학문
형상기억합금은 어떻게 원래 형태로 돌아가나요?
형상기억합금은 온도나 외부 조건의 변화에 따라 변형된 형태에서 특정한 모양으로 되돌아가는 특성이 있는데, 이러한 현상이 재료 내부에서 어떤 변화로 발생되는지 의견 부탁드립니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
형상 기억합금이 원래 형태로 되돌아가는 현상은 온도에 따른 재료 내부의 결정 구조의 변화 때문 입니다.
저온에서는 원자배열이 유연한 구조를 가지고 있는데 이때 외부의 힘을 가하면 원자 사이의 결합이 끊어지지 않고 배열 각도만 찌그러지며 모양이 변합니다.
변형된 합금에 열을 가해 일정 온도 이상이 되면 원자들이 가장 안정적인 원래의 규칙적인 배열로 순식간에 재배열 되면서 처음 기억했던 모양으로 되돌아 가는 것 입니다.
일반 금속은 변형시 원자 위치가 아예 이탈하는 소성 변형이지만 형상기억합금은 온도 변화에 따라 격자 구조의 형태만 가역적으로 바뀌기 때문에 원래 상태를 기억하고 찾아갈 수 있습니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
형상기억합금은 온도에 따라 결정 구조가 두 가지로 바뀌어요. 대표적인 니켈-티타늄 합금(니티놀)은 높은 온도에서 원자가 정육면체 형태로 반듯하게 배열된 오스테나이트 상태예요. 식으면 비스듬히 기울어진 마르텐사이트 상태로 바뀌어요.
이 변태는 원자가 멀리 이동하지 않고 이웃 원자와의 관계를 유지한 채 살짝 밀리면서 일어나요. 마르텐사이트는 서로 반대 방향으로 기운 층이 번갈아 쌓인 쌍정 구조를 이뤄요. 차가울 때 힘을 주면 원자 결합이 끊어지지 않고, 이 층들의 기울어진 방향이 한쪽으로 정렬되면서 모양이 바뀌어요. 일반 금속처럼 원자 배열이 영구적으로 어긋나지 않고, 원자들의 상대 위치는 그대로 남아 있어요.
여기에 열을 가해 변태 온도를 넘기면 구조가 다시 오스테나이트로 돌아가요. 오스테나이트는 배열 방식이 한 가지뿐이라 원자들이 처음 자리로 되돌아가고, 전체 모양도 원래대로 복원돼요. 기억할 형태는 약 500℃에서 원하는 모양으로 고정해 열처리하면서 정해져요. 체온에서 저절로 펴지는 혈관 스텐트가 이 성질을 활용해요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
형상기억합금은 고온의 결정 구조인 오스테나이트 상태에서 기억시킨 모양을 기본으로 삼고 식었을 때 원자 배열만 미끄러지듯 바뀌는 마르텐사이트 상태로 상변태하는 특성을 활용합니다. 저온의 마르텐사이트 상태에서는 외부 힘을 가해도 원자 간 결합이 깨지지 않고 방향만 달라지는 변형 쌍정 방식으로 손쉽게 형태가 바뀌게 됩니다 이 상태에서 변형된 합금에 임계 온도 이상의 열을 가하면 원자들이 본래의 안정적이었던 고온 오스테나이트 결정 격자 배열로 복귀하려는 강한 상변태 구동력이 발생합니다 이 과정에서 내부 격자구조가 가열 직전의 위치로 정확히 되돌아가면서 거시적인 외부 형태 역시 처음 기억된 모양을 완벽하게 되찾게 됩니다