관통형 구조를 가진 Cu/Al 복합재료의 강화 거동 및 열전도율

본 소개 자료는 "Transactions of Nonferrous Metals Society of China"에서 발행한 "Strengthening behavior and thermal conductivity of Cu/Al composite with penetration architecture" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Strengthening behavior and thermal conductivity of Cu/Al composite with penetration architecture
• 저자: Xiao-ling CHEN, Zhi-qing CHEN, Bo HU, Long YAN, Jing-ya WANG, Tao YING, Xiao-qin ZENG
• 발행 연도: 2024
• 발행 학술지/학회: Transactions of Nonferrous Metals Society of China
• 키워드: Cu/Al 복합재료; 압축 강도; 스퀴즈 캐스팅 기술; 열전도율

2. 초록:

Al 합금의 강도를 향상시키면서 열전도율을 심각하게 저하시키지 않기 위해, 관통형 구조를 포함하는 Cu/Al 바이메탈 복합재료가 인공적으로 설계되었고 적층 제조와 스퀴즈 캐스팅을 결합하여 제작되었습니다. 이 복합재료는 강도(~340 MPa)와 열전도율(200 W/(m·K)) 사이의 좋은 균형을 보여 기존 Al 합금을 능가했습니다. 높은 열전도율은 전자의 빠른 경로를 제공하는 기하학적 Cu 스캐폴드에 기인합니다. 동시에, 계면을 따라 Al2Cu 공정상의 형성으로 우수한 야금학적 결합이 달성되어 Cu/Al 복합재료의 강도를 효과적으로 향상시킵니다.

3. 서론:

Cu/Al 복합재료는 방열, 항공, 통신 및 자동차 응용 분야의 전기 및 열 전도체 부품에 광범위하게 매력적입니다 [1-3]. 이들은 Cu의 우수한 열전도율과 Al의 경량 및 저비용의 장점을 완벽하게 활용합니다. Cu/Al 바이메탈 복합재료는 질량을 40%, 비용을 60% 절감하면서도 동등한 전기 및 열전도율을 제공할 수 있습니다. 그러나 대부분의 제조 기술은 판형 및 원형 파이프와 같은 단순한 형상의 Cu/Al 복합재료 제조에 제한되어 있어 복잡한 부품에서의 광범위한 적용을 심각하게 제약합니다. 기존 Cu/Al 복합재료의 또 다른 한계는 기계적 강도와 열전도율 사이의 상충 관계에서 비롯되며, 이는 상호 배타적인 특성입니다. 일반적으로 기존의 강화 접근 방식은 열전도율에 불가피하게 해롭습니다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 Cu 강화재를 위한 인공적으로 설계된 관통형 구조를 포함하는 새로운 전략을 제안하며, 이는 실현 가능한 제조 접근 방식을 통해 달성됩니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

방열, 항공 및 통신 분야 응용을 위해 높은 기계적 강도와 우수한 열전도율을 모두 갖춘 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다. Cu/Al 복합재료는 Cu의 높은 열전도율과 Al의 경량 및 저비용을 결합할 수 있는 잠재력으로 인해 유망한 후보입니다 [1-4].

이전 연구 현황:

용접 [5-7], 압출, 압연 및 복합 주조 [11-15]를 포함하여 Cu/Al 복합재료를 제조하기 위한 수많은 기술이 개발되었습니다. 그러나 이러한 방법은 종종 단순한 형상으로 이어지며 중요한 상충 관계에 직면합니다. 기계적 강도를 향상시키면 일반적으로 열전도율이 저하됩니다. 예를 들어, Al-50vol.%Cu 복합재료는 높은 경도를 보였지만 열전도율은 낮았고(130 W/(m·K)), 다른 방법은 향상된 열전도율(322 W/(m·K))을 달성했지만 인장 강도는 낮았습니다(102 MPa).

연구 목적:

본 연구는 기계적 강도와 열전도율 사이의 좋은 균형을 달성하기 위해 인공적으로 설계된 관통형 구조를 가진 새로운 Cu/Al 복합재료를 개발하는 것을 목표로 했습니다. 목표는 기존 제조 기술의 한계와 기존 Cu/Al 복합재료의 고유한 특성 상충 관계를 극복하여 복잡한 부품에 대한 적용 가능성을 확장하는 것이었습니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 독특한 관통형 구조를 가진 Cu/Al 바이메탈 복합재료의 설계 및 제조에 있었습니다. 이는 먼저 적층 제조 기술인 선택적 레이저 용융(SLM)을 사용하여 복잡한 Cu 스캐폴드를 만드는 방식으로 달성되었습니다. 이후, 고압 및 고온에서 스퀴즈 캐스팅을 사용하여 순수 Al을 이 스캐폴드에 침투시켰습니다. 그런 다음 연구는 SEM, EDS 및 XRD를 사용하여 미세 구조, 특히 Cu-Al 계면을 특성화하고 XCT를 통해 형성 품질을 평가하는 데 중점을 두었습니다. 마지막으로, 제조된 복합재료의 기계적 특성(비커스 경도, 압축 강도) 및 열적 특성(열확산율, 열전도율)을 체계적으로 조사하고 구성 재료 및 기존 문헌 데이터와 비교했습니다. 본 연구는 계면에서 단일 Al₂Cu 공정상 층의 형성을 강조했으며, 이는 우수한 야금학적 결합과 향상된 기계적 강도에 기여하는 반면, Cu 스캐폴드의 관통형 구조는 효율적인 열전도를 보장했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

