Development and Characterization of Powder Metallurgically Produced Chromium-Tungsten Dual-Phase Composites

곽노준 서울대학교 대학원 2021 국내박사

텅스텐(W)은 뛰어난 고온경도와 내마모성 등의 우수한 특성 조합으로 인해 차세대 핵융합로의 플라즈마 대향 부품에 선호되고 있는 대표 후보물질 중 하나이다. 그러나 재료 고유의 높은 연성-취성 천이온도(DBTT)에 따른 강한 취성은 극한의 핵융합 환경에서의 적용을 크게 제한한다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 구조 설계 및 새로운 복합재료 및 합금개발에 대한 연구가 지속적으로 수행되어져 왔다. 이러한 연구 노력에도 불구하고 텅스텐의 고질적인 취성을 완전히 극복하는데 여전히 많은 연구가 필요한 실정이다. 최근에는 상대적으로 낮은 DBTT에 의해 저온영역에서도 상당한 연성거동을 보이며, 우수한 내식성 및 낮은 중성자 활성화 등의 장점을 가지는 크롬(Cr)이 핵융합 대면재로 적용되기 위한 연구가 주목받고 있다. 크롬의 여러 우수한 장점에도 불구하고 낮은 고온 강도는 실제 조업환경에서 활용되기에 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 위 두가지 재료를 이용하여 새로운 개념의 크롬-텅스텐(Cr-W) 이상 복합재료(Dual-Phase composites)를 개발 및 제안하고자 하였으며, 두 소재간 상호 단점을 극복하여 물성 향상을 꾀하고자 하였다. 또한, 대향 부품으로의 응용가능성을 확인하기 위하여 기계적 특성 및 중수소 저항성이 평가되었다. 더불어, 공정 중에 발생하는 탄소(C) 확산으로 인해 재료 내부에서 자연적으로 생성되는 탄화물은 재료의 기계적 및 중수소 저항 특성 저하에 치명적이므로 함께 해결되어져야 한다. 첫째, 소재제조시 발생하는 C 확산을 억제하였다. 일반적으로, 고융점의 W(3422 ℃)과 Cr(1907 ℃)이 치밀한 미세구조 및 원하는 특성을 얻기 위해서는 분말 야금법을 활용하여 제작한다. 본 연구에서는 난 소결제의 소결에 효과적인 분말 야금 기술인 통전 활성 소결법(SPS)을 주요 생산 공정으로 활용하였다. SPS는 펄스 전류와 기계적 압력을 동시에 인가하여 높은 소결 밀도를 가진 벌크 샘플을 단시간에 얻을 수 있는 공정기술이다. 그러나 소결시에 사용하는 흑연 몰드로 인하여 소결체 내부에 C 원자가 침입하게 된다. 여기서, 주목할 만한 점은 W과 Cr이 강한 탄화물 형성 원소라는 것이다. 따라서, 소결 동안 W 및 Cr 내 탄소확산은 불가피하게 발생하게 된다. C 확산은 W과 Cr의 입계에서 탄화물 편석을 유도하며, 이는 연성 감소 및 취성에 의한 입계 파괴를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, W, 몰리브덴(Mo) 및 탄탈럼(Ta) 호일을 W 소결체의 C 확산방지 호일로 활용하고자 하였다. 특히, C 확산 장벽으로써 Ta 호일이 효과적임을 확인할 수 있었으며, 이는 C에 대한 높은 열역학적 안정도 및 Ta 탄화물의 탄소 확산 키네틱(Kinetics) 지연에 의해서 제어된다는 것이 밝혀졌다. Mo 호일은 Ta의 열역학적 및 키네틱 특성과 반대의 이유로 C 확산 장벽으로써 비효과적임을 분석할 수 있었으며, W 호일은 탄소 확산의 물리적인 지연에만 기여하여 그 효과가 부족함을 확인하였다. 최종적으로, 이와 같은 개념은 동일한 열역학과 키네틱 관계에 따라 Cr의 소결체 제조에도 적용 가능함을 확인할 수 있었으며, SPS를 이용한 Cr-W 이상 복합재료 제조시 Ta 호일을 활용하면 C 확산을 효과적으로 억제 가능함이 밝혀졌다. 둘째, Cr-W 이상 복합재료의 제조를 진행하였다. Cr-W 이상 복합재료 제조를 위해 고에너지 밀링법을 이용하여 두 분말을 혼합하고 소결을 진행하였다. 이렇게 개발된 복합재료는 조대한 Cr 입자가 3차원적이고 연속적으로 연결된 초미세립 W 네트워크로 둘러싸인 독특한 미세구조를 나타낸다. 본 소재의 소결 조건 확립을 위해 소결 온도, 시간, 공정, 분말 조건 등 소결 인자의 영향을 도출하였다. 이를 통해 Cr-10 vol.% W 및 Cr-20 vol.% W의 조성에서 1300 ℃에서 소결시 완전 치밀화가 가능함을 확인하였다. 또한, W의 소결온도가 1700 ℃ 이상인 점을 감안하면, 비교적 저온에서 Cr-W 이상 복합재료의 W상의 소결성이 매우 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 독특한 미세구조의 발현과 소결성 향상의 메커니즘을 고찰하기 위해, 전자 현미경 및 X-선 회절 분석 결과를 토대로 상태도 분석 및 키네틱 해석을 함께 병행하였으며, 이는 소결 동안 Cr의 W 내 확산에 의해 소결성 가속화에 기인하는 것을 확인하였다. 셋째, Cr-W 이상 복합재료의 특성이 평가되었다. 본 연구에서 개발된 Cr-W 이상 복합재료의 잠재적 응용가능성을 평가하기 위해서 기계적 특성 및 중수소 흡착 특성을 진행하였으며, 모든 실험에 대해, 순수 Cr 및 W이 함께 비교되었다. 기계적 특성 평가에는 3점 굽힘 시험기(3-point bending tester)가 활용되었으며, Cr의 DBTT 근처(300 ℃)에서 W상에 의한 강화효과 및 Cr상이 지배하는 변형율에 따른 기계적 특성이 향상될 가능성이 내재하고 있음을 확인하였습니다. 일반적으로, 핵융합 환경에서 저방사화용 소재로 활용되기 위해서는 반드시 우수한 중수소 흡착 저항성을 갖추어야 한다. 그리고 이 같은 흡착 특성은 중성자 조사시 발생하는 나노결함으로 인해 더욱 가속화될 수 있으므로 활용 전 반드시 평가되어야 한다. 본 연구에서는 플라즈마 및 이온원 장비를 활용하여 중수소 이온을 조사하였으며, 표면 및 전체 샘플의 중수소 흡착량을 정량화하여 그 확산 거동을 이해하고자 하였다. Cr-W 이상 복합재료는 Cr상과 중수소의 높은 열역학적 안정성과 W 상 내 중수소의 느린 확산은 중수소 흡착량을 감소시키는데 큰 영향을 줄 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 또한, 중성자 유사 이온(W6+이온)을 선 조사하여 표면 나노결함 밀도를 증가시킨 샘플에 대해서도 해당 개념이 적용되어 순수 Cr 및 W 보다 낮은 중수소 흡착량이 관찰되었다. 이 연구를 통해, 차세대 핵융합로용 플라즈마 대면재로 제안 가능한 Cr-W 이상 복합재료를 처음으로 개발하고 이에 대한 근본적인 이해가 확립되었다. 해당 소재에 대한 포괄적인 연구 및 미세구조 디자인 전략과 그에 따른 잠재적 물성확보는 신개념 소재 개발에 대한 중요한 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한, W 및 Cr 소재의 C 확산 억제 현상에 대한 심층적인 이해는 C환경에서의 고순도 소재를 위한 제조 공정 기술 개발을 위한 주춧돌이 될 것이라 예상한다. 마지막으로, 본 연구의 개념은 다양한 극한환경 대응용 소재 분야에서 획기적인 진전을 가져오고 새로운 분야를 개척할 수 있는 원동력을 제공할 것으로 기대한다. In future fusion reactors, tungsten (W) is a favored candidate material for plasma-facing components (PFCs) due to an excellent combination of properties such as high hardness and excellent abrasion resistance at high temperatures. However, owing to the high ductile-brittle transition temperatures (DBTT), its inherent brittleness and the subsequent lack of damage tolerance strongly restrict the application in the extreme fusion environment. To overcome this drawback, the demand for research on structural design and the development of new composite and/or alloy material have been continuously increased. Despite such research efforts, the severe brittleness of W is still being a problem. Recently, due to the relatively low DBTT, studies for applying chromium (Cr), which shows a significant ductile behavior even at low temperature regions, and have advantages such as excellent corrosion resistance and low neutron activation, are attracting great attention as a plasma facing material (PFM). However, its low strength at high temperature limits the use of Cr in actual working environments. In this study, using above two materials, a new concept of chromium-tungsten (Cr-W) dual-phase composites was developed and proposed. In addition, the mechanical properties and deuterium resistance were evaluated to confirm the applicability as a PFM. Moreover, an issue that carbides generated inside the material due to the carbon (C) diffusion, which deteriorates the mechanical and deuterium resistance properties of the material, should be solved. Firstly, the diffusion of C occurring during material production was suppressed. In general, high melting point materials