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태은 채
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1 Vol. 28, No. 4, (2015) DOI: ISSN (Print), ISSN (Online) General Paper CNT 강화알루미늄나노복합재의자동차용부품적용성연구 민병호 * 남동훈 * 박훈모 * 이경문 * 이종국 * A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts Byung Ho Min*, Dong Hoon Nam*, Hoon Mo Park*, Kyung Moon Lee*, Jong Kook Lee* ABSTRACT: Various characteristics(thermal expansion, microstructure, etc.) and mechanical properties of CNTaluminum nano composites manufactured by volume production system were evaluated. Also, formability and durability were evaluated for potential applications in automotive parts, via compared with high-elasticity material (A390) and the current commercial product. As a result, this composite has excellent mechanical properties and formability, therefore, to verity its potential for application as light and high strength materials in automobile part. 초록 : CNT(carbon nanotubes) 강화알루미늄나노복합재는우수한기계적특성으로자동차용차세대경량재료로주목을받고있으나소재제조과정에있어 CNT의균일분산확보가어렵고대량제조공정확립이어려워자동차부품으로의적용이어렵다. 그러나점차 CNT 생산이대량화되고있고복합재로서의특성이개선되고있다. 따라서본연구는 CNT강화알루미늄나노복합재의현수준을확인하고자동차부품관점에서의적용가능성을검토하고자하였다. 평가에사용된소재는 20L급 High energy milling기에서알루미늄분말과 CNT를혼합한후, 소결및압출하여봉상 (ø80) 으로제조되었다. 소재관점에서기계적특성및열적특성을분석하였으며, 부품적용성관점에서는현재자동차부품에사용되는소재와그소재가사용되는각부품의주요요구특성을상대비교하였다. 고강성과성형성이요구되는부품에사용되는상용소재 (A390) 및 SiC/Al 복합재와성형성비교평가를진행하였으며, 탄성계수를측정하였다. 피로내구및경량화가요구되는메인베어링캡양산소재와의내구성비교평가를실시하였다. 또한고온안정성이요구되는피스톤용내열소재와열팽창계수및열화에따른강도저하를비교평가하였다. 구배가큰금형을설계하여단조가공후, 성형성 ( 외관 crack 및성형압측정 ) 을비교하였으며, 내구성평가를위해실제부품인 H 社소형엔진블록의메인베어링캡을적용하여일축단품피로시험을진행하였다. 이를통해우수한소재특성을확인하였고, 자동차구조용부품으로적용이가능함을확인하였다. Key Words: 알루미늄 (Aluminum), 카본나노튜브 (Carbon-nanotubes), 자동차부품 (Automobile parts) 1. 서론 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT) 는기계적, 전기적그리고열적특성이매우우수하며, 이로인해나노복합재료제조분야에서기존의강화제를대체할수있는혁신적 인물질로여겨지고있다 [1-5]. 기계적인특성으로는철보다강하며, 알루미늄보다가볍다. 이론적으로또는실험적으로판명된단일벽탄소나노튜브 (single-wall carbon nanotube, SWNT) 는매우높은인장탄성율 (640 GPa to 1TPa) 과인장강도 (150~180 GPa) 를가진다. 이러한특징으 Received 7 July 2015, received in revised form 27 August 2015, accepted 27 August 2015 * Affiliation Hyundai.Motor Company * Affiliation Hyundai.Motor Company, Corresponding author ( mbh8994@hyundai.com)

A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts 227 로인해 CNT강화알루미늄나노복합재또한우수한기계적특성으로자동차용차세대경량재료로주목을받고있다 [6-10]. 그러나소재제조과정에있어 CNT의균일분산확보가어려우며대량제조공정확립이어려워자동차부품으로의적용이요원하다.

고강성이요구되는부품에사용되는고탄성상용소재 (A390) 및 SiC/Al 복합재와성형성비교평가를진행하였으며, 피로내구및경량화가요구되는현메인베어링캡양산소재와의내구성비교평가를실시하였다. 또한고온안정성이요구되는피스톤용내열소재와열팽창계수및열화에따른강도저하를비교평가하여실제자동차용부품으로의적용가능성을검증하고자하였다. Fig. 3.

기계적합금화는고에너지밀링법 (high energy ball mill, HEM) 이사용되며, 이것은볼, CNT, 알루미늄분말을혼합하고운동에너지를가해분말입자상호간의충돌, 분쇄과정을반복하게함으로서나노복합분말제조하는방법이다 [11].

