톰스크 폴리테크닉대, 폐기물 기반 저비용 텅스텐 카바이드 생산 혁신

톰스크 폴리테크닉대, 폐기물 기반 저비용 텅스텐 카바이드 생산 혁신

톰스크 폴리테크닉 대학교(TPU) 연구진이 진공 챔버 없이 고품질 텅스텐 카바이드(WC) 및 초경질 소재를 생산하는 새로운 공정을 공개했습니다. 폐 카바이드 드릴 비트, 공구, 기타 WC 폐기물을 원료로 재활용해 기존 공정 대비 저렴하고 친환경적인 대안을 제시합니다. 연구 결과는 동료 평가 저널 International Journal of Refractory Metals and Hard Materials에 게재됐습니다.

텅스텐 카바이드(WC)는 초경 드릴 비트, 절삭 공구, 내마모 부품의 근간입니다. 전기·열전도율, 압축 강도, 내식성이 다이아몬드에 필적해 항공우주부터 정보기술까지 산업 전반에 필수적입니다.

산업계는 초경을 '산업의 이빨'이라 부르며 현대 국방, 항공우주, 신기술 응용에서 핵심적 역할을 강조합니다.

1970년대 연구자들이 WC상에서 탄화수소가 수소분해됨을 발견한 이래, 물에서 수소 생산을 위한 백금 없는 촉매로 연구돼 왔습니다. WC의 표면 전자 구조가 백금을 모방해 유사한 촉매 활성을 보이면서 독소 저항성이 우수하고 비용이 낮습니다.

TPU의 돌파구는 상압 조건에서 텅스텐 카바이드 나노분말을 합성한 데 있습니다. 특수 형상 흑연 전극으로 아크 플라즈마를 생성해 진공 챔버 없이 자발적으로 절연 기체 매질을 만듭니다. 이 혁신으로 공정이 크게 단순화되고 에너지 소비와 장비 비용이 획기적으로 줄었습니다.

알렉산더 팍 TPU '에코-에너지 4.0' 연구센터 연구원은 "흑연 전극 설계로 대기 중 절연 플라즈마 생성이 가능해 진공 요구사항을 없애고 에너지 사용을 10분의 1로 줄였습니다"라고 설명했습니다.

이 방법은 마모된 드릴 비트, 사용된 공구 부품, 기타 WC 함유 폐기물도 합성 전구체로 수용해 순환경제 원칙에 부합합니다. 또한 티타늄 카바이드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드 등 다른 초경질 내열 소재 합성에도 적용 가능합니다.

TPU팀은 상용화 배포를 위해 기술을 다듬고 대규모 폐기물 재활용으로 응용을 확대할 계획입니다. 연구는 러시아 과학재단 지원을 받았습니다.

결론

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