such as W (3422 °C) and Cr (1907 °C) are fabricated using powder metallurgy to obtain a dense microstructure with desired properties. Spark plasma sintering (SPS), an effective powder metallurgy technique that can fabricate bulk samples with high density in a short time by directly applying a pulsed current along mechanical pressure, is used as the main production process. However, since a powder compact to be sintered is placed in a graphite mold (die and punches), the C uptake cannot be avoided during the production. What is noteworthy here is that W and Cr are strong carbide-forming elements. The inevitable C absorption during the SPS induces carbide segregation at the grain boundaries of W and Cr, thereby reducing the ductility and leading to a brittle intergranular fracture. In order to solve this problem, W, molybdenum (Mo), and tantalum (Ta) foils were used as a C diffusion barrier of the sintered W. In particular, it was confirmed that the Ta foil can effectively suppress the C diffusion into W, while Mo foil is not an effective diffusion barrier. Thermodynamic-kinetic simulations demonstrate that the suppressed C diffusion in Ta is attributed to high solubility and low diffusivity. Furthermore, the thermodynamically stable Ta carbide prevents further C diffusion at the Ta/W interface. For the opposite reason, C diffuses faster not only in the Mo, but also at the Mo/W interface. The introduction of W foil only acts as a physical barrier for C diffusion, confirming that the effect was insufficient. Secondly, the fabrication of Cr-W of dual-phase composites was performed. For the fabrication of Cr-W of dual-phase composites, two different powders were mixed using a high-energy mill and sintered. The developed composite material exhibits a unique microstructure in which coarse Cr particles are surrounded by a three-dimensional and continuously connected ultrafine-grained W network. In order to optimize the sintering condition, the effect of sintering variables such as sintering temperature, time, process, and powder conditions was explored. With that, it was confirmed that the high density can be achievable sintered at 1300 °C in the composition of Cr-10 vol.% W and Cr-20 vol.% W. Considering the sintering temperature of W is over 1700 °C, we could deduce that the sinterability of the W phase of the Cr-W dual-phase composites was significantly improved at a relatively low temperature. In order to investigate the evolution of this unique microstructure and the mechanism for improving sinterability, phase diagram and kinetic analysis were performed together with the results of electron microscopy and x-ray diffraction analysis. The accelerated sintering of Cr-W dual-phase composites is found to be due to the Cr diffusion in W during sintering process. Thirdly, the properties of Cr-W dual-phase composites were characterized. In order to characterize the potential applicability of the Cr-W dual-phase composites developed in this study, mechanical properties and deuterium (D) retention behaviors were evaluated. In all experiments, pure Cr and W were compared together with the Cr-W dual-phase composites. A three-point bending tester was used to evaluate the mechanical properties, confirming that there is a possibility of improving mechanical properties according to the strengthening effect of the W phase and the deformation dominated by the Cr phase near the DBTT of Cr (300 ℃). In general, in order to be used as a low-radiation material in a nuclear fusion environment, it should have excellent D retention resistance. And since such retention behaviors can be further accelerated due to nano-defects generated during neutron irradiation, they must be evaluated before the use of the materials in actual working environments. In this study, D ions were exposed using plasma and ion source devices, and the amount of deuterium retention on the surface and the entire sample was quantified to understand diffusion behavior of D in material. In the Cr-W dual-phase composites, it was confirmed that the high thermodynamic stability of D with the Cr phase and the slow diffusion of deuterium in the W phase could have a significant effect on reducing the amount of D retention. In addition, this concept would also valid when the defect density on the surface is increased by pre-irradiation with neutron-like ions (W6+ ions), where a lower amount of deuterium retention than pure Cr and W is observed. From this study, for the first time, Cr-W dual-phase composites, which can be proposed as a plasma facing material for a next-generation fusion reactor, was developed. The comprehensive research and microstructure design strategy for the material are expected to provide guidelines for the development of new material concepts along with securing potential properties. In addition, this study provides strategies to minimize the C diffusion during SPS as well as an intuition into developing structural materials for extreme carbonaceous environments. Finally, it is believed that this research will provide breakthrough in the field of materials for various extreme environments and to open up new field in the material development.

