본 논문에서는 CNT강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동을 예측하고 그 경향을 분석하기 위해 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 해석을 수행하였다. 에폭시 내부 CNT의 체적비율을 0~25%까지 총 6개의 모형을 구성하였다. 열적 거동을 보기 위해 300~600 K까지 일정하게 온도를 상승시켰으며, 온도와 비체적 관계를 이용하여 유리전이 온도와 열팽창 계수를 산출하였다. 또한 일정 변형도 하중을 통해 탄성 계수를 산출하여 기계적 거동을 예측하였다. 추가적으로 CNT의 표면처리에 따른 기계적 거동을 분석하였다. 질소 도핑 및 COOH, OH 그룹을 처리한 3개의 모형을 구성하였으며, 각 모형의 탄성 계수 및 경계면 거동에 대한 해석을 수행하였다. 이를 통해 에폭시 내부 CNT의 응집은 열기계적 거동에 교란을 가지고 올 수 있으며, 표면처리는 복합재의 기계적 물성뿐만 아니라 경계면 특성까지도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 CNT강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동을 예측하고 그 경향을 분석하기 위해 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 해석을 수행하였다. 에폭시 내부 CNT의 체적비율을 0~25%까지 총 6개의 모형을 구성하였다. 열적 거동을 보기 위해 300~600 K까지 일정하게 온도를 상승시켰으며, 온도와 비체적 관계를 이용하여 유리전이 온도와 열팽창 계수를 산출하였다. 또한 일정 변형도 하중을 통해 탄성 계수를 산출하여 기계적 거동을 예측하였다. 추가적으로 CNT의 표면처리에 따른 기계적 거동을 분석하였다. 질소 도핑 및 COOH, OH 그룹을 처리한 3개의 모형을 구성하였으며, 각 모형의 탄성 계수 및 경계면 거동에 대한 해석을 수행하였다. 이를 통해 에폭시 내부 CNT의 응집은 열기계적 거동에 교란을 가지고 올 수 있으며, 표면처리는 복합재의 기계적 물성뿐만 아니라 경계면 특성까지도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
In this paper, molecular dynamics (MD) simulation was carried to predict thermo-mechanical behaviors for carbon nanotube (CNT) reinforced epoxy composites and to analyze the trends. Total of six models having the volume fractions of CNT from 0 to 25% in epoxy were constructed. To predict thermal beh...
In this paper, molecular dynamics (MD) simulation was carried to predict thermo-mechanical behaviors for carbon nanotube (CNT) reinforced epoxy composites and to analyze the trends. Total of six models having the volume fractions of CNT from 0 to 25% in epoxy were constructed. To predict thermal behaviors, temperature was increased constantly from 300 to 600 K, and the glass transition temperature ($T_g$) and coefficient of thermal expansion (CTE) analyzed using the relationship between temperature and specific volume. The elastic moduli that represented to the mechanical behaviors were also predicted by constant strain. Additionally, the effects of functionalization of CNT on mechanical behaviors of composite were analyzed. Models were constructed to represent CNTs functionalized by nitrogen doping and COOH groops, and interfacial behaviors and elastic moduli were analyzed. Results showed that the agglomerations of CNTs in epoxy cause by perturbations of thermo-mechanical behaviors, and the functionalization of CNTs improved the interfacial response as well as mechanical properties.
In this paper, molecular dynamics (MD) simulation was carried to predict thermo-mechanical behaviors for carbon nanotube (CNT) reinforced epoxy composites and to analyze the trends. Total of six models having the volume fractions of CNT from 0 to 25% in epoxy were constructed. To predict thermal behaviors, temperature was increased constantly from 300 to 600 K, and the glass transition temperature ($T_g$) and coefficient of thermal expansion (CTE) analyzed using the relationship between temperature and specific volume. The elastic moduli that represented to the mechanical behaviors were also predicted by constant strain. Additionally, the effects of functionalization of CNT on mechanical behaviors of composite were analyzed. Models were constructed to represent CNTs functionalized by nitrogen doping and COOH groops, and interfacial behaviors and elastic moduli were analyzed. Results showed that the agglomerations of CNTs in epoxy cause by perturbations of thermo-mechanical behaviors, and the functionalization of CNTs improved the interfacial response as well as mechanical properties.
