다공성 금속이 산업용으로 기존 소재보다 우수한 이유

다공성 금속 재료 비금속이 부피의 5~25%에 불과한 혁신적인 엔지니어링 소재입니다. 다공성 금속 또는 금속 폼이라고도 불리는 이러한 특수 소재는 독특한 구조적 특성으로 인해 국가 경제, 산업계, 그리고 여러 분야에서 관심을 끌고 있습니다.

일반적인 고체 금속은 야금에서 다공성 재료가 제공하는 것과는 비교할 수 없습니다. 이러한 재료는 금속의 핵심 특성인 열전도도, 전기 전도성, 납땜성을 유지하면서도 낮은 밀도를 가지고 있어 장치 및 장비의 무게를 줄여줍니다.오후무게가 많이 줄어듭니다. 금속 폼은 기본 소재처럼 불연성을 유지하며, 재활용도 기본 소재와 마찬가지로 가능합니다. 금속의 다공성 특성은 투과율과 높은 비표면적을 조절할 수 있는 구조를 형성하여 산업용으로 유용하게 활용됩니다. 연꽃형 다공성 금속은 정렬된 원통형 기공을 가지고 있어 일반 다공성 금속보다 기계적 특성이 우수합니다.

이 글에서는 다공성 금속이 여과, 소음 차단, 열 교환, 생체 의료용 임플란트 등 모든 유형의 산업 분야에서 기존 소재보다 뛰어난 성능을 보이는 이유를 살펴봅니다. 엔지니어와 설계자는 이러한 다재다능한 소재의 고유한 특성, 제조 방법 및 성능 지표를 파악하여 첨단 산업 솔루션을 개발할 수 있습니다.

다공성 금속 이해: 정의 및 주요 특성

다공성 금속은 금속 구조 전체에 걸쳐 공극(void) 네트워크가 퍼져 있는 특수한 종류의 물질입니다. 이러한 물질은 일반 고체 금속에서는 찾아볼 수 없는 고유한 특성을 가지고 있습니다.

야금학에서 다공성 물질이란 무엇인가?

재료과학에서는 다공성 재료를 공극을 포함하는 구조로 정의합니다. 고체 부분은 "매트릭스" 또는 "프레임"이라고 하며, 기공은 일반적으로 유체(액체 또는 기체)를 포함합니다. 야금학에서 다공성 금속 재료는 금속 구조를 관통하는 기공을 가지고 있습니다. 이를 통해 넓은 공간을 확보하면서도 금속적 특성을 유지하는 재료가 만들어집니다.

이러한 금속은 높은 기공률, 즉 금속 내부 공간 때문에 두드러집니다. 대부분의 응용 분야에서는 기공률이 50% 이상인 재료를 다공성 금속 또는 금속 폼으로 분류합니다. 현미경으로 관찰하면 다음과 같은 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

• 모공의 크기와 분포는 어떻게 되나요?
• 모공이 얼마나 잘 연결되어 있고 어느 방향을 가리키는가
• 막다른 모공이 몇 개나 존재합니까?
• 모공 네트워크의 전체 레이아웃

이러한 금속은 산업에 적합하도록 만드는 몇 가지 고유한 특징을 가지고 있습니다.

1. 높은 강도 대 중량 비율 - 그 많은 구멍에도 불구하고 튼튼함을 유지합니다.
2. 넓은 표면적 - 기공 네트워크는 작은 공간에 많은 표면적을 압축합니다.
3. 열적 특성 - 열을 유지하거나 열을 확산하는 데 도움이 될 수 있습니다.
4. 음향 흡수 - 복잡한 내부 구조로 소음 감소에 도움
5. 에너지 흡수 - 모공 벽이 구부러지거나 휘거나 깨질 때 에너지를 흡수합니다.

과학자들은 다공성을 세 가지 주요 범위로 분류합니다.

• 낮은 다공성(
• 중간 다공성(30-60%)
• 높은 다공성(>60%) 

IUPAC는 기공 크기를 다음 그룹으로 구분합니다.

• 미세기공: 직경
• 중공: 직경 2~50nm
• 거대공극: 직경 > 50nm

이러한 기공률과 기공 크기의 차이는 금속의 성능을 변화시킵니다. 기공률이 증가할수록 금속의 강도, 강성, 그리고 피로 저항성은 감소하는 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 상충 관계는 고체 금속이 따라올 수 없는 새로운 특성을 만들어냅니다.

금속의 다공성: 개방형 셀 구조 대 폐쇄형 셀 구조

다공성 금속은 크게 열린 셀 구조와 닫힌 셀 구조, 두 가지 유형으로 나뉩니다. 이를 통해 다공성 금속의 거동과 용도를 이해하는 데 도움이 됩니다.

개방형 셀 금속 구조: 개방형 셀 다공성 금속은 서로 연결된 기공을 가지고 있어 재료 전체에 통로를 형성합니다. 기체와 액체는 이러한 재료를 통해 한쪽에서 다른 쪽으로 흐를 수 있습니다. 이러한 구조는 다음과 같습니다.

• 분리되어 있지 않고 주변 세포와 연결되는 세포 
• 기공의 크기는 보통 0.5~1.0mm이다. 
• 총 다공성 70-90%
• 연결된 경로는 55-65%를 차지합니다.