압전 복합재료를 이용한 소형 비행체 조종익 구동 시스템 구현

박기훈 건국대학교 대학원 2013 국내박사

본 논문은 기존의 소형 비행체의 조종면에 사용되고 있는 유/공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는 경량, 고성능 압전 복합재료 작동기를 개발하는 것에 대하여 기술하였다. 현재까지 항공우주 비행체 및 일반 운행체의 작동 제어를 위하여 개발된 대표적 작동기인 공유압식 작동기와 회전 모터는 중량이 무겁고 작동기 구조물이 복잡한 단점으로 인하여, 경량화 작동기의 필요성이 요구되고 있다. 이와 같은 요구조건을 충족하는 압전 복합재료 작동기의 구조는 압전재료를 중심으로 상층부는 탄성계수가 크면서 열팽창계수가 낮은 섬유강화 복합재료층이 위치하며, 하층부는 탄성계수가 작으면서 열팽창계수가 큰 섬유강화 복합재료층이 위치한다. 소형 비행체의 조종면에 적용하기 위해 유니모프, 바이모프, 적층, 연장형등의 다양한 형태의 작동기를 제작하였으며, 작동기가 구조물에 적용되었을 경우의 성능 검증 시스템을 구현하였다. 특히 유니모프 형태의 작동기의 작동각도는 약 5.72˚이며, 바이모프 형태의 작동기는 약 5.38˚의 작동각도 변화를 나타내었다. 성능 시험 결과를 이용하여 레버 및 Tip-Joint, Shell-Joint 구동방식등을 적용한 다양한 방식의 조종익 시스템을 설계하였다. 향후 소형 비행체 조종익 구동 시스템 개발에 있어서 중점으로 진행해야 할 것은 다양한 형태의 지능 재료들 중 조종익 지능 구조물 구현에 적합한 재료를 성능 시험 및 시뮬레이션 등의 방법을 통해 선정하는 것이다. 또한 적용될 조종익의 구조 메카니즘은 범용성을 가질 수 있도록 설계되어야 하며, 설계된 범용 구조 메카니즘을 이용하여 조종익에 필요한 제어 시스템을 개발해야 한다. 이와 같은 연구를 통해 기존의 유공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는 경량, 고성능 압전 복합재료 작동기를 개발하고 이를 소형 비행체의 조종익에 적용을 시도하는 연구를 수행하였다.

TWF 복합재료 열-기계-전기적 특성 분석

김준영 한국항공대학교 대학원 2020 국내석사

TWF 복합재료의 열-기계-전기적 특성 분석 요 약 김 준 영 항공우주 및 기계공학과 한국항공대학교 대학원 (지도 교수 : 노 진 호) 보통 직물구조는 0°, 90° 방향으로 엮여있는 Biaxial Woven Fabric을 생각하지만 TWF(Triaxial Woven Fabric) 복합재료는 0° , 60°, -60° 3가닥의 섬유가 엮여 하나의 복합재료를 제작한다. 이 TWF 복합재료는 0°, 90° 방향으로 엮여있는 Biaxial Woven Fabric과 한 방향의 섬유로만 제작된 Unidirection Fiber(UD)의 구조적 단점이 없어 TWF 복합재료를 사용하여 강체 구조물이나 전개형 구조물에 사용된다. 기계적으로는 준 등방성 특성을 가지고 있다. 또한, 비강성이 크며, 섬유가 변형을 보정하기 때문에 복원력 또한 뛰어나다. 본 논문에서는 전개형 안테나의 재료로 TWF 복합재료의 열-기계-전기적 성능을 분석하고자 한다. 네트워크 아날라이저(Network Analyzer)를 통해 각도에 따른 TWF 복합재료의 유전율과 투자율을 계산한다. 구조물에 대한 전기적 특성을 분석하기 위하여 RF 방사패턴 시험을 수행해야 하나 먼저 시편으로서 전기적 특성을 예측하기 위하여 시뮬레이션을 수행한다. 이 시뮬레이션을 통해서 UD, BWF, 그리고 TWF의 전기적 특성을 분석하여 재료를 선정한다. 이후 TWF 복합재료의 열-기계적 물성치를 분석하기 위하여 미시적 단계로 해석하기 위하여 주기적 경계조건을 사용하여 Unit cell로 인장, 전단 등 각종 시험을 모사하여 유한요소법(Finite Element Method)을 통해 수치적으로 물성치를 분석하고자 한다.

