최신 보고서에 따르면, 차세대 복합재료는 자체 구조적 건강 상태를 모니터링하고 일반화할 수 있습니다.
탄소 섬유 복합재는 가볍고 견고하며 자동차, 항공기 및 기타 운송 수단의 중요한 구조 소재입니다. 탄소 섬유 복합재는 에폭시 수지와 같은 폴리머 기판에 강화 탄소 섬유를 매립한 구조입니다. 두 재료의 기계적 특성 차이로 인해 과도한 응력이나 피로가 가해지면 섬유가 기판에서 떨어져 나가게 됩니다. 즉, 탄소 섬유 복합재 구조의 손상이 표면 아래에 숨겨져 육안으로는 감지할 수 없어 치명적인 파손으로 이어질 수 있습니다.
"복합재 내부를 이해하면 복합재의 상태를 더 잘 판단하고 수리해야 할 손상이 있는지 알 수 있습니다."라고 연구원인 Ridge Chris Bowland가 말했습니다.
미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 위그너. 최근 Bowland와 ORNL의 탄소 및 복합소재팀 책임자인 Amit Naskar는 전도성 탄소 섬유를 반도체 탄화규소 나노입자에 감는 롤링 스트라이프(rolling stripe) 방식을 개발했습니다. 이 나노소재는 다른 섬유 강화 복합소재보다 강도가 높고 자체 구조의 상태를 모니터링하는 새로운 기능을 갖춘 복합소재에 내장됩니다. 충분한 양의 코팅 섬유가 폴리머에 내장되면 섬유는 전력망을 형성하고, 벌크 복합소재는 전기를 전도합니다. 반도체 나노입자는 외부 힘의 작용으로 이러한 전기 전도도를 파괴하여 복합소재에 기계적 및 전기적 기능을 부여할 수 있습니다. 복합소재가 늘어나면 코팅된 섬유의 연결성이 파괴되고 재료의 저항이 변합니다. 폭풍 난류로 인해 복합소재 날개가 휘어지면 전기 신호가 비행기 컴퓨터에 경고하여 날개에 과도한 압력이 가해지고 있다는 것을 알리고 테스트를 제안할 수 있습니다. ORNL의 롤링 스트립 시연은 이 방식이 차세대 복합소재 코팅 섬유를 대규모로 생산할 수 있음을 원리적으로 입증합니다. 자가 감지 재생 가능한 폴리머 기판과 저비용 탄소 섬유로 만들어진 복합 소재는 3D 프린팅 자동차와 건물을 포함한 보편적인 제품에 적용될 수 있습니다. 나노입자에 섬유를 내장하기 위해 연구진은 롤러에 고성능 탄소 섬유 스풀을 설치하고, 롤러를 통해 섬유를 에폭시 수지에 담갔습니다. 에폭시 수지에는 시중에서 구할 수 있는 나노입자가 포함되어 있으며, 그 두께는 바이러스의 두께(45~65nm)와 거의 같습니다.
그런 다음 섬유를 오븐에서 건조하여 코팅을 고정합니다. 연구진은 폴리머 기판에 접착된 나노입자에 매립된 섬유의 강도를 시험하기 위해 섬유 강화 복합재 보를 제작하고, 이 보들을 한 방향으로 배열했습니다. 보랜드는 캔틸레버의 끝을 고정한 상태에서 기계적 특성을 평가하는 기계가 보가 파손될 때까지 보 중앙에 추력을 가하는 응력 시험을 수행했습니다. 복합재의 감지 성능을 연구하기 위해 그는 캔틸레버 보의 양쪽에 전극을 설치했습니다. "동적 기계 분석기"라는 기계에서 그는 캔틸레버를 고정하기 위해 한쪽 끝을 클립으로 고정했습니다. 기계는 반대쪽 끝에 힘을 가하여 현수 보를 구부리고, 보랜드는 저항 변화를 모니터링했습니다. ORNL의 박사후 연구원인 응옥 응우옌은 복합재의 화학 결합을 연구하고 관찰된 향상된 기계적 강도에 대한 이해를 높이기 위해 푸리에 변환 적외선 분광기를 사용하여 추가 시험을 수행했습니다. 연구진은 또한 다양한 양의 나노입자로 제작된 복합재의 에너지 소산 능력(진동 감쇠 거동으로 측정)을 시험했습니다. 이는 구조 재료가 충격, 진동 및 기타 응력 및 변형원에 반응하는 것을 촉진할 것입니다. 나노입자는 각 농도에서 에너지 소산을 향상시킬 수 있습니다(65%에서 257%까지 다양한 수준으로). Bowland와 Naskar는 자가 감지 탄소 섬유 복합재 제조 공정 특허를 출원했습니다.
"함침 코팅은 현재 개발 중인 새로운 나노소재를 활용할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다."라고 보울랜드는 말했다. 이 연구는 ORNL 연구소가 주도하는 연구개발 프로젝트의 지원을 받았으며, 미국화학회(ACS)의 응용 재료 및 계면(Applied Materials and Interfaces) 저널에 게재되었다.
게시 시간: 2018년 12월 7일