이러한 연결 구조 덕분에 개방형 셀 다공성 금속은 물질을 걸러내는 데 매우 효과적입니다. 네, 걸러야 할 대상에 따라 구조를 조정할 수 있습니다. 게다가, 이러한 소재는 가벼운 압력에도 쉽게 압착되고 원래 모양으로 복원됩니다.

폐쇄형 셀 금속 구조: 폐쇄형 다공성 금속은 다릅니다. 기공이 서로 연결되지 않습니다. 각 기공은 세포벽 뒤에 갇혀 서로 분리되어 있습니다. 이러한 재료는 다음과 같습니다.

• 세포벽을 이용해 세포간 거리를 유지
• 각 셀에 가스를 가두어 둡니다.
• 다공성이 적을 때부터
• 거품이 갇힌 금속처럼 보입니다. 

폐쇄형 셀 구조는 충격에 잘 견디며, 견고하고 유연합니다. 또한 열과 소리는 잘 보존하고 물은 차단합니다. 무언가가 부딪히면, 폐쇄형 셀 다공성 금속은 그 힘을 운동과 탄력으로 변환하여 에너지를 흡수하는 데 도움을 줍니다.

이러한 구조의 차이는 매우 중요합니다. 기공은 금속 부피의 약 64%를 차지할 때 외부와 연결되기 시작합니다. 이로 인해 구조가 폐쇄형 셀(거품과 같은)에서 개방형 셀(스펀지와 같은)로 바뀝니다.

연꽃형 다공성 금속과 같은 특수한 유형의 금속은 모두 한 방향으로 향하는 긴 원통형 기공을 가지고 있습니다. 이는 특수 냉각 공정을 통해 형성되며, 둥근 기공을 가진 일반 다공성 금속보다 더 강합니다.

기존 고체 금속에 비해 디자인의 장점

다공성 금속 구조물은 엔지니어에게 견고한 금속으로는 따라올 수 없는 성능을 제공하는 방법을 알려줌으로써 독보적인 경쟁력을 제공합니다. 이러한 소재는 업계가 오랫동안 직면해 온 설계 과제를 해결하는 데 도움을 줍니다.

강도 저하 없이 무게 감소

다공성 금속은 뛰어난 기계적 성능과 훨씬 낮은 질량을 결합합니다. 연구에 따르면 가벼운 기계 부품일수록 성능이 더 뛰어납니다. 금속 폼은 가벼우면서도 강성을 유지하는 새로운 소재입니다. 따라서 무게가 중요한 분야에 적합합니다.

무게 절감은 빈 공간을 세심하게 추가하는 데서 비롯됩니다. 이 제조 공법을 사용하면 최대 97%의 공간을 차지하는 금속 폼을 만들 수 있습니다. 이 금속은 이렇게 많은 구멍이 있어도 구조적 강도를 유지합니다. 독특한 구조로 인해 낮은 밀도와 무게 대비 높은 강도라는 특별한 특성을 지닙니다.

무게와 강도 사이의 이러한 균형은 이전에는 불가능했던 새로운 디자인 옵션을 만들어냅니다.

• 항공우주 응용 분야: 가장 큰 이점은 무게 감소, 온도 조절 개선, 내식성 향상, 에너지 흡수 능력입니다.
• 자동차 공학: 가벼운 부품은 움직이는 부품에 대한 진동 제어가 덜 필요하고 강철 부품보다 회전 질량이 적습니다. 
• 구조적 구성 요소: 폐쇄형 셀 다공성 금속은 고체 부품보다 가볍고 가공이 용이하면서도 에너지를 잘 흡수합니다. 

이러한 금속의 성능을 결정하는 세 가지 주요 요소는 기공률, 기공 크기, 그리고 기공 벽의 미세 구조입니다. 엔지니어는 이러한 특성을 조정하여 각 용도에 정확히 맞출 수 있습니다.

열과 물질 전달을 위한 향상된 표면적

이러한 다공성 금속이 일반 소재에 비해 갖는 가장 큰 설계적 이점은 표면적입니다. 주어진 공간 내에서 표면적이 매우 넓습니다. 복잡한 기공 네트워크는 컴팩트한 패키지 안에도 넓은 표면적을 형성합니다. 이는 여과, 흡수, 촉매 작용처럼 많은 표면 접촉이 필요한 공정에 도움이 됩니다.

열 관리 측면에서, 이러한 넓은 표면적은 뛰어난 열 전달을 의미합니다. 연구에 따르면 다공성 금속은 열교환기에 매우 효과적입니다.

• 다공성이 있는 열교환기 금속 부품 열을 전달하는 속도가 그렇지 않은 경우보다 훨씬 빠릅니다. 
• 판 사이에 다공성 금속이 채워진 판형 열교환기는 표면적이 넓고 채널이 작기 때문에 잘 작동합니다.
• 다공성이 높을수록 열전달이 더 좋아지며, 한 연구에서는 다공성 수준 p = 0.6169에서 가장 잘 작동하는 것으로 나타났습니다.