Analysis of the mechanical behavior of steel and polymer sandwich composite considering interfacial properties

한성진 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Due to global need to increase energy efficiency, many studies have been conducted to reduce the weight of products and structures while maintaining their performance. In particular, automotive industries have tried to develop new composites, e.g., laminated steel and polymer. By sandwiching polymer with steel layers, the weight of resulting structure has been demonstrated to be reduced within acceptable performance. Although various studies have been conducted to evaluate the mechanical properties and functionalities of the sandwich composites, it is still challenging to accurately predict those due to a lack of consideration of their interfacial properties. Therefore, experimental and theoretical studies were conducted to predict the mechanical behavior of steel-polymer sandwich composites considering interfacial properties in this study. Firstly, the interfacial adhesion in sandwich composites was systematically varied to evaluate its effects on mechanical properties, particularly tensile strength. Furthermore, we investigated why the tensile strength of each component is not fully realized for seemingly simple structures consisting of two steel layers and a core polymer layer when assuming relatively weak adhesion. The resulting interfacial properties of the sandwich composites were characterized and incorporated into a cohesive zone model for finite element simulation. The simulation results revealed that, in contrast to the strong adhesion case, weak adhesion leads to stress concentration around failed cohesive elements, resulting in earlier failure of constituent layers and thus a lowering of the overall tensile strength of the composite. Secondly, the damping performance of lightweight steel-polymer sandwich composites have been typically studied without considering the interface between the heterogeneous materials. Herein, the interface between the steel and polymer layers was investigated experimentally for various steels and polymers. Impact hammer test results revealed that although very thin, the adhesive layer itself greatly influenced the vibration-damping performance of the composite. A five-layered sandwich model that included the adhesive layer accurately predicted the loss factor of the sandwich composite. Thirdly, the formability of the sandwich composite was experimentally evaluated using forming limit diagram. Unlike the general steel sheet, in order to define the formability of the sandwich composite, it was necessary to consider delamination as well as fracture of the specimen. Therefore, the formability test of steel-polymer sandwich composite was simulated considering the interfacial properties using the cohesive zone model. Finally, the effect of the interfacial adhesion on the formability of the sandwich composites was investigated, from which an optimal condition was explored for the interfacial adhesion that can ensure the formability of the sandwich composites. Lastly, thermo-compression behavior of the sandwich composite was simulated. For this purpose, the mechanical properties of polymer according to temperature were evaluated. In addition, the flow of the core polymer and interfacial behavior were observed in the thermo-compression process through the simulation. Finally, through the compressive behavior and interfacial behavior of the sandwich composites according to the temperature, it is intended to present optimal conditions for the welding process of the sandwich composites. 범세계적으로 일어나는 에너지 저감 대책의 일환으로 경량 구조재료에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히 수송 산업의 경우, 스틸과 고분자를 접합한 새로운 복합재료를 개발하기 위해 노력하고 있다. 금속과 고분자를 접합하면, 기계적 물성을 적정 수준으로 유지하면서 경량화가 가능하다고 알려져 있다. 이에 따라 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 기계적 물성과 다양한 기능성을 평가하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 이들을 예측하기 위한 연구의 대부분은 계면 물성에 대한 고려가 없어 실제와 일치하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 계면 물성을 고려하여 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 기계적 물성을 예측하기 위해 실험적, 이론적 연구를 수행하였다. 우선 샌드위치 복합재의 기계적 특성, 특히 인장강도에 계면 접착력이 미치는 영향을 평가하기 위한 다양한 실험을 진행하였다. 또한 접착력이 약한 경우, 스틸층과 고분자층으로 구성된 단순한 구조에 대해서도 각 구성 요소의 인장 강도를 완전히 발현할 수 없는 이유를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션 결과, 접착력이 약하면 시편의 파괴보다 계면의 파괴가 먼저 일어나게 되며, 계면이 파괴된 부분에 응력 집중이 일어나 복합재료의 파괴를 초래하여 전체적인 인장 강도를 낮춘다는 것이 밝혀졌다. 더불어 일반적으로 알려진 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 제진 성능을 예측하는 모델은 이종 재료 간의 계면을 고려하지 않는다. 따라서, 계면 물성이 샌드위치 복합재료의 제진 성능에 미치는 영향을 확인하지 위한 다양한 실험을 진행하였다. 임팩트 해머 시험을 통해 매우 얇은 접착층도 복합재료의 제진 성능에 큰 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 따라서, 기존에 알려진 3층 구조의 제진 성능 예측 모델을 접착층을 고려할 수 있도록 5층 구조로 수정하고 실험 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 또한 샌드위치 복합재료의 성형성을 실험적으로 평가하고, 이를 성형한계도로 나타내었다. 일반적인 강판과는 달리 샌드위치 복합재료의 성형성을 정의하기 위해서는 계면의 박리를 고려해야한다. 따라서, 응집 영역 모델을 통해 계면 물성을 고려하여 샌드위치 복합재료의 성형성 시험을 모사하였다. 이를 통해 샌드위치 복합재료의 성형성에 계면 물성이 미치는 영향을 밝혀 내었으며, 이를 통해 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 성형성을 보장할 수 있는 최적의 계면 접착력을 탐색하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재료의 열압축 거동을 모사하기 위해 코어 고분자의 온간 물성을 평가하였다. 또한 열압축 공정의 시뮬레이션을 통해 코어 폴리머의 유동성과 계면의 거동을 관찰하였다. 이를 통해 샌드위치 복합재의 열압축 공정의 최적 조건을 탐색하고 이를 제시하고자 하였다.

