탄소섬유 복합재료의 전기전도도와 기계적 강도를 높이기 위하여 음극 및 양극 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브(MWCNT)와 탄소나노섬유(CNF)를 탄소섬유직물에 부착하였다. 양극 전기영동에서는 MWCNT와 CNF의 탄소나노 입자들만이 탄소 섬유에 부착되었으나, 음극 전기영동에서는 MWCNT와 CNF 및 나노 크기의 구리 입자가 동시에 탄소섬유직물에 부착되었고 이에 따라 부착 밀도 및 복합재료 물성의 증대라는 시너지 효과를 거둘 수 있었다. 특히 나노 크기의 탄소나노입자 및 마이크로 크기의 탄소 섬유가 혼합된 멀티스케일 복합재료의 제조를 통해 두께 방향 전기전도도의 높은 향상을 얻었다. 또한 MWCNT와 CNF를 동시에 멀티스케일 복합재료에 적용하였을 경우, 각각을 적용한 경우보다 두께 방향 전기전도도가 높게 나타났다.
탄소섬유 복합재료의 전기전도도와 기계적 강도를 높이기 위하여 음극 및 양극 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브(MWCNT)와 탄소나노섬유(CNF)를 탄소섬유직물에 부착하였다. 양극 전기영동에서는 MWCNT와 CNF의 탄소나노 입자들만이 탄소 섬유에 부착되었으나, 음극 전기영동에서는 MWCNT와 CNF 및 나노 크기의 구리 입자가 동시에 탄소섬유직물에 부착되었고 이에 따라 부착 밀도 및 복합재료 물성의 증대라는 시너지 효과를 거둘 수 있었다. 특히 나노 크기의 탄소나노입자 및 마이크로 크기의 탄소 섬유가 혼합된 멀티스케일 복합재료의 제조를 통해 두께 방향 전기전도도의 높은 향상을 얻었다. 또한 MWCNT와 CNF를 동시에 멀티스케일 복합재료에 적용하였을 경우, 각각을 적용한 경우보다 두께 방향 전기전도도가 높게 나타났다.
In order to increase the electrical conductivity and the mechanical properties of carbon fabric composites, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon nanofibers (CNFs) were deposited on carbon fabrics by anodic and cathodic electrophoretic deposition (EPD) processes. In the cathodic EPD, car...
In order to increase the electrical conductivity and the mechanical properties of carbon fabric composites, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon nanofibers (CNFs) were deposited on carbon fabrics by anodic and cathodic electrophoretic deposition (EPD) processes. In the cathodic EPD, carbon nano-particles and nano-sized Cu particles were simultaneously deposited on the carbon fabric, which gave a synergetic effect on the enhancement of properties as well as the degree of deposition. The hybridization of carbon nano-particles and micron-sized carbon fiber significantly improved the through-the-thickness electrical conductivity. In addition, both MWCNTs and CNFs were deposited onto the carbon fabric for multi-scale hybrid composites. Multi-scale deposition improved the through-the-thickness electrical conductivity, compared to the deposition of either MWCNTs or CNFs.
In order to increase the electrical conductivity and the mechanical properties of carbon fabric composites, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon nanofibers (CNFs) were deposited on carbon fabrics by anodic and cathodic electrophoretic deposition (EPD) processes. In the cathodic EPD, carbon nano-particles and nano-sized Cu particles were simultaneously deposited on the carbon fabric, which gave a synergetic effect on the enhancement of properties as well as the degree of deposition. The hybridization of carbon nano-particles and micron-sized carbon fiber significantly improved the through-the-thickness electrical conductivity. In addition, both MWCNTs and CNFs were deposited onto the carbon fabric for multi-scale hybrid composites. Multi-scale deposition improved the through-the-thickness electrical conductivity, compared to the deposition of either MWCNTs or CNFs.
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문제 정의
앞의 실험적 결과를 바탕으로, CNF는 CNT보다 더 크기 때문에 탄소섬유 위에 두껍게 부착될 수 있다는 것과 CNT는 CNF 보다 더 조밀하게 부착될 수 있다는 각각의 장점을 취하여, CNT와 CNF를 동시에 부착하여 상승 효과를 확인하고자 하였다. 실험 결과가 좋았던, 음극 전기영동공정으로, CNT 와 CNF를 각각 0.
제안 방법
본 연구에서는 CNT 와 CNF를 각각 산처리를 통한 양극 전기영동 (Anodic EPD)와 폴리에틸렌이민 (Polyethyleneimine, PEI)을 이용한 음극 전기영동 (Cathodic EPD)을 수행하였다 [5-7]. Fig.
