Zhigang Zak Fang, 훔볼트상 수상

이과대학에서 다시 게시했습니다.

높은 중량 대비 강도, 내부식성 및 생체 적합성으로 유명한 티타늄(Ti) 금속은 항공우주, 방위, 의료 응용 분야에서 중요한 소재이지만 지나치게 높은 비용으로 인해 널리 사용되는 데 어려움을 겪고 있습니다.

재료 과학 및 야금 공학 교수인 Zhigang Zak Fang이 활약하는 곳이 바로 여기입니다. 최근 권위 있는 Humboldt Research Award를 수상한 Fang은 상당히 저렴한 비용으로 고품질, 저탄소 방출 티타늄 분말을 생산할 수 있는 획기적인 기술을 개발했습니다. HAMR(수소 보조 금속열 환원) 공정으로 알려진 Fang이 개발한 기술은 산소 함량이 높은(최대 14wt%) Ti 고용체의 안정성에 수소가 미치는 영향에 대한 새로운 과학 발견을 기반으로 합니다.

이달 초 미국과 독일 연구 기관 간의 과학 협력을 촉진하는 훔볼트(Humboldt)에 대해 통보받은 Fang은 "티타늄 금속은 산소와의 강한 친화력 때문에 생산하기 어렵다"고 말했습니다. 그는 티타늄(II) 산화물(Ti-O) 고용체 격자에 수소 원자를 삽입하면 티타늄과 산소 사이의 결합이 불안정해질 수 있다는 사실을 발견하여 최소한의 에너지와 비용으로 저산소 티타늄을 지속 가능하게 생산하기 위한 완전히 새로운 접근 방식을 제시했습니다.

Fang은 "티타늄 분말 생산에 드는 비용과 이산화탄소 배출량을 극적으로 줄임으로써 HAMR 공정은 글로벌 티타늄 금속 산업을 근본적으로 파괴하고 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다."라고 말했습니다.

오늘날 미국은 매년 소비하는 "티타늄 스펀지"의 거의 100%를 수입하고 있으며, 이는 비효율적이고 비싸며 에너지 집약적인 오래된 공정으로 만들어졌습니다. 중국과 러시아는 티타늄 스펀지 세계 시장의 약 70%를 장악하고 있으며, 이로 인해 미국 국방에 중요한 금속 공급망에 심각한 취약성이 발생합니다. 티타늄 금속을 생성하는 현재 시장 공정은 티타늄 광석을 화씨 1,800도까지 가열하고 염소 가스 및 석유 코크스와 반응하여 사염화티타늄을 생성합니다. 이 화합물은 정제되고 아르곤 분위기에서 최대 4일 동안 용융된 마그네슘에 의해 환원된 다음 진공 증류되어 "스폰지"라고 알려진 다공성의 부서지기 쉬운 형태의 티타늄으로 만들어집니다. 그런 다음 이를 분쇄하고 녹여 잉곳 및 기타 티타늄을 만듭니다. 티타늄 제품 제조업체에 전송되는 공장 납품품입니다.

사진 출처: 유타 대학교

Zhigang Zak Fang 야금 공학 교수(오른쪽)와 분말 야금 연구실 연구원 Pei Sun(왼쪽)이 상업용 이산화티타늄을 최종 순수 티타늄 분말로 환원하는 과정을 설명하고 있습니다.

HAMR 기술로 이어진 Fang의 연구는 에너지 효율을 획기적으로 향상시킬 것을 약속합니다. HAMR 공정은 광물이나 티타늄 스크랩으로부터 1차 티타늄 금속을 생산할 수 있습니다. 그 결과, 고산소 티타늄 스크랩이 엄격한 항공우주 및 생물의학 산업 표준을 충족하거나 초과하는 저산소 티타늄 분말로 변환됩니다.

티타늄 분말은 적층 제조에 사용되거나 분말 야금에 활용되어 항공우주, 국방, 생물의학 및 기타 민간 응용 분야를 비롯한 광범위한 까다로운 응용 분야에서 제품을 제조할 수 있으며 지속 가능성이 크게 향상됩니다.

매년 알렉산더 폰 훔볼트 재단(Alexander von Humboldt Foundation)은 현재까지의 학술 기록을 인정하여 해외 모든 분야의 국제적으로 선도적인 연구자에게 최대 100개의 훔볼트 연구상을 수여합니다. 60,000유로의 상금을 수여하는 훔볼트 연구상(Humboldt Research Award)으로도 알려진 훔볼트상(Humboldt Prize)은 매년 국제적으로 유명한 과학자와 학자에게 수여되며 프로이센의 박물학자이자 탐험가인 알렉산더 폰 훔볼트(Alexander von Humboldt)의 이름을 따서 명명되었습니다.

일련의 공정 기술을 발명한 Fang은 초경 텅스텐 카바이드, 내화 금속, 티타늄, 분말 야금, 수소 및 열에너지 저장을 위한 금속 수소화물 분야에서 세계적으로 인정받는 혁신가입니다. U에 합류하기 전에 Fang은 10년 넘게 성공적인 산업 R&D 경력을 쌓았습니다. 그는 동료 심사를 거친 180편 이상의 출판물을 집필 또는 공동 집필했습니다. 그는 60개 이상의 미국 특허에서 단독 또는 공동 발명자로 지명되었습니다. 그는 두 개의 신생 기업을 설립/공동 설립했으며 여러 텅스텐 카바이드 및 티타늄 기술을 성공적으로 상용화했습니다.