나노입자로 개질된 열가소성수지/탄소섬유 복합재의 제조 및 특성

권일준 경북대학교 대학원 2017 국내박사

본 논문에서는 최근 자동차 경량화에 있어서 필수 소재로서 다시금 큰 관심을 받고 있는 열가소성 탄소 복합재료를 제조하였고, 성능 개선을 위해 나노입자를 첨가하여 수지 함침성, 인장강도, 굽힘강도, 압축강도 전단강도 등의 물성 향상에 대해 연구하고자 하였다. 먼저 현탁중합법을 이용하여 PVAc/CNT 나노복합 미립자를 제조하였으며, 이를 열가소성 수지와 친수성 재료로써 유동성 개선 특성을 가지고 있는 PVA/CNT 나노복합 미립자 함침 필름으로 제조함으로써 물리적 특성에 대하여 검토하고자 하였다. 열가소성 필름과 탄소섬유간의 계면 결합력을 향상시키기 위해 탄소섬유에 플라즈마를 처리하여 젖음성과 표면에너지를 관찰하였으며, 플라즈마 처리에 따른 계면접착력과 계면의 노치 크기에 따른 접착력 향상 검토를 위해 전산해석을 통한 분석을 진행하였다. 또한 나노미립자가 첨가된 열가소성 탄소복합재료 제조하기 위해 섬유 확사에 따른 이론적인 접근과 함께 spread tow 프리프레그 제조 및 이를 여러겹 적층한 복합재료의 성능을 평가하고 결과를 나타내었다. PVA/CNT 나노복합 마이크로입자의 전구체인 PVAc/CNT 나노복합 마이크로입자를 CNT입자를 VAc에 혼입시켜 저온현탁중합법에 의하여 성공적으로 제조하였다. 혼입된 CNT 입자가 증가함에 따라 전환속도는 감소한다. 그러나 0.5wt.%의 CNT의 경우 중합온도 40℃에서 약 65%의 전환율이 증가하였다. SEM 분석 결과 PVAc/CNT 마이크로입자는 CNT 나노입자가 혼입된 상태에서 VAc의 in-situ 현탁중합에 의해 제조됨을 나타낸다. 또한 CNT입자가 마이크로입자의 표면 뿐만 아니라 코어 내부에도 잘 혼입되어 있는 것을 보여준다. 불균일계 비누화법을 이용하여 PVAc/PVA/CNT 나노복합 마이크로입자를 제조하여 1H-NMR 분석 결과 완전히 비누화된 나노복합 마이크로입자를 얻을 수 있었고, 혼입된 CNT 입자의 양이 증가할수록 PVAc 마이크로입자의 비누화도는 크게 증가하였다. 나노복합재 필름을 제조하고 진행한 실험은 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 권취속도가 증가할수록 복합재 필름의 탄소나노소재의 배향성이 증가하게 되므로 인장강도 및 인장탄성률이 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 복합재 필름의 연신율의 경우, 권취속도의 증가로 인해 복합재 필름의 결정성이 증가하게 되므로 권취속도가 증가할수록 연신율은 감소하는 경향을 나타내었다. PVA/CNT 나노복합필름의 물성의 CNT에 따른 물성을 분석한 결과 CNT의 질량분율이 5wt.%이상이면 CNT의 응집현상으로 인하여 물성이 3wt.%일 때 보다 감소하는 경향을 나타내었다. 하지만 PP/PVA/CNT 나노복합필름의 경우 PVA의 분산효과로 인하여 CNT의 질량분율이 5wt.%이상이더라도 물성이 3wt.%일 때 보다 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 압출성형기를 통한 복합재 필름의 제조 시, 압출방향과 수직방향에 대해 특성을 비교하였다. 압출방향으로 탄소나노소재가 배향되고, 이에 따라 인장강도 및 인장탄성률 면에서 압출방향에서 조사한 값이 수직방향에서 조사한 값에 비해 높은 것으로 나타났다. 플라즈마 처리가 탄소섬유의 표면에 미치는 영향을 알아보기 위하여 AFM, XPS 그리고 표면에너지 등을 측정하였으며 탄소/Nylon6 복합재의 물성분석을 위해 층간 전단강도 측정, 피로도 시험, 그리고 pull-out test를 진행하였고 그 결과는 다음과 같다. 플라즈마 처리(0s, 30s, 60s, 90s)에 따른 탄소섬유의 표면특성의 경우, 플라즈마 처리시간이 60s일 때 가장 많은 요철이 발생하여 표면적 값이 가장 높았고 가장 높은 히드록실기 조성비를 나타내었다. 하지만 60s이상 플라즈마 처리를 하게 될 경우, 히드록실기에 비해 상대적으로 안정적인 카르복실기가 형성되는 것을 확인하였다. 이를 통해 플라즈마 처리시간에 따라 히드록실기가 무조건적으로 증가하는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 플라즈마 처리에 의한 표면에너지값의 경우 60s동안 처리하였을 때 히드록실기에 의하여 가장 높은 표면에너지가 나타났고, 90s동안 플라즈마 처리를 하였을 때 히드록실기에 비해 상대적으로 안정한 카르복실기가 생성되어 표면에너지가 오히려 감소한다는 것을 확인하였다. 플라즈마 처리 유무에 따른 탄소/Nylon6 복합재의 기계적 물성을 비교한 결과, 층간 전단시험과 pull-out test에서의 결과값이 플라즈마를 처리한 탄소/Nylon6 복합재가 플라즈마를 처리하지 않은 탄소/Nylon6 복합재보다 더 높게 나타났다. 이 결과를 통해, 플라즈마를 탄소섬유에 처리할 경우 생성된 히드록실기에 의하여 탄소섬유와 Nylon6 수지 사이의 계면접착력이 증가함을 확인하였다. 노치의 형상에 따른 접합력 해석은 structural analysis보다는 explicit analysis가 더 실제와 유사한 결과를 보여질 수 있음을 확인하였다. Explicit analysis결과 노치의 크기가 커질수록 접착면이 늘어나 더욱 높은 접착력이 일어남을 확인 할 수 있었으며, 노치의 높이가 높아지자 소재의 전단력이 적용하여 더 많은 면적에 고른 응력이 분포됨을 알 수 있었다. 복합재료 제조 시 함침성은 기계적 물성 향상에 중요한 영향을 주는 요소임을 확인하였으며, 점도를 낮추면서 물성을 유지하거나, 압력을 높이면서 기계적 무리가 가지 않을 시 함침성이 우수해져 기계적 물성이 좋아진다. 또한 연속 섬유 펼침 기술은 섬유강화 복합재료의 생산성과 제품의 품질 향상을 기대할 수 있도록 하며, 앞으로도 그 발전 가능성이 크다. 12K 탄소섬유 tow의 폭은 기존 보다 약 3배가 넓어졌고, 두께는 0.10mm에서 0.04mm로 2.5배 줄어들었다. 다시 말해, 탄소섬유의 직경이 7μm라고 가정하면 하나의 tow에 섬유 층이 2배 이상 축소되었음을 의미한다. 열풍과 롤러의 물리적으로 섬유를 펼쳐줌으로써 나노복합 Nylon6 수지가 좀 더 쉽게 섬유 사이를 침투할 수 있기 때문에 미 함침 지역을 줄임과 동시에 기계적 물성을 향상시킨 결과를 얻었다. Spread tow를 사용한 복합재료의 기계적 특성이 기존의 탄소섬유 tow를 사용한 것이 인장강도, 굴곡강도가 더 높은 경향을 나타내었다. 이렇듯, spread tow를 사용하면 기존 tow 프리프레그를 사용한 것보다 얇은 프리프레그로 여러 장 적층할 수 있기 때문에 섬유와 섬유간의 계면력이 향상되어 최고의 물성이 발현된다. 결과적으로, 적층 복합재료에서 층의 두께는 기계적 특성을 제어하는 주된 역할을 하므로 궁극적인 복합재료를 제조하기 위해서는 함침도를 향상시켜 기공을 최소화하는 것이고, 이를 위해서는 함침 깊이 다시 말해 두께가 얇을수록 물성이 좋음을 확인하였다. In this study, Synthesis of nano/thermoplastic hybrid films and their applications technologies for carbon composite were studied. In chapter 1, Poly(vinyl acetate) (PVAc)/poly(vinyl alcohol)/carbon nanotube (CNT) nanocomposite microspheres with a core/shell structure were prepared by heterogeneous saponification of a PVAc/CNT microsphere suspension polymerized for the first time. We investigated the effects of various polymerization conditions on the conversion of vinyl acetate (VAc) into PVAc, such as time, temperature, and CNT concentration. The results indicated that the rate of polymerization decreased with CNT addition. In addition, the time and temperature had significant effects on the polymerization rate, and it was difficult to obtain higher conversion of VAc into PVAc at lower temperature and time. However, 65% conversion could be achieved despite the presence of CNTs at low temperature for a polymerization time of 25 h. Field-emission scanning electron microscopy was performed to examine the CNT distribution in the PVAc microspheres, and the results revealed that CNT particles were completely inserted into the polymer matrix, indicating that PVAc/CNT microspheres could be prepared by in situ suspension polymerization. The detailed structure of the PVAc/CNT microspheres was determined using X-ray diffraction analysis, and the results suggested that CNTs were inserted into PVA microspheres, and PVAc/CNT nanocomposite microspheres were successfully prepared with 0.5 wt.% CNTs. The effects of various CNT concentrations on the degree of saponification of PVAc were examined using optical microscopy at various saponification times, and 1H-NMR results indicated that the saponification rate increased significantly with increasing CNT concentration and that almost fully saponified PVA microspheres were obtained in the presence of 0.5 wt.% CNTs for a saponification time of 120 h. In chapter 2, Polypropylene(PP)/multiwalled carbon nanotubes(MWCNT) nanocomposites films and PP/poly(vinyl alcohol)/CNT nanocomposites films were prepared through melt mixing method by the extruder. The PP/CNT and PP/PVA/CNT nanocomposites films, which contain MWCNT, were prepared for a material property test. We researched on a tensile modulus, ultimate strength and elongation for PP/CNT nanocomposites films. The effects of take-up speed of the extruder on the mechanical and chemical properties of the PP/CNT and PP/PVA/CNT nanocomposties film were studied. It was found that the mechanical properties increased when take-up speed was increased. In chapter 3, PAN-based Carbon fabrics were treated with plasma of argon and oxygen for surface modification, and the effect of plasma treatment on interfacial binding force of carbon/nylon 6 composites were investigated. Chemical changes on the surface of the carbon fiber to plasma treatment were studied by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and atomic-force microscopy(AFM) was used to examine the surface morphology. Research on surface energy of carbon fiber with time of plasma treatment and mechanical test for carbon/nylon 6 composites were conducted. The functional groups such as hydroxy, carboxyl group was created on surface of carbon fiber with plasma treatment. It was found that the results of interfacial binding force improved as long as time of plasma treatment increased. In chapter 4, This paper reports a study on a method for achieving CF/Nylon6 (Polyamide 6) laminate composites referred to as tow spreading technology. Also, the effect of the spread tow on the impregnation was investigated by Darcy’s law. Thickness of an unspread 12K carbon fiber tow is thinned by increasing the tow width from 7mm to 20mm. The Nylon6 film was used to stabilize and impregnate the spread tow, covering it into a partially consolidated prepreg : 12K carbon fiber spread tow/Nylon6 film. The laminate composites were fabricated from the prepreg and for comparison, the other laminate composite was produced from conventional tow prepreg of 12K carbon fiber/Nylon6 film. Consequently, the spread tow laminate composite exhibited lower void content and improved mechanical properties.

