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발표자료 초안

Oct 31, 20246 min read

탄소나노튜브 그라프트를 통한 초고강력 탄소섬유의 개발

곽민준1**,** 김가영1**,** *유웅열**1

1__서울대학교 재료공학부

Development of high-strength carbon fibers via carbon nanotube grafting

*Minjun Kwak1, Ga-Young Kim1, and Woong-Ryeol Yu**1

1__Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, 599 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 151-742, Republic of Korea

abstract

탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유는 탄소섬유 표면에 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 탄소나노튜브를 성장시킨 형태이며, 복합재로 사용되었을 때 탄소섬유와 매트릭스 사이의 약한 계면 결합성을 보완할 수 있어 주목받았다. 또한 탄소나노튜브에 의한 탄소섬유 내부의 구조 변화가 일어나고 이에 따른 탄성계수 및 강력(strength)이 증가하여 새로운 고성능의 탄소섬유를 제조할 수 있음이 보고되고 있다. 이는 CVD 과정에서 탄소섬유 표면의 구조적 회복으로 인한 인장 강도 강화 효과가 나타나는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지 연구에 활용된 탄소섬유의 종류가 한정적이었고, 강도가 다른 탄소섬유에 대해 같은 강화 효과가 나타나는지에 대해서는 연구된 바가 없다. 그러므로 본 연구에서는 서로 다른 강도를 갖고 표면 구조 및 내부 결합 구조 등에 차이가 있는 탄소섬유를 사용하여 이 강화 효과에 대한 연구를 진행하였다. 구체적으로 촉매의 양을 줄여 탄소섬유 파괴를 최소화하는 저촉매법에 대해 탄소섬유의 구조적 요인에 따른 강화 효과 차이를 분석하고, 이를 통해 강화 효과에 대한 최적 조건을 규명하였다. 또한 주사전자현미경을 통해 각 탄소섬유 간의 표면 구조 차이를 분석하였고 라만 분광법을 활용해 표면에서의 결합 결함의 상대적인 차이를 비교 분석했다. 마지막으로 탄소나노튜브를 성장시킨 탄소섬유들의 인장 실험을 통해 인장 강도를 얻어냈고, 이를 통해 탄소섬유의 구조적 차이와 인장 강도 증가율 간의 상관관계를 분석했다. 이를 통해 인장 강도의 강화를 위한 CVD의 최적 조건을 확립하여, 수송 및 항공우주 분야에서 필요한 초고강도 탄소섬유의 개발 가능성을 확인하였다.

자료 초안

  1. introduction

    1. CNT-gr-CF?
      1. CFRP의 문제점 및 계면 결합성의 중요성 → CNT grafting으로 해결
    2. 장점
      1. interlaminar shear strength 증가
      2. IFSS 증가
    3. CNT grafting method 및 단점
      1. 고온공정에서탄소섬유 내부로 확산된 촉매입자에 의한 기계적 물성 훼손
    4. 기계적 물성 향상 방법
      1. thin catalyst layer
        1. 재현성 떨어지는 부분은, 최적화를 통해 물성 향상까지도 달성할 수 있다는 점으로 생각
        2. 이 방식의 핵심은 CNT의 성장으로 crystal size를 증가시키는 한편, 다른 deformation이 일어날 수 있는 원인을 차단하는 것
          → crystal size 증가로 fiber의 강도 향상 + IFSS 향상
          • Mechanical properties of carbon fiber
            Radial fracture toughness
            Interfacial shear strength
    5. 내 연구 방향
      1. CNT 성장으로 인한 강도 향상은 CFRP의 활용성을 극대화할 수 있는 점이 분명하나 후속 연구가 많이 이루어지지는 못함
        1. 이는 CNT 성장에 너무 많은 parameter가 관여하여 재현성이 떨어지는 부분이 있기 때문
      2. 또한 지금까지 연구에 활용된 탄소섬유의 종류가 한정적이었고, 강도가 다른 탄소섬유에 대해 같은 강화 효과가 나타나는지에 대해서는 연구된 바가 없다.
        • 특히 항공우주 분야에서의 활용성을 높이기 위해선 고강도 섬유에 대해서 강화 효과 확인 필요
      3. 서로 다른 carbon fiber에 대해서 CNT 성장 후, microstructure를 중심으로 서로 다른 물성을 야기하는 microstructure가 CNT 성장 후 strengthening에 미치는 영향을 연구
      4. 이를 통해 고강도 탄소섬유에서도 강화 효과 확보 위해 parameter 조절

  2. experimental

    1. 전처리
      1. 탄소섬유 종류 3가지 및 강도
      2. 소니케이션
      3. desizing
    2. 촉매 도입
      1. sputtering - 장비명
    3. CVD
      1. 가스 조성 및 시간
    4. 인장 시험
      1. 파비맷
        1. gauge length 및 기타 조건 기입
    5. 구조 분석
      1. 라만
      2. XRD

  3. results & discussion

  4. conclusions

further works

orientation 분석할 SAXS / TEM

Graph View

Backlinks