• 대한기계학회논문집A
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• 제37권9호
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• pp.1099-1107
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• 2013

본 연구에서는 알루미늄 압출재로 구성된 한국형 표준전동차모델(K-EMU)의 차체를 대상으로 치수 최적설계와 구조체 소재 변경을 통한 경량화방안에 대해 연구하였다. 우선 K-EMU 차체의 하부구조, 측벽구조, 단부구조의 부재별 두께를 현재의 압출가능 두께를 적용하여 치수 최적화 기법으로 약 14.8% 경량화 하였다. 그리고 치수최적설계 된 K-EMU 차체에 유지보수성이 좋은 고장력강(SMA570)재질의 프레임타입 하부구조를 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 3.8% 경량화 된 하이브리드 차체를 도출하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재를 하부구조와 지붕구조에 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 30% 경량화 된 초경량 하이브리드 차체를 도출하였다. 도출된 차체 모델들은 모두 전동차 구조체 하중시험법을 만족하였다.

• 한국재료학회지
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• 제9권3호
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• pp.263-268
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• 1999

본 연구에서는 Al-기지 복합재료의 새로운 개념과 in-situ 공정의 가능성을 Al-Ti계의 연구결과들을 토대로 제시하고자 하였다. 가스아토마이제이션법에의해 $Al_3Ti$가 미세한 편상형상을 갖도록 Al-10%Ti 조성의 합금분말을 제조하고, 고온 압출 공정을통하여 25V/o $Al_3Ti/Al $ 복합재를 제조하였다. 복합재의 미세구조를 광학현미경, SEM, TEM 등을 이용하여 조사하였고, 상온과 고온에서의 기계적 특성을 인장시험을 통하여 측정하였다. 제조된 복합재료의 미세구조 및 고온 기계적 성질을 상용되고 있는 $SiC_w/2124$ 복합재료와 유사한 거동을 보여준다. 제조된 $Al_3Ti/Al$ 복합재료의 장점과 단점이 물성향상의 가능성과 더불어 제시되었다.

• Composites Research
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• 제34권4호
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• pp.241-248
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• 2021

전기자동차 시장이 성장함에 따라 배터리 효율을 증가시키기 위해 차량 경량화 이슈가 대두되고 있다. 이에 전기자동차 배터리 모듈을 보호하는 배터리 모듈 커버를 기존 알루미늄 소재에서 알루미늄 대비 절반 수준의 무게를 가지는 고강도/고내열성 고분자 복합소재로 대체하고자 한다. 또한 복잡한 형상에 대한 제약이 없고, 다품종 소량생산에 유리한 3D 프린팅 기술을 접목하여 기술 변화가 빠른 초기 전기자동차 시장에 대응하고자 한다. 복합소재 역학에 기반하여 압출기를 통해 가공한 단섬유 GF(glass fiber)/PC(polycarbonate) 복합소재 내 유리섬유의 임계길이(critical length)가 453.87 ㎛임을 도출하였고, 사이드 피딩(side feeding) 방식의 가공법을 택함으로써 기존 365.87 ㎛이었던 잔류섬유길이를 향상시킴과 동시에 분산성을 향상시켰다. 이에 30 wt%의 GF가 함유된 GF/PC 복합소재로 인장강도(tensile strength) 135 MPa, 탄성계수(Young's modulus) 7.8 MPa의 최적의 물성을 구현하였다. 또한 3D 프린팅 필라멘트가 상용 필라멘트 규격인 두께 1.75 mm, 표준편차 0.05 mm를 만족하기 위해서 필라멘트 압출 조건(온도, 압출속도)을 최적화하였다. 제작된 필라멘트를 통해 기공률을 최소화하며 강도를 최대화하고, 동시에 생산성 향상을 위해 프린팅 속도를 최대화하는 다중 최적화 문제를 통해 3D 프린팅 공정조건(온도, 프린팅 속도)을 최적화하였고, 이로써 기존 상용화 되어있는 동일 소재 필라멘트 대비 인장강도 11%, 탄성계수 56%가 향상된 결과를 얻었으며, 출력물의 후처리(post-process)를 통해 후처리 전 대비 인장강도 5%, 탄성계수 18%를 추가로 향상시켰다. 끝으로 유한요소해석(finite element analysis, FEA) 기법을 활용하여 전기자동차 배터리 모듈 커버의 시험 규격(ISO-12405)의 Mechanical Shock test의 기준을 만족하도록 배터리 모듈 커버의 구조를 최적화하였고, 이로써 배터리 커버 시험규격을 만족하면서 동시에 알루미늄을 사용했을 때 대비 37%의 경량화를 달성하였다. 해당 연구 결과 및 연구 방법을 활용하여 향후 다양한 분야에 고분자 복합소재 3D 프린팅 기술이 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국분말재료학회지
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• 제9권6호
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• pp.394-408
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• 2002