다공성 금속은 유체가 흐를 때 서로 섞이도록 합니다. 이러한 혼합은 유체 전체에 열을 분산시키고 열 전달을 증가시킵니다. 파이프에 다공성 물질을 넣으면 두 가지 이점이 있습니다. 완전히 채워진 파이프보다 압력 강하가 적으면서 열 전달이 더 우수합니다.

열 적용 외에도, 넓은 표면적은 물질 전달에도 도움이 됩니다. 이러한 소재는 다양한 모양과 배열을 포함하여 특별한 구조적 이점을 가지고 있습니다. 이는 촉매 및 촉매 지지체로 매우 적합합니다. 높은 표면적은 나노입자가 분산되어 안정을 유지하고 서로 뭉치지 않도록 도와주며, 반응도 더 쉽게 일어나도록 합니다.

유체를 취급하기 위해 개방형 셀 다공성 금속의 연결된 기공은 유체가 제어된 방식으로 흐르도록 합니다.. 이것은 정형외과 및 방음부터 여과 및 촉매 작용까지 모든 분야에서 활용될 수 있습니다. - 단단한 금속으로는 할 수 없는 작업.

산업용 다공성 금속 제조 방법

산업적 규모로 다공성 금속을 제조하려면 재료의 손상 없이 기공 구조를 제어하는 ​​특수 기술이 필요합니다. 특정 용도와 재료 조합에 따라 다양한 방법이 가장 효과적입니다.

분말야금 및 소결

분말 야금술은 기공률을 제어하여 다공성 금속 부품을 제작하는 가장 다재다능한 방법 중 하나로 손꼽힙니다. 이 공정은 최종 기공 구조에 직접적인 영향을 미치는 입자 크기와 형상을 기반으로 금속 분말을 신중하게 선택하는 것으로 시작됩니다. 이 간단한 공정은 분말 준비, 압축, 그리고 소결.

이 과정은 기본 분말이 합금 원소, 그리고 때로는 기공을 형성하는 공간 홀더와 혼합되면서 시작됩니다. 그 후, 혼합물은 여러 가지 방법을 통해 원하는 모양으로 압축됩니다.

• 축 방향 압축: 금속 분말은 입자가 접촉 지점에 달라붙을 수 있을 만큼 충분한 압력으로 다이에 압착되어 다루기에 충분히 강한 "녹색" 부품이 생성됩니다. 
• 등방성 다짐: 금속 분말을 담고 있는 변형 가능한 용기에 균일한 압력이 가해집니다. 이는 길이 대 직경 비율이 큰 부품에 특히 효과적입니다. 
• 루즈 파우더 소결: 이 공정에서는 외부 압력을 사용하지 않습니다. 대신, 등급이 매겨진 분말은 가열되기 전에 금형 캐비티로 들어갑니다. 

녹색 부분은 소결 과정을 거칩니다. 소결 온도는 금속의 녹는점보다 낮지만 입자를 결합할 수 있을 만큼 충분히 높습니다. 소결 온도는 일반적으로 800~1300°C이며 0.5~5시간 동안 지속됩니다. 이 시간 동안 확산 메커니즘은 다공성 구조를 유지하면서 입자 사이에 "네킹(necking)"을 생성합니다. 환경은 불활성 또는 환원 상태를 유지해야 하며, 일반적으로 엔도가스, N₂, N₂/H₂, H₂ 또는 진공 상태를 사용합니다.

연속 주조 및 구역 용해 기술

정렬된 기공을 가진 연꽃 모양 구조물과 같은 특수 다공성 금속의 대량 생산에는 연속 주조 및 구역 용융 기술이 가장 적합합니다. 이러한 방법은 액체 금속과 고체 금속 상 사이의 기체 용해도 차이에 대한 정보를 활용합니다.

연속 주조 시스템은 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 하나는 상단에서 금속을 용융하고 가스를 용해하는 부분, 다른 하나는 중간에서 응고하는 부분, 그리고 세 번째는 하단에서 기계적 이송을 담당합니다. 이 공정은 가압 가스 분위기(보통 수소 또는 질소)에서 유도 가열을 통해 금속을 용융합니다. 가스로 가득 찬 용융 금속은 냉각 금형을 통해 제어된 속도로 이동하면서 단방향으로 응고됩니다.

공정 매개변수는 결과적으로 생성되는 기공 구조를 형성합니다.

• 수소 분압이 더 높거나 용융 온도가 더 높으면 기공률과 기공 크기가 증가합니다.
• 더 빠른 응고는 기공 직경을 줄이면서도 기공 밀도를 증가시킵니다. 
• 주조 속도가 90mm/min인 경우 30mm/min인 경우 기공 직경이 850μm에서 400μm로 감소하고 기공 밀도는 0.7N·mm⁻²에서 2.8N·mm⁻²로 증가합니다.

구역 용융은 연꽃형 다공성 금속을 생성하는 또 다른 효과적인 방법입니다. 이 기술은 가압 가스 환경에서 유도 가열을 사용하여 금속 막대의 작은 부분만 용융합니다. 샘플은 제어된 속도(일반적으로 5~25mm/분)로 이동하고 동시에 응고가 일어나 긴 기공을 생성합니다. 가스 압력(일반적으로 0.2~1.0MPa)은 재료 특성에 큰 영향을 미치는데, 이는 마이크로 비커스 경도가 0.2MPa에서 148HV에서 1.0MPa에서 192HV로 증가하는 것으로 나타납니다.

