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문제 정의
- 특히, 그래프팅 가공이 도입되는 경우 나노튜브와 수지 간의 계면 결합력 변화, 그래프팅 가공으로 인한 탄소나노튜브의 물성 저하 정도가 그래프팅 결합의 수에 비례하여 달라지기 때문에 연속체 미시역학 모델 예측해를 참고값으로 하여 상기한 인자의 효과를 정성적으로 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mori-Tanaka 모델[16]을 이용하여 분자동역학 전산모사에서 고려한 나노복합재의 물성을 예측하고 이를 분자동역학 전산모사 결과와 비교하였다.
- 따라서 본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브와 폴리에스터 간 계면에서의 공유 그래프팅 가공에 따른 나노복합재의 물성 변화를 예측하기 위해 분자동역학 전산모사를 수행하였다. 가로등방성 단위셀 구조에 대하여 인장 및 전단 응력-변형률 선도를 도출하고 그래프팅 가공 유무에 따른 탄성계수 변화를 Mori-Tanaka (M-T) 모델[16] 예측해와 비교하였다.
가설 설정
- Mori-Tanaka 모델은 복합재를 구성하는 기지와 강화재그리고 강화재와 강화재 간 상호작용 효과가 기지의 변형률장에 미치는 영향을 고려하기 위해, 기지영역의 변형률 장을 강화재가 존재하는 복합재 내 기지의 평균적 변형률 장과 동일하다고 가정한다. 따라서 약 30%의 체적분율 이하의 조건에서는 비교적 정확하게 복합재의 물성을 예측할 수 있다.
- 이러한 결과로 볼 때 그래프팅 가공은 오히려 복합재의 물성을 감소시키기 때문에 바람직하지 않은 공정이라 할 수 있다. 그러나 본 연구에서 고려한 나노복합재 단위셀 구조는 나노튜브가 잘 분산되어 있는 상황을 가정하고 구성한 분자 모델이다. 따라서 그 래프팅 가공에 의해서 분산성이 향상 되는 점에 대해서는 별도로 고려하지 않았다.
- 탄소나노튜브는 내부가 비어 있지만, 나노복합재 내부에 첨가되면 빈 공간 역시 나노튜브가 점유하는 체적에 포함된다. 따라서 본 연구에서는 나노튜브를 속이 꽉 찬 실린더라고 가정하고 이를 변형에너지밀도 계산과 복합재 내에서 나노튜브가 차지하는 체적분율 계산에 적용하였다.
- 먼저, 탄소나노튜브와 폴리에스터 간 그래프팅은 나노튜브의 표면에 기능기화 된 에틸기의 최 외각 탄소와 폴리에스터 내의 탄소 중 벤젠 링에 포함되지 않는 탄소간의 공유 결합만 존재하는 것으로 가정하였다(Fig. 2). 이후, 근접원자탐색방법을 이용하여 공유결합 형성이 가능한 원자들 간의 거리를 측정한 후 이 거리가 사전에 정의된 절단 반경(cutoff radius)보다 작게 되는 경우 인위적으로 공유결합을 형성하였다.
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