複合材料의 上水道菅 適用에 관한 硏究

이수찬 京畿大學校 産業情報大學院 1996 국내석사

오늘날의 水道는 初期의 衛生施設로서의 役割에서 都市生活을 支撑하는 重要한 基盤施設로서 都市의 生命線이라 할 수 있다. 上水道의 需要는 經濟發展과 生活水準의 向上에 비례하여 增加하고 있는 반면, 上水道의 給·排水管路의 漏水 및 낡은 管의 많은 問題點이 부각되고 있다. 이를 解決하기 위해서는 새로운 材料와 實用可能한 技術을 應用하여 새로운 水道 構造形式의 開發이 必要하다. 本 論文에서는 複合材料에 관한 槪念, 長點, 特性, 應用現況 등을 살펴보았다. 특히 미국과 국내의 旣存管路에 대한 硏究調査를 行하였으며 그 결과 複合材料管의 長點 및 特性으로 인한 工事費의 節減 및 工期短縮을 豫測할 수 있었으며 鋼管과 比較하였을 때 工事費가 約 50%로 減少하고, 工期는 約 1/5로 短縮되는 것으로 나타났다. Today, the position of the water supply has been changed to more essential facilities keeping the city lives as a lifeline than its early role of sanitary facilites. While the demand of the water supply increases with development of economics and living standard, the deteriorated water pipes causes many problems such as a water leakage. To solve these problems, developing the new water pipe structure made of new materials and practical techniques must be needed. In this study, the concept, merits, characteristics and present condition of composite materials are surveyed. The water pipe system of U.S.A. and Korea are compared and analyzed. As a result, decreased expense and time for water pipe construction can be expected owing to the characteristic merits for composites. The construction expense for water pipe made of composite materials decreased to 50% lower, while the construction time decreased by fifth compared to that of steel.