복잡한 형상을 위한 적층 제조

적층 제조는 정밀한 기하 제어를 통해 다공성 금속 구조물을 제작하는 방식에 혁명을 가져왔습니다. 표준 형상을 제작하는 기존 방식과 달리, 적층 제조는 이전에는 불가능했던 복잡한 구조를 구현합니다.

다공성 금속 생산에는 다음과 같은 여러 AM 기술이 효과적입니다.

• 선택적 레이저 용융(SLM): 완전히 녹은 분말 입자는 입자 간의 결합력을 강화하고 기계적 특성을 향상시킵니다.
• 선택적 레이저 소결(SLS): 레이저를 사용하여 분말 재료를 복잡한 구조로 소결합니다.
• 전자빔 용융(EBM): 진공 환경에서 전자빔을 사용하여 금속 분말을 녹입니다. 

이러한 분말 베드 융합 기술은 높은 기계적 특성과 정밀한 분해능을 가진 삼중 주기 최소 표면(TPMS) 구조와 같은 기하학적으로 복잡한 구조를 제작하는 데 도움이 됩니다. 최근의 기술 발전으로 다양한 영역의 공정 매개변수를 조정하여 단일 부품 내 투과율을 제어할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 여러 조립 단계가 필요 없어져 잠재적인 고장 지점을 줄이고 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.

재료 선택 및 사용자 정의 옵션

다공성 구조의 모재 선택은 성능을 좌우합니다. 이러한 선택은 설계 과정에서 매우 중요합니다. 엔지니어는 모재의 특성을 평가하고, 원하는 결과를 얻기 위해 다공성이 이러한 특성과 어떻게 상호작용하는지 파악해야 합니다.

일반적인 기본 금속: 구리, 알루미늄, 티타늄

구리는 다공성 금속 응용 분야에서 더 나은 열 및 전기 전도성이 필요할 때 훌륭한 기반이 됩니다. 이 비철 금속은 높은 연성과 내식성을 가지고 있어 구리 기반 다공성 구조의 가치를 높여줍니다. 개방형 셀 다공성 구리는 충전식 배터리, 연료 전지부터 전자 부품의 열교환기에 이르기까지 다양한 용도로 놀라운 다재다능함을 보여줍니다. 이러한 구리 다공성 재료는 최대 87.3%의 기공률을 달성할 수 있습니다. 불규칙한 모양의 연결된 거대 기공을 형성하며, 길이는 약 548 ± 201μm, 너비는 177 ± 62μm입니다.

알루미늄은 가벼워 다공성 금속 구조물에 널리 사용됩니다. 다공성 알루미늄 소재는 일반적으로 55~65%의 기공률을 가지며, 투과성 구조와 균일한 기공 분포를 보입니다. 이 소재의 세포 구조는 에너지 흡수, 진동 감쇠, 소음 흡수, 전자파 차폐, 열 제어 등 고유한 장점을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 다공성 알루미늄은 항공우주, 자동차, 석유화학, 건설 분야에서 귀중한 소재로 활용됩니다.

티타늄과 그 합금은 생체적합성이 가장 중요한 생체의학 분야에서 최고의 선택입니다. 이러한 다공성 구조는 강도 대 중량비와 골 유착 특성 덕분에 임플란트에 필수적인 소재가 되었습니다. 일반 티타늄의 강성(114 GPa)은 인체 뼈(0.4~30 GPa)보다 훨씬 높습니다. 다공성을 조절하면 이러한 차이를 줄이는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 기공 구조를 변경하여 구조적 강성을 0.6 GPa에서 4.9 GPa 사이로 미세 조정할 수 있습니다. 이를 통해 자연 뼈의 기계적 특성에 더 잘 맞는 임플란트를 만들 수 있습니다.

특정 용도에 맞게 기공 크기 및 분포 조정

기공 특성을 정밀하게 제어하는 ​​것은 다공성 금속의 성능을 좌우합니다. 기공 크기는 적용 적합성에 영향을 미칩니다. 기공 크기는 굵은 것(50~1000마이크론)부터 초미세한 것(0.1마이크론 미만)까지 다양합니다. 연구에 따르면 생물의학 분야에서는 뼈 성장을 촉진하기 위해 100~150㎛의 기공이 필요합니다. 200~400㎛의 기공은 조골세포의 부착과 성장을 돕습니다.

기공 형태는 재료 거동에 큰 영향을 미칩니다. 구형 기공은 준등방성 특성을 생성합니다. 기공 모양을 변형하면 방향성 하중에 도움이 되는 이방성 특성을 추가할 수 있습니다. 기공 연결성은 구조가 개방형 셀인지 폐쇄형 셀인지를 결정합니다. 개방형 셀은 유체가 흐를 수 있도록 연결된 기공을 가지고 있습니다. 폐쇄형 셀은 서로 다른 기계적 특성을 가진 경량 구조를 생성합니다.