Nanostructured high strength metastable Al-, Mg- and Ti-based alloys containing different amorphous, quasicrystalline and nanocrystalline phases are synthesized by non-equilibrium processing techniques. Such alloys can be prepared by quenching from the melt or by powder metallurgy techniques. This paper focuses on one hand on mechanically alloyed and ball milled powders containing different volume fractions of amorphous or nano-(quasi)crystalline phases, consolidated bulk specimens and, on the other hand. on cast specimens containing different constituent phases with different length-scale. As one example. $Mg_{55}Y_{15}Cu_{30}$- based metallic glass matrix composites are produced by mechanical alloying of elemental powder mixtures containing up to 30 vol.% $Y_2O_3$ particles. The comparison with the particle-free metallic glass reveals that the nanosized second phase oxide particles do not significantly affect the glass-forming ability upon mechanical alloying despite some limited particle dissolution. A supercooled liquid region with an extension of about 50 K can be maintained in the presence of the oxides. The distinct viscosity decrease in the supercooled liquid regime allows to consolidate the powders into bulk samples by uniaxial hot pressing. The $Y_2O_3$ additions increase the mechanical strength of the composites compared to the $Mg_{55}Y_{15}Cu_{30}$ metallic glass. The second example deals with Al-Mn-Ce and Al-Cu-Fe composites with quasicrystalline particles as reinforcements, which are prepared by quenching from the melt and by powder metallurgy. $Al_{98-x}Mn_xCe_2$ (x =5,6,7) melt-spun ribbons containing a major quasicrystalline phase coexisting with an Al-matrix on a nanometer scale are pulverized by ball milling. The powders are consolidated by hot extrusion. Grain growth during consolidation causes the formation of a micrometer-scale microstructure. Mechanical alloying of $Al_{63}Cu_{25}Fe_{12}$ leads to single-phase quasicrystalline powders. which are blended with different volume fractions of pure Al-powder and hot extruded forming $Al_{100-x}$$(Al_{0.63}Cu_{0.25}Fe_{0.12})_x$ (x = 40,50,60,80) micrometer-scale composites. Compression test data reveal a high yield strength of ${\sigma}_y{\geq}$700 MPa and a ductility of ${\varepsilon}_{pl}{\geq}$5% for than the Al-Mn-Ce bulk samples. The strength level of the Al-Cu-Fe alloys is ${\sigma}_y{\leq}$550 MPa significantly lower. By the addition of different amounts of aluminum, the mechanical properties can be tuned to a wide range. Finally, a bulk metallic glass-forming Ti-Cu-Ni-Sn alloy with in situ formed composite microstructure prepared by both centrifugal and injection casting presents more than 6% plastic strain under compressive stress at room temperature. The in situ formed composite contains dendritic hcp Ti solid solution precipitates and a few $Ti_3Sn,\;{\beta}$-(Cu, Sn) grains dispersed in a glassy matrix. The composite micro- structure can avoid the development of the highly localized shear bands typical for the room temperature defor-mation of monolithic glasses. Instead, widely developed shear bands with evident protuberance are observed. resulting in significant yielding and homogeneous plastic deformation over the entire sample.

• 비파괴검사학회지
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• 제19권3호
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• pp.180-188
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• 1999

SiC 입자강화 2124Al 금속복합재료의 강화재 부피분율에 따른 탄성 stiffness를 초음파 공명 스펙트로스코피(resonant ultrasound spectroscopy: RUS) 방법을 이용하여 측정하였다. RUS 방법은 한 개의 소형 시편으로 9개의 독립변수를 가진 사방정계(orthorhombic) 탄성계수를 간단한 실험으로 측정 가능함을 보여주었다. SiC 강화재 부피분율 변화에 따른 탄성계수를 측정하였는데 이 경우 초기 추정 탄성계수를 구하기 위해서 부피 분율에 따른 미세조직 사진으로부터 강화재의 형상(aspect ratio)과 방향을 고려한 유효 aspect ratio 개념을 도입하였고. Mori-Tanaka 이론식에 의한 계산결과를 이용하였다. 이로부터 계산된 공진주파수와 RUS의 측정 공진주파수 사이를 최소화함으로 정확한 탄성계수를 측정하였다. 측정된 stiffnesses로부터 공학적 탄성계수인 Young's modulus를 계산하였으며, 계산된 Young's modulus와 압출방향으로 인장 시험한 Young's modulus를 비교분석 하였다. SiC 입자의 부피분율이 증가함에 따라 탄성계수가 증가함을 나타내었고, 탄성 stiffness의 거동은 강화재가 많이 첨가될수록 횡등방성(transversely isotropic)이 강하게 나타났으며 이것은 압출공정에 의해 강화재 입자의 방향성 재배열에 기인한다. 한편 일정크기 시편에 있어서 기본 공진주파수가 강화재 부피분율에 따라 고주파수 영역으로 이동하는 현상이 관찰되었으며, 이로 부터 비파괴적으로 강화재 부피분율을 예측할 수 있는 가능성을 제시하였다.

• 한국재료학회지
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• 제33권10호
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• pp.393-399
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• 2023

In this study, changes in the microstructure and mechanical properties of cast and extruded Al-2Li-1Ce alloy materials were investigated as the Mg content was varied. The density decreased to 2.485, 2.46 and 2.435 g/cm³ when the Mg content in the Al-2Li-1Ce alloy was increased to 2, 4 and 6 wt%, respectively. Intermetallic compounds of Al₁₁Ce₃ were observed in all alloys, while the β-phase of Al₃Mg₂ was observed in alloys containing 6 wt% of Mg. In the extruded material, with increasing Mg content the average grain size decreased to 84.8, 71.6 and 36.2 ㎛, and the fraction of high-angle grain boundaries (greater than 15°) increased to 82.8 %, 88.6 %, and 91.8 %, respectively. This occurred because the increased Mg content promotes dynamic recrystallization during hot extrusion. Tensile test results showed that as the Mg content increased, both the yield strength and tensile strength increased. The yield strength reached 86.1, 107.3, and 186.4 MPa, and the tensile strength reached 215.2, 285, and 360.5 MPa, respectively. However, it is worth noting that the ductility decreased to 27.78 %, 25.65 %, and 20.72 % as the Mg content increased. This reduction in ductility is attributed to the strengthening effect resulting from the increased amount of dissolved Mg, and grain refinement due to dynamic recrystallization.