2 A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts 227 로인해 CNT강화알루미늄나노복합재또한우수한기계적특성으로자동차용차세대경량재료로주목을받고있다 [6-10]. 그러나소재제조과정에있어 CNT의균일분산확보가어려우며대량제조공정확립이어려워자동차부품으로의적용이요원하다. 본연구는 CNT강화알루미늄나노복합재개발에따른자동차부품관점에서의적용가능성을검토하였다. 소재관점에서기계적특성및열적특성을분석하였으며부품관점에서는현재자동차부품에사용되는소재와그소재가사용되는각부품의요구특성을상대비교하였다. 고강성이요구되는부품에사용되는고탄성상용소재 (A390) 및 SiC/Al 복합재와성형성비교평가를진행하였으며, 피로내구및경량화가요구되는현메인베어링캡양산소재와의내구성비교평가를실시하였다. 또한고온안정성이요구되는피스톤용내열소재와열팽창계수및열화에따른강도저하를비교평가하여실제자동차용부품으로의적용가능성을검증하고자하였다. Fig. 3. Effects of CNTs content on relative tensile stress of composites 2. 실험방법 기계적합금화를통해나노복합분말을제조한후그것을다시 2차공정 ( 소결, 압출 ) 을진행하는방식이현재가장많이사용되고있는 CNT 복합재제조방법이다. 기계적합금화는고에너지밀링법 (high energy ball mill, HEM) 이사용되며, 이것은볼, CNT, 알루미늄분말을혼합하고운동에너지를가해분말입자상호간의충돌, 분쇄과정을반복하게함으로서나노복합분말제조하는방법이다 [11]. 본연구에사용된소재는 50L급 high energy milling기에서알루미늄합금 (Al 5083) 분말과 CNT를혼합하여나노복합분말을제조하고, 소결후압출하여봉상 (ø80) 으로제조되었다. Fig. 1. Principle of ball milling Fig. 2. Manufacturing process of the composite Fig. 4. Resonant ultrasound spectroscopy, RUS Fig. 3과같이 CNT 함량증가에따른복합재강도를평가하였다. 함량증가에따라강도가증가하나 2wt.% 이상첨가시오히려강도가감소함을확인할수있었다. 이는일정부피이상의 CNT가첨가되었을때균일분산이어려워오히려물성저하를야기시키는원인으로작용하였다고판단하였다. 따라서본연구에서는 CNT 첨가량의최적조건을 2wt.%( 약 4vol.%) 로하여추가소재분석및부품적용성평가를진행하였다. 특히복합재의탄성계수를측정하기위해 Fig. 4에나타낸초음파공명분광법장비 (resonant ultrasound spectroscopy, Magnaflux 社 ) 를이용하여탄성측정을실시하였다. 이방법은금속의공진주파수를측정하여탄성계수, 전단계수, 체적탄성율, 프와송비와같은탄성물성치를계산할수있어금속이나금속복합재의평가에적합하다. 복합재의성형성을평가하기위해구배가큰금형을설계하여단조가공후, 고탄성상용합금 (A390 17%, 19% Si 첨가 ) 및 SiC 금속복합재와외관 crack 및성형압을비교하였으며, 고온인장시험을통해신율을비교하였다. 단조조건은 19% Si이첨가된기존라이너소재의압출비 (2.7) 대비가혹한조건 (3.77) 에서실시하였으며성형온도는 300, 350, 400 o C에서진행하였다. 내구성평가를위해자기공명피로시험기 (Rumul 社 ) 를활용한단품피로시험을실시하였다. 부품으로는 H사소형엔진 (1.2 l) 의메인베어링캡으로선정하여단조가공하

228 Byung Ho Min, Dong Hoon Nam, Hoon Mo Park, Kyung Moon Lee, Jong Kook Lee Fig. 5. Main bearing cap shapes after forging Fig. 7. Raman peak graph of the composite Fig. 6.

메인베어링캡과엔진블록체결시디지털토크렌치를이용하여실제소성볼트의체결조건을적용하여 2KN, 90도각조임을실시하였다. 본평가의목적은부품상태에서현재사용중인소재와의내구도상대평가에있다. 따라서오일조건은구현이어려워건식조건에서진행하였다. 3. 결과및고찰 3.

라만분광분석을통해얻어지는다중벽탄소나노튜브 (multi wall nanotube, MWNT) 의주요한피크들은전형적인흑연면 (graphite sheet) 의특성에의해나타나는 1590 cm -1 부근의 G-밴드피크와결함을가진흑연막이나비정질탄소입자로여겨지는 1350 cm -1 부근의 D-밴드피크이다. 본소 Fig. 8.

