항공우주 설계 발전을 위한 '재료 게놈' 잠금 해제

지난 달 시드니 대학교 항공우주, 기계 및 메카트로닉스 공학부의 연구원들은 첨단 강철 및 맞춤형 실리콘과 같은 결정질 재료 내의 원자 관계를 밝히기 위한 현미경 방법을 발견했습니다.

항공우주 산업은 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 유지하면서 효율성, 성능 및 안전성을 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 여러 가지 기술 발전으로 지구 대기권 내부와 외부 모두에서 항공 여행의 기능이 확장되었습니다. 여기에는 통신을 위한 고급 위성 기술, 경량 부품을 위한 적층 제조, 배출 감소 및 비용 절감을 위한 전기 추진, 더 빠른 여행을 위한 초음속 비행, 향상된 운영 효율성을 위한 인공 지능 및 기계 학습이 포함됩니다.

항공우주는 매우 특정한 특성을 지닌 고급 소재에 중점을 둡니다. 시스템에는 일반적으로 세라믹 열에서 탄소 섬유 및 티타늄에 이르기까지 다양한 종류의 재료가 포함되며, 이는 성능을 최적화하기 위해 다양한 목적으로 사용됩니다.

이 분야의 연구는 다기능 재료 개발을 목표로 합니다. 즉, 구조적 기능뿐만 아니라 능동 냉각과 같은 다른 기능도 제공할 수 있는 재료를 의미합니다. 첨단 항공우주 개념을 현실화하려면 소재는 그 어느 때보다 내구성이 뛰어나고 가벼우며 비용 효율적이어야 합니다. 

항공우주 산업이 계속 발전함에 따라 이를 더욱 발전시킬 최신 획기적인 혁신을 살펴보겠습니다.

설계 발전을 위한 '재료 게놈' 공개

지난 달 시드니 대학교 항공우주, 기계 및 메카트로닉스 공학부의 연구원들은 첨단 강철 및 맞춤형 실리콘과 같은 결정질 재료 내의 원자 관계를 밝히기 위한 현미경 방법을 발견했습니다.

이는 연구자들이 이러한 물질의 원자 수준 구조에서 미세한 변화도 감지할 수 있음을 의미하며, 해당 물질의 특성과 행동의 근본적인 기원에 대한 이해를 향상시킵니다. 이러한 지식을 통해 전자제품용 고급 반도체와 항공우주 부문용 더 가볍고 강한 합금을 개발할 수 있습니다.

이를 위해 연구진은 원자를 3차원(3D)으로 시각화하는 기술인 원자탐침단층촬영(APT)을 사용해 단거리 질서(SRO)의 복잡성을 풀어냈습니다. SRO는 재료의 구성 요소가 무작위 분포에서 벗어나는 상대적 경향을 정량적으로 측정한 것입니다. 혁신적인 소재를 만들기 위해서는 지역의 원자 환경을 이해하는 것이 필수적입니다.

SRO는 결정 내의 원자 규모에서 이웃 관계의 비무작위성을 자세히 정량화함으로써 강도와 같은 원하는 특성을 달성하기 위해 특정 이웃 배열을 사용하여 원자별로 맞춤 설계되는 재료에 대한 광대한 가능성을 열어줍니다. ”라고 시드니 대학의 부총장(연구 인프라)인 Simon Ringer 교수가 연구를 주도했습니다.

때때로 '물질 게놈'이라고도 불리는 SRO는 측정하고 정량화하는 데 어려움을 겪었습니다. 원자 배열은 기존의 현미경 기술로는 볼 수 없을 정도로 작은 규모로 발생하기 때문입니다.

그래서 연구진은 APT를 사용하여 이러한 문제를 극복하는 새로운 방법을 개발하여 “재료 과학의 획기적인 발전”을 이루었습니다.라고 AMME의 재료 엔지니어인 Ringer는 말했습니다. 

이 연구의 초점은 제트 엔진 및 발전소를 포함하여 고온 강도가 필요한 상황에서 사용할 수 있는 잠재력으로 인해 많이 연구되는 분야인 고엔트로피 합금(HEA)에 맞춰졌습니다.

연구원들은 고급 데이터 과학 기술을 사용하고 APT의 데이터를 활용하여 SRO를 관찰하고 측정했습니다. 그런 다음 다양한 열처리에 따라 코발트, 크롬, 니켈의 고엔트로피 합금에서 SRO가 어떻게 변하는지 비교할 수 있었습니다.

선임 박사후 연구원 Andrew Breen 박사에 따르면:

"(이 연구는) 그러한 측정이 유효한 상황과 유효하지 않은 상황의 정확한 범위를 제한하는 민감도 분석을 생성했습니다."

SRO를 측정하고 이해함으로써 이 연구는 재료 설계에 대한 접근 방식을 변화시키는 데 도움이 될 수 있으며 "원자 수준 아키텍처의 작은 변화가 재료 성능의 큰 도약으로 이어질 수 있음"을 보여줄 수 있다고 박사후 연구원인 Mengwei He는 말했습니다. 항공우주, 기계 및 메카트로닉 공학부

게다가, 이 연구는 미세한 수준의 청사진을 제공함으로써 연구원의 컴퓨터 시뮬레이션, 모델링 및 재료 거동 예측 능력을 향상시킵니다. 이는 SRO가 중요한 재료 특성을 제어하는 ​​향후 연구를 위한 템플릿 역할을 할 수도 있습니다. 

극초음속 비행을 가능하게 하는 혁신적인 소재

초음속 속도로 지속적인 비행을 달성하는 데 많은 관심이 있지만 기술적 과제는 여전히 남아 있습니다. 여기에는 극심한 열 관리, 성능 저하 없이 스트레스, 극한 온도 및 산화를 견딜 수 있는 재료 개발, 고속 및 고도에서 효율적으로 작동할 수 있는 추진 시스템 개발이 포함됩니다. 

연구원들이 이러한 문제에 대한 해결책을 찾으려고 노력하는 동안 광저우 대학교 재료 과학 및 공학부의 과학자들은 올해 초 극초음속 열 차폐에 대한 획기적인 보고를 했습니다.

극초음속 비행의 판도를 바꿀 수 있는 과학자들은 '뛰어난 열 안정성'과 '초고압축 강도'를 제공하는 새로운 소재인 다공성 세라믹을 개발했습니다. 

이것은 과학자들이 처음으로 수행했다고 말하는 다중 규모 구조 설계를 사용하여 달성되었습니다. 더욱이, 이 고엔트로피 세라믹의 신속한 제조는 항공우주, 화학 공학, 에너지 생산 및 전송 분야에서 더 넓은 탐구의 문을 열어줍니다.

연구원들은 “초고속 고온 합성 기술

을 통해 세라믹을 제작했다고 합니다”

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