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열 열 열처 처 처리 리 리의 의 의 영 영 영향 향 향

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2 2 20 0 00 0 06 6 6년 년 년 2 2 2월 월 월 석 석 석사 사 사학 학 학위 위 위논 논 논문 문 문

T

T Ti i i- - -N N Ni i i계 계 계 형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억합 합 합금 금 금 코 코 코일 일 일 스 스 스프 프 프링 링 링의 의 의 형 형 형상 상 상회 회 회복 복 복 거 거 거동 동 동에 에 에 미 미 미치 치 치는 는 는

열 열 열처 처 처리 리 리의 의 의 영 영 영향 향 향

조 조 조 선 선 선 대 대 대 학 학 학 교 교 교 대 대 대 학 학 학 원 원 원

첨 첨

첨 단단단 소소소 재재재 공공공 학학학 과과과

김 김

김 경 경 경 훈 훈 훈

(2)

T

T Ti i i- - -N N Ni i i계 계 계 형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억합 합 합금 금 금 코 코 코일 일 일 스 스 스프 프 프링 링 링의 의 의 형 형 형상 상 상회 회 회복 복 복 거 거 거동 동 동에 에 에 미 미 미치 치 치는 는 는

열 열 열처 처 처리 리 리의 의 의 영 영 영향 향 향

E E Ef f ff f fe e ec c ct t to o of f fH H He e ea a at t tT T Tr r re e ea a at t tm m me e en n nt t to o on n nt t th h he e eS S Sh h ha a ap p pe e eR R Re e ec c co o ov v ve e er r ry y y B B Be e eh h ha a av v vi i io o or r r i i in n nT T Ti i i- - -N N Ni i iB B Ba a as s se e ed d dS S SM M MA A A C C Co o oi i il l lS S Sp p pr r ri i in n ng g g

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조 조 조 선 선 선 대 대 대 학 학 학 교 교 교 대 대 대 학 학 학 원 원 원

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T Ti i i- - -N N Ni i i계 계 계 형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억합 합 합금 금 금 코 코 코일 일 일 스 스 스프 프 프링 링 링의 의 의 형

형 형상 상 상회 회 회복 복 복 거 거 거동 동 동에 에 에 미 미 미치 치 치는 는 는 열 열 열처 처 처리 리 리의 의 의 영 영 영향 향 향

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지도 도 도교 교 교수 수 수 장 장 장

우우우 양양양 이

이 논논논문문문을을을 공공공학학학 석석석사사사학학학위위위신신신청청청 논논논문문문으으으로로로 제제제출출출함함함...

2 2

20 0 00 0 05 5 5년 년 년 1 1 10 0 0월 월 월 일 일 일

조 조 조 선 선 선 대 대 대 학 학 학 교 교 교 대 대 대 학 학 학 원 원 원

첨 첨

첨 단단단 소소소 재재재 공공공 학학학 과과과

김 김

김 경 경 경 훈 훈 훈

(4)

김 김경 경 경훈 훈 훈의 의 의 석 석 석사 사 사학 학 학위 위 위 논 논 논문 문 문을 을 을 인 인 인준 준 준함 함 함

위 위

위원원원장장장 조조조선선선대대대학학학교교교 교교교수수수 백백백 승승승 남남남 (((인인인))) 위위위 원원원 조조조선선선대대대학학학교교교 교교교수수수 강강강 조조조 원원원 (((인인인))) 위위위 원원원 조조조선선선대대대학학학교교교 교교교수수수 장장장 우우우 양양양 (((인인인)))

2 2

20 0 00 0 05 5 5년 년 년 1 1 11 1 1월 월 월 일 일 일

조 조 조 선 선 선 대 대 대 학 학 학 교 교 교 대 대 대 학 학 학 원 원 원

(5)

목목목 차차차

L L Li i is s st t to o of f fT T Ta a ab b bl l le e es s s

···ⅠⅠⅠ

L L Li i is s st t to o of f fF F Fi i ig g gu u ur r re e es s s

···ⅠⅠⅠ

A A Ab b bs s st t tr r ra a ac c ct t t

···ⅥⅥⅥ

제 제 제 1 1 1장 장 장 서 서 서 론 론 론

···111

제 제 제 2 2 2장 장 장 이 이 이론 론 론적 적 적 배 배 배경 경 경

···444

2.1.Ti-Ni계 형상기억합금 ···4

2.1.1.Ti-Ni계 합금의 상태도 ···4

2.1.2.Ti-Ni계 합금의 결정구조와 마르텐사이트 변태 ···7

2.2.이방향 형상기억 효과 ···10

2.2.1.이방향 형상기억 효과 ···10

2.2.2.이방향 형상기억 처리 ···13

2.3.형상기억합금 엑츄에이터의 설계와 응용 ···15

2.3.1.형상기억합금 엑츄에이터의 특징 ···15

2.3.2.형상기억합금 스프링의 설계 ···20

2.3.3.형상회복변위 및 회복능 ···25

2.3.4.형상기억합금 엑츄에이터의 응용 ···26

제 제 제 3 3 3장 장 장 실 실 실험 험 험방 방 방법 법 법

·············································································································································································································································································································································222999 3.1.코일 스프링의 제작 ···29

3.2.코일 스프링의 열처리 ···30

3.3.변태온도 측정 ···32

(6)

3.4.미세조직 관찰 ···32

3.5.X-선 회절 시험 ···32

3.5.열변형 싸이클링 시험 ···33

3.5.형상회복 특성 시험 ···33

제 제 제 4 4 4장 장 장 실 실 실험 험 험결 결 결과 과 과 및 및 및 고 고 고찰 찰 찰

···333666 4.1.미세조직 및 상변화 ···36

4.2.시효처리 온도에 따른 변태특성 ···41

4.3.시효처리 온도에 따른 회복특성 ···47

4.4.열변형 싸이클링에 따른 변태특성 ···51

4.5.열변형 싸이클링에 따른 회복특성 ···62

제 제 제 5 5 5장 장 장 결 결 결 론 론 론

····························································································································································································································································································································································777000

참 참 참 고 고 고 문 문 문 헌 헌 헌

····················································································································································································································································································································································································777222

부 부 부 록 록 록

······································································································································································································································································································································································································777555

(7)

LLLiiissstttooofffTTTaaabbbllleee

T T

Taaabbbllleee222...111...PrecipitatesinbinaryTi-Nialloy···6 T

T

Taaabbbllleee222...222...CrystalcharacteristicofmartensiteinTi-Nialloy···8 T

T

Taaabbbllleee222...333...Advantageofshapememoryalloysasactuator···17 T

T

Taaabbbllleee222...444...Drawbacksofshapememoryalloysasactuator···17 T

T

Taaabbbllleee222...555...Calculating equation on method offixed temperatureload testfor coilspringofshapememoryalloys···22 T