Cu 강화재를 Al 매트릭스 내에 관통형 구조로 설계하는 새로운 설계 개념이 개발되었습니다. Cu 스캐폴드는 Solidworks 소프트웨어를 사용하여 완전히 관통된 사각 구멍(1.5 mm × 1.5 mm)으로 설계되었습니다. 제조 공정은 Cu 스캐폴드를 위한 적층 제조(SLM)와 Al 침투를 위한 스퀴즈 캐스팅을 결합했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

Cu 스캐폴드는 SLM으로 제작되었으며, 층 두께(50 µm), 레이저 출력(300 W), 예열(200 °C)과 같은 특정 매개변수가 사용되었습니다. 순수 Al은 용융되어 AM-Cu 스캐폴드에 720 °C에서 약 100 MPa의 압력 하에 부어졌습니다. 미세 구조 특성화에는 광학 현미경, EDS를 사용한 SEM, XRD 및 XCT가 포함되었습니다. 기계적 특성은 비커스 경도 시험 및 준정적 단축 압축 시험을 통해 평가되었습니다. 열적 특성은 레이저 플래시 방법을 사용하여 열확산율을 측정하여 결정되었으며, 이로부터 열전도율은 λ=αρε 공식을 사용하여 계산되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 새로운 Cu/Al 복합재료의 제조, 미세 구조 특성화, 기계적 및 열적 특성 평가에 중점을 두었습니다. 범위는 다음과 같습니다:

• SLM을 통한 3D Cu 스캐폴드 제조.
• 스퀴즈 캐스팅을 통한 스캐폴드로의 Al 침투.
• Cu/Al 계면 및 상 조성(Al₂Cu 공정상) 특성화.
• 결함 분포 및 형성 품질 분석.
• 비커스 경도, 압축 강도 및 열전도율 측정.
• 구성 재료 및 문헌 값과의 특성 비교.

6. 주요 결과:

주요 결과:

관통형 구조로 제작된 Cu/Al 복합재료는 압축 강도(~340 MPa)와 열전도율(200 W/(m·K))의 좋은 균형을 보였습니다. 이 성능은 기존 Al 합금을 능가했습니다. 높은 열전도율은 전자의 빠른 경로를 제공하는 기하학적 Cu 스캐폴드에 기인했습니다. 계면에서 Al₂Cu 공정상의 형성을 통해 우수한 야금학적 결합이 달성되어 복합재료의 강도를 향상시켰습니다. 계면 미세 구조에는 기공이나 미세 균열이 없었으며, 약 120 µm 너비의 단일 IMC 층이 있었습니다. 복합재료는 약 0.57%의 낮은 다공성을 가졌습니다. 새로운 관통형 구조와 제조 공정은 강도와 열전도율 사이의 상충 관계를 효과적으로 완화했습니다.

그림 이름 목록:

• Figure 1 Schematic of formation process of Cu/Al composite: (a) AM-Cu scaffold; (b) Pouring of Al melt; (c) Squeeze casting processing; (d) Fabricated Cu/Al composite
• Figure 2 Schematic diagrams of sample used for compression test (a) and thermal analysis (b)
• Figure 3 SEM images (a–c), distribution of alloying elements (d, e) and XRD pattern (f) of Cu/Al composite
• Figure 4 Al–Cu phase diagram calculated by Pandat software
• Figure 5 Defect distribution from top view side (a), 3D visualization of defects in AM-Cu (b) and along interface (c), and equivalent pore radius distribution in composite (d)
• Figure 6 Vickers hardness in various regions of composite (a), and corresponding indent imprints (b)
• Figure 7 Compressive engineering stress-strain curves of Cu/Al composite, AM-Cu and pure cast Al cut from excess of Cu/Al composite
• Figure 8 Thermal conductivity versus compressive strength for Cu/Al composite, AM-Cu and cast Al measured in this work, compared with those from Cu alloys and Al alloys in literature

7. 결론:

(1) 인공적으로 설계된 관통형 구조를 가진 Cu/Al 복합재료는 적층 제조된 Cu 스캐폴드에 Al 용탕을 스퀴즈 캐스팅하여 개발 및 제조되었습니다. 계면을 따라 명백한 결함이나 미세 균열 없이 우수한 야금학적 결합이 얻어졌습니다. [결론 1]
(2) 열전도율(200 W/(m·K))과 압축 강도(~340 MPa) 사이의 우수한 균형이 달성되었으며, 이는 인공적으로 설계된 구조와 새로운 형성 접근 방식으로 달성된 우수한 야금학적 결합에 기인합니다. [결론 2]
(3) 본 연구는 기하학적 구조의 장점과 실현 가능한 형성 접근 방식을 활용하여 고성능 Cu/Al 복합재료의 설계 및 제조를 위한 유망한 전략을 제공합니다. [결론 3]

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Xiao-ling CHEN, et al."의 논문입니다. "Strengthening behavior and thermal conductivity of Cu/Al composite with penetration architecture"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(23)66394-0

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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논문 요약:

본 논문은 Cu 스캐폴드를 위한 적층 제조와 Al 침투를 위한 스퀴즈 캐스팅을 결합하여 제작된 새로운 관통형 구조를 특징으로 하는 Cu/Al 바이메탈 복합재료의 개발에 대해 자세히 설명합니다. 이 연구는 열전도율을 크게 손상시키지 않으면서 Al 합금의 강도를 향상시키는 것을 목표로 했습니다. 그 결과 복합재료는 약 340 MPa의 압축 강도와 200 W/(m·K)의 열전도율을 나타내어 바람직한 균형을 달성했으며, 기존 Al 합금을 능가했습니다. 이러한 향상된 성능은 Cu 스캐폴드가 빠른 전자 전도를 촉진하는 독특한 설계와 계면에서 Al₂Cu 공정상의 형성이 강력한 야금학적 결합과 향상된 기계적 특성을 보장하기 때문입니다.

연구에 대한 주요 질문과 답변:

본 논문은 Cu 스캐폴드를 위한 적층 제조와 Al의 스퀴즈 캐스팅을 결합하여 제작된, 새로운 관통형 구조를 가진 Cu/Al 바이메탈 복합재료를 소개합니다. 이 연구는 열전도율을 심각하게 저하시키지 않으면서 Al 합금의 강도를 향상시키는 것을 목표로 했습니다. 그 결과 복합재료는 강도(~340 MPa)와 열전도율(200 W/(m·K))의 좋은 균형을 보여주었으며, 독특한 설계와 우수한 야금학적 결합 덕분에 기존 Al 합금을 능가했습니다.

Q1. 관통형 구조를 가진 Cu/Al 복합재료를 설계한 주된 동기는 무엇이었습니까?

A1. 주된 동기는 기존 Al 합금에서 이러한 특성 간의 일반적인 상충 관계를 해결하여, 열전도율을 심각하게 저하시키지 않으면서 Al 합금의 강도를 향상시키는 것이었습니다. (출처: 초록, 서론)

Q2. Cu/Al 복합재료를 만드는 데 사용된 제조 방법은 무엇이며, 주요 구성 요소는 무엇이었습니까?

A2. 복합재료는 Cu 스캐폴드를 만들기 위한 적층 제조(선택적 레이저 용융)와 스캐폴드에 Al을 침투시키기 위한 스퀴즈 캐스팅을 통해 제작되었습니다. (출처: 초록, 섹션 2.1 제조)

Q3. 새로운 Cu/Al 복합재료의 달성된 압축 강도와 열전도율은 얼마였습니까?

A3. 복합재료는 약 340 MPa의 압축 강도와 200 W/(m·K)의 열전도율을 나타냈습니다. (출처: 초록, 섹션 3.3 기계적 및 열적 특성)

Q4. 관통형 구조는 복합재료의 열전도율에 어떻게 기여합니까?

A4. 관통형 구조의 기하학적 Cu 스캐폴드는 전자의 빠른 경로를 제공하여 구리의 높은 열전도율을 효과적으로 활용합니다. (출처: 초록, 섹션 3.3 기계적 및 열적 특성)

Q5. Cu 스캐폴드와 Al 매트릭스 사이의 계면에서 무엇이 관찰되었으며, 이것이 복합재료의 강도에 어떤 영향을 미쳤습니까?

A5. 계면을 따라 Al₂Cu 공정상의 형성을 통해 우수한 야금학적 결합이 달성되었으며, 이는 Cu/Al 복합재료의 강도를 효과적으로 향상시켰습니다. (출처: 초록, 섹션 3.1 미세 구조)

Q6. 이 새로운 Cu/Al 복합재료의 특성은 기존 Al 합금 및 기타 Al-Cu 복합재료와 어떻게 비교됩니까?

A6. 복합재료는 강도와 열전도율의 더 나은 균형을 달성함으로써 기존 Al 합금을 능가했으며, 문헌에 언급된 기존 Al-Cu 복합재료 및 새로운 다공성 구리-알루미늄 재료와 비교하여 우수한 복합 특성을 보였습니다. (출처: 초록, 섹션 3.3 기계적 및 열적 특성, Figure 8)