기능재료 형상기억합금 shape memory alloy 원리 종류 용도 금속재료기술사 서브노트

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I. 기능재료

1. 기능재료란 강도는 중요시하지 않고 특수한 성능, 기능을 갖는 재료를 말한다.

2. 금속결합을 하고 있는 상을 주체로 하는 금속재료는 상당한 힘을 가해도 변형하지 않으나 더욱 큰 힘을 가하면 변형이 일어난 후에 파괴한다는 특징을 가지므로 구조용 재료로 쓰이는 량도 압도적으로 많다. 이 중에서 고온, 저온, 부식성 환경 등 특수한 환경과 용도에 쓰이는 재료는 구조용 재료와 기능성 재료의 중간에 위치하고 있다.

3. 힘이 가하여진 때 변형하지 않는 것이 구조용 재료의 특징인데 비하여, 힘이 가하여진 때 "편리하게 변형하는 것"을 기능으로 하는 재료는 역학적 기능재료라고도 말할 수 있으며 형상기억합금, 초소성 합금, 제진 합금 등과 스프링강 등의 스프링 합금도 이에 속한다.

 

II. 형상기억합금

1. 미 해군 연구소에서 1960년 후반 Ti-Ni 합금인 니티놀에 형상기억 효과가 있음을 발견했으며 보통 금속의 경우 탄성 한계를 넘어 변형을 가하면 변형된 모양으로 고정되지만 형상기억합금은 한계온도 이하에서 10％ 이내로 인장이나 소성변형시킨 후 에 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가는 현상을 말한다.

2. 형상기억합금은 변형응력을 가한 때에는 일반금속과 같으나 제하 후는 겉보기 소성변형이 남는다. 그러나 이들 변형은 합금을 마텐사이트변태의 온도 범위 이상으로 가열하면 변형 전의 상태로 돌아간다.

형상기억합금의 메카니즘

형상기억합금의 메카니즘

III. 형상기억합금의 종류

1. Cu-Al-Ni계 합금, 동-아연합금, 니켈-알루미늄합금, 엘린바, 인바, 바이메탈 등

2. 니티놀(Ni-Ti계 합금) : 니켈과 티타늄을 1:1의 원자수 비로 섞어 만든 합금으로, 온도가 변함에 따라서 결정구조가 변하는 특이한 성질이 있어 온도가 낮을 때는 원자 구조 가 쉽게 변할 수 있는 반면 온도가 높을 때의 구조는 더 단단해서 변하지 않는다.

따라서, 온도가 낮을 때 어느 모양으로 변형되도 그대로 있는 반면 온도가 가해지면 원래 형태로 돌아가고 다시 변형되지 않게 된다.

 

IV. 형상기억합금의 용도

1. 미국에서 개발되어 처음에 군사용, 우주개발용에 많이 이용되었다.

2. 일반용으로는 여성용 브레이저, 치열 교정용, 유압배관계통의 파이프 이음쇠, 해저송유관 의 파열보수공사, 화재 경보기, 인공심장밸브, 공근육 등 의료용, 치과용, 감응장치 등

3. 형상을 회복하면서 동시에 큰 힘을 발생하기 때문에 여러 산업 분야에 다양하게 응용할 수 있다.

 

형상기억합금 파이프 이음소의 동작원리 (출처: 신금속재료학)

 

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