현대 제조는 기공 구조 맞춤화를 발전시켰습니다. 스페이스 홀더 기술은 스페이서 함량을 조절하여 최종 기공률을 정확하게 제어할 수 있도록 합니다. 탄산칼륨, 염화나트륨, 설탕, 카바마이드와 같은 재료가 스페이스 홀더로 사용되어 맞춤형 기공 구조를 생성합니다. 적층 제조를 통해 엔지니어는 공정 설정을 변경하여 기공률을 미세 조정할 수 있습니다. 이를 통해 구리의 경우 23.5~47.9%, 청동의 경우 0.8~55.3%, 황동의 경우 8.0~50.2%의 기공률을 달성할 수 있습니다.

엔지니어는 특정 용도에 적합한 특성을 가진 다공성 금속 부품을 개발할 수 있습니다. 이는 신중한 기본 재료 선택과 전략적 기공 설계를 통해 가능합니다. 최대 열전도도가 필요한 열교환기부터 최적의 투과성을 요구하는 여과 시스템까지 다양한 용도로 활용됩니다. 생체적합성 구조 조직 통합에 도움이 됩니다.

실제 상황에서의 성능 지표

실제 환경에서 다공성 금속을 시험하려면 금속의 고유한 구조를 고려한 특별한 방법이 필요합니다. 이러한 재료는 실험실 환경을 넘어 다양한 하중, 온도 및 환경 스트레스에서도 안정적으로 작동해야 합니다.

부하 하의 열전도도

다공성 금속이 열을 처리하는 방식은 구조에 따라 달라집니다. 연꽃형 다공성 구리 열전도도 방향에 큰 차이가 있습니다. 열은 기공과 평행하게 더 잘 흐릅니다.케이eff//)는 수직보다 더 좋습니다(케이eff⊥). 수직 전도도는 40% 기공률에서 기본 전도도의 40%에 불과합니다. 엔지니어는 이러한 방향성 열 거동을 이용하여 최적화된 부품을 제작합니다.

가공 변수는 적층 제조된 다공성 구조의 열전도도에 직접적인 영향을 미칩니다. 레이저 소결은 높은 플루언스(fluence)가 더 나은 열 흐름으로 이어짐을 보여줍니다. 이는 분말 입자가 더 잘 융합되어 더 강한 열전도 경로를 생성하기 때문입니다. 실험 결과, 동일한 다공성에서 소결 금속층(0.38 W/m·K)은 비소결 분말 입자(0.12 W/m·K)보다 열전도도가 더 우수합니다..

방향성 응력 하의 기계적 강도

하중 방향은 다공성 금속의 기계적 성능을 결정합니다. 원통형 기공을 가진 연꽃형 금속은 하중 방향에 따라 다른 극한 인장 강도를 보입니다. 인장력이 기공과 평행하게 작용할 때 기공이 많을수록 강도는 직선적으로 감소합니다. 응력 집중으로 인해 기공에 수직으로 힘이 작용할 때 강도는 더 빠르게 감소합니다.

이러한 금속은 압축 시험 시 "고원 영역"을 보입니다. 이 영역에서는 응력은 거의 동일하게 유지되지만 변형률은 증가하여 에너지 흡수에 매우 적합합니다. 압축 응력은 일반적으로 하중 축과 기공 방향 사이의 각도가 커질수록 감소합니다. 엔지니어는 설계 과정에서 이러한 방향적 거동을 고려해야 합니다.

인장 하중 중 음향 방출 시험을 통해 이러한 금속의 변형 방식을 설명할 수 있었습니다. 고체 금속과 달리, 연꽃 모양의 다공성 구리는 항복을 시작한 후 뚜렷한 파열 신호를 생성합니다. 이는 하중 방향에 관계없이 기공 근처에 균열이 발생함을 보여줍니다.

산업 환경에서의 음향 흡수

다공성 금속은 소리 흡수에 탁월하며, 특히 고온 고압의 열악한 산업 환경에서 더욱 그렇습니다. 다공성 금속은 점성 손실, 섬유 산란, 공명 효과 등 여러 가지 방식으로 소리를 감소시킵니다.

재료 구조는 음향 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 실험 결과 유동 저항률과 평균 흡음 계수는 서로 반대로 작용하는 것으로 나타났습니다. 이는 이러한 재료가 소리를 얼마나 잘 흡수하는지 예측하는 데 도움이 됩니다. 최상의 음향 성능을 위해서는 균형이 필요합니다. 구조는 음파가 유입될 수 있도록 설계되어야 하지만, 동시에 에너지를 소산시킬 수 있는 충분한 표면적을 가져야 합니다.

소결 섬유와 셀룰러 폼 스테인리스 스틸 구조를 비교한 연구에 따르면 두 구조 모두 소리를 잘 차단하지만 서로 다른 방법을 통해 차단된다는 것이 입증되었습니다.산업 현장에서는 유속과 유속 기울기에 따라 임피던스가 변하는 스침류(grazing flow)가 발생하는 경우가 많습니다. 이러한 금속은 일반 소재가 파손되는 열악한 산업 환경에서 음향 라이너로 효과적으로 사용됩니다.

다공성 금속 부품의 테스트 및 검증

_{이미지 출처: 패키징 컴플라이언스 랩}

품질 관리팀은 엄격한 검증 프로토콜을 사용하여 다공성 금속 부품이 산업 현장에 사용되기 전에 성능 요건을 충족하는지 확인합니다. 이러한 특수 테스트는 해당 부품이 지상 환경에서 얼마나 잘 작동하는지 결정하는 주요 매개변수를 평가합니다.