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문제 정의
본 논문에서는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 CNT 강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동 및 경계면 특성을 예측하였다. 다른 체적비를 갖는 6개의 모형을 구성하고 열 기계적 하중을 적용하였다.
가설 설정
72 Å이다. 길이 방향으로는 주기 경계 조건(PBC, periodic boundary condition)에 따라 연속적이라고 가정하였다. 기지 재료는 에폭시인 DGDBA(Diglycidyl ether of bisphenol-A)와 경화제인 4,4' DDS(dia-minodiphenyl sulphone)을 완전 cross linking시켰으며, 에폭시와 경화제의 배합 비율은 3:1이다.
제안 방법
강성을 나타내는 탄성 계수를 예측하기 위해 일정 변형도 하중을 적용하였다. 0~5%의 변형도를 10개의 간격으로 나누었으며, 각 변형도에서의 응력 값들을 순차적으로 계산한다. 이웃하는 원자 A와 B 간의 거리 및 속도 관계에 의해 원자 A가 감당하는 응력을 다음과 같이 표현할 수 있다[10].
강성을 나타내는 탄성 계수를 예측하기 위해 일정 변형도 하중을 적용하였다. 0~5%의 변형도를 10개의 간격으로 나누었으며, 각 변형도에서의 응력 값들을 순차적으로 계산한다.
본 논문에서는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 CNT 강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동 및 경계면 특성을 예측하였다. 다른 체적비를 갖는 6개의 모형을 구성하고 열 기계적 하중을 적용하였다. 또한, 동일 체적비를 갖지만 다른 표면처리 방식이 적용된 2개의 모형을 구성하고 기계적 하중과 함께 pull-out 시뮬레이션을 수행하였다.
분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 높은 체적비를 갖는 탄소나노튜브 강화 복합재의 열탄성 거동을 해석하고 물성들을 예측해 보았다. 또한 pull-out 시뮬레이션을 통해 표면처리에 따른 경계면 특성 변화와 그에 따른 기계적 성능을 비교해 보았다.
다른 체적비를 갖는 6개의 모형을 구성하고 열 기계적 하중을 적용하였다. 또한, 동일 체적비를 갖지만 다른 표면처리 방식이 적용된 2개의 모형을 구성하고 기계적 하중과 함께 pull-out 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 높은 체적비 영역에서 발생할 수 있는 열기계적 거동 변화와 표면처리가 기계적 거동 및 경계면 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
분자동역학에서의 열기계적 하중은 수학적인 재료 모델과 같이 시스템 전체가 평형상태가 되는 변위 및 하중 경계 조건이 적용된다. 먼저 열적 거동을 해석하기 위해 시스템 내부 온도를 300~700 K까지 50 K씩 상승시켰다. 시스템 내부 부피 안정화를 위해 각 온도마다 100 ps의 NPT 공정을 수행하였다.
분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 높은 체적비를 갖는 탄소나노튜브 강화 복합재의 열탄성 거동을 해석하고 물성들을 예측해 보았다. 또한 pull-out 시뮬레이션을 통해 표면처리에 따른 경계면 특성 변화와 그에 따른 기계적 성능을 비교해 보았다.
먼저 열적 거동을 해석하기 위해 시스템 내부 온도를 300~700 K까지 50 K씩 상승시켰다. 시스템 내부 부피 안정화를 위해 각 온도마다 100 ps의 NPT 공정을 수행하였다. 열적 거동을 대표하는 열팽창 계수의 산출식은 다음과 같이 표현된다.
0 Å으로 고정하여 CNT 길이-직경 비율의 변화가 미칠 수 있는 영향을 최소화하였다. 열기계적 거동을 분석하기 위해 CNT의 체적비가 0, 5, 10, 15, 20, 25%인 6개의 초기 모형을 모델링하였다. 추가적으로 표면처리에 따른 기계적 거동 변화를 보기 위해 질소 도핑 및 COOH 그룹 표면처리가 된 2개의 모형을 구성하였으며, 이들의 초기 체적비는 5%이다.