T

Taaabbbllleee222...666...IndustrialapplicationsofSMA actuator···26 T

T

Taaabbbllleee222...777...ApplicativeproductionsofNi-TiSMA···28 T

T

Taaabbbllleee333...111...ChemicalcompositionofTi-Nishapememorywire···29 T

T

Taaabbbllleee333...222...TransformationtemperaturesofTi-Nishapememorywire···29 T

T

Taaabbbllleee333...333...Thedimensionsofcoilspringusedinthisstudy···30

L L

LiiissstttooofffFFFiiiggguuurrreeesss

F F

Fiiiggg...222...111...Phasediagram fortheTi-Nibinaryalloysystem···5 F

F

Fiiiggg...222...222...Crystalstructureofβ2typestructure···9 F

F

Fiiiggg...222...333...Comparison oftheone-way andtwo-way shapememories using a coilspringasanexample···11 F

F

Fiiiggg...222...444...Schematicstress-strain-temperaturediagram,used to illustratevarious trainingroutineswhichproducetwo-wayshapememorybehavior···12 F

F

Fiiiggg...222...555...Illustration ofseveraldifferenttraining routinesthatcan beusedto producetwo-wayshapememorybehavior···14

(8)

F F

Fiiiggg...222...666...Comparisonofthecharacteristicsofthermalactuators···18 F

F

Fiiiggg...222...777...Force output weightcomparison between SMA actuators,wax actuators,thermostatmetalsandmagneticsolenoids···19 F

F

Fiiiggg... 222... 888... Schematic diagram for displacement measurement and temperature-displacementcurve···24 F

F

Fiiiggg...333...111...Photographsofshapememory coilspring aged at(a)350℃,(b)40 0℃,(c)450℃ and(d)500℃ ×1hraftersolutionizingat900℃,respectively··31 F

F

Fiiiggg...333...222...Schematicdiagram ofthethermalcyclingsystem···34 F

F

Fiiiggg... 333... 333... Schematic diagram of the appratus for measuring recovery displacementandrecoveryforceofshapememorycoilsprings···35 F

F

Fiiiggg...444...111...Microstructural change with aging temperatures; (a) as-received, (b) only solutionization at 900℃, (c) 350℃× 1hr, (d) 400℃ × 1hr, (e) 50 0℃ × 1hr and (f) 500℃ × 1hr after solutionizing at 900℃, respectively.·38 F

F

Fiiiggg...4. 4. 4. 4. 2222 FESEM images of the coil spring aged at different temperatures;

(a) as-received, (b) only solutionization at 900℃, (c) 350℃× 1hr, (d) 400℃

× 1hr, (e) 450℃ × 1hr and (f) 500℃ × 1hr after solutionizing at 900℃, respectively···39 F

F

Fiiiggg... 444... 333... Energy dispersive X-ray spectrum of (a) matrix and (b) precipitate···40 F

F

Fiiiggg... 4. 4. 4. 4. 4.4.4.4. DSC thermograms of the forward transformation with aging temperatures; (a) as-received (b) only solutionization at 900℃, (c) 350℃ × 1hr, (d) 400℃ × 1hr, (e) 450℃ × 1hr and (f) 500℃ × 1hr after solutionizing at 900℃, respectively···43 F

F

Fiiiggg... 4. 4. 4. 5.4. 5.5.5. Lattice change associated with the R-phase transition; (a) the B2 type parent phase and (b) the R-phase···44 F

F

Fiiiggg... 4. 4. 4. 6.4. 6.6.6. DSC thermograms of the reverse transformation with aging temperatures; (a) as-received (b) only solutionization at 900℃, (c) 350℃ ×

(9)

1hr, (d) 400℃ × 1hr, (e) 450℃ × 1hr and (f) 500℃ × 1hr after solutionizing at 900℃, respectively···45 F

F

Fiiiggg... 4. 4. 4. 4. 7.7.7.7. XRD diffraction profiles of the coil springs with aging temperatures; (a) as-received, (b) only solutionization at 900℃, (c) 350℃ × 1hr, (d) 400℃ × 1hr, (e) 450℃ × 1hr and (f) 500℃ × 1hr after solutionizing at 900℃, respectively···46 F

F

Fiiiggg... 4. 4. 4. 4. 8.8.8.8. Variation of recovery force of the coil spring with aging temperatures; (a) 350℃, (b) 400℃, (c) 450℃ and (d) 500℃···49 F

F

Fiiiggg...4. 4. 4. 4. 9.9.9.9. Variation of recovery displacement of the coil spring with aging temperatures; (a) 350℃, (b) 400℃, (c) 450℃ and (d) 500℃ ···50 F

F

Fiiiggg...444...111000...DSC thermogram offorwardtransformationofthecoilspring aged at350℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···53 F

F

Fiiiggg...444...111111...DSC thermogram offorwardtransformationofthecoilspring aged at400℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···54 F

F

Fiiiggg...444...111222...DSC thermogram offorwardtransformationofthecoilspring aged at450℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···55 F

F

Fiiiggg...444...111333...DSC thermogram offorwardtransformationofthecoilspring aged at500℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···56 F

F

Fiiiggg...444...111444...DSC thermogram ofreversetransformation ofthecoilspring aged at350℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···58 F

F

Fiiiggg...444...111555...DSC thermogram ofreversetransformation ofthecoilspring aged at400℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th

(10)

cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···59 F

F

Fiiiggg...444...111666...DSC thermogram ofreversetransformation ofthecoilspring aged at450℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···60 F

F

Fiiiggg...444...111777...DSC thermogram ofreversetransformation ofthecoilspring aged at500℃ × 1hrwith the numberofthermalcycles ;(a)1stcycle,(b)10th cycle,(c)100thcycle,(d)1,000thand(e)10,000thcycle···61 F

F

Fiiiggg...444...111888...Variationofrecoverydisplacementofthecoilspringagedat350℃, 400℃,450℃ and500℃ ···63 F

F

Fiiiggg...444...111999...Variationofrecovery forceofthecoilspring agedat350℃,400℃, 450℃ and500℃ ···65 F

F

Fiiiggg...444...222000...FESEM imagesofcoilspringsaged atdifferenttemperaturesand thenthermalcycledto1000cycle;(a)350℃,(b)400℃,(c)450℃,and(d)500℃

···66 F

F

Fiiiggg... 444... 222111... Optical micrographs of coil spring wire aged at different temperaturesand then thermalcycled;(a)350℃,(b)400℃,(c)450℃,and (d) 500℃ ···67 F

F

Fiiiggg...AAA111...Variation ofrecovery force ofthe coilspring aged at350℃ × 1hr withthenumberofthermalcycle···76 F

F

Fiiiggg...AAA222...Variation ofrecovery force ofthe coilspring aged at400℃ × 1hr withthenumberofthermalcycle···77 F

F

Fiiiggg...AAA333...Variation ofrecovery force ofthe coilspring aged at450℃ × 1hr withthenumberofthermalcycle···78 F

F

Fiiiggg...AAA444...Variation ofrecovery force ofthe coilspring aged at500℃ × 1hr withthenumberofthermalcycle···79 F

F

Fiiiggg...AAA555...Variationofrecoverydisplacementofthecoilspring agedat350℃ × 1hrwiththenumberofthermalcycle···80

(11)

F F

Fiiiggg...AAA666...Variationofrecoverydisplacementofthecoilspring agedat400℃ × 1hrwiththenumberofthermalcycle···81 F

F

Fiiiggg...AAA777...Variationofrecoverydisplacementofthecoilspring agedat450℃ × 1hrwiththenumberofthermalcycle···82 F

F

Fiiiggg...AAA888...Variationofrecoverydisplacementofthecoilspring agedat500℃ × 1hrwiththenumberofthermalcycle···83

(12)

A A

Abbbssstttrrraaacccttt

EffectofHeatTreatmentontheShapeRecovery Behavi ori nTi -NiBasedSMA Coi lSpri ng

ByKim Kyoung-Hun

Advisor:Prof.JangWoo-YangPh.D.

