티타늄의 새로운 시대

Sep 01, 2023

티타늄의 새로운 시대

고기의 미래

수평선에

학장 노트: 혁신을 위한 공공 파트너

금속 중에서 티타늄의 강도와 가벼움, 내식성, 극한의 온도를 견딜 수 있는 능력은 특히 무게와 환경에 민감한 응용 분야에서 오랫동안 그 가치를 높여왔습니다. 18세기 후반에 금속이 처음 기술되었을 때, 공동 발견자는 고대 그리스 신화에 등장하는 땅과 하늘에서 태어난 신인 타이탄(Titans)의 이름을 금속이라고 명명했습니다.

시간은 티타늄의 광택만을 빛나게 했습니다. "저는 재료 과학자입니다. 그래서 사람들이 가끔 '가장 좋아하는 요소가 무엇입니까?'라고 묻습니다."라고 재료 과학 및 공학 교수인 Andrew Minor는 말합니다. 건물, 비행기, 미사일, 우주선 등에 대해 그는 “최소한의 무게로 가장 강한 재료를 원한다면 티타늄이 바로 티타늄입니다. 가능하다면 모든 것을 티타늄으로 만들겠습니다.”

실제로, 산업 디자이너들에게 강력하고 가벼우며 연료 효율이 높은 자동차, 트럭, 비행기 또는 부식에 강한 화물선에 대한 전망을 갖고 있는 티타늄은 꿈의 물건임에 틀림없습니다.

문제? Minor는 가장 강력하고 내구성이 뛰어난 재료만으로 충분할 때 강철을 대체할 수 있는 산업용 등급 티타늄 또는 티타늄 합금에 대해 "너무 비싸다"고 말합니다. 실제로 티타늄을 만드는 데 드는 비용은 스테인레스 스틸보다 약 6배 더 높습니다. 결과적으로 그 사용은 항공우주용 특수 부품, 보석과 같은 고급 품목 또는 기타 틈새 응용 분야로 제한되어 있습니다.

게다가 순수 티타늄은 강도가 중간 정도에 불과하다고 Minor는 설명합니다. 산소, 알루미늄, 몰리브덴, 바나듐, 지르코늄과 같은 원소로 강화할 수 있습니다. 그러나 이는 종종 연성(파열 없이 인발되거나 변형되는 금속의 능력)을 희생합니다.

이제 10년 간의 연구 끝에 Minor와 버클리 대학의 교수인 Mark Asta, Daryl Chrzan 및 JW Morris Jr.를 포함한 그의 버클리 동료들 덕분에 크게 확장된 엔지니어링 응용을 포함하여 티타늄의 새로운 시대가 다가오고 있습니다. 재료 과학 및 공학. 그들은 다양한 구조적 또는 엔지니어링 응용 분야에 대한 실용성을 확대하기 위해 다양한 방법으로 티타늄을 조사하고 조사해 왔습니다.

일련의 연구에서 연구원들은 더 나은 티타늄 합금을 만들기 위한 레시피와 산업용 등급 티타늄을 만들기 위한 극저온 단조 기술을 포함하여 티타늄에 대한 중요한 새로운 통찰력을 개발했습니다. 이는 궁극적으로 보다 비용 효율적이고 지속 가능한 발전으로 이어질 수 있습니다. 조작.

나노쌍정 티타늄을 생성하는 극저온 기계 공정의 개략도(그림: Andrew Minor)

티타늄의 가격이 희소성 때문이 아니라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 티타늄은 귀금속이 아닙니다. 오히려 전 세계 거의 모든 곳, 표면 근처의 화성암에서 발견됩니다. 이는 지구에서 9번째로 풍부한 원소이자 4번째로 풍부한 금속이며, 순수한 형태나 합금으로 물건을 만드는 데 사용될 수 있습니다.

그 대신 상업용 등급 티타늄의 과도한 비용을 초래하는 것은 사용 가능한 부품 및 기타 제품으로 제작할 수 있는 티타늄 바, 잉곳 및 기타 형태의 금속을 만드는 데 가장 자주 사용되는 복잡한 Kroll 공정 때문이라고 Minor는 설명합니다. 이 공정에는 아르곤 가스와 같은 고가의 재료가 사용되며, 특히 산소 불순물을 제어하기 위해 매우 높은 온도에서 여러 번 용융해야 하는 에너지 집약적입니다.

실제로 티타늄과 산소는 Minor, Asta, Chrzan, Morris 및 동료들이 더 잘 이해하고 싶었던 수수께끼의 관계를 가지고 있습니다. 팀은 강력한 강화 효과를 활용하기 위해 티타늄 합금에 산소 불순물이 자주 사용된다는 것을 알고 있었습니다. 원자 산소의 양을 조금만 증가시켜 만든 티타늄은 강도가 몇 배 증가한 금속을 만들 수 있습니다.