온도 상승 과정 중 온도와 비체적 관계를 통해 열적 거동을 예측할 수 있다. 온도 상승에 따른 MSD(Mean square distance) 곡선 변화를 기초로 유리 전이 구간을 추정한 뒤 곡선 맞춤법을 이용하여 glassy 영역과 rubbery 영역의 거동곡선을 그리면 두 곡선의 접점이 나타나게 된다. 이 점과 대응되는 온도가 유리전이 온도, 각 곡선의 기울기가 열팽창 계수이다.
또한, 동일 체적비를 갖지만 다른 표면처리 방식이 적용된 2개의 모형을 구성하고 기계적 하중과 함께 pull-out 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 높은 체적비 영역에서 발생할 수 있는 열기계적 거동 변화와 표면처리가 기계적 거동 및 경계면 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
초기 모형을 안정화시키기 위해 NVT 및 NPT 공정을 수행하였다. N은 분자수, V는 체적, T는 온도, P는 압력이 시스템 내부에서 일정함을 의미한다.
열기계적 거동을 분석하기 위해 CNT의 체적비가 0, 5, 10, 15, 20, 25%인 6개의 초기 모형을 모델링하였다. 추가적으로 표면처리에 따른 기계적 거동 변화를 보기 위해 질소 도핑 및 COOH 그룹 표면처리가 된 2개의 모형을 구성하였으며, 이들의 초기 체적비는 5%이다. 모든 분자 모델링 및 이후 수행할 시뮬레이션에는 상용 소프트웨어 Materials Studio v8.
대상 데이터
기지 재료는 에폭시인 DGDBA(Diglycidyl ether of bisphenol-A)와 경화제인 4,4' DDS(dia-minodiphenyl sulphone)을 완전 cross linking시켰으며, 에폭시와 경화제의 배합 비율은 3:1이다.
데이터처리
2는 C00, C11, C23 모형의 비체적-온도 곡선이다. 각 온도에서의 비체적 값은 시뮬레이션 시간 100 ps 중 최종 20 ps 데이터의 평균을 통해 계산하였다. Table 2는 위 과정을 통해 예측한 유리 전이 온도와 열팽창계수이다.
이론/모형
추가적으로 표면처리에 따른 기계적 거동 변화를 보기 위해 질소 도핑 및 COOH 그룹 표면처리가 된 2개의 모형을 구성하였으며, 이들의 초기 체적비는 5%이다. 모든 분자 모델링 및 이후 수행할 시뮬레이션에는 상용 소프트웨어 Materials Studio v8.0.100과 COMPASS II force field가 사용되었다.
는 원자간의 거리 벡터를 의미한다. 탄성 계수는 예측된 응력-변형도 곡선과 Hooke의 법칙을 기반으로 구할 수 있다.
성능/효과
Table 4는 표면처리가 안된 모형과 표면처리가 된 두 모형의 기계적 물성을 비교한 표이다. 1 방향 탄성 계수는 P06가 N06, C06에 비해 약 6.42, 3.59% 높은 값을 갖지만, 2 방향과 3 방향 탄성 계수는 N06와 C06가 P06 보다 각각 36.64, 98.47% 높다. 이는 표면처리에 의해 CNT의 공유 결합들이 깨지고 단순한 결합 형태로 바뀌면서 종 방향의 기계적 물성들은 다소 떨어지지만 횡 방향 및 두께 방향은 에너지 결손을 채우기 위한 경계면 에너지 강화의 영향으로 탄성 계수를 포함한 물성들이 대폭 향상되기 때문이다.
열팽창계수는 체적비가 낮은 영역에서 그 변화가 더 크게 나타났으며, 이는 실험적으로 확인할 수 있는 범위에서는 CNT 함유량에 따른 열적 특성의 변화가 크다는 것을 의미한다. 탄성 계수는 체적비가 높을 수록 에폭시의 상변화에 큰 영향을 받지 않았다.