DepartmentAdvancedMaterialsEngineering GraduateSchoolofChosunUniversity

Theeffectofagingtemperatureonthemicrostructuralchange,transformation characteristics and phase change has been investigate in Ti-Nibased shape memory alloy wire.The recovery chracteristics of Ni-Tibased SMA coil spring,which hasbeen aged atdifferenttemperature,wasthermally cycled to 10,000th cycle,has been studied by using SMA coilspring with bias coil spring.

(1)Precipitatesalinedlongitudinaldirectionofcolddrawnwirewasdissolved in matrix by solutionizing at900℃ for1hrbutnotcompletely.The volume fraction ofprecipitates in solutionized wire was notchanged by aging below 400℃ butitwasslightlyincreasedbyagingabove450℃ and500℃.

(2)Nomartensitictransformationwasobservedevenbycoolingbelow -100℃

in cold drawn wire but mixture of parent phase and martensite could be observedbysolutionizing at900℃ for1hr.Mstemperaturewasdecreasedwith

(13)

increasing aging temperature while B2→R transformation and R→B19' transformationcoexited.

(3)Recovery force was increased from 2,000gfto 3,600gfand displacement was also increased from 3.6㎜ to 9.8㎜ with increasing aging temperature.

Althoughbothcoilspringsareagedatsametemperature.shaperecoveryfinish temperature(Rftemperature)measured from recovery force temperature or recoverydisplacement temperaturewaslowerthanAftemperaturecalculated from DSC measurement

(4)Withincreasing thermalcycling,MsandAstemperatureswerefallen and transformation temperature range(Ms~Mf)was increased.On the other hand, MultistepmartensitictransformationaswellR phasetransformationoccuredin thecoilspring ataged 400℃.Itimply thatchangein chemicalcomposition is changedandthestressfieldispresentedaroundprecipitatesformedduring the thermalcycling.

(5) Recovery force and displacement of coilspring were decreased with increasing the number of cycle but them of coilspring aged 500℃ were increasedby10thcyclebecauseoftrainingeffect.

(14)

제 제 1 1 1장 장 장 서 서 서 론 론 론

최근 소재 선진국에서 재료개발에 기존의 재료과학과 정보과학에 근거로 한 새 로운 개념이 도입되면서 지능재료(Intelligentmaterials)에 대한 관심이 고조되고 있다.지능재료는 주위의 환경변화를 감지하고 스스로 제어하여 최적의 상태로 유 지․변화시키는 새로운 개념의 소자로서 형상기억합금(Shapememoryalloy),압전 재료(Piezoelectric material), 자외재료(Magnetostrictive material) 및 광섬유 (Opticalfiber)등이 있으며 이들은 온도센서,엑츄에이터,유체흐름제어소자,촉각 또는 변형량 감지소자 등으로 응용되고 있다1~3).

특히 이중에서 형상기억합금은 저온상인 마르텐사이트 상태에서 재료에 응력을 가하여 변형시킨 후 고온상의 오스테나이트 상태가 되도록 가열하면 원래의 형상 으로 복원되는 재료이다.이처럼 합금 자체가 외부온도변화에 대하여 큰 회복력을 갖고 형상변화를 하기 때문에 온도감지센서 또는 엑츄에이터 기능을 기대할 수 있 다.

형상기억합금의 최근의 응용 예로는 자동차의 안전성,신뢰성 및 연비향상 등을 위하여 연료 및 유량제어 시스템,엔진 및 트랜스미션의 냉각시스템,연료분사 시 스템 등의 엑츄에이터로의 개발이 검토되고 있으며 TexasA&M 대학 Lagodaus교 수 연구팀의 경우 스크류 프로펠러 대신 형상기억 엑츄이에터를 사용하여 물고기 를 모방한 잠수정을 개발한 바 있다4).또한 일본의 경우에는 로봇의 인공근육 등에 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있으며 형상기억 합금 엑츄에이터를 이용하여 심해잠수정의 매뉴플레이터,로봇의 팔,로봇 게,의료용 소형 매뉴플레이터 등의 개발 결과들이 보고되고 있다5).

이러한 형상기억합금 중 Ti-Ni계 및 Cu-Zn-Al계 합금 등은 여러 용도로 상품화 되고 있으며 Cu-Al-Ni계,Zr-Cu계 및 Ni-Al계 합금 등은 현재 고온용 형상기억합 금으로서 많은 연구가 진행되고 있다6~9).그러나 Cu계 형상기억합금은 다결정 상 태에서는 조대한 결정립과 큰 탄성이방성으로 인하여 낮은 응력 하에서도 결정립 에서 쉽게 균열이 생성되어 취성파괴에 이르게 된다10).이러한 Cu계 형상기억합금

(15)

의 다결정에서의 매우 열악한 기계적 성질은 Cu계 형상기억합금의 실용화에 많은 장애가 되고 있다11~13).

Ti-Ni계 형상기억합금은 1963년 Buehler에 의해 처음 발견된 이래 마르텐사이트 변태에 따르는 여러 물성의 변화,기지조직 및 마르텐사이트상의 결정구조,상분리 거동 등의 재료과학적 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 현재 유일한 실용 형상 기억합금으로서 SME(Shape Memory Effect)와 PE(Pseudoelastic Effect)특성이 우수할 뿐만 아니라 강도,연성,내식성,내마멸성,내피로성,생체 접합성,성형성 및 가공성도 우수하다14).또한 진동과 충격을 효율적으로 흡수하는 방진효과를 가 지고 있다.Ti-Ni합금의 내마멸성과 내침식성은 현재 상용되고 있는 티타늄합금 이나 스테인리스등에 비해 훨씬 우수하며,내식성이 우수하기 때문에 부식 환경에 서의 슬라이딩 부품으로서도 적합하여 생체용 재료로도 널리 이용되고 있다.

그러나 Ti-Ni합금은 활성이 크고 고온에서 쉽게 산화하는 Ti를 주 성분으로 하 는 합금이기 때문에 진공중이나 불활성가스 분위기에서 조업이 이루어져야 하고 변태온도가 합금조성에 따라 크게 변하기 때문에 제조공정이 복잡하고 제조 비용 도 높다.그리고 변태온도가 100℃ 이하로 다른 형상기억합금에 비해 낮기 때문에 용범위가 제한되어 있다.