기포점 및 투과성 테스트

기포점 시험은 필터의 가장 큰 기공을 측정하는데, 이는 다공성 금속 부품의 중요한 품질 관리 지표입니다. 이 시험은 비파괴 검사입니다. 기술자는 필터 막을 액체(일반적으로 이소프로필 알코올)로 적시고 한쪽 면의 가스 압력을 천천히 높입니다. "첫 번째 기포" 압력은 가장 큰 기공에서 액체를 밀어내는 데 필요한 최소 힘을 나타냅니다. 필터의 기공 크기 분포가 여과 성능을 결정하기 때문에 이 측정값은 최대 기공 크기와 직접적으로 연관됩니다.

많은 산업에서 필터의 완전성을 입증하기 위해 기포점 검사를 사용합니다. 제약 산업에서는 이 검사를 통해 멸균 등급 필터가 제품 품질과 안전에 중요한 기공 크기를 유지하는지 확인합니다. 또한, 이 검사는 기공 크기와 멤브레인 완전성의 잠재적 결함을 발견하는데, 이는 오염 관리가 필요한 산업에 필수적인 요소입니다.

투과율 시험은 재료 특성에 따라 여러 가지 방법을 제공합니다. 표준 투과율 시험은 다양한 조건에서 다공성 매질의 흐름 패턴을 측정합니다. 펄스 감쇠법은 투과율이 1μD(마이크로다시)에 근접하지 않는 미세다공성 재료를 시험하는 데 더 효과적입니다. 상대 투과율 시험은 혼합된 기공 유체를 시료에서 분리한 후 각 성분으로 분리하는 분리기를 사용하는데, 이는 다상 유동 거동을 설명하는 데 도움이 됩니다.

인장 및 파열 강도 시험 표준

인장 시험은 다공성 코팅이 직접적인 응력 하에서 얼마나 잘 접착되고 서로 결합되는지를 측정합니다. ASTM F1147은 고밀도 금속 기판 위의 인산칼슘 및 금속 다공성 코팅을 평가하는 이 방법을 설명합니다. 이 시험은 기판 준비 및 표면 질감부터 코팅 기술 및 열처리에 이르기까지 다양한 요인이 코팅 성능에 미치는 영향을 보여줍니다.

파열 강도 시험은 부품이 파손될 때까지의 압력 저항을 측정합니다. 시험자는 부품의 향후 사용 용도에 따라 정수압(액체), 공압(압축 공기), 내부 가압 또는 내부 공기압을 사용할 수 있습니다. 산업계에서는 부품이 필요한 기준을 충족하는지 확인하고 최대 안전 작동 압력을 찾기 위해 파열 시험을 실시합니다.

국제 표준은 일관된 시험을 위한 명확한 지침을 제공합니다. 여기에는 밀도 및 다공성에 대한 ISO 2738, 유체 투과성에 대한 ISO 4022, 기포 시험 기공 크기에 대한 ISO 4003, 그리고 최대 기공 직경 및 투과성에 대한 ASTM E128이 포함됩니다. 표준 시험 외에도 성능 시험은 여전히 ​​필수적입니다. 시뮬레이션 조건에서 부품을 시험하는 것이 실제 거동을 예측하는 가장 빠른 방법입니다.

이러한 검증 프로토콜은 다공성 금속 구성 요소가 특정 환경 스트레스를 견딜 수 있는지, 그리고 사용 목적에 맞게 안정적으로 작동할 수 있는지를 확인하는 데 사용되었습니다.

다공성 금속이 우수한 성능을 보이는 응용 분야

_{이미지 출처: 모트 코퍼레이션}

다공성 금속은 고체 소재로는 까다로운 요건을 충족할 수 없는 다양한 산업 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 이러한 금속은 혹독한 환경에서도 탁월한 성능을 발휘하는 고유한 특성을 결합합니다.

열교환기 및 냉각 시스템

다공성 금속 기술은 열 관리 분야에서 매우 효과적으로 작동하며, 많은 연구에서 일반 열교환기보다 우수한 성능을 보였습니다. 실험 결과, 다공성 금속 인서트를 사용한 열교환기는 더 높은 성능을 보였습니다. 열전달률 그러한 구성 요소가 없는 것보다.연구에 따르면 다공성 알루미늄 인서트를 사용하면 열 전달 강도가 높아지며 특히 다공성이 더 큰 설계에서 그렇습니다..

이 금속들은 내부 유동 경로가 구불구불하기 때문에 성능이 더 뛰어납니다. 이 유동 경로는 높은 온도 차이를 유지하면서 유체를 혼합하여 효과적인 열 전달을 가능하게 합니다. 이처럼 향상된 방열 성능 덕분에 서버, 워크스테이션, 전력 조절 장비의 냉각 시스템에 이상적입니다.

다공성 금속 냉각 시스템은 태양광 패널의 효율을 크게 향상시켰습니다. 3핀 구조는 6.73%, 5핀 구조는 9.19%, 전체 다공성 층은 8.34%의 효율 향상을 보였습니다. 이 소재의 높은 표면적 대 부피 비율과 열 전달 경로가 이러한 향상을 가능하게 합니다.

