열간 프레스 소결로 제조된 산화 그래핀 강화 티타늄 복합체의 강도 및 경도 향상

요약

아르곤 분위기에서 열간 프레스 소결로 1-5wt% 산화 그래핀(GO)을 함유한 Ti 매트릭스 복합체를 제조했습니다. Ti와 GO 반응으로 TiC 나노입자가 원위치에서 생성되었으며, 층상 GO 네트워크가 부분적으로 유지되었습니다. GO 함량과 소결 온도 증가에 따라 TiC 함량이 늘어나 경도와 강도가 향상되었습니다. 1473K에서 소결된 5wt% GO 복합체는 457HV(순수 Ti 대비 48% 향상)에 도달했으며, 동일 온도의 2.5wt% GO 시료는 1294MPa의 최대 항복 응력으로 순수 Ti보다 63% 높았습니다. 파면 분석 결과 강화 복합체는 준-효개 모드를, 비강화 Ti는 연성 파괴를 보였습니다. 강화 기제는 결정립 미세화, 고용체 효과, TiC와 GO 분산 강화입니다.

서론

항공우주 분야는 극한 하중과 온도를 견디면서 경량인 소재를 요구합니다. 티타늄 매트릭스 복합체(TMC)는 높은 비강도, 우수한 내마모성, 안정된 고온 성능으로 매력적 후보입니다. 기존 세라믹 강화재(TiC, SiC, TiB) 및 SiC 섬유는 강성을 높이지만 매트릭스를 취성화하거나 이방성을 유발할 수 있습니다. 탄소 기반 나노소재, 특히 그래핀과 산화 형태는 강도를 높이면서 인성을 유지하는 저밀도 경로를 제공합니다. 그래핀의 단일 원자 두께와 sp² 결합은 2630m²/g 이론 비표면적과 뛰어난 전기적, 열적, 기계적 특성을 부여합니다. 선행 연구에서 Al이나 Cu 매트릭스에 0.5-0.8wt% 그래핀 유도체 첨가 시 인장 강도가 20-40% 증가함을 보였습니다. 그러나 나노입자 응집으로 고함량에서 효과가 정체됩니다. 산화 그래핀(GO)은 산소 작용기를 포함해 용매 내 분산성을 높이고 금속 매트릭스와 반응해 강화상을 형성할 수 있습니다. GO가 Al과 Fe 복합체를 개선했음이 보고되었으나, Ti 매트릭스 적용은 미개척 영역입니다. 본 연구는 열간 프레스 소결로 제조한 Ti/GO 복합체를 조사하여 GO 함량과 소결 온도가 미세구조, 상 형성, 기계적 성능에 미치는 영향을 규명합니다.

방법 및 실험

산화 그래핀 합성

GO는 변형 휴머스법으로 제조했습니다. 흑연(99.95% 순도, <325메시)을 HCl 중 CrO₃로 인터칼레이션한 후 H₂O₂ 처리로 팽창시켜 화학적 팽창 흑연(CEG)을 얻었습니다. 이후 9:1 H₂SO₄/H₃PO₄ 혼합물과 KMnO₄로 323K에서 산화하고, H₂O₂와 HCl로 중화해 GO 플레이크를 얻었습니다. 라만, XPS, FT-IR, TGA로 산소 작용기 존재와 단일층 두께(~1nm) 확인(Fig. 2).

복합 분말 제조

상용 Ti 분말(≥99.9% 순도)을 95% 에탄올로 희석한 GO 현탁액과 혼합했습니다. 슬러리를 10분 초음파 분산, 333K 진공 오븐 건조, 10분 볼밀링으로 균일한 Ti/GO 블렌드 제조(Fig. 4).

열간 프레스 치밀화

혼합물을 15mm 흑연 다이에 넣고 아르곤 흐름로에서 1073K 또는 1473K, 승온 속도 15K/min, 30분 유지, 50MPa 압력으로 소결했습니다. 냉각 속도 <20K/min. 결과 치밀체를 시험편으로 가공하고 1μm까지 연마했습니다.

특성 분석

상 분석은 XRD, 미세구조는 SEM, TEM, EDS, GO 두께는 AFM으로 수행했습니다. 경도(비커스, 250g, 10초), 압축 강도(MTS 858), 열전도도(Netzsch LFA 457) 측정. TGA로 GO 분해 온도 정량.

결과 및 고찰

산화 그래핀 구조

라만 스펙트럼에서 D(1347cm⁻¹)와 G(1582cm⁻¹) 밴드, I_D/I_G=1.46으로 유의미한 산화 확인. XPS C 1s 피크는 sp² C, C-O, C=O, O-C=O 그룹 대응. FT-IR로 O-H, C-O-C, C=O 진동 확인. TGA에서 433-493K 사이 주요 중량 손실은 불안정 산소 기 탈리에 기인(Fig. 2).

미세구조 및 상 변화

Ti/GO 분말 SEM 이미지(Fig. 4)에서 2.5wt%까지 GO 플레이크 균일 분산 확인; 5wt%에서 약한 응집 관찰. 1073K 소결 후 Ti 입자가 스트립형 GO 네트워크로 결합했으나 산소 기 제한적 확산으로 간극 발생(Fig. 5). EDS 매핑으로 GO-Ti 계면에서 TiC 나노입자 확인, 원위치 반응 입증. 1473K에서 매트릭스 치밀화, 간극 감소, TiC 밀도 증가(Fig. 7). 2.5wt% 시료 TEM에서 GO 플레이크가 층상으로 유지, TiC 입자 20-200nm, 입계에서 높은 전위 밀도 확인, 오로완형 강화와 일치(Fig. 8).

XRD 분석

모든 시료에서 주요 α-Ti 피크(100, 002, 101) 관찰. GO 첨가 시 약한 TiO₂와 TiC 피크 출현, 고함량 고온에서 강도 증가로 TiC 생성 진행 확인(ΔG≈-178kJ/mol, 1073K). 피크 브로드닝과 고각도 이동으로 결정립 미세화 암시(Fig. 9).

기계적 특성

경도: 순수 Ti 250HV에서 5wt% GO 1473K 457HV로 48% 향상. 압축 항복 응력: 순수 Ti 702MPa에서 2.5wt% GO 1473K 1294MPa로 63% 증가. 5wt% 시료는 GO 응집으로 약간 감소(Fig. 10, 11). 고온 소결로 치밀도, TiC 생성, 전위 활성 증가하여 강도 추가 향상.