Ti-Ni계 형상기억합금의 형상기억효과는 합금조성,제 3원소 첨가에 따라서 크 게 변하고 열처리온도에도 민감한 특성을 가지고 있다.Ti-Ni합금을 냉간가공한 후 열처리하면 열처리온도 및 시간에 따라 마르텐사이트 변태거동,변태온도,형상 회복률 및 변태이력 등의 중요한 형상기억특성이 크게 변화한다15,16).이와 같이 Ti-Ni계 합금은 가공열처리 조건에 의해 형상기억특성이 민감하게 변화하는 현상 은 요구조건이 여러 산업분야에 형상기억합금을 널리 응용될 수 있는 수단을 제공 한다17~21).

한편 형상기억재료를 응용하는데 있어서 형상기억효과가 제대로 발현되기 위해 서는 합금계의 종류,합금조성 및 열처리 온도와 같은 제조공정도 중요시 되지만 이에 못지 않게 재료의 형상회복 특성이 달라지는 중요한 인자 중의 하나는 기억 소자의 형상이다.

(16)

한 예로 코일스프링 형태로 형상기억소자를 만들게 되면 큰 스트로크가 발생하 므로 형상회복에 의한 변위를 크게 증대시킬 수 있다.즉 인장․압축 코일스프링은 제작이 용이하고 스트로크를 크게 할 수 있으며 온도센서 기능과 엑츄에이터 기능 을 동시에 구비하고 있으므로 그 응용 범위는 매우 다양하다.

그러나 이러한 형상기억소자를 로봇의 인공근육,소형 매뉴플레이터 및 산업용 엑츄에이터 등으로 응용하기 위해서는 합금의 재료학적 특성규명은 물론 형상기억 엑츄에이터의 설계,형상회복시의 회복특성 및 사용 중의 성능열화 등에 대한 충분 한 검토가 필요하다.

특히 형상기억소자로서 우수한 특성을 나타내는 Ti-Ni계 합금의 경우 가공 및 열처리에 따른 미세조직 및 변태 특성이 복잡하고 이를 코일 스프링의 형태로 제 작하였을 때 선재의 선경 및 코일 스프링의 지름 등과 같은 외적인 인자 이외에도 미세조직 변화 및 열처리 조건 등과 조직학적 인자 역시 형상회복 특성에 중요한 영향을 미치게 된다.

따라서 본 연구에서는 냉간 인발된 Ti-Ni형상기억합금선재의 열처리 조건에 따 른 미세조직,변태특성 및 상변화에 대하여 조사하였으며 특히 전기전자,기계 및 의료용 부품에 널리 응용이 검토되고 있는 형상기억 엑츄에이터의 열처리 조건 및 열변형 싸이클에 따른 동작특성을 규명하기 위하여 코일 스프링을 제작하여 코일 스프링의 미세조직,변태온도변화,회복력(Recovery force)및 회복변위(Recovery displacement)등을 조사하였으며 반복사용에 따른 성능열화 기구에 대하여 연구하 였다.

(17)

제 제 2 2 2장 장 장 이 이 이론 론 론적 적 적 배 배 배경 경 경

2 2 2. . .1 1 1. . .N N Ni i i- - -T T Ti i i 계 계 계 형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억합 합 합금 금 금

2

2

2...111...111...NNNiii---TTTiii계계계 합합합금금금의의의 상상상태태태도도도

Ni-Ti계 형상기억합금은 비확산형 변태인 B2→B19'변태,B2→R→B19'변태 또는 B2→B19→B19'변태에 의해 형상기억효과 또는 초탄성효과를 나타낸다22~27).

그러나 금속간 화합물로 이루어진 Ti-Ni계 합금상태도에서는 많은 종류의 금속 간 화합물이 존재하며 이들 금속간 화합물의 출현 및 소멸은 확산형 변태기구에 따른다.

Ni-Ti계 합금에서 마르텐사이트변태가 최초로 발견된 때는 1961년으로 Prude와 Parr가 “π 상”으로 불리는 NiTi(hexagonal)변태조직을 관찰하였다.그리고 1971년 에 Wasilewski는 X-선 회절과 EPMA를 이용하여 “X 상”인 Ti2Ni3조직을 발견하 였다28).

Fig.2.1의 Ni-Ti계 합금 상태도를 보면 Ti이 풍부한 쪽의 Ti-Ni경계선은 거 의 수직에 가까운 형태로 보이고 Ni이 풍부한 쪽의 경계선은 온도가 낮아 질수록 크게 감소하여 온도가 600℃에 이르면 용해도는 무시할 정도로 작아진다.확산형 변태는 Ti3Ni4→ Ti2Ni3→ TiNi3의 순서로 진행되며 Ti3Ni4와 Ti2Ni3는 중간상이 고 TiNi3는 평형상이다28).TiNi는 B2(CsCl)형태의 규칙구조,Ti2Ni는 Fd3m 그룹 에 속하는 입방체(Cubic),TiNi3는 DO24(Hexagonal)형태의 규칙구조이다.Ti3Ni4는 R3 그룹에 속하는 능면체(Rhomboheldral)이며 형상기억과 관련하여 매우 중요한 상이다.

Table2.1은 Ti-Ni계 합금에서 나타나는 석출물들의 특성을 나타낸 것이다.즉 Ti-Ni계 합금에서 나타나는 석출물들은 주로 TiNi,Ti3Ni4,Ti2Ni3,TiNi3및 Ti2Ni 금속간 화합물들로서 등원자 조성인 TiNi이외에 결정구조가 서로 다른 Ni과잉 및 Ti과잉 석출물들이 존재한다.

(18)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 873

1073 1273 1473 1873 2073

1673

(Ni)

(βTi)

(αTi)

L

Ni-content (at%)

TiNi

Ti2Ni TiNi3

Temperature (K)

1943K

1215K 1038K

1237K 1583K

1389K

1577K 1653K

1728K

903K

F F

Fiiiggg...222...111...Phasediagram fortheNi-Tibinaryalloysystem.

(19)

T T

Taaabbbllleee222...111...PrecipitatesinbinaryNi-Tialloy

TiNi

Ti

3

Ni

4

Ti

2

Ni

3

TiNi

3

Ti

2

Ni

B2 (CsCl type)

Rhombohedral

Orthorhombic (lower temp.) Tetragonal (higher temp.)