촉매 지지체 및 여과 장치

개방형 셀 다공성 금속은 상호 연결된 구조로 인해 여과 및 촉매 응용 분야에 매우 유용합니다. 이 소재는 기계적으로 강하고 열충격에 강하며 기체와 액체를 모두 효율적으로 여과합니다. 사용자가 세척하고 재사용할 수 있어 수명이 더 깁니다.

원자력 제조를 포함한 화학 처리 산업에서는 다공성 금속 필터를 사용하여 유체 화학물질에서 고체 입자를 제거합니다. 석유 정제 작업에서도 이러한 구성 요소를 사용하여 다양한 석유 제품을 분리합니다.

다공성 금속은 촉매 지지체로서 중요한 이점을 제공합니다.

• 높은 다공성 및 비표면적
• 효과적인 열전도 능력
• 우수한 전기 전도성
• 뛰어난 온도 및 내식성 

다공성 금속이 촉매 지지 구조로 작용하면 이러한 특성으로 인해 수소 생산 효율이 향상됩니다.

생체의학 임플란트 및 보철물

다공성 금속은 정형외과 및 치과 분야에서 임플란트의 작동 방식을 변화시켰습니다. 이러한 재료는 세포 활동과 생리적 상태에 영향을 미치는 조절된 다공성을 통해 골 치유를 돕습니다. 다공성 금속의 구조는 대식세포, 조골세포, 파골세포가 골 재생에 필요한 경로를 활성화하도록 유도합니다.

상업 분야에서는 이러한 소재를 더 빠르게 수용해 왔습니다. 금속 3D 프린팅은 2021년에 인체용 다공성 금속 임플란트 15만 개 이상을 생산했습니다. 업계 전문가들은 이 수치가 10년 후 전 세계적으로 매년 15만 개에서 약 400만 개로 증가할 것으로 예측합니다.

다공성 금속 임플란트는 기존의 고체 임플란트보다 더 효과적입니다. 숙주 뼈의 특성에 맞춰 강도, 피로 저항성, 그리고 기계적 특성을 조절할 수 있습니다. 연결된 기공 구조는 영양소 교환과 뼈의 성장을 촉진하여 임플란트-조직 고정 및 계면 강도를 향상시킵니다.

유지 관리, 청소 및 수명 주기 고려 사항

다공성 금속 부품은 고체 금속과는 상당히 다른 특수한 유지보수 절차가 필요합니다. 복잡한 내부 구조로 인해 표준 유지보수 방식으로는 충분하지 않습니다. 이러한 부품은 고체 금속과 동일한 방식으로 유지보수할 수 없습니다.

가공 후 투과성 회복

다공성 소재는 가공 작업 중 고유한 어려움에 직면합니다. 절삭유는 다공성 구조 내의 공기를 쉽게 치환합니다. 이러한 금속은 부피 기준으로 공기를 거의 4분의 1 정도만 함유하고 있으며, 절삭유는 이 공기를 치환하여 기공을 막을 수 있습니다. 가공 후 특수 공정을 통해 부품의 투과성을 회복해야 합니다.

부품 설계 시 백플러시 구멍을 포함해야 합니다. 이 구멍은 작업장 공기 피팅을 수용할 수 있도록 드릴링, 나사 가공, 방전가공(EDM)을 통해 제거해야 합니다. 백플러시 구멍은 부품의 수명 기간 동안 정기적인 유지 관리를 통해 투과성을 회복하는 좋은 방법입니다. 기존 기계 가공을 피할 수 없다면 수용성 오일이 윤활제로 유일한 선택입니다.

전문 세척 서비스는 자체 기술을 사용하여 가공된 표면을 재활성화합니다. Mott Corporation은 고객이 가공한 매체를 위해 공장에서 특수 재활성화 공정을 개발했습니다. 적절한 재활성화 없이는 내부 투과성이 존재하지 않으므로 부품이 작동하지 않습니다.

오일 및 이물질 제거를 위한 세척 방법

다공성 금속 부품은 다음과 같은 여러 가지 효과적인 기술을 통해 세척할 수 있습니다.

진공 사이클 핵 생성(VCN)은 다공성 부품의 산업용 세척 분야에서 가장 큰 혁신으로 손꼽힙니다. 이 공정은 진공 사이클 동안 성장하는 좁은 공간 내에 증기 기포를 핵 생성하여 내부 구조에서 유체를 밀어냅니다. 압력 사이클 동안 새로운 세척액이 유입되어 부품의 가공이 완료될 때까지 계속됩니다.

초음파 세척은 다른 세척 방법과 병행하면 가장 효과적입니다. 초음파 에너지만으로는 충분하지 않습니다. 세척액이 다공성 구조를 통과해야 합니다. 이를 통해 분무, 교반, 초음파만으로는 제거할 수 없는 내부 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 이 방법은 다음과 같은 경우에 더욱 효과적입니다.

