가돌리늄의 첨가량에 따른 중성자 차폐용 철계 고붕소 비정질 리본의 기계적 특성, 부식특성과 이를 활용한 복합재료의 기계적 거동 분석 = Mechanical and corrosion properties of Fe-based amorphous ribbons Fe72-xB25Mo3Cr(0, 10)Gdx (x=0.25~10) and those composite materials mechanical and thermal neutron shielding behavior.

국문 초록 (Abstract)

철계 비정질 합금은 높은 비강도와 탄성계수, 우수한 내식성 및 연자기적 특성을 가지고 있으며 이를 이용하여 다양한 산업분야에 적용 될 것으로 기대되는 금속 재료이다. 특히, 기존의 결정질 합금과는 다른 응고 기구를 가지고 있어 합금 설계시 목적에 맞는 특성 구현을 위한 특정 원소의 첨가량 조절에 매우 용이하다. 본 연구에서는 열 중성자 포집 능력이 우수한 보론이 다량 포함된 철계 비정질 합금에 가돌리늄을 미량 첨가하여 열 중성자 포집 능력을 배가 시킴과 동시에 구조물 보강재료로서의 적용성을 평가하고자 한다. 이를 위해, X선회절법에 의한 상분석, 주사 열량 측정법 및 시차 열 분석법에 의해 비정질 형성능을 확인하였고 이후 리본의 인장시험과 부식 단면 확인을 통한 파괴 거동 분석, 해수(3.5wt.% NaCl용액) 부식 특성 평가 및 polyester hexahedron과 함께 배합하여 복합재료의 기계적 거동의 확인을 통해 보강재료로서의 적용성을 평가하였으며. 마지막으로 열 중성자 투과 시험을 통하여 열 중성자 차폐능을 평가하였다. 가돌리늄이 첨가 됨에 따라 비정질 형성능이 좋아짐을 α-parameter 를 통해 확인하였으며, 기계적 특성 또한 대체로 증가하는 경향을 보였으나, 내식성을 향상시키기 위해 Cr을 포함하였을 때, 0.25 at.% 의 Gd를 포함한 시편에서 인장강도 열화가 발생하였음을 확인하였다. 침지 시험에서 Cr이 포함되지 않은 시편에서는 hydro hematite가 발생함을 확인하였으며, Cr이 10 at.% 일 때 부식이 되지 않았으며, 동전위 분극 시험을 통해 부동태 피막 형성이 확인되었다. 중성자 차폐 시험 결과 가돌리늄을 넣은 시편에서는 가돌리늄을 제외한 동일 조성의 시편보다 중성자 차폐율이 매우 우수하였음을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Neutrons has been widely used as medical and power plant applications though it has inherent toxicity and hazard in the living body. As a result, the problem of disposal of spent nuclear fuel from nuclear power plants is emerging, and social interest in the waste disposal site to be stored is increasing. For enhancing safety of the spent nuclear fuel facility, borated steel and gadolinium steel had been developed as the container material. However, these shielding materials had corrosion problem, and radioactive materials may leak out during long-term storage of the spent fuel, resulting in further damage.
In this study, amorphous alloys which have good corrosion property and metalloid solubility were designed in order to increase radiation shielding and corrosion property. A large amount of boron and small gadolinium was added to the Fe-based amorphous alloy to investigate the influence of Gd on its thermal neutron shielding ability and applicability for structural materials.
XRD analysis and thermal analysis were conducted for the evaluation of GFA (Glass Forming Ability). For evaluation of good structural applicability, the potentiodyamic, immersion test and mechanical properties test were performed. Finally, thermal neutron shielding ability was analyzed.
XRD result indicated that ribbon samples have amorphous microstructure. With the increase in the concentration of Gd, the GFA of the amorphous ribbon increases corresponded by the alpha-parameter, which is a phenomenon according to the sluggish atomic movement. The microstructure of tensile tests showed that fine fracture surface and shear band disappeared due to degraded atomic mobility of Gd and stable formation of molybdenum oxide was confirmed by corrosion test. The thermal neutron shielding behavior was analyzed, and the shielding ability of the thermal neutron was tested to be about twice that of the counterpart without gadolinium.
The thermal neutron shielding Fe-based amorphous alloy were successfully produced by adding Gd. The addition of Gd enhanced its glass forming ability and mechanical property.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 . 1
• II. 이론적 배경 4
• 2.1 비정질 합금 . 4
• 2.1.1 일반적인 특징 4
• 2.1.2 합금 설계의 기본 개념 7
• 2.2 비정질 재료의 변형 및 파괴거동 10
• 2.2.1 비정질 재료의 변형 기구 10
• 2.2.2 원자 유동에 의한 가공 연화 . 13
• 2.2.3 파단면의 특징 . 15
• 2.3 재료의 부식 거동 18
• 2.3.1 공식과 부식 18
• 2.3.2 부동태 . 21
• 2.3.3 합금 설계붕소 강 및 가돌리늄 강의 부식 24
• 2.3.4 비정질 재료의 부식 거동 29
• 2.4 방사선 차폐 31
• 2.4.1 방사선 . 31
• 2.4.2 방사선 차폐 원리 31
• 2.5 복합재료(composite materials) 35
• 2.5.1 복합재료의 계면 특성 . 35
• 2.5.2 복합재료의 강화기구 및 파괴거동 40
• III. 실험방법 42
• 3.1 실험 순서 42
• 3.2 시편제작 . 43
• 3.2.1 합금 설계 43
• 3.2.2 모합금 제작 45
• 3.2.3 리본 시편 제작 . 45
• 3.3 분석 및 특성평가 47
• 3.3.1 미세구조 및 상 분석 . 47
• 3.3.2 열 분석 . 47
• 3.3.3 기계적 특성 평가 48
• 3.3.4 부식 특성 평가 . 50
• 3.3.5 열 중성자 차폐능 평가 . 53
• IV. 실험결과 및 고찰 . 55
• 4.1 비정질 재료의 상분석 및 열분석. . 55
• 4.1.1 가돌리늄 조성 조정에 따른 비정질 형성 확인 . 55
• 4.1.2 크롬 첨가에 따른 비정질 시편의 미세구조 분석 61
• 4.2 기계적 특성 분석 66
• 4.2.1 인장시험 및 파단면 분석 66
• 4.2.2 180o 굽힘시험 및 전단밴드 관찰 71
• iii
• 4.4 부식 특성 분석 . 73
• 4.4.1 침지 시험 73
• 4.4.2 동전위 분극 시험 79
• 4.5 복합재료의 특성 평가 . 84
• 4.5.1 복합재료의 기계적 특성 평가 . 84
• 4.5.2 복합재료의 열 중성자 차폐능 평가 94
• V. 결 론 98
• VI. References . 100