복합재료 압력용기 초기 와인딩 패턴 설계 및 최적화를 통한 구조해석

김건우 가천대학교 일반대학원 2021 국내석사

해외 및 국내에서 사용되고 있는 압력용기의 종류는 라이너의 재질과 복합재를 감는 위치에 따라 나뉘게 되며 용기는 총 4가지 타입으로 구성되어 있다. Type 1 용기의 경우 금속 재질만 사용하여 제작된 용기이고 Type 2 용기는 Type 1과 동일하게 금속 재질을 사용하여 제작되었지만 복합재료를 통해 실린더 부를 보강하는 방식으로 제작되는 용기이다. 또한 Type 3 용기는 금속 재질의 라이너를 사용하고 라이너 전체를 복합재료로 보강하는 방식으로 제작된다. 앞서 말한 3가지 타입의 용기와는 다르게 Type 4 용기는 비금속 재질을 사용하여 제작된 라이너 위에 복합재료로 보강하여 만든 용기이다. 현재 모든 용기의 타입이 고압의 압력을 견디는 목적으로 사용되고 있지만 그 중 Type 3 및 Type 4 복합재료 압력용기가 대표적이다. 섬유가 내압에 의해 발생되는 모든 하중을 지지한다는 이론인 망목이론으로부터 유도된 등장력 돔 형상을 통해 복합재료 압력용기는 설계되며 탄소섬유를 감는 방식인 필라멘트 와인딩을 통해 비 측지선, 측지선, 준 측지선 궤적으로 돔 부 및 실린더 부를 보강하여 제작된다. 복합재료 압력용기는 기존 금속 재질로만 제작된 용기에 비해 무게 효율이 높고 내 부식성에 강하다는 장점이 존재하지만 제작 및 안정성 시험을 통과함에 있어 많이 예산이 소모되는 단점이 존재한다. 이를 위해 본 연구에서는 와인딩 각도를 변경하여 더 낮은 응력을 도출함으로써 안전성을 높이거나 복합재료 압력용기에 사용되는 복합재료의 두께를 줄여 경제성을 높힐 수 있는 연구가 필요하다고 판단하였다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Matlab을 통해 154L Type 3 및 그 외 Type 4 복합재료 압력용기의 라이너 형상을 등장력 돔으로 설계하였으며 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 모델링을 진행하였다. 또한 Type 3 및 Type 4 복합재료 압력용기를 제작함에 있어 필라멘트 와인딩의 중요한 매개 변수인 와인딩 각도, 레이어 적층 순서, 각 레이어 타입에 따른 적층 수, 고각의 레이어 등에 따른 복합재료 압력용기의 영향을 ABAQUS의 Plug-In인 WCM(Wound Composite Modeler)를 통해 모델링하고 구조해석 진행 및 확인함으로써 초기 와인딩 패턴을 설계하였다. 이 후 최적화 프로그램인 I-Sight를 통해 필라멘트 와인딩 각도를 매개변수로 하고 구조해석까지 자동으로 진행되는 최적화 프로세스를 설계하고 진행하여 구조 해석의 시간적 효율성을 높이고 최적화 된 와인딩 패턴을 도출하여 복합재료 압력용기의 경제성 및 안정성을 높이는 결과를 얻었다.

3차원 브레이드 유리섬유/에폭시 복합재료의 열전도도 예측에 관한 연구

정혁진 서울대학교 대학원 2003 국내석사

기존의 적층 복합재료나 2차원 복합재료는 두께 방향으로 실이 교차되지 않기 때문에 적층의 층간이 약하므로 큰 피로강도와 충격강도가 요구되는 곳에서는 불충분한 반면에 3차원 브레이드 복합재료는 두께 방향으로 실이 교차되기 때문에 적층의 층간 균열전파를 생각하지 않아도 되므로 2차원 적층 보강섬유물 보다 damage tolerance가 좋고 피로수명(fatigue life)이 길다[1]. 또한 여러 단면 형태의 보강섬유물을 제조 할 수 있고 기존의 복합재료 보다 높은 파단 강도, 탄성 계수, 전단 강도를 가지며 높은 절단 신장을 갖는 등 역학적 성질이 우수한 것으로 알려져 있다[2]. 따라서 이에 따른 많은 이전의 연구가 있었는데 대부분 기계적 성질에 중점을 둔 것으로 우수한 열적 재료에 대한 요구가 증대되고 있는 가운데 열전도도에 관한 연구의 필요성이 부각되고 있다. 기존의 열전도도 예측에 관한 연구에는 2차원 구조인 일방향 복합재료와 평직물 복합재료의 열전도도 예측에 관한 연구가 있었다. 본 연구에서는 3차원 브레이드 복합재료의 열전도도에 큰 영향을 미치는 브레이드 보강섬유물(preform)의 미세구조를 바탕으로 하여 미세구조내의 실이 복합재료에 기여하는 정도를 브레이드 앵글, 내부구조와 표면구조와의 관계를 고찰하여 좌표변환을 통해 실이 전체 복합재료의 열전도도에 기여하는 정도를 계산하였다. 또한 섬유의 부피분율과 앞서 구한 실의 기여도를 가지고 기지재의 열전도도와 함께 열저항 네트워크를 구성하고 열-전기 유사성을 이용하여 열전도도를 예측하였다. 또한 실험을 통해 실제 3차원 브레이드 복합재료를 제조하여 측정한 값과 예측한 값을 비교, 검증하였고 같은 재질의 평직물 복합재료와 비교하여 구조적 우수성이 열적 성질에도 영향을 끼치는가를 조사하였다. 본 연구에서는 4단계 공정으로 만들 수 있는 3차원 브레이드의 여러가지 패턴 중에서 1×1패턴 3차원 브레이드 구조물에 국한하였다.

