고 고성능 기울기 나노표층재료의 공업응용 및 재료표면공정기술의 발전에 대해서도 중요한 촉진역할을 할 것으로 기대된다.