Architectured AlN/Al Composites Produced by Material Extrusion and Pressure Infiltration: Processing–Structure–Property Relationships

당신은 로봇을 위한 초강력, 초경량 골격을 만들려고 한다고 상상해 보십시오. 당신은 금속처럼 단단하면서도, 세라믹처럼 열에 녹거나 변형되지 않고 열을 견딜 수 있는 것을 원합니다. 재료 과학의 세계에서 과학자들은 오랫동안 이 두 가지 매우 다른 세계를 섞으려고 노력해 왔습니다: 세라믹(단단하고 내열성이 있지만 부서지기 쉬움)과 금속(강하고 유연하지만 뜨거워지면 부드러워질 수 있음)입니다. 보통, 이 둘을 섞는 것은 기름과 물을 섞는 것과 같습니다. 서로 잘 붙지 않으며, 그 결과는 종종 약한 부분이나 구멍으로 가득 차게 됩니다.

하지만 "적층 제조"(또는 3D 프린팅)라고 불리는 새로운 방식이 게임의 판도를 바꾸었습니다. 모든 것을 한꺼번에 녹이는 대신, 과학자들은 세라믹으로 스펀지 같은 골격을 프린트하고, 그것을 말려 굳힌 다음, 액체 금속을 작은 구멍 속으로 부어 넣을 수 있습니다. 이것은 속이 빈 세라믹 쿠키를 구운 다음 그 틈을 녹은 초콜릿으로 채우는 것과 같습니다. 연구자들이 던진 큰 질문은 이것입니다: 우리가 이 세라믹 골격을 아주 미세한 구석구석까지 액체 금속이 공기 방울 없이 채워질 수 있도록 완벽한 정밀도로 프린트할 수 있는가, 그리고 최종 혼합물이 압력과 열 속에서도 실제로 형태를 유지하며 버틸 수 있는가?

이 논문은 정확히 그 일을 시도하기로 결정한 한 팀의 이야기를 들려줍니다. 그들은 특수한 유형의 3D 프린팅을 사용하여 알루미늄 나이트라이드(초강력 세라믹의 일종)로 다공성 구조체를 만들었습니다. 그들은 이 구조체가 금속과 완벽하게 맞물려, 마치 3D 퍼즐처럼 가벼우면서도 믿을 수 없을 정도로 강한 '복합 재료'를 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다.

그들이 발견한 결과는 다음과 같습니다. 팀은 먼저 "재료 압출(Material Extrusion)"이라는 방법을 사용하여 다공성 세라믹 형상을 프린트했습니다. 이것은 세라믹 가루가 섞인 걸쭉한 치약 같은 것을 노즐을 통해 짜내어 격자 패턴을 그리는 것으로, 뜨거운 글루건을 사용하는 것과 비슷하지만 세라믹 가루를 사용합니다. 그들은 특정 "라인 인필(line infill)" 패턴을 가진 원기둥을 프린트했는데, 스펀지 같은 구조를 만들기 위해 공간의 30%를 비워 두었습니다. 프린트 후에는 프린팅 중에 세라믹 가루를 결합해 주던 끈적한 접착제(바인더)를 제거해야 했습니다. 그들은 이를 두 단계로 수행했습니다. 먼저 용매에 담가 일부 접착제를 씻어낸 다음, 나머지를 태워 없애기 위해 열을 가했습니다. 마지막으로, 그들은 세라믹 스펀지를 1650 °C의 뜨거운 가마에서 구워 입자들을 서로 융합시켜, 여전히 다공성이지만 견고한 골격으로 만들었습니다.

세라믹 골격이 준비되자, 진짜 마법이 일어났습니다. 그들은 몰텐 알루미늄 합금(잘 달라붙도록 마그네슘을 아주 조금 섞은 것)을 가져와서, 압력을 이용해 액체 금속을 세라믹 스펀지 안으로 밀어 넣었습니다. 이것은 마치 마른 스펀지에 물을 짜 넣는 것과 같았지만, 구석구석까지 도달할 수 있도록 충분한 압력을 가한 뜨거운 금속을 사용했습니다.

결과는 인상적이었습니다. 강력한 현미경과 X선 스캐너로 완성된 제품을 관찰했을 때, 알루미늄이 세라믹 프레임워크를 성공적으로 채웠음을 확인했습니다. 최종 재료는 약 75.4%의 세라믹과 24.6%의 알루미늄으로 구성되었습니다. 결정적으로, 그들은 큰 공기 방울이 거의 남아 있지 않다는 것을 발견했습니다. 전체 재료의 총 기공률(다공성)은 믿기 힘들 정도로 낮았으며, 약 0.68%에 불과했습니다. 이는 금속과 세라믹이 마치 완벽하게 구워진 스펀지 케이크에 생반죽 주머니가 없는 것처럼, 조밀하고 서로 맞물린 구조로 결합되었음을 의미합니다.

팀은 또한 이 재료가 뜨거워지거나 압착될 때 어떻게 행동하는지 테스트했습니다. 그들은 재료를 500 °C까지 가열하며 얼마나 팽창하는지 관찰했습니다. 그들은 첫 번째 가열 사이클 이후 재료가 안정화되어 매우 안정적인 상태가 된다는 것을 발견했습니다. 재료의 팽창률(열을 받을 때 커지는 정도)은 11.6 ~ 12.9 × 10⁻⁶ K⁻¹ 사이였는데, 이는 순수 알루미늄보다 훨씬 우수하며, 뜨거울 때도 크기를 일정하게 유지해야 하는 응용 분야에 완벽한 수치입니다.

그들이 재료를 으깨어 강도를 확인했을 때, 재료는 상당한 압력을 견딜 수 있다는 것을 발견했습니다. 흥미롭게도, 재료는 옆에서 눌렀을 때보다 위에서 눌렀을 때(제조된 방향) 약간 더 강했습니다. 수직 방향의 강도는 약 567 MPa였고, 수평 방향은 511 MPa였습니다. 이 작은 차이는 그들이 층을 쌓아 만든 방식이 강도에 영향을 미쳤음을 보여주지만, 전반적으로 이 재료는 믿을 수 없을 정도로 튼튼했습니다.

이 연구의 핵심 요점은 3D 프린팅과 압력 침투법을 결합함으로써, 과학자들이 이제 금속과 세라믹이 완벽하게 혼합된 복잡하고 맞춤화된 모양의 부품을 만들 수 있다는 것입니다. 그들은 세라믹 골격을 프린트하고 그 안에 금속을 채워 넣으면, 밀도가 높고 강하며 고온에서도 안정적인 재료를 얻을 수 있다는 것을 증명했습니다. 이는 항공기, 자동차, 전자 제품과 같이 열을 견디면서도 형태가 무너지지 않아야 하는 곳에 쓰일 더 가볍고 튼튼한 부품을 만드는 길을 열어줍니다. 논문은 이 방법이 이러한 첨단 재료를 만드는 신뢰할 수 있는 방법임을 시사하지만, 향-후 연구에서는 이러한 재료가 장기간 동안 그리고 훨씬 더 복잡한 모양에서 어떻게 성능을 발휘하는지 탐구할 필요가 있다고 언급했습니다.