하이 메이킹

Oct 25, 2023

아이다호 국립 연구소, 아이다호폴스, 아이다호

원자로, 우주선, 태양광 발전소, 수소 전지 등 오늘날의 고성능 기술 중 다수에는 첨단 소재가 필요합니다. 고급이란 극한의 조건을 견디거나 정확한 사양을 충족할 수 있는 금속과 세라믹으로 제작되었음을 의미합니다.

과거에 이러한 첨단 소재는 일반적으로 금형에 붓고 고압을 가한 후 열간 압착이라는 공정을 통해 천천히 가열되는 분말로 제조되었습니다. 그러나 열간 압착은 폐열을 발생시켜 비용이 많이 듭니다. 이러한 비용으로 인해 자동차와 같은 일상 품목을 제조하는 산업에서 첨단 소재의 광범위한 사용이 제한되었습니다.

최근에는 엔지니어들이 스파크 플라즈마 소결(SPS)이라는 비용 절감 프로세스를 개발했습니다. 열 대신 SPS는 다이, 때로는 재료 자체를 통해 전기를 보내 분말 금속, 세라믹 또는 이 둘의 혼합물의 분자를 융합합니다.

이제 아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)는 업계가 효율적인 SPS 제조 공정을 설계하는 데 도움이 되는 세계적 수준의 역량을 개발했습니다. 동종 세계에서 가장 큰 기계 중 하나인 이 연구실에 새로 추가된 장비를 사용하면 산업적으로 관련된 규모로 새로운 재료를 제조할 수 있습니다.

INL의 수석 SPS 재료 과학자/엔지니어인 Troy Holland는 "SPS 공정은 훨씬 빠르고 에너지 효율적이며 완전히 소결된 부품에서 원래의 우수한 분말 특성을 더 잘 유지할 수 있습니다."라고 말했습니다.

이러한 부품의 성능 요구사항이 종종 엄격하기 때문에 원래 분말 재료의 특성을 유지하는 것이 중요합니다. "오랜 시간 동안 가열하면 원래 분말에서 가졌던 이점을 잃게 되는 경우가 많습니다"라고 Holland는 말했습니다.

INL은 벤치 규모의 소규모 실험 지원부터 산업 규모의 대형 포맷 고처리량 시스템에 이르기까지 다양한 맞춤형 SPS 기계 4대를 설계하고 제작했습니다.

이름에서 알 수 있듯이 Nano-SPS는 금속 또는 세라믹 분말을 융합하여 나노에서 마이크로미터 규모의 부품을 만들 수 있는 소형 기계입니다. Nano-SPS는 그 자체로 상업용 부품을 제작하기 위해 제작된 것은 아니지만, 나노미터 해상도에서 분말 재료가 어떻게 흐르고 상호 작용하는지 관찰하여 연구자들이 부품의 나노 구조와 미세 구조를 예측하고 제어하는 ​​데 도움을 줄 수 있는 실험 기계입니다.

Nano-SPS 설정을 사용한 X선 및 중성자 회절 실험은 SPS 공정 중 화학 및 미세 구조 진화에 대한 실시간 데이터를 제공합니다.

원자 결합부터 국소 나노 구조, 미세 구조에 이르기까지 SPS 중에 분말 분자가 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 규모의 변화가 성능에 큰 차이를 만들 수 있기 때문입니다.

"우리의 목표는 부품의 국지적 미세 구조를 제어할 수 있을 만큼 프로세스를 잘 이해하고 제어하는 ​​것입니다. 이를 통해 가능한 한 반복 가능한 방식으로 부품 내에서 변동을 최소화하거나 국지적 의도적 변동을 활용할 수 있습니다."라고 Holland는 말했습니다. 사전 검증된 부품을 생산합니다."

다음 기계인 Micro-SPS는 대략 마이크로미터에서 센티미터 규모의 부품을 제조할 수 있으며 미세구조의 진화를 이해하는 데도 유용합니다. Micro-SPS는 벌크 재료 소결 역학 데이터를 결정하는 데 사용됩니다. 이는 대량 SPS 처리의 실시간 X선 및 중성자 방사선 촬영을 지원하는 도구에 창을 제공함으로써 이를 수행합니다.

SPS는 또한 첨단 핵연료 제조를 위한 새로운 기술입니다. INL의 재료 및 연료 단지에 있는 RSPS(방사선 스파크 플라즈마 소결 시스템)는 방사선 작업 글러브박스 내에 통합된 의도적으로 설계된 시스템입니다.

DCS-800은 최대 약 1제곱미터 크기의 부품을 만들 수 있는 대형 SPS 기계입니다. INL의 에너지 시스템 연구소에 위치한 DCS-800은 고전력, 고온 및 고압에서 작동합니다. 이를 통해 벤치 규모에서 발견된 재료를 산업적으로 관련된 규모로 시연할 수 있습니다.