Hexagonal Cubic

a=0.3015nm

a=0.67nm, a=113.8 ° a=0.4398nm b=0.4370nm c=1.3544nm a=0.3095nm c=1.3585nm

a=0.51nm c=0.831nm a=1.1278nm

(0001)

TiNi3

∥ (110)

B2

[10-10]

TiNi3

∥ [111]

B2

V1 (1-10)

Ti3Ni4

∥ [-321]

B2

[111]

Ti3Ni4

∥ [111]

B2

V2 (1-10)

Ti3Ni4

∥ [-312]

B2

[111]

Ti3Ni4

∥ [111]

B2

[501]

Ti2Ni3

∥ [111]

B2

Crystal structure Lattice

parameter

Orientation relationship between precipitates and B2

(440)

Ti2Ni

∥ (110)

B2

Spacing Group

Fd3m R3

Bbmm

I4/mmm

P6

3

/mmc

(20)

2 2

2...111...222...NNNiii---TTTiii계계계 합합합금금금의의의 결결결정정정구구구조조조와와와 마마마르르르텐텐텐사사사이이이트트트 변변변태태태

대부분 형상기억합금은 모상이 bcc구조인 하부격자 즉 규칙격자 구조를 가진다.

합금의 모상이 bcc구조의 규칙격자를 가지며 전자/원자 비율이 1.5에 근접하면 β 상 합금으로 분류된다.

대부분 β상 합금은 규칙격자 또는 조성비에 따라 분류되며,Ti-Ni계 합금의 경 우 50:50의 조성비를 갖는 CsCl형인 B2규칙격자인 β2상으로 정의되고 결정구조 는 Fig.2.2에 나타내었다.

Ni-Ti합금에서 나타나는 마르텐사이트 변태에는 3가지 종류가 있다29~31). (ⅰ) B2→ B19'마르텐사이트 변태

(ⅱ) B2→ R →B19'마르텐사이트 변태 (ⅲ) B2→ B19→ B19'마르텐사이트 변태

1)B19'마르텐사이트의 결정구조

-Ni-Ti합금을 용체화처리 후에 급랭시키면 단사정계(Monoclinic)의 B19'마 르텐사이트가 나타나며,Otsuka,Hehmann과 Sandrock,Micheal과 Sinclair, 그리고 Kudoh등이 회절실험과 최소제곱법을 사용하여 분석한 결정학적 특 성은 Table2.2와 같다.

2)B19마르텐사이트 결정구조

-사방정계(Orthorhombic)이고 구조가 단순하며 Au-47.5Cd합금의 g'2마르텐 사이트와 동일하다.

- 49.5Ti-40.5Ni-10Cu 합금에서 Saburi가 측정한 모상의 격자 길이는 0.3030

㎚,마르텐사이트의 격자상수(0× 0× 0)는 0.2881㎚ × 0.4279㎚ × 0.4514

㎛이다.

3)R-상의 결정구조

- NiTi합금에서 B2상이 B19'상으로 마르텐사이트 변태되기 전에 중간 단계 에서 R 상으로 변태된다.

(21)

-R-상의 마르텐사이트 변태는 Ti-50Ni합금에서 수%의 Ni이 Fe또는 Al원 자로 치환될 때,Ni이 풍부한 Ti-Ni합금이 400℃ 정도의 적당한 온도에서 시효처리 하여 Ti3Ni4상이 석출할 때 Ni-Ti합금을 냉간가공한 후 열처리 를 실시하여 전위조직이 재배열 될 때 발생한다32).

T T

Taaabbbllleee222...222...CrystalcharacteristicofmartensiteinNi-Tialloy

OSS HS MS KTSO

Lattice parameter

a(nm) 0.2889 0.2883 0.2885 0.2898 b(nm) 0.4120 0.4117 0.4120 0.4108 c(nm) 0.4623 0.4623 0.4622 0.4646 β (°) 96.8 96.8 96.8 97.78 V (nm3) 0.05463 0.05449 0.05455 0.05479

atoms(ea/cell) 4 4 4 4

spacegroup P2/c P21/m P21/m P21/m

(22)

FFFiiiggg...222...222...Crystalstructureofβ2typestructure(β2parentphase)33).

(23)

2 2 2. . .2 2 2. . .이 이 이방 방 방향 향 향 형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억 효 효 효과 과 과

2

2

2...222...111...이이이방방방향향향 형형형상상상기기기억억억 효효효과과과

형상기억합금은 합금의 조성,가공 또는 열처리 방법 등에 따라 형상을 기억하는 방식이 다르며 일방향 형상기억효과,이방향 형상기억효과 및 전방위 형상기억효과 등 몇 개의 독특한 기능적 특성들을 나타낸다34,35).또한 형상기억효과를 나타내는 대부분의 합금에서는 높은 회복력을 일으키는 구속회복(Constrained recovery),엑 츄에이터(Actuator)기능,의탄성효과 및 제진효과(Damping effect)를 수반하는 특 수한 성질들이 함께 나타난다36,37).

이러한 형상기억합금에서 나타나는 몇 개의 현상들중 이방향 형상기억(TWSM:

Two-Way ShapeMemory)효과는 가열이나 냉각에 의해 자발적으로 형상이 변화 하는 것을 말한다.TWSM은 재료가 고온의 형상과 저온의 형상을 모두 기억하여 단순히 온도가 변함에 따라 두 가지 형상으로 변하게 된다.이것은 일방향 형상기 억과는 다르다.일방향 형상기억은 재료가 최초로 변형하여 새로운 형상으로 바뀌 고 가열에 의해 원래의 형상으로 회복하게 되는데,회복된 형상은 다시 냉각하여도 형태가 바뀌지 않고 그대로 남아있게 된다.

Fig.2.3(a)는 일방향 형상기억 효과을 보여주는 그림이다.Mf이하의 온도에서 확장에 의해 변형된 SMA 스프링을 Af이상의 온도로 가열하여 원래의 형태로 회 복하였다.그리고 스프링을 다시 Mf이하의 온도로 냉각하여도 수축된 상태로 남 아 있는 것을 보여준다.Fig.2.3(b)는 수축된 스프링을 Af이상의 온도로 가열하 여 확장시킨 후 Mf이하의 온도로 냉각하면 다시 수축하게 되는 것을 보여주는데 이것은 가열,냉각에 따라 계속적으로 반복하여 나타난다.

일방향 형상기억 효과와 이방향 형상기억효과를 응력-변형률-온도 그래프로 도 식화하여 Fig.2.4에 나타내었다38~40).이 그래프에서 TWSM 거동은 변형률-온도 면의 히스테리시스 루프 (1),(2),(3)및 (4)에서 잘 보여 준다.이 면의 루프는 특 정한 온도구역에서 형상이 자발적으로 변한다는 것을 의미하는데 TWSM을 나타 내는 이 루프는 SMA에서 나타나는 일반적인 특징이 아니라 훈련에 의해서 얻어진

(24)

F F

Fiiiggg...222...333...Comparison oftheone-way andtwo-way shapememories using a coilspring as an example;(a)one-way shape memory,(b)two-way shape memory41).

(25)

F F

Fiiiggg... 222... 444... Schematic stress-strain-temperature diagram, used to illustrate varioustrainingroutineswhichproducetwo-wayshapememorybehavior38~40).