3 228 Byung Ho Min, Dong Hoon Nam, Hoon Mo Park, Kyung Moon Lee, Jong Kook Lee Fig. 5. Main bearing cap shapes after forging Fig. 7. Raman peak graph of the composite Fig. 6. Fatigue test equipment 였다. 현재양산소재인 steel 소결재와 CNT 강화알루미늄복합재단조가공부품의비교결과 Fig. 5와같이복합재의외관 crack 및미성형부분은보이지않아부품형상구현에문제가없음을확인하였다. 단품피로시험은시편용장비를 Fig. 6와같이부품용으로개조하여평가하였다. 메인베어링캡과엔진블록체결시디지털토크렌치를이용하여실제소성볼트의체결조건을적용하여 2KN, 90도각조임을실시하였다. 본평가의목적은부품상태에서현재사용중인소재와의내구도상대평가에있다. 따라서오일조건은구현이어려워건식조건에서진행하였다. 3. 결과및고찰 3.1 미세구조및성분분석제조된복합재내의 CNT 존재유무확인및형상확인을위해 Raman 분석및 TEM 분석을실시하였다. 또한 CNT 첨가량확인을위해 C/S분석 (carbon/sulfur determination) 을실시하였다. 라만분광분석을통해얻어지는다중벽탄소나노튜브 (multi wall nanotube, MWNT) 의주요한피크들은전형적인흑연면 (graphite sheet) 의특성에의해나타나는 1590 cm -1 부근의 G-밴드피크와결함을가진흑연막이나비정질탄소입자로여겨지는 1350 cm -1 부근의 D-밴드피크이다. 본소 Fig. 8. TEM images of the composite 재도 Fig. 7 그래프에서보여지듯이 D, G밴드를통해 MWNT 가분산되어있음을확인할수있다 [12]. 또한 Fig. 8의 TEM image를통해서알루미늄기지내에 CNT가분산되어있음을확인할수있다. 또한 image상에서 CNT와알루미늄기지사이의계면에결함이보이지않는것으로보아매우단단한기계적결합을이루고있다고판단된다. C/S분석은 ø80의봉상압출재의수직방향으로절단한단면의 12개부분에서측정하였다. 복합재내존재하는 CNT 는약 1.7 wt% 로첨가량 2wt% 대비 85% 수준이다. 또한현재복합재내의분산된강화상의분산도를측정하는표준

A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts 229 Fig. 9. Carbon/sulfur determination 216% 증가, 연신율 66% 감소됨을확인하였다. 기지합금은 100 µm 크기의 Al 5083 분말을동일조건에서압출하여제조하였다.

4 A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts 229 Fig. 9. Carbon/sulfur determination 216% 증가, 연신율 66% 감소됨을확인하였다. 기지합금은 100 µm 크기의 Al 5083 분말을동일조건에서압출하여제조하였다. 약 3~4 vol% 가첨가된것을고려할때 CNT에의한강도향상효과가매우크다는것을알수있다. 균일분산공정이확보되고 CNT 첨가량을증가시킨다면그한계가존재하더라도보다더높은강도를확보할수있을것으로판단된다. 복합재의탄성계수를측정하기위해에나타낸초음파공명분광법 (Resonant Ultrasound Spectroscopy) 장비를이용하였다. 계산된공진주파수와 RUS의측정공진주파수의오차율을최소화하여정확한탄성계수를측정하였다. 측정된 stiffnesses로부터공학적탄성계수인 Youngs modulus를측정하였다. 측정결과, 78 GPa로 CNT 첨가에의해기지 (71 GPa) 대비 9.8% 상승하였다. 탄성계수는자동차용부품의강성과 NVH요구특성에매우중요한물성으로 CNT의높은탄성계수를활용하여고탄성소재의제조가능성을 Table 2. High temperature tensile test Fig. 10. Stress-strain curve of the composite 방법이없는현재, 각측정부위의탄소함량의비교를통해거시적인분산도를확인할수있다. 탄소함량차이의편차가 0.5~0.04로서본연구에서사용된복합재는 70% 이상양호하게분산된것으로판단된다 (Fig. 9). 3.2 물성평가 CNT분산에의한소재특성향상효과를확인하고자동차구조용재료로서의가능성을판단하기위해인장시험을통한기계적물성을평가하였다. 인장시험편은 ASTM E8 의봉상시편으로가공하여실시하였다. 그결과기지합금 (Al 5083) 대비인장강도 80%, 항복강도 Al-CNT Al-30%SiC A390-19%Si Temperature ( o C) Tensile strength Elongation (%) Table 1. Mechanical properties of matrix and composite Al 5083 (matrix) Al wt% CNT (composite) Hardness (Hv) Yield strength Tensile strength Elongation (%) % 216% 80% 66% Fig. 11. Formability evaluation

230 Byung Ho Min, Dong Hoon Nam, Hoon Mo Park, Kyung Moon Lee, Jong Kook Lee 확인하였다. 3.3 부품성형성평가고온인장시험결과 (Table 2), CNT 복합재의고온신율이타소재대비매우우수하였으며이를통해고온성형공정에서도유리할것으로판단하였다. 단조성형결과 (Fig.

