재료과학의 세계

목차

1. 재료의 분류

2. 재료의 내부 구조

3. 재료의 미세구조 형성

4. 재료의 특성

본문내용

자구조를 가지는 석출
물을 생성하여 전위가 통과하지 못하게 함. 그림 58
(3) 분산강화(Dispersion strengthening) : Al2O3, MgO, TiO2와 같은 강한 산화물을 분산시키거나 자체
산화에 의한 분산을 통해 전위의 이동을 방해
(4) 가공경화(Strain hardening) : 가공에 의해 전위의 수를 증가시켜 전위간의 상호작용에 의해 전위들
이 잘 움직이지 못하도록 함.
(5) 결정립계에 의한 강화
* 결정립계는 전위의 이동에 대한 장애물로서 작용, 그림 39
* 결정립의 크기가 작을수록 전위이동에 대한 방해면이 증가하여 강도가 증가
2) 세라믹스(Ceramics) : 특별한 경우를 제외하고는 양이온과 음이온으로 구성됨
- 세라믹 재료는 소성변형이 거의 없다 : 전위에 의한 변형이 어려움
* 다른이온간의 강한 결합력(그림 59)
* 같은 이온끼리의 강한 반발력
* 슬립이 가능한 시스템의 부족
- 충격을 받으면 깨지기 쉽다 : 흠에 의한 응력의 집중
* 흠에 대한 응력은 흠의 길이에 비례하고 곡률에는 반비례(그림 61)
* 금속의 경우 소성변형이 일어나 흠의 부분이 무뎌져 곡률이 증가하여 응력은 감소
* 세라믹 재료의 경우 소성변형이 없어 흠의 끝이 매우예리하여 곡률이 작음 ---->
응력의 크기가 매우커서 균열의 전파가 쉬움, 즉 깨지기 쉬운재료
- 세라믹 재료의 강도향상을 위해 결함을 최대한 억제시키는 것이 매우 중요
나. 전자적 특성(Electronic properties)
- 전기적 특성(electrical properties) : 전기전도도
- 자기적 특성(magnetic properties) : 자석의 성질
- 광학적 특성(optical properties) : 빛의 흡수, 투과, 굴절, 반사
- 에너지밴드(Energy band) :
* 전자는 입자와 파동의 성질을 동시에 가지기 때문에 재료내에서 파장과 양자상태에 따라 불연속적인
에너지 상태 결정
* 재료내의 전자의 수는 무수히 많기 때문에 불연속적인 에너지 상태가 연속적인 띠처럼 보이는데
이를 에너지 밴드라 함 ----> 에너지밴드를 이용 전기적 특성을 설명
1) 전기적 특성
- 에너지밴드 : 전도밴드, 금지된밴드, 원자가밴드, 그림 62
* 도체(Conductor) : 그림 63(a), 원자가밴드가 완전히 채워있지 않으면 전기장이 걸렸을 때 전자들의
이동이 가능 ----. 전류가 흐름
* 반도체(semiconductor) : 그림 62(b) 원자가 밴드가 전자들로 가득 채워져 있고 바로 위에 금지된 밴
드가 있어서 전자들이 이동할 수 없음, 그러나 전자가 금지된 밴드를 넘을수 있는 에너지를 받으면
전자의 이동이 가능
* 부도체(insulator) : 그림 62(c)와 같이 금지된 밴드가 큰 경우(5eV 이상) 전자들이 이동할 수 없음
- 공극, 전위, 결정립계와 같은 결함이나 불순물은 전자를 산란시켜 전기전도도를 저하시킴
- 반도체에서는 될 수 있는한 결함이 없는 단결정의 제조 및 불순물의 제어가 중요함.
2) 자기적 특성
- 재료의 자기의 형태는 유도자기와 자발자기로 나눔
가) 유도자기(Induced magnetism) : 자성을 띠지 않던 재료가 외부에서 자장을 걸어주면 자기가 유도되
어 자성을 띠는 성질.
- 유도자기의 종류 반자성과 상자성
* 반자성 : 외부에서 걸어준 자장의 방향과 반대로 자장이 형성
- 렌쯔의 법칙 : 외부에서 자장이 가해지면 그 자기장을 상쇄시키려는 방향으로 유도전류가 형성
(그림 64).
- 유도전류에 의해 형성된 유도 자장은 반대방향으로 작용
- 따라서 모든 재료는 반자성의 특징을 본질적으로 가짐
* 상자성 : 외부에서 걸어준 자장의 방향과 같은 방향으로 자장이 형성.
- 전자의 스핀(spin) : 전자가 자신을 축으로 자전하는 현상(그림 65)
- 전자의 스핀에 의해 자장이 형성됨.
- 일반적으로 전자가 쌍으로 이루워져 있으면 스핀 방향이 다르기 때문에 유도자장은 상쇄됨.
- 따라서 상자성을 보이기 위해서는 짝을 이루지 못한 궤도가 존재해야 함.
나) 자발자기(Spontaneous magnetism)
- 자기의 방향이 무질서하게 되려는 경향과 방향이 일정하게 배열하려는 전자적 상호작용이 존재
- 상호작용력이 무질서의 경향보다 우세하면 외부에서 자장을 가해주지 않아도 자성을 갖는데 이를 자
발자기라 함.
3) 광학적 특성(Optical properties)
- 재료의 광학적 현상은 재료내의 전자들과 전자기파와의 상호작용에서 일어남.
- 한 개의 원자는 원자핵과 궤도를 도는 전자로 구성됨.
- 궤도를 도는 전자들은 에너지 준위가 다르기 때문에 다른 궤도로 전이하기 위해서는 에너지를 흡수하
거나 방출해야함(그림 72)
- 이때 원소마다 흡수하거나 방출하는 빛의 파장(전자기파)이 달라져 고유한 특성을 나타냄.
- 재료의 경우에는 무수히 많은 전자들로 구성되기 때문에 에너지 밴드로 설명
가) 금속의 광학적 특성 : 빛을 통과시키지 않고 흡수나 반사시킴
- 흡수 : 금속의 자유전자들이 에너지를 받으면 들뜬상태로 전이하고 격자이온들과 충돌하여 격자진
동으로 에너지를 흡수(그림 73)
- 반사 : 들뜬전자들이 격자와 충돌하지 않으면 다시 낮은 에너지 상태로 전이하면서 빛을 방출
나) 이온결합/공유결합 물질의 광학적 특성
- 이온결합/공유결합 물질의 에너지 밴드구조는 그림 74와 같이 금지된 에너지 밴드가 넓음.
- 전자들이 이 장벽을 넘지 못하면 빛이 흡수되지 않고 투과하게 됨, 예) 유리
- 따라서 금지된 밴드가 높은 경우는 에너지가 낮은 장파(가시광선)에서는 투명하지만 단파(자외선)에서
는 빛을 강하게 흡수.
- 금지된 밴드의 간격보다 낮은 에너지의 입사광에서도 흡수 발생
* 입사파의 진동수가 구성이온의 진동수와 같을 때
* 물질내부에 결함이 존재(그림 75)
* 물질내에 불순물이 존재(그림 76)
예) Al2O3 단결정은 무색 투명, Fe 첨가하면 푸른색(루비), Cr 첨가하면 붉은색(사파이어)
** 물질의 광학적 특성은 전자와 전자기파간의 상호작용에 의해 일어나지만 재료의 미세구조에 의해서
도 많은 영향을 받음 : 결함, 계면, 결정화등

키워드

원자결합,   전위,   신소재,   고용체강화,   합금,   강화