(26)

2 2

2...222...222...이이이방방방향향향 형형형상상상기기기억억억 처처처리리리

TWSM은 형상기억 합금을 이방향으로 형상을 기억할 수 있도록 훈련시킨 것이 다.일반적인 환경에서 형상기억합금은 고온의 형상을 기억하고 있고,가열하자마 자 고온의 형상으로 회복됨과 동시에 저온의 형상을 잊어버리게 된다.그러나 저온 의 형상을 훈련에 의해 기억시킬 수 있다.이것은 고온상태에서 변형된 저온상태의 약간의 기억소자가 남아 있게 처리하는 것이다.TWSM 처리에는 다음과 같은 몇 가지 방법이 있다.

(1)마르텐사이트 상태에서의 과도한 변형에 의한 방법 (2)형상기억 싸이클링(냉각→변형→가열 반복)에 의한 방법 (3)의탄성 싸이클링(하중→제하 반복)에 의한 방법

(4)형상기억효과/의탄성의 조합에 의한 방법

(5)변형된 마르텐사이트의 구속가열 싸이클링에 의한 방법

Fig.2.5는 이방향 형상기억 처리 방법을 그림으로 나타낸 것이다.

(27)

F F

Fiiiggg...222...555...Illustration ofseveraldifferenttraining routinesthatcan beusedto produce two-way shape memory behavior;(a)over-deformation while in the low-temperature martensitic condition, (b) repetitive shape memory cycling involving, on each cycle: cooling to form martensite, deformation of that martensite,reheating to recover the high temperature shape,(c) repetitive pseudoelastic cycling,involving on each cycle:stress-induction ofmartensite from theparentphase,reversion on unloading,(d)so called "combined"shape memory-plus-pseudoelastic cycling,whereby on each cycle:martensite is first stress-inducedfrom theparentphase,thenthesampleisconstrainedandcooled below Mf, then allowed to revert freely upon reheating, (e) constrained temperature cycling of deformed martensite: cool to form martensite,then deform themartensitebelow Mf,thenconstrainandrepeatedlycyclefrom below MftoaboveAf41).

(28)

2 2 2. . .3 3 3. . .형 형 형상 상 상기 기 기억 억 억합 합 합금 금 금 엑 엑 엑츄 츄 츄에 에 에이 이 이터 터 터의 의 의 설 설 설계 계 계와 와 와 응 응 응용 용 용

열적 엑츄에이터는 열에너지를 구동력이나 변위와 같은 기계적 에너지로 바꿀 수 있는 장치이다.형상기억합금(SMA)엑츄에이터42,43)는 움직임이나 힘을 발생시 키는 형상기억효과를 이용하는 열적 엑츄에이터의 한 형태이다44).이방향 SMA 엑 츄에이터는 온도가 증가하거나 감소하면 양방향으로 회복하는 움직임을 나타낸다.

이방향 형상기억 특성은 바이어스(Bias)기술이나 다른 특별한 방법으로 얻을 수 있는데 바이어스 기술은 엑츄에이터를 설계하는데 있어 유연성이 있고,다양한 장 치에 가장 일반적으로 사용된다.다른 특별한 방법으로는 아주 미세한 움직임을 제 어하는 것으로 로보트나 아주 정밀한 움직임을 요구하는 엑츄에이터에 이용된다.

실제로 SMA 엑츄에이터는 동작 스트로크를 크게 하기 위해 코일 스프링의 형태로 사용되고 있다.

2 2

2...333...111형형형상상상기기기억억억합합합금금금 엑엑엑츄츄츄에에에이이이터터터의의의 특특특징징징

SMA 엑츄이이터를 설계하거나 응용할 때는 SMA 엑츄에이터와 바이메탈이나 왁스를 이용한 엑츄에이터와의 차이를 이해하는 것이 중요하다.바이메탈을 이용한 엑츄에이터는 다른 열팽창계수를 갖는 이종 금속판을 맞붙여서 만들어지고,이 엑 츄에이터가 가열되거나 냉각되면 금속판이 구부러진다.이러한 구부러짐은 캔틸레 버나 나선의 형태로 온도변화에 따라 선형으로 다양하게 움직일 수 있다.그러나 구부러짐의 크기는 작고,이때 발생된 힘의 크기 또한 매우 작다.그래서 구부러짐 의 크기는 벨레빌(Belleville)와셔나 평면 나선 스프링과 같은 형태로 제조함으로써 어느 정도는 향상 시킬 수 있으나 큰 스트로크나 많은 움직임을 요구하는 장치에 는 적합하지 못하다.

왁스를 이용하는 왁스 엑츄에이터는 큰 팽창계수를 가지고 있고 액체 ↔ 고체 상변화시 큰 팽창이나 수축을 동반한다.이러한 특징을 이용해서 왁스 엑츄에이터 는 일반적으로 자동차 냉각장치나 난방장치에 많이 응용되고 있다.왁스 엑츄에이 터의 움직임은 상변태 온도에서 갑작스럽게 발생하는데,이러한 거동은 다른 녹는

(29)

점을 갖는 왁스를 혼합해서 조절할 수 있다.왁스는 밀폐된 용기 안에 캡슐형태로 들어 있기 때문에 열전도성이 낮고,반응속도 또한 느리게 된다.그러므로 빠른 반 응속도를 요구하는 장치에 왁스 엑츄에이터를 응용하는 것은 한계가 있다.

SMA 엑츄에이터에서 발생된 힘은 형상기억 효과를 나타내는 합금에서 고체상태 에서 일어나는 상변태의 결과로서 치수 변화에 기인한 것이다.SMA 엑츄에이터는 특별히 따로 미끌림 가이드나 왁스 엑츄에이터와 같이 캡슐을 필요로 하지 않기 때문에 설계나 작동에 있어서 아주 간단하게 할 수 있다.더욱이 왁스 엑츄에이터 는 기본적으로 선형으로 움직이게 할 수 있게 해주는 가이드 장치가 필요하지만 SMA 엑츄에이터는 인장․압축이나 비틀림 그리고 선형 또는 회전을 설계할 수 있 고 정교하게 삼방향으로 움직이는 복잡한 장치에 응용 할 수 있다.인장할 때 간단 한 와이어나 로드를 이용해서는 얻을 수 없는 큰 움직임이나 힘이 요구되는 곳에 서는 코일 스프링의 형태로 만들면 큰 스트로크와 힘을 갖는 엑츄에이터를 제작할 수 있다.

SMA 엑츄에이터의 움직임은 엑츄에이터 자체의 상변화에 의한 것이기 때문에 다른 특별한 장치 없이 제작할 수 있다.Fig.2.6(a)와 (b)는 왁스 엑츄에이터와 thermostatic 엑츄에이터를 SMA 엑츄에이터와 온도에 따른 구부러짐을 비교 한 것이다.힘과 중량비로 비교하였을때 SMA 엑츄에이터가 단연 우수하고 힘과 움직 임의 크기를 비교하였을 때도 SMA 엑츄에이터가 가장 우수하다는 것을 보여준다.