5 230 Byung Ho Min, Dong Hoon Nam, Hoon Mo Park, Kyung Moon Lee, Jong Kook Lee 확인하였다. 3.3 부품성형성평가고온인장시험결과 (Table 2), CNT 복합재의고온신율이타소재대비매우우수하였으며이를통해고온성형공정에서도유리할것으로판단하였다. 단조성형결과 (Fig. 11), 복합재단조품의외관부 crack 이전혀없었으며성형시필요한압력또한현양산소재및 SiC복합재대비가장낮았다. 특히양산적용온도인 400 o C 에서는성형압이 17% 감소하였다. 3.4 고온구동부품요구특성평가 CNT 첨가에의한열팽창계수변화를 dilatometer 를이용하여측정하였다. 온도구간은엔진피스톤구동온도 (350 o C) 를고려하여 30~450 o C 에서실시하였으며기지소재 (Al 5083) 와비교평가하였다. Fig. 12 의그래프에서확인할수있듯이복합재의열팽창 계수가기지합금보다낮아졌음을확인할수있다. 특히저온 (30~150 o C) 6.3%, 고온 (200~450 o C) 9.2% 의감소효과를볼때고온구간에서더욱안정적인거동을보임을확인할수있다. 이는고온부품적용시치수안정성을확보할수있는장점이있다. 추가로고온노출에의한열화평가를실시하였다. 200, 350 o C에서 300시간노출시킨후공냉하여상온인장시험을실시하였으며현재고내열성피스톤소재로사용중인 DM106(Al-12Si-Cu-Ni계 ) 소재와비교하였다. Table 3과같이상용소재는강도가 25% 감소한반면복합재의강도는거의변화가없음을확인할수있다. 각소재의초기강도차이가존재하나복합재의경우열화에의한강도저하가거의없거나오히려상온인장강도보다일부상승한결과를확인할수있었으며, 이를통해고온에장시간노출되는부품의적용이가능함을확인할수있다. 강도상승의원인은열처리에의한 matrix의변화에기인한것이라고판단되지만, 향후정확한상세분석을통해추가확인이필요할것이다. 3.5 내구성평가피로시험의하중조건은 κ엔진 (1.2 l) 실린더블록하부구조해석결과를참고하여설정하였다. 해석결과와동일한최대하중분포위치 (Fig. 13) 에서파단이일어난것을확 Fig. 12. The coefficient of thermal expansion of composite Table 3. Material degradation of high-temperature Al-CNT DM106 Temperature ( o C) Tensile Strength Elongation (%) 200 o C o C o C o C Fig. 13. Location of Fatigue Fracture Table 4. Fatigue durability evaluation CNT/Al composite Commercial material Safety fator Load P max (KN) P mean Cycle 4,493,960 6,894, ,207 5,015,310 Result Failure Failure Pass Pass Pass Failure Failure

