항공우주 설계 발전을 위한 '재료 게놈' 잠금 해제

지난 달 시드니 대학교 항공우주, 기계 및 메카트로닉 공학부의 연구원들은 고급 강철 및 맞춤형 실리콘과 같은 결정질 재료 내의 원자 관계를 밝히기 위한 현미경 방법을 발견했습니다.

The aerospace industry is constantly striving to improve efficiency, performance, and safety while reducing carbon emissions and maintaining sustainability. In recent years, several technological advancements have expanded the capabilities of air travel both within the Earth's atmosphere as well as outside it. This includes advanced satellite technology for communications, additive manufacturing for lightweight components, electric propulsion for reduced emissions and reduced costs, supersonic flight for faster travel, and artificial intelligence and machine learning for enhanced operational efficiency.

항공우주 산업은 효율성, 성능, 안전성을 향상하는 동시에 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 여러 가지 기술 발전으로 지구 대기권 내부와 외부 모두에서 항공 여행의 기능이 확장되었습니다. 여기에는 통신을 위한 첨단 위성 기술, 경량 부품을 위한 적층 제조, 배출 감소 및 비용 절감을 위한 전기 추진, 더 빠른 여행을 위한 초음속 비행, 향상된 운영 효율성을 위한 인공 지능 및 기계 학습이 포함됩니다.

Aerospace focuses on advanced materials with very specific properties. Systems usually involve different kinds of materials, ranging from ceramic thermal to carbon fiber and Titanium, which are used for myriad purposes to optimize performance.

항공우주는 매우 특정한 특성을 지닌 첨단 소재에 중점을 두고 있습니다. 시스템에는 일반적으로 세라믹 열에서 탄소 섬유 및 티타늄에 이르기까지 다양한 종류의 재료가 사용되며, 이는 성능을 최적화하기 위해 다양한 목적으로 사용됩니다.

The research in this area aims to develop multifunctional materials, which means materials that have not only structural functions but can also offer other features like active cooling. To bring advanced aerospace concepts to life, materials must be more durable, lightweight, and cost-effective than ever before. 

이 분야의 연구는 다기능 재료를 개발하는 것을 목표로 합니다. 즉, 구조적 기능뿐만 아니라 능동 냉각과 같은 다른 기능도 제공할 수 있는 재료를 의미합니다. 첨단 항공우주 개념을 현실화하려면 소재는 그 어느 때보다 내구성이 뛰어나고 가벼우며 비용 효율적이어야 합니다.

As the aerospace industry continues to progress, let's examine the latest groundbreaking innovations that will take it even further.

항공우주 산업이 지속적으로 발전함에 따라 이를 더욱 발전시킬 최신 획기적인 혁신을 살펴보겠습니다.

Unveiling the ‘Materials Genome' to Advance Design

설계 발전을 위한 '재료 게놈' 공개

Last month, researchers from the University of Sydney's School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering discovered a microscopy method for unraveling atomic relationships within crystalline materials such as advanced steels and custom silicon.

지난 달 시드니 대학교 항공우주, 기계 및 메카트로닉 공학부의 연구원들은 고급 강철 및 맞춤형 실리콘과 같은 결정질 재료 내의 원자 관계를 밝히기 위한 현미경 방법을 발견했습니다.

This means that researchers can detect even minute changes in the atomic-level architecture of these materials, enhancing our understanding of the fundamental origins of their properties and behavior. This knowledge will enable the development of advanced semiconductors for electronics and lighter, stronger alloys for the aerospace sector.

이는 연구자들이 이러한 물질의 원자 수준 구조에서 미세한 변화도 감지할 수 있음을 의미하며, 해당 물질의 특성과 거동의 근본적인 기원에 대한 이해를 향상시킵니다. 이러한 지식을 통해 전자제품용 고급 반도체와 항공우주 부문용 더 가볍고 강한 합금을 개발할 수 있습니다.

For this, researchers used atom probe tomography (APT), a technique that visualizes atoms in three dimensions (3D), to unpack the complexity of short-range order (SRO). SRO is a quantitative measure of the relative tendency for a material's constituent elements to deviate from a random distribution. Understanding the local atomic environments is essential for creating innovative materials.

이를 위해 연구진은 원자를 3차원(3D)으로 시각화하는 기술인 원자탐침 단층촬영(APT)을 이용해 단거리 질서(SRO)의 복잡성을 풀어냈다. SRO는 재료의 구성 요소가 무작위 분포에서 벗어나는 상대적 경향을 정량적으로 측정한 것입니다. 혁신적인 소재를 만들기 위해서는 국지적인 원자 환경을 이해하는 것이 필수적입니다.

By quantifying the non-randomness of neighborhood relationships at the atomic scale within the crystal in detail, SRO opens up “vast possibilities for materials that are custom-designed, atom-by-atom, with specific neighborhood arrangements to achieve desired properties like strength,” said the study lead, Professor Simon Ringer, who is the Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) at the University of Sydney.

SRO는 결정 내의 원자 규모에서 이웃 관계의 비 무작위성을 세부적으로 정량화함으로써 "강도, 연구를 주도한 시드니 대학교 부총장(연구 인프라)인 Simon Ringer 교수는 이렇게 말했습니다.

Sometimes referred to as the ‘materials genome,' SRO has been a challenge to measure and quantify. This is because atomic arrangements occur at such a small scale that you can't see them with conventional microscopy techniques.