SMA 엑츄에이터는 힘과 스트로크가 다른 두가지 엑츄에이터데 비해 크고,소형으 로 제작할 수 있다.게다가 반응속도 또한 다른 장치에 비해 훨씬 빠르다는 장점을 가지고 있다.Fig.2.7은 SMA 엑츄에이터의 무게/힘에 대한 특성을 다른 엑츄에 이터와 비교하였는데,특히 무게가 1g이하의 구역에서 SMA 엑츄에이터가 확실히 우수하다는 것을 보여준다.이처럼 형상기억합금의 마르텐사이트 변태에 수반하여 나타나는 회복력을 이용하는데 엑츄에이터를 이용하려면 Table2.3및 Table2.4 와 같은 장․단점들을 충분히 고려하여야 한다.

(30)

T T

Taaabbbllleee222...333...Advantageofshapememoryalloysasactuator

-Largestrokelength/weightratio -Largeforceoutputperunitweight

-Flexibilityifdesignofactuatormotiondirection -Rapidmotionataspecifiedtemperature

-Unsensitivetoawidevarietyofenvironmentalconditions -Canbedesignedtobeusedwherecleanlinessiscritical -Quietoperation

T T

Taaabbbllleee222...444...Drawbacksofshapememoryalloysasactuator

-Low energyefficiency

-Limitedbandwidthduetoheatingandcoolingrestrictions -Appropriateprocessingrequiredtolimitdegradationandfatigue

즉 형상기억합금은 이미 앞에서 언급하였듯이 큰 스트로크,무소음,무진동,고 출력/무게비 또는 무중력 상태 등에서 사용할 수 있는 장점들이 있는 반면에 낮은 에너지효율,가열․냉각의 제한에 따른 작은 bandwidth또는 성능열화가 일어나고 피로수명이 짧다는 단점들도 있기 때문에 형상기억소자 설계 시 이러한 인자들이 충분히 검토되어야 한다.

(31)

F F

Fiiiggg... 222... 666... Comparison of the characteristics of thermal actuators; (a) temperature deflection curves ofa thermostatalloy and a shape memory alloy (b)temperature .force/weightratio curves ofa wax actuatorand a shapememoryactuator45).

(32)

F F

Fiiiggg...222...777...Force output .weightcomparison between SMA actuators,wax actuators,thermostatmetalsandmagneticsolenoids;(1)Ti-Nistraightwires- L/d=wirelength/diameter(2)Ti-Nihelicalcoils-N =activecoils(3)Ti-Ni strips- bt= stripwidth/thickness(4)thermostatmetals(5)wax actuators(6) magneticsolenoids45).

(33)

2 2

2...333...222...형형형상상상기기기억억억합합합금금금 스스스프프프링링링의의의 설설설계계계

실용상 형상기억합금의 대부분은 엑츄에이터 용으로 이용되고 있으며 이러한 엑 츄에이터의 동작 스트로크를 크게 하고 큰 힘을 발생시키기 위해서는 직선상의 와 이어 보다는 인장 또는 압축형태의 나선형 코일 스프링의 형태가 더 적합하다46). 이러한 형상기억 코일스프링의 특성에 영향을 미치는 온도,하중 및 변형량의 관계 를 일반 코일스프링과 서로 비교하면 다음과 같은 특징들로 설명할 수 있다47).

(1)모상→마르텐사이트변태 또는 마르텐사이트→모상 변태시 온도에 대한 하중 의 변화를 플롯하면 일반 코일스프링에서는 볼 수 없는 히스테리시스(Hysteresis) 가 나타난다.

(2)일반 코일스프링에서는 온도변화에 의한 회복력이 아무런 변화가 없지만 형 상기억 코일스프링은 마르텐사이트변태시 급격히 감소하고 마르텐사이트에서 모상 으로 역변태시 급격히 증가한다.

(3)마르텐사이트의 형제정(Variants)의 재배열 또는 모상에서의 변형 유기 마르 텐사이트변태시 하중과 변형량의 관계는 비선형적인데 비해 일반 코일스프링은 선 형적인 관계를 나타낸다.

형상기억합금을 엑츄에이터로 이용하기 위해서는 형상기억 코일스프링에 가하는 시험온도,형상기억 코일스프링에 걸리는 시험하중,무부하 상태에서 코일 스프링 에 가하는 시험온도 또는 하중이 걸린 상태에서 변형된 변위 등과 같은 여러 인자 들을 정량적으로 계산하여야 한다.그러나 이들의 관계를 정량화하는데는 많은 제 약을 받기 때문에 횡탄성계수,전단응력,전단변형 및 변태온도 등과 같은 몇 가지 인자들만을 고려하게 된다.

형상기억합금 코일스프링의 정온 하중시험법에 따른 횡탄성계수(G)와 전단응력 (τ)및 전단변형(γ)의 계산식은 식(2.1),(2.2)및 (2.3)과 같으며 계산식에 사 용되는 기호는 Table2.5과 같다48).

(34)

δ (2.1)

τ π (2.2)

γ δ

π (2.3)

실질적인 응용에서 형상기억 코일스프링을 사용할 때 회복되는 변형량 뿐만 아 니라 변태온도와 응력의 변화를 측정하는 것은 온도에 따라 형상이 변화하는 형상 기억합금의 특성상 매우 중요하다.즉 하중의 변화에 따른 각 코일스프링에 가해지 는 응력의 변화와 회복변위가 발생하는 온도의 변화를 측정한다.여기서 코일스프 링에 작용하는 전단응력과 전단변형의 중요성이 거론되는 것은 마르텐사이트 상태 에서 응력을 주면 24개의 마르텐사이트 형제정간의 계면이 이동하여 변형49)이 일어 나고 다시 가열하면 원래의 형상으로 돌아가게 되는데 이는 코일스프링 형태일 때 도 변위는 스프링의 길이변화로부터 구하지만 이 변위는 실제로 와이어의 전단변 형에 의해 생기기 때문이다.

(35)

T T

Taaabbbllleee222...555...Calculating equation on method offixed temperatureload testfor coilspringofshapememoryalloys48)

Symbol Terms Unit

d diameter of wire ㎜

D mean dia. of spring = ㎜

Na active turns -

C spring index = -

P applied force N

δ deflection of spring ㎜

G shear modulus N/㎟

τo shear stress N/㎟

γo shear strain %

(36)

또한 응력과 변태온도의 관계를 규명하는 것은 코일스프링의 형상이 변화하는 온도를 예측할 수 있는 좋은 수단이 될 것이고 실제 형상기억 코일스프링의 응 용․설계46)에 이용할 수 있다.이에 따른 변태온도와 응력의 변화는 식(2.4)과 같 이 Clausius-Clapeyron관계식50)에 따른다.