• 일반적인 정방향 흐름/압력의 1.5~2배의 역류 기술(역세척) 
• 호환되는 세척제(물, 알코올, 유기용제, 산업용 세척제)를 사용한 화학 세척
• 가연성 오염물질에 대한 최대 850°F 온도에서의 용광로 처리 

구성 요소의 세척 효과는 새 제품일 때의 기준 측정값과 비교하여 공기 흐름 테스트와 기포점 테스트를 통해 확인해야 합니다.

결론

다공성 금속 소재는 산업 디자인과 제조 분야에서 큰 진전을 이루었습니다. 본 연구는 이러한 특수 구조가 다양한 응용 분야에서 어떻게 탁월한 성능을 발휘하는지 보여주었습니다. 높은 강도 대 중량비, 향상된 표면적, 그리고 제어된 투과성이라는 고유한 특성은 고체 금속이 따라올 수 없는 기능성을 가능하게 합니다.

개방형 셀 구조와 폐쇄형 셀 구조의 차이는 특정 용도에 얼마나 적합한지를 결정합니다. 개방형 셀 다공성 금속은 상호 연결된 기공 네트워크 덕분에 여과, 촉매 작용, 열전달 분야에서 가장 효과적입니다. 반면, 폐쇄형 셀 구조는 하중 하에서 더 나은 에너지 흡수, 단열성, 그리고 구조적 무결성을 제공합니다.

제조 방식이 크게 발전하여 기공 구조에 대한 전례 없는 제어가 가능해졌습니다. 분말 야금은 대량 생산에 가장 다재다능한 방식으로 남아 있으며, 연속 주조는 방향성이 있는 기공 구조를 생성합니다. 현대의 적층 제조 기술은 이전에는 불가능했던 복잡한 형상을 구현하여 엔지니어에게 더 많은 설계 옵션을 제공합니다.

소재 선택은 성능 특성을 좌우합니다. 구리 기반 다공성 구조는 열전도도를 극대화하고, 알루미늄 소재는 무게를 줄이며, 티타늄 소재는 탁월한 생체 적합성을 제공합니다. 엔지니어는 특정 응용 분야의 요구에 맞춰 기공 크기와 분포를 정밀하게 조정할 수 있습니다.

지상 시험 결과, 다공성 금속은 여러 응용 분야에서 고체 금속보다 더 우수한 성능을 보입니다. 다공성 금속 인서트를 사용한 열교환기는 훨씬 더 높은 열효율을 보입니다. 여과 장치는 표면적이 증가하고 투과성이 조절될수록 더 효과적으로 작동합니다. 생체의학 임플란트는 자연 뼈와 유사한 구조를 통해 골유착이 더 잘 이루어집니다.

유지보수 팀은 복잡한 내부 구조로 인해 발생하는 고유한 문제를 해결해야 합니다. 진공 사이클 핵 생성 및 초음파 처리와 같은 특수 세척 기술은 가공 또는 서비스 중 손실된 투과성을 효과적으로 복원합니다.

엔지니어와 설계자들은 의심할 여지 없이 이러한 다재다능한 소재의 새로운 용도를 찾게 될 것입니다. 특히 기존 소재가 제대로 작동하지 않는 극한 환경에서 이러한 소재의 뛰어난 성능은 다공성 금속을 차세대 산업 시스템의 필수 부품으로 만듭니다. 항공우주, 자동차, 생의학, 화학 처리 분야에서 다공성 금속의 사용이 증가함에 따라 기존의 고체 금속보다 뛰어난 성능을 입증하고 있습니다.

자주 묻는 질문

Q1. 다공성 금속이 기존 소재에 비해 갖는 주요 장점은 무엇입니까? 다공성 금속은 높은 강도 대 중량비, 향상된 표면적, 그리고 제어된 투과율과 같은 고유한 이점을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 기존의 고체 금속으로는 부족했던 열 교환, 여과, 에너지 흡수 분야에 탁월한 성능을 발휘합니다.

Q2. 다공성 금속은 어떤 산업 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니까? 다공성 금속은 열교환기, 촉매 지지체, 여과 장치, 그리고 생체의학 임플란트 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 독특한 구조는 열 효율을 높이고, 여과 성능을 향상시키며, 의료 분야에서 골유착을 촉진합니다.

Q3. 산업용으로 사용되는 다공성 금속은 어떻게 제조되나요? 일반적인 제조 방법으로는 분말 야금 및 소결, 연속 주조, 그리고 적층 제조가 있습니다. 이러한 기술을 통해 특정 응용 분야 요건을 충족하도록 기공 크기, 분포 및 전체 구조를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

Q4. 다공성 금속을 만드는 데 일반적으로 어떤 재료가 사용됩니까? 구리, 알루미늄, 티타늄은 다공성 구조물에 자주 사용되는 비금속입니다. 구리는 열 응용 분야에 탁월하고, 알루미늄은 경량 솔루션을 제공하며, 티타늄은 생체 적합성 덕분에 생체 의료용 임플란트에 선호됩니다.

Q5. 다공성 금속 부품은 어떻게 관리하고 세척하나요? 진공 사이클 핵 생성 및 초음파 세척과 같은 특수 기술을 사용하여 다공성 금속 부품을 유지합니다. 이러한 방법은 투과성을 효과적으로 복원하고 복잡한 내부 구조의 오염 물질을 제거하여 부품 수명 주기 전반에 걸쳐 최적의 성능을 보장합니다.