서로 다른 두 재료를 접합할 때 왜 계면에서 문제가 자주 생기나요?

Question

이종 재료를 접합하는 공정을 배우는데, 각 재료의 열팽창계수가 다르면 계면에서 균열이나 박리가 잘 생긴다고 들었어요. 왜 서로 다른 재료의 경계 부분이 이렇게 약점이 되는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

계면이 약점이 되는 건 두 재료가 서로 다르게 움직이려 하기 때문이에요.

열 팽창계수가 다르다는 건 같은 온도 변화에도 늘어나고 줄어드는 정도가 다르다는 뜻이에요. 그런데 두 재료가 딱 붙어 있으니 각자 원하는 만큼 팽창하지 못해요. 한쪽은 더 늘어나려 하고 다른 쪽은 덜 늘어나려 하는 거니, 그 경계면에서 서로 잡아 당기고 밀치는 힘이 생겨요. 이 응력이 쌓이면 결국 갈라지거나 떨어지는 거예요.

여기에 결합 자체의 약점도 겹치는데, 같은 재료 내부는 원자들이 균일하게 결합돼 있는데, 계면에서는 성질이 다른 원자끼리 억지로 만나 결합이 상대적으로 헐거워져요. 미세한 빈틈이나 결함도 이경계에 몰려 힘이 집중되는 곳이 하필 가장 약한 곳이라 균열이 시작되는거 랍니다. :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

서로 다른 두 재료는 결국 특성이 다릅니다. 이종 재료의 계면이 약해지기 쉬운 이유도, 그 경계에서 물성 차이가 한꺼번에 만나기 때문입니다.

한 재료는 열을 받으면 늘어나고, 다른 재료는 거의 늘어나지 않는다면 둘은 서로 다른 방향으로 움직이려 합니다. 그런데 그 두 재료가 붙어 있으니 마음대로 분형이 되지 못하고, 그 힘이 계면 쪽으로 응력을 쌓이게 만드는 것입니다. 이 상태가 가열과 냉각을 반복한다면 작은 틈이나 미세 균열들이 발생하게 되고, 점점 박리로 커질 수 있는 문제가 발생되게 됩니다.

또 표면 산화막, 오염물, 거칠기 창이 등 실제 접합면 상태가 나쁠 경우에는 처음부터 결합력이 약한 경우도 있습니다. 그래서 접합 공정에서는 중간층을 넣거나 표면처리, 열처리 조건, 냉각 조건, 냉각 속도를 조절해가며 응력을 줄이려 하는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

서로 다른 재료는 온도 변화에 따라 늘어나고 줄어드는 크기가 달라, 열을 가하거나 식힐 때 경계면에 서로를 잡아당기고 미는 강력한 잔류 응력이 집중되면서 균열이나 박리가 쉽게 발생합니다. 게다가 원자나 분자의 배열 구조와 화학적 결합 방식이 서로 다르다 보니 경계면에서 완벽한 결합을 이루지 못하고 구조적 결함이나 미세한 빈틈이 생기기 쉬운 취약점을 가집니다. 결과적으로 강한 충격이나 환경 변화가 발생했을 때 힘을 분산시키지 못하고 에너지 불균형이 가장 심한 계면으로 응력이 집중되면서 전체 구조물의 파손을 일으키는 치명적인 약점이 됩니다