중국 과학자들, 텅스텐 합금보다 6배 강한 '깨지지 않는' 다이아몬드 개발

중국과학원 물리연구소, 베이항대학교(Beihang University) 등 여러 연구기관의 과학자들이 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWCNT)로 이루어진 3차원 네트워크를 다결정 다이아몬드 기질 안에 성공적으로 삽입했다. 이렇게 만들어진 복합재는 단결정 다이아몬드에 필적하는 최대 91.6GPa의 비커스 경도를 유지하면서도, 평균 31.9MPa·m1/2, 최대 측정값 36.4MPa·m1/2의 파괴 인성을 달성했다. 이는 일반적인 단결정 다이아몬드보다 약 5~6배 높은 수치로, 여러 텅스텐 합금의 파괴 인성을 크게 상회한다. 연구팀은 입자 크기 0.8~1.3μm의 다이아몬드 분말과 외경 10~20nm, 내경 5~10nm, 길이 10~20μm의 MWCNT를 사용했다. 최종 소결은 15GPa, 약 2000°C 조건에서 수행되었으며, 그 결과 지름 약 3mm, 두께 약 2mm의 원통형 시편이 제작되었다. 살아남은 나노튜브는 부피 기준 약 0.35%에 불과했지만, 다이아몬드 입자 사이에 연속적인 네트워크를 형성하며 보강 섬유처럼 작용했다. 고압 환경에서 일부 나노튜브는 부분적으로 다이아몬드로 전환되어 기질과 공유결합을 형성했다. 균열이 발생하면 나노튜브 네트워크가 균열을 우회시키고 분기시키며 방향을 바꾸게 만들어 더 많은 에너지를 소모하게 하고, 나노튜브가 뽑혀 나오면서 떨어져 나가는 입자들 사이에 다리를 형성한다. 다이아몬드 수준의 경도와 높은 균열 저항성을 겸비한 이 소재는 낧마모성 절삭 공구, 초경질 세라믹스, 그리고 항공우주 분야처럼 고압과 충격 하중을 견뎌야 하는 부품 등에 유망한 소재로 평가된다.