계면 에너지를 통한 기존의 추측을 뛰어넘는 매우 강력하고 전도성이 있는 Cu 합금 설계

Jan 07, 2024

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 17364(2015) 이 기사 인용

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높은 기계적 특성(강도, 연성)과 전기 전도성을 갖춘 Cu 기반 합금의 개발은 광범위한 산업 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 그러나 재료의 성공적인 설계는 일반적으로 추측되는 상호 배타적인 특성의 개선으로 인해 드물었습니다. 본 논문에서는 이종 인터페이스의 계면 에너지를 주의 깊게 제어하면 이러한 모순된 재료 특성이 동시에 개선될 수 있음을 보여줍니다. 우리는 Cu 매트릭스 위에 γ-Al2O3 나노입자를 균일하게 분산시킨 다음 Ti 용질을 첨가하여 계면 γ-Al2O3//Cu의 원자 수준 형태를 제어했습니다. Ti는 매우 불규칙한 형태에서 균질한 구형 형태로 계면 상 변환을 극적으로 유도하여 Cu 매트릭스의 기계적 특성을 실질적으로 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한 Ti는 산화물을 형성하여 Cu 매트릭스의 불순물(O 및 Al)을 제거하여 순수한 Cu의 전기 전도성을 회복합니다. 우리는 1차 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산과 결합된 TEM 및 EDX를 사용하여 실험 결과를 검증합니다. 이 계산은 우리 재료가 산업 응용 분야에 적합하다는 것을 일관되게 평가합니다.

나노 규모의 재료는 벌크 재료에 대한 전통적인 법칙에서 벗어나는 새로운 특성을 보여주었습니다. 그 예로는 붉은색 금1, 기계적으로 강한 나노구조 금속2, 투명 자석3 및 초전도체4가 있습니다. 이러한 재료의 설계에는 광학적, 기계적, 자기적 및 전기적 특성이라는 네 가지 고유 특성 중 하나를 조정하는 작업이 포함됩니다.

다기능 장치는 다양한 인간 요구 사항과 작동 조건의 환경적 복잡성을 충족하는 데 중요합니다. 모든 장치의 구성 요소 재료가 전반적인 효율성을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 점을 고려하면 다기능 시스템의 성공적인 설계에는 재료 특성의 근원에 대한 근본적인 이해와 개별 재료를 반도체 및 자동차 산업과 같은 실제 엔지니어링 응용 분야에 건전하게 통합하는 것이 필요합니다. .

그러나 다변량 기능을 갖춘 재료의 설계는 기존 법칙에 의해 엄격히 제한되며, 특히 원하는 특성이 상호 배타적인 경우 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 전기 전도성을 희생하지 않고 Cu 합금의 기계적 강도를 향상시키는 것은 오랫동안 문제가 된 예입니다. 전통적으로 금속 합금의 기계적 특성 강화는 모재의 격자 구조의 복잡한 조작을 기반으로 하여 전기 전도도를 감소시키고 종종 연성을 감소시키는 원하는 방향으로 전자 수송을 필연적으로 조작하거나 방해합니다5,6,7. 널리 사용되는 두 가지 방법8,9,10,11,12,13은 입자 구조를 수정하거나 외부 원소를 추가한 후 열처리하는 방법을 사용합니다.

본 논문에서는 기존의 제한을 넘어서는 뛰어난 기계적 특성과 전기 전도성을 갖춘 Cu 합금을 보여줍니다. 우리의 목표는 상호 트레이드오프 관계에 있는 기계적 강도와 전기 전도성을 동시에 향상시키는 것입니다. 벌크 Cu 매트릭스 위에 외부에서 공급되는 산소를 사용하는 내부 산화 공정을 통해 Al2O3를 균일하게 분산시켜 하이브리드 인터페이스 구조를 설계했습니다. Cu의 기계적 강도는 나노 크기 산화물 입자의 핵 생성 및 성장 과정에 의한 분산 경화 메커니즘을 통해 향상되었습니다. 우리는 Ti 첨가를 통해 잔류 O(Al과 O 사이의 화학양론적 관계로 인해 Cu 매트릭스 내부에 남아 있음)에 의해 저하된 Cu의 전기 전도도를 회복했습니다. 우리의 결과는 Ti가 TiO2, TiO 및 Al 및 O와 함께 3원상과 같은 다양한 산화물을 형성하여 Cu 매트릭스 내부에 최소한의 불순물을 남기는 것으로 나타났습니다.