섬유강화 복합재료를 적용한 선박용 추진축의 구조설계에 관한 연구

조제형 부산대학교 대학원 2020 국내박사

최근 조선해양산업은 글로벌 환경규제와 더불어 운항효율 향상을 위한 친환경선박에 대한 관심이 증가되고 있다. 이에 전 세계적으로 신소재를 활용한 선체의 고효율화 기술 및 친환경 경량 의장부품 개발을 추진 중에 있으며 고강도, 경량화, 내식성 등의 해양 환경 특성을 가진 고기능성 재료를 적용하기 위한 선체, 기자재 및 의장부품의 개발 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 현재 일반 선박에 널리 적용되고 있는 금속재료 추진축은 설계, 제작 및 평가기술에 대해 각국의 선급에 의해 규정되어 있지만, 섬유강화 복합재료를 적용한 선박용 추진축은 설계 및 평가에 대한 기술 규정이 미비한 실정이다. 기존의 금속재료 추진축은 부식 환경에 노출되어 있고, 경량화에 의한 중간축 베어링 등의 부품 수량을 감소시킬 수 있다. 또한, 동력전달 에너지의 손실을 줄여 운항효율이 향상되므로 선박의 경량화와 연비 절감에 크게 기여할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 대형선박에 적용되는 금속재료 추진축 대비 경량화, 저진동 등 운항효율에 큰 장점을 가진 섬유강화 복합재료 추진축에 대한 구조설계의 유효성을 확보하고자 한다. 복합재료 추진축의 설계를 위해 전단응력식을 활용하여 추진축 Tube의 직경비를 도출하였으며, 와인딩 적층각도별 비틀림 강도 및 탄성계수 변화 등의 결과 비교를 통해 적층각 및 적층패턴 등을 선정하였다. 여기서 도출된 추진축의 두께 및 적층각 패턴의 적정성을 MCQ-Composites 시뮬레이션을 통해 확인하였으며, 파손이론 선정 및 전산해석의 타당성을 확보하기 위해 축소스케일의 추진축을 제작하여 비틀림 시험과 해석의 비교를 통해 검토하였다. 이에 따라 복합재료 파손이론을 기반으로 엔진 동력 최대토크, 비틀림진동에 최대 토크, 프로펠러 추력 등의 외부 하중에 대한 섬유강화 복합재료 대형 추진축의 Tube에 대한 구조적 안전성을 전산해석을 통하여 검증하였다.

Microstructure and Mechanical Properties of Al_(2)O_(3)/SiC Nanocomposites Fabricated by Pressureless Sintering and Post Hot-Isostatic Pressing

정영근 Osaka University 1998 해외박사

새로운 재료설계 개념인 나노복합재료는 나노미터 크기의 미세한 제2상을 기지상의 입자내부 또는 입계에 분산시킨 재료로서, 기존 세라믹스에서 미세구조제어의 최소단위로 생각되어 오던 결정입자 단위보다 더 미세한 입자내부의 구조제어를 행한 새로운 형태의 복합재료이다. 그러나 지금까지의 나노복합재료는 핫프레스를 이용하여 소결하여 실용화의 장애 요인이 되어왔다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 상압소결법을 이용하여 나노복합재료를 제작하고자 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 제1장에서는 나조복합재료의 상압소결방법에 의한 제작 필요성에 대하여 서술하였다. 제2장에서는 상압소결법에 의한 Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 제조공정의 최적조건을 기술하였고, Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 실용화를 위한 상압소결/열간등방가압 공정의 필요성에 대하여 논하였다. 제3장에서는 상압소결한 Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 치밀화 거동에 대하여 고찰하였다. Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 소결성은 SiC 분상상에 의해 현저하게 저하하지만, 미량의 MgO 소결조제를 첨가함으로써 Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 치밀화가 촉진되는 것을 밝혔다. 덧붙여 Al₂O₃/SiC 나노복합재료는 열간등방가압공정에 필요한 소결체의 최소 상대밀도가 기존의 세라믹스에서 알려져 있던 것보다 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 또한 MgO와 Y₂O₃의 동시첨가는 치밀화를 더욱 향상시키지만, 미세조직의 제어를 위해서는 첨가되는 MgO와 Y₂O₃의 비율이 매우 중요함을 밝혔다. 제4장에서는 상압소결 Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 미세조직 관찰을 통하여 열간등방가압 공정이 복합재료의 미세조직제어에 효과적임을 보여주었다. 그리고 SiC 입자의 pinning 효과에 의해 알루미나의 입자성장이 억제되고, 이러한 효과는 SiC의 양이 증가함에 따라 현저함을 보여주었다. 또한 소결조제인 MgO의 첨가에 의해 Al₂O₃/SiC 나노복합재료는 나노미터 크기의 SiC 입자에 의해 알루미나의 입자 성장이 억제되는 장점을 유지하면서 치밀화가 촉진된다는 것을 알 수 있었다. 제5장에서는 상압소결한 Al₂O₃/SiC 나노복합재료의 상온 및 고온 강도에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서의 상압소결/열간등방가압 공정을 이용한 Al₂O₃/SiC 나노복합재료는 기존의 핫 프레스 방법에 의하여 얻어진 강도와 동일한 1 GPa 이상의 높은 강도가 얻어질 수 있었다. 열간 등방가압 공정 전후의 현저한 강도 변화는 파괴양식과 관련되어, 열간등방가압전의 복합재료의 파괴양식은 입계파괴 및 입내파괴가 섞여있는 파괴양식을 보이고, 열간등방가압후의 복합재료는 완전히 입내파괴를 보이는 것을 확인하였다. 또한 복합재료의 고온 강도는 SiC의 첨가량이 5 vol%일 경우, 상온의 강도가 1000℃까지 유지되어, 알루미나에 비하여 매우 높은 고온 강도를 나타내었다. 나노복합재료의 높은 고온 강도는 입계에 분산되어있는 SiC 입자에 의한 입계확산의 억제효과, 입계 sliding 억제효과 및 발생한 공극의 성장 또는 연결을 방지하는 효과에 기인한 것이다.