σ Δ ε (2.4)

여기서 Δ :변태잠열 T :변태온도

σ :변태유기응력

ε :응력유기변태에 의해 얻어지는 변형량 (변태변형율)

마르텐사이트 변태는 전단변태이므로 Ms온도는 응력의 영향을 민감하게 받아 모 상에 응력을 가한 상태에서 냉각시키면 Ms이상에서 직선상으로 증가한다.그러나 마르텐사이트 상태에서 응력을 가할 때 역변태 온도의 영향은 일정하지 않다.아울 러 모상이나 마르텐사이트 상태에서 약간의 스트레인을 준 후 하중이 걸리지 않은 상태에서의 변태온도를 측정해도 그 온도는 달라진다.

Fig.2.8(a)는 시험온도와 하중에 따른 변형량의 변화에 대한 모식도이다47).여기 서 A는 무하중시 스프링 한 끝의 초기 위치이고,M은 Mf이하의 온도에서 하중을 가할 경우의 스프링 길이로 A와 M사이의 변위는 δ1이 된다.마르텐사이트 상태에 서 모상으로의 역변태가 완료되는 Af이상의 온도로 가열하게 되면 Fig.2.8(b)에서 보는 바와 같이 회복변위(h)가 생기며 모상 상태가 되고 스프링 한 끝이 P위치에 오게 된다.즉 회복변위 h는 일정하중 하에서 열싸이클에 따른 가열과 냉각을 반복 함으로써 구할 수 있다47).여기서 δ2는 Af이상의 온도에서 일정하중을 가할 때의 스프링 변위이다.

(37)

(a)

(b)

F F

Fiiiggg... 222... 888... Schematic diagram for displacement measurement(a) and temperature-displacementcurve(b)47).

(38)

2 2

2...333...333...형형형상상상회회회복복복변변변위위위 및및및 회회회복복복능능능

형상기억효과는 일정 하중 하에서의 마르텐사이트 상태에서 변형된 량이 Af이 상의 온도로 가열하였을 때 초기에 부여한 스트레인의 량을 얼마나 회복할 수 있 는가가 형상회복변위의 지표가 된다.여기서 회복능은 일정하중과 온도에서 부여한 스트레인 량에 대한 회복된 스트레인 량의 비이고,회복변위이란 회복된 스트레인 량을 말한다.이 형상회복능은 형상기억합금의 본질적인 특성을 나타내는 것으로 합금의 종류나 합금조성,열처리 방법과 열처리온도와 같은 제조공정 및 형상기억 합금의 형상에 따라서도 달라진다.

형상회복능은 일정하중과 온도에 따라 회복되는 변위를 구하고 이에 따른 가열과 냉각을 반복하면서 Fig.2.8(b)에 나타낸 h의 변화를 측정하여 구한다.

즉 형상 회복능은 Af온도 이상의 일정온도로 가열하여 형상이 회복될 때 그 때 의 회복변위를 측정하여 식(2.5)과 같이 초기 변위에 대한 비로 그 값을 구할 수 있다.

형상회복능 회복변위

초기변위 × (2.5)

(39)

2 2

2...333...444...형형형상상상기기기억억억합합합금금금 엑엑엑츄츄츄에에에이이이터터터의의의 응응응용용용

왁스 엑츄에이터나 바이메탈을 이용한 엑츄에이터 뿐 아니라 전자기 솔레노이드, 유공학 장치 또는 온도를 감지하고 반응하여 엑츄에이터의 기능을 갖는 전기 모터 와 같은 전형적인 엑츄에이터에서도 SMA 엑츄에이터와 같은 특별한 특징을 발견 할 수 없다.SMA 엑츄에이터는 훨씬 큰 힘과 스트로크를 가지고 있다.

SMA 엑츄에이터는 온도를 감지하는 방법이나 가열 방식에 따라 2가지 형태로 구별되는데,첫 번째 형태는 감지 온도와 적정온도에서 상변태가 일어나서 정확한 미과 변위를 갖는 것이 그것이고,두 번째는 유체,공기 또는 전기의 흐름에 의해 가열되어 작동하는 형태이다.다음은 SMA를 온도감지 방법이나 가열방식에 따라 엑츄에이터의 응용 방법을 정리한 것이다.

T T

Taaabbbllleee222...666...IndustrialapplicationsofSMA actuator

(1)ApplicationwheretheSMA actuatorisboth sensorandactuator -Thermalprotectiondeviceforadomesticwaterfiltrationunit -Steam trapforpassengertrainsteam heatingsystem

-Thermallyactuatedelectricswitchfordieselengineradiatorfan -Thermostaticmixingvalve

-Airflow controlforanairconditioner

(2)ApplicationaselectricallyheatedSMA actuator -Airdamperforamulti-functionelectricoven -SMA operatedfoglampprotectivelower -roboticcrabwithsixlegs

-SMA ribbonactuatorsforrobotichands (3)ApplicationofSMA inmicroactuator

-Mollusk-typemanipulatorfortransplantingsaplings -Miniaturecleangripper

(40)

형상기억합금을 실질적으로 응용하는데 있어서 그 주된 특성은 이방향 형상기억 효과 및 초탄성효과 그리고 저온인 마르텐사이트 상태에서는 항복응력이 낮고,모 상인 고온에서 응력이 큰 성질을 이용하여 일반 코일스프링과 결합한 일방향 형상 기억효과를 이용한 제품들이 활발히 연구․개발되어 상품화가 이루어지고 있다.형 상기억효과를 이용한 응용제품 을 Table2.6에 나타내었는데 이는 형상기억효과보 다 뒤늦게 발견된 특성임에도 불구하고 그 응용범위가 매우 광범위함을 알 수 있 다.주로 Ni-Ti계 형상기억합금에서 나타나는 이러한 특성을 응용한 치열교정용 선재는 특성이 기존의 스테인레스강 등의 치열교정용 선재보다 우수하여 그 수요 가 급속히 증가하고 있는 추세이다.또한 변태온도가 낮고(150℃이하)가격면에서 장애가 됨에도 Cu계 합금과 비교해 볼 때 우선되는 합금이며 의료용 기구에도 응 용되고 있다.

지금까지 활발하게 연구가 진행 중인 분야51)로는 생체재료로서 적합하고 양호한 특성을 얻기 위해 V,Al을 첨가시켜 Ni함량이 적은 β-Ti합금,너무 취약하여 아직 까지는 응용에 제한을 받고 있으나 역변태 온도가 300℃이상인 B2형 Zr계 금속간 화합물(Intermetalliccompound)과 같은 신합금 재료 및 안정되고 신뢰할 수 있는 높은 변태온도와 강도,연성을 지닌 합금 등과 같은 재료들이 그 부류를 이루고 있 다.특히 높은 변태온도를 갖는 합금들의 개발이 절실히 요구되고 있으나 이는 마 르텐사이트의 안정화,모상과 마르텐사이트상의 화합물,취성 및 가격 등과 같은 문제점으로 인해 현재까지는 개발의 돌파구를 찾지 못하고 있는 실정이다.

참조

관련 문서

또한 추후 환경영향평가 시 주민설명회를 개최토록 하겠으 며 운영시 발생하는 주민민원에 대 하여도

인천시청 홈페이지.

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