때때로 '물질 게놈'이라고도 불리는 SRO는 측정하고 정량화하는 데 어려움을 겪었습니다. 이는 원자 배열이 기존의 현미경 기술로는 볼 수 없을 정도로 작은 규모로 발생하기 때문입니다.

So, the team of researchers developed a new method using APT that overcomes these challenges, making it “a significant breakthrough in materials science,” said Ringer, a materials engineer at AMME. 

따라서 연구팀은 APT를 사용하여 이러한 과제를 극복하는 새로운 방법을 개발하여 "재료 과학의 중요한 돌파구"가 되었다고 AMME의 재료 엔지니어인 Ringer는 말했습니다.

The study's focus has been on high-entropy alloys (HEAs), a heavily researched area due to their potential for use in situations that require high-temperature strength, including jet engines and power plants.

이 연구의 초점은 제트 엔진 및 발전소를 포함하여 고온 강도가 필요한 상황에서 사용할 수 있는 잠재력으로 인해 많이 연구되는 분야인 고엔트로피 합금(HEA)에 맞춰졌습니다.

Using advanced data science techniques and drawing on data from APT, the researchers observed and measured SRO. They were then able to compare how SRO changes in a high-entropy alloy of cobalt, chrome, and nickel under different heat treatments.

연구원들은 고급 데이터 과학 기술과 APT의 데이터를 사용하여 SRO를 관찰하고 측정했습니다. 그런 다음 그들은 서로 다른 열처리 하에서 코발트, 크롬, 니켈의 고엔트로피 합금에서 SRO가 어떻게 변하는지 비교할 수 있었습니다.

According to Dr Andrew Breen, a senior postdoctoral fellow:

선임 박사후 연구원인 Andrew Breen 박사에 따르면:

“(The study has produced a) sensitivity analysis that bounds the precise range of circumstances whereby such measurements are valid and where they are not valid.”

"(이 연구는) 그러한 측정이 유효한 상황과 유효하지 않은 상황의 정확한 범위를 제한하는 민감도 분석을 생성했습니다."

By measuring and understanding SRO, this study could also help transform approaches to materials design and show just how “small changes at the atomic level architecture can lead to giant leaps in materials performance,” said Dr. Mengwei He, a postdoc research fellow in the School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

SRO를 측정하고 이해함으로써 이 연구는 재료 설계에 대한 접근 방식을 변화시키는 데 도움이 될 수 있으며 "원자 수준 아키텍처의 작은 변화가 재료 성능의 거대한 도약으로 이어질 수 있는 방법"을 보여줄 수 있다고 박사후 연구원인 Mengwei He 박사는 말했습니다. 항공우주, 기계 및 메카트로닉스 공학부.

Moreover, by providing a blueprint at the microscopic level, the study enhances a researcher's capabilities to computationally simulate, model, and then predict materials behavior. It can further act as a template for future studies in which SRO controls critical material properties. 

또한, 이 연구는 미세한 수준의 청사진을 제공함으로써 연구원이 재료 거동을 계산적으로 시뮬레이션하고, 모델링하고, 예측할 수 있는 능력을 향상시킵니다. 이는 SRO가 중요한 재료 특성을 제어하는 ​​향후 연구를 위한 템플릿 역할을 할 수도 있습니다.

A Revolutionary Material to Enable Hypersonic Flight

극초음속 비행을 가능하게 하는 혁신적인 소재

There is a lot of interest in achieving sustained flight at hypersonic speeds, but technical challenges remain. These include managing extreme heat, developing materials that can withstand stress, extreme temperatures, and oxidation without compromising performance, and creating propulsion systems that can operate efficiently at high speeds and altitudes. 

초음속 속도로 지속적인 비행을 달성하는 데 많은 관심이 있지만 기술적 과제는 여전히 남아 있습니다. 여기에는 극심한 열 관리, 성능 저하 없이 스트레스, 극한 온도 및 산화를 견딜 수 있는 재료 개발, 고속 및 고도에서 효율적으로 작동할 수 있는 추진 시스템 개발이 포함됩니다.

As researchers try to find solutions to these problems, scientists from Guangzhou University School of Materials Science and Engineering reported a breakthrough in hypersonic heat shields earlier this year.

연구자들이 이러한 문제에 대한 해결책을 찾으려고 노력하는 가운데, 광저우 대학교 재료 과학 및 공학부의 과학자들은 올해 초 극초음속 열 차폐의 획기적인 발전을 보고했습니다.

In what could be a game changer for hypersonic flight, the scientists developed a new material, porous ceramic, that provides “exceptional thermal stability” and “ultrahigh compressive strength.” 

극초음속 비행의 판도를 바꿀 수 있는 방법으로 과학자들은 "뛰어난 열 안정성"과 "초고압축 강도"를 제공하는 새로운 소재인 다공성 세라믹을 개발했습니다.

This has been achieved using a multi-scale structure design, which the scientists say has been done for the very first time. Moreover, the quick fabrication of this high-entropy ceramics opens the door to wider exploration in the sectors of aerospace, chemical engineering, and energy production and transfer.

이것은 과학자들이 처음으로 수행한 다중 규모 구조 설계를 사용하여 달성되었습니다. 더욱이, 이 고엔트로피 세라믹의 빠른 제작은 항공우주, 화학 공학, 에너지 생산 및 전달 분야에서 더 넓은 탐구의 문을 열어줍니다.

The researchers said the ceramics were fabricated through “an ultrafast high-temperature synthesis technique

연구진은 이 세라믹이 '초고속 고온 합성 기술'을 통해 제작됐다고 밝혔다.