측, 전하를 띤 입자와 반대의 전극을 기면에 연결하고 기면과는 반대 전극과의 전위차를 이용하여 원하는 입자를 기면이 연결된 전극으로 이동시켜 증착시키는 원리이다. 따라서 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 표면처리에 의한 수용액내의 입자의 극성이 (+)인지 (-)인지에 따라 음극 (cathodic)과 양극(anodic) 공정으로 나누어 진다. 전기영동 공정을 통하여 CNT와 CNF가 부착된 탄소섬유를 사용한 복합재료 제작과 이 복합재료의 기계적 및 전기적 특성을 평가하여 그 보강 효과를 확인하였다.
3에서 볼 수 있듯이 표면처리에 의한 수용액내의 입자의 극성이 (+)인지 (-)인지에 따라 음극 (cathodic)과 양극(anodic) 공정으로 나누어 진다. 전기영동 공정을 통하여 CNT와 CNF가 부착된 탄소섬유를 사용한 복합재료 제작과 이 복합재료의 기계적 및 전기적 특성을 평가하여 그 보강 효과를 확인하였다. 또한, 음극 전기영동으로 CNT와 CNF를 동시에 부착시켜 특성을 비교하였는데, 이는 CNF가탄소섬유 표면에 마이크로 크기로 부착되고 그 사이 빈 공간을 CNT가 채우는 멀티스케일 방식의 강화재료 효과를 얻을 수 있다고 판단하였기 때문이다[8, 9].
전기영동실험을 위하여, 80x801110?의 탄소섬유직물 및 같은 크기를 가진 Q3mm 두께의 구리판을 이용하여 양극 전기영동과 음극 전기영동을 수행하였다. 양극 전기영동공정의 경우 산처리한 CNT 혹은 CNF가 분산된 수용액에서 양극 예는 탄소섬유 직물을, 음극에는 고전도 구리판을 연결하고 두 극간 8mm의 간격을 유지하여 30V 전압하에서 5분간 부착하였다.
양극 전기영동공정의 경우 산처리한 CNT 혹은 CNF가 분산된 수용액에서 양극 예는 탄소섬유 직물을, 음극에는 고전도 구리판을 연결하고 두 극간 8mm의 간격을 유지하여 30V 전압하에서 5분간 부착하였다. 음극 전기영동공정에서는 양극에는 구리판, 음극에는 탄소 직물을 연결한 후, PEI 표면 처리된 CNT 혹은 CNF 수용액에서 동일한 간격, 인가전압 및 시간으로 공정을 진행하였다.
lwt% 투입한 후 초음파 분산기로 분산시켰다. 음극 전기영동eOJwt%의 CNT 와 0.05wt%의PEI (Aldrich; Mw. 25,000) 를 증류수에 분산시켰다. 전기영동법으로 부착된 직물은 건조시킨 후 SEM과 EDS로 표면을 관찰하였다.
25,000) 를 증류수에 분산시켰다. 전기영동법으로 부착된 직물은 건조시킨 후 SEM과 EDS로 표면을 관찰하였다.
전기영동공정에 의해 탄소나노입자 부착된 12장의 탄소 직물을 적층하고, 진공압 수지 충전공정(VARTM)으로 에폭시 수지를 주입한 후, 120℃ 오븐에서 2시간 동안 경화하여 복합재료 시편을 제작하였다. 제작된 복합재료 시편은 short beam 시험(ASTM D2344)을 통해 층간전단강도를 측정하였고, two-probe 전기전도성 시험을 통해 면내방향과 두께방향에 대해 전기전도도를 평가하였다.
제작하였다. 제작된 복합재료 시편은 short beam 시험(ASTM D2344)을 통해 층간전단강도를 측정하였고, two-probe 전기전도성 시험을 통해 면내방향과 두께방향에 대해 전기전도도를 평가하였다.
6 에 나타내었다. 전기전도도는 탄소섬유가 배향된 면내 방향 (in-plane)과 적층 두께 방향 (throiigh-the-thicksess)으로 측정하였다. 탄소섬유 방향은 전기 전도성이 높은 탄소섬유 때문에 소량의 CNT혹은 CNF의 강화에 영향을 크게 받지 않았으며, 그 유무에 따른 전도도의 변화도 미비하여 10-13 S/cm을 나타내었다.
CNT 및 CNF가 부착된 하이브리드 복합재료의 기계적 및 전기적 뜩성을 분석하였다. SEM 이미지 분석을 통해 CNT에 비해 CNF의 부착 밀도가 낮다는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
탄소섬유 복합재료의 층간전단 강도와 두께 방향 전기전도도를 향상시키기 위하여 다중벽 탄소나노튜브 (MWCNT) 및 탄소나노섬유 (CNF)를 전기영동법 (EPD)으로 탄소 섬유에 균일하게 부착한 멀티스케일 하이브리드 복합재료[1, 2]를 제조하였다.
