[논문 리뷰] Predicting electrical conductivity in Cu/Nb composites: a combined model-experiment study

Daniel N. Blaschke, Cody Miller외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 07.

Aluminum Alloys Composites Properties참고 문헌 75인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 ARB 가공된 Cu/Nb 복합재료에서 전기 전도도를 예측하기 위해 매트헤센의 법칙을 기반으로 한 단계장 모델을 개발한다. 이 모델은 이중금속 인터페이스, 결정립 경계 및 층 두께의 분포를 고려한다. 모델은 다양한 온도, 부피 분율 및 층 두께에서 실험 결과의 전도도 경향을 정확히 예측하며, 전자 평균 자유 경로 이하인 1미크론 이하의 층 두께는 전도도를 심각하게 떨어뜨리므로 성능을 유지하기 위해 더 큰 평균 층 두께가 필요하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The generation of high magnetic fields requires materials with high electric conductivity and good strength properties. Cu/Nb composites are considered to be good candidates for this purpose. In this work we aim to predict, from theory, the dependence of electric conductivity on the microstructure, most notably on the layer thickness and grain sizes. We also conducted experiments to calibrate and validate our simulations. Bimetal interfaces and grain boundaries are confirmed to have the largest impact on conductivity in this composite material. In this approach, a distribution of the layer thickness is accounted for in order to better model the experimentally observed microstructure. Because layer thicknesses below the mean free path of Cu significantly degrade the conductivity, an average layer thickness larger than expected may be needed to meet conductivity requirements in order to minimize these smaller layers in the distribution. We also investigate the effect of variations in volume fraction of Nb and temperature on the material's conductivity.

연구 동기 및 목표

• micro구조적 복잡성을 고려한 ARB 가공된 Cu/Nb 복합재료의 전기 전도도를 예측하는 모델을 개발하기 위해.
• 특히 이중금속 인터페이스와 결정립 경계가 전도도 저하에 기여하는 주요 요인인지 규명하기 위해.
• 다양한 온도와 부피 분율 범위에서 실험적 4점 측정법을 이용해 모델를 校정하고 검증하기 위해.
• 고자기장 마그네틱 응용에 필요한 강도를 확보하면서도 높은 전도도를 유지할 수 있는 최적의 평균 층 두께와 Nb 부피 분율을 결정하기 위해.

제안 방법

• 모델은 포논, 인터페이스, 결정립 경계, 비틀림 결함에서 기인하는 저항성의 기여를 매트헤센의 법칙을 적용해 합산한다.
• 단계장 프레임워크를 사용하여 층 두께 분포 및 층 내부의 결정립 구조 변화를 시뮬레이션한다.
• 인터페이스 저항성 항목은 둘레 대 면적 비율과 전자 평균 자유 경로에 따라 결정되는 공식을 사용하여 Cu/Nb 경계에서의 산산각산 산란을 고려한다.
• 온도에 따라 변화하는 기질 저항성 ϱ₀(T)를 포함하여 열적 효과에 의한 전자 산란을 모델링한다.
• 실험적 현미경 사진에서 유도된 층 두께 분포를 포함한 시뮬레이션을 수행하며, 일부 층은 다수의 결정립을 포함한다고 가정한다.
• 실험적 검증은 100 K에서 450 K의 온도 범위와 다양한 Nb 부피 분율에서 4점 측정법을 사용하여 전도도를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 평균 두께를 가정하는 것과 비교해, 층 두께의 분포가 Cu/Nb 나노층상 재료의 예측 전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ARB 가공된 Cu/Nb 복합재료에서 전체 저항성에 기여하는 이중금속 인터페이스와 결정립 경계의 상대 기여도는 어떠한가?
• RQ3 100 K에서 450 K로 변화하는 온도가 Cu/Nb 복합재료의 전도도에 미치는 영향은 무엇이며, 모델이 이러한 행동을 잘 반영하는가?
• RQ4 어느 Nb 부피 분율과 평균 층 두께가 고자기장 마그네틱 응용에 필요한 강도를 확보하면서도 최대 전도도를 달성하는가?

주요 결과

• 이중금속 인터페이스와 결정립 경계가 Cu/Nb 복합재료에서 저항성 저하의 주요 원인이며, 특히 작은 층 두께에서 인터페이스 산란이 매우 영향을 미친다.
• Cu 층 두께가 전자 평균 자유 경로(구리에서 약 40 nm) 이하로 떨어지면 전도도가 급격히 감소하므로, 이러한 얇은 층의 비율을 최소화하기 위해 더 큰 평균 층 두께가 필요하다.
• 층 두께의 분포를 포함한 경우, 모델은 100 K에서 450 K의 온도 범위에서 실험적 4점 측정법 결과와 뛰어난 일치를 보인다.
• 50/50 부피 분율 복합재에서 전도도는 Nb 함량 증가에 따라 선형 감소하며, 약 50% Nb에서 최소값에 도달하여 약 ~3.5×10⁷ S/m 수준으로 떨어진다.
• 50 nm의 Cu 층 두께에서 전도도는 약 0.2의 Nb 부피 분율부터 급격히 저하되기 시작하여 성능 저하의 임계점임을 시사한다.
• 모델은 비틀림 결함 네트워크가 전도도에 미치는 영향은 미미하다고 예측하지만, 전자 풍력에 의해 강도에 영향을 줄 수 있으므로 향후 연계 모델링의 대상이 될 수 있다.