후속연구
이를 통해 표면처리가 단순히 CNT의 분산성 향상뿐만 아니라 기계적 거동에 상당한 영향을 끼침을 확인할 수 있었다. 단, 표면처리 정도가 높아질수록 CNT 자체의 성능은 저하되기 때문에 적정한 수준을 찾고 이를 나노 복합재료의 제조 공정에 적용하는 것이 바람직할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료는 어디에 사용되는가?
복합재료는 과거에는 항공우주 분야에 국한되어 사용되었으나 현재는 자동차, 레져, 생활용품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 수요에 따라 점점 더 좋은 품질 및 특성을 가진 복합재료의 개발이 진행되고 있다.
탄소 강화재의 특징은 무엇인가?
또한 어떤 분야든 복합재료는 낮은 무게가 요구되기 때문에 탄소 재료들이 선호된다. 탄소 강화재는 분자 구성 및 배열, 가공 방법 등에 따라 다양한 형태로 구성 가능하며, 그 크기가 작으면 작을수록 불순물 함유가 적어지기 때문에 탄소 재료가 가질 수 있는 본래의 특성들을 끌어낼 수 있다[1]. 현재 가장 많이 연구되고 있는 나노 크기의 탄소 재료 들로써 CNT, 그래핀 등이 대표적이다.
복합재료의 성능은 구성 재료인 강화재에 의존적인 이유는 무엇인가?
일반적으로 복합재료의 성능은 구성 재료인 강화재에 의존적이다. 이는 강화재가 기지재에 비해 높은 비강성 및 비강도를 갖고 열과 전기 전도성이 우수하기 때문이다. 또한 어떤 분야든 복합재료는 낮은 무게가 요구되기 때문에 탄소 재료들이 선호된다. 탄소 강화재는 분자 구성 및 배열, 가공 방법 등에 따라 다양한 형태로 구성 가능하며, 그 크기가 작으면 작을수록 불순물 함유가 적어지기 때문에 탄소 재료가 가질 수 있는 본래의 특성들을 끌어낼 수 있다[1].
Thostenson, E.T., Ren, Z.F., and Chou, T.W., "Advances in the Science and Technology of Carbon Nanotubes and Their Composites: A Review", Composites Science and Technology, Vol. 61, 2001, pp. 1899-1912.
Zhu, Y., Bakis, C.E., and Adair, J.H., "Effects of Carbon Nanofiller Functionalization and Distribution on Interlaminar Fracture Toughness of Multi-scale Reinforced Polymer Composites", Carbon, Vol. 50, 2012, pp. 1316-1331.
Zhang, Z.Q., Ward, D.K., Xue, Y., Zhang, H.W., and Horstemeyer, M.F., "Interfacial Characteristics of Carbon Nanotubepolyethylene Composites Using Molecular Dynamics Simulations", International Scholarly Research Network, Vol. 2011, 2011, pp. 1-10.
Mortazavi, B., Ahzi, S., Toniazzo, V., and Remond, Y., "Nitrogen Doping and Vacancy Effects on the Mechanical Properties of Graphene: A Molecular Dynamics Study", Physics Letters A, Vol. 376, 2012, pp. 1146-1153.
Yang, J.S., Yang, C.L., Wang, M.S., Chen, B.D., and Ma, X.G., "Effect of Functionalization on the Interfacial Binding Energy of Carbon Nanotube/nylon 6 Nanocomposites: A Molecular Dynamics Study", RSC Advances, Vol. 2, 2012, pp. 2836-2841.
Sharma, K., Kaushalyayan, K.S., and Shukla, M., "Pull-out Simulations of Interfacial Properties of Amine Functionalized Multi-walled Carbon Nanotube Epoxy Composites", Computational Materials Science, Vol. 99, 2015, pp. 232-241.
Sun, H., "COMPASS: An ab initio Force-field Optimized for Condensed-phase Applications Overview with Details on Alkane and Benzene Compounds", Jounal of Physics and Chemistry B, Vol. 102, 1998, pp. 7338-7364.
Yin, K., Zou, D., Zhong, J., and Xu, D., "A New Method for Calculation of Elastic Properties of Anisotropic Material by Constant Pressure Molecular Dynamics", Computational Materials Science, Vol. 38, 2007, pp. 538-542.
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