6 A Study on the Applicability of CNT/Aluminum Nanocomposites to Automotive Parts 231 인하였다. 수직방향의최대베어링하중이 18.1 KN ( 안전율 1.0) 인조건을기준으로하여하중증가에따른피로강도를측정하였다. 그결과 10 7 cycle 기준으로복합재의경우최대안전율이 2.4 이상으로양산소재대비피로내구한계우위에있음을확인하였다 (Table 4). 4. 요약 본연구에서는 CNT강화알루미늄나노복합재의자동차부품적용가능성을검토하였다. 평가에사용된소재는 20L 급 High energy milling기에서알루미늄 (Al 5083) 분말과 CNT를혼합한후, 소결및압출하여봉상 (ø80) 으로제조되었다. 소재관점에서복합재의미세구조및 CNT 구조를확인하였으며기계적물성및탄성계수를평가하였다. 또한부품관점에서성형성및고온구동부품의요구특성에따른열팽창계수를평가하였고내열성및내구성시험을진행하였다. 그결과는아래와같다. 1. 기계적합금화방법 (HEM) 을통해제조된 CNT강화알루미늄나노복합재의기지내에분산된 CNT구조와계면관측결과단단한결합을이루고있음을확인하였다. 2. 소재평가결과, CNT분산에의해기지합금대비인장강도 80%, 항복강도 216% 상승함을확인했고, 탄성계수또한 9.8% 상승하였음을확인하였다. 3. 구배가큰형상을설계하여양산온도조건 (400 o C) 에서단조성형하여성형성을평가한결과, 외관부 crack이없으며성형시필요한압력또한현양산소재 (A390) 대비낮아우수한성형성을확인할수있었다. 4. 고온부품으로의적용가능성을위한열팽창계수및내열성을평가하였다. 열팽창계수는고온 (200~450 o C) 구간에서 9.2% 의감소되고, 고온노출에의한강도감소가거의없음을확인하였다. 5. 실제자동차부품인 H 社소형엔진의메인베어링캡을선정하여단조가공후내구성평가를진행하였다. 가공후외관상 Crack 및결함이없음을확인하였으며, 주응력분포지점에서의파단을확인하였으며현양산소재 (steel 소결재 ) 대비피로한계우위에있음을확인하였다. CNT강화알루미늄나노복합재는우수한기계적특성을보이며부품의고온요구특성에서도현재양산소재대비동등이상의특성을보이는것을확인하였다. 추후균일분산및대량생산공정이보완되고 CNT소재및공정비용이감소된다면고탄성, 고강도경량재료로자동차부품에적용가능할것으로판단된다. REFERENCES 1. Wong, E.W., Sheehan, P.E., and Lieber, C.M., Nanobeam Mechanics: Elasticity, Strength, and Toughness of Nanorods and Nanotubes, Science, Vol. 277, 1997, pp Falvo, M.R., Clary, G.J., Taylor, II, R.M., Chi, V., Brooks, Jr, F.P., Washburn, S., and Superfine, R., Bending and Buckling of Carbon Nanotubes under Large Strain, Nature, Vol. 389, 1997, pp Yu, M.F., Files, B.S., Arepalli, S., and Ruoff, S., Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties, Physical Review Letters, Vol. 84, 2000, pp Yu, M.F., Lourie, O., Dyer, M.J., Moloni, K., Kelly, T.F., and Ruoff, R.S., Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties, Science, Vol. 287, 2000, pp Salvetat, J.P., Kulik, A.J., Bonard, J.M., Briggs, G.A.D., Stockli, T., Metenier, K., Bonnamy, S., Beguin, F., Burnham, N.A., and Forro, L., Elastic Modulus of Ordered and Disordered Multiwalled Carbon Nanotubes, Nanotechnology, Vol. 17, 2006, pp Goh, C.S., Wei, J., Lee, L.C., and Gupta, M., Development of Novel Carbon Nanotube Reinforced Magnesium Nanocomposites Using the Powder Metallurgy Technique, Science, Vol. 287, 2000, pp Shimizu, Y., Miki, S., Soga, T., Itoh, I., Todoroki, H., Hosono, T., Sakaki, K., Hayashi, T., Kim, Y.A., Endo, M., Morimoto, S., and Koide, A., Multi-walled Carbon Nanotube-reinforced Magnesium Alloy Composites, Scripta Materialia, Vol. 58, 2008, pp Kuzumaki, T., Miyazawa, K., Ichinose, H., and Ito, K., Processing of Carbon Nanotube Reinforced Aluminum Composite, Journal of Materials Research, Vol. 13, 1998, pp He, C., Zhao, N., Shi, C., Du, X., Li, J., Li, H., and Cui, Q., An Approach to Obtaining Homogeneously Dispersed Carbon Nanotubes in Al Powders for Preparing Reinforced Al-matrix Composites, Advanced Materials, Vol. 19, 2007, pp Ma, R.Z., Wu, J., Wei, B.Q., Liang, J., and Wu, D.H., Processing and Properties of Carbon Nanotubes nano-sic Ceramic, Journal of Materials Science, Vol. 33, 1998, pp Kim, K.T., Cha, S.I., Lee, K.H., Mo, C.B., and Hong, S.H.., Characterization of Carbon Nanotube/Cu Nanocomposites Fabricated by using Nano-sized Cu Powders, Materials Research Society Symposium Proceeding, Vol. 821, 2004, pp George, R., Kashyap, K.T., Rahul, R., and Yamdagni, S., Strengthening in Carbon Nanotube/aluminium (CNT/Al) Composites, Scripta Materialia, Vol. 53, 2005, pp

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