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스웨덴 린셰핑 대학(LinkOping University)과 독일 보훔 루르 대학(Ruhr-UniversitAt Bochum)의 연구진은 하드 커팅 재료(hard cutting material)가 파괴될 때 발생하는 현상을 시뮬레이션할 수 있는 새로운 이론적 모델을 개발했다. 이 모델은 절삭 공구 개발에 시간과 비용을 절약할 수 있게 한다. 티타늄-알루미늄 질화물은 금속 절삭 공구의 코팅재로 가장 일반적으로 사용되는 세라믹 소재이다. 티타늄-알루미늄 질화물 박막의 도움으로 절삭 공구의 수명은 길어진다. 코팅된 표면은 더 단단하게 된다. 이런 합금은 고온에 민감하다. 매우 딱딱한 재료를 절삭시키려면 몇 분이 걸리는데, 이 때 절삭 날의 온도는 거의 900도 이상으로 올라가고 높은 압력에 노출된다. 700도까지의 온도에서는 재료가 손상되지 않지만, 그 이상의 온도에서는 열화되기 시작한다. 지금까지 절삭 공정 중에 박막 내의 원자에서 어떤 일이 발생하는지를 알지 못했다. 이번 연구진은 피코세컨드(picosecond) 시간 분해능 동안에 재료 속에서 어떤 일이 발생하는지를 정확하게 관찰할 수 있는 신뢰할 수 있는 새로운 모델을 개발했다. 이 모델은 재료의 이벤트 동안에 어떤 원자가 제거되고 이로 인해서 특성에 어떤 영향을 미치는지를 보여주었다. 이것은 물질을 합금하거나 특수 설계된 나노구조물을 만들 때 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 이론적 모델은 물질 내의 원자들 간의 힘을 계산한다. 이것은 단순 재료 시스템 속에서 사용되는 이전의 잘 알려진 방법을 기반으로 만들어졌다. 복잡한 소재 조합은 슈퍼컴퓨터를 활용했고, 인공 지능의 기계 학습 알고리즘을 구현하여 이러한 계산을 최적화하였다. 이번 연구에서는 국립 슈퍼컴퓨터 센터(National Supercomputer Center)의 슈퍼컴퓨터가 사용되었고 티타늄, 알루미늄, 질소로 구성된 약 40개의 합금을 계산해서 기존의 잘 알려진 재료의 특성과 비교했다. 두 개의 결과 간에 매우 우수한 합치를 보였다. 이것은 모델의 계산 결과가 신뢰할 수 있다는 것을 보여준다. 이 모델은 경도와 내마모성이 뛰어난 공구를 개발하는데 큰 비용을 절약할 수 있게 할 것이다. 또한 이 시뮬레이션은 원자들이 어떻게 움직이는지에 대한 중요한 통찰력을 제공할 것이다. 그래서 물질의 파괴를 피하거나 최대한 지연시키는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Materials에 “Semi-Empirical Force-Field Model for the Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) System” 라는 제목으로 게재되었다. |