성능/효과
특히 이온화된 구리와 함께 CNT의 부착정도가 높았던 음극 전기영동 CNT의 경우 기존의 탄소섬유에 비해 약 20배 가량 높은 두께방향 전기전도도를 보였다. 같은 공정에서는 CNT가 CNF보다 더 높은 전기전도도를 보였고, 양극 전기영동보다는 음극 전기영동 제조 공정이 더 좋은 결과를 보였다.
그러나 탄소섬유층 사이에 CNT 혹은 CNF등의 나노 입자가 강화되면 수지에서 발생한 크랙의 진행이 나노 입자에 의해 완화되고 방향이 우회된다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 CNT가 강화된 하이브리드 복합재료는 그렇지 않은 경우보다 층간 전단 강도가 증가하였으며, CNF 보다 높은 결과를 보였다. 또 같은 소재의 경우 양극 전기영동보다 음극 전기영동의 경우가 높은 결과 값을 보였는데 그 이유는 나노 크기의 구리 입자가 동시에 부착되어 크랙 진전을 더 어렵게 하였기 때문으로 판단된다.
이러한 모습은 각각의 계면 결합력 등에 따라, 섬유위, 섬유 사이의 수지 부분 등에서 나노 보강 재료를 찾아 볼 수 있다. 음극 전기영동공정의 경우보다 많은 CNT 혹은 CNF 가 구리입자와 함께 탄소 섬유 표면에 붙어 있으며, 전기전도도 및 층간전단강도가 양극 전기영동공정의 결과 보다 높았다.
하였다. 실험 결과가 좋았던, 음극 전기영동공정으로, CNT 와 CNF를 각각 0.05%씩 이용하여 종전의 수용액의 농도 0.1%와 같이 하였으며, 그 외 모든 조건은 종전의 실험과 동일하게 진행되었다. Fig.
특성을 비교하면 (Table 1), 기존의 결과와 마찬가지로 면내 방향 전기전도도는 비슷하고, 두께 방향의 전기전도도는 CNT 혹은 CNF만 강화하였을 때 보다 높았다. 이는 전기전도도가 높은 구리, 부착의 높이를 올려주는 CNF, 보다 조밀하고 두꺼운 형태로 부착된 C칙T의 종합적인 결과일 것이다.
뜩성을 분석하였다. SEM 이미지 분석을 통해 CNT에 비해 CNF의 부착 밀도가 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 두께 방향 전기전도도는 CNT 복합재료 보다 낮았고, 음극 전기영동에 의한 결과가 구리입자가 함께 부착됨으로 인하여 양극 전기영동보다 높았타.
SEM 이미지 분석을 통해 CNT에 비해 CNF의 부착 밀도가 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 두께 방향 전기전도도는 CNT 복합재료 보다 낮았고, 음극 전기영동에 의한 결과가 구리입자가 함께 부착됨으로 인하여 양극 전기영동보다 높았타. 층간 전단 강도는 CNF와 수지간의 낮은 계면결합력으로 인해CNF 복합재료가 CNT 복합재료 결과보다 낮았으며 두 가지 나노입자 모두 음극 전기영동에 의한 결과가 양국 전기영동의 결과보다 높았다.
두께 방향 전기전도도는 CNT 복합재료 보다 낮았고, 음극 전기영동에 의한 결과가 구리입자가 함께 부착됨으로 인하여 양극 전기영동보다 높았타. 층간 전단 강도는 CNF와 수지간의 낮은 계면결합력으로 인해CNF 복합재료가 CNT 복합재료 결과보다 낮았으며 두 가지 나노입자 모두 음극 전기영동에 의한 결과가 양국 전기영동의 결과보다 높았다. CNT와 CNF를 동시 부착한 경우, 두께 방향 전기전도도가 약 0.
참고문헌 (9)
Bekyarova E., Thostenson E.T., Yu A., Kim H. Gao J., Tang J., Hahn N.T., Chou T-W., Itkis M.E., and Haddon R.C, "Multiscale carbon nanotube-carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites," Langmuir, Vol. 23, 2007, pp. 3970-3974.
Thostenson E.T., Ren Z., and Chou T.-W., "Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review," Composite Science and Technology, Vol. 61, 2001, pp. 1899-1912.
Boccaccini A.R., Cho J., Roether J.A., Thomas B.J.C., Minay E.J., and Shaffer M.S.P., "Electrophoretic deposition of carbon nanotubes," Carbon, Vol. 44, 2006, pp. 3149-3160
Park J.K, Do I.H., Askeland P., and Drzal L.T., "Electrodeposition of exfoliated graphite nanoplatelets onto carbon fibers and properties of their epoxy composites," Composite Science and Technology, Vol. 68, 2008, pp.1734-1741.
Du C., Heldbrant D., and Pang N., "Preparation and preliminary property study of carbon nanotubes films by electrophoretic deposition," Materials Letter, Vol. 57, 2002, pp. 434-438.
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