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[국내논문] 탄소나노튜브 다발을 포함하는 나노복합재료의 열-기계 특성 예측을 위한 멀티스케일 균질화 모델 개발
Development of Multiscale Homogenization Model to Predict Thermo-Mechanical Properties of Nanocomposites including Carbon Nanotube Bundle 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.4, 2020년, pp.198 - 204  

왕호림 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam University) ,  신현성 (Department of Mechanical Engineering, Inha University)

초록
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본 연구에서는 탄소나노튜브 다발을 포함하는 나노복합재료의 열-기계적 특성을 정량적으로 예측하기 위하여 분자동역학 전산모사와 유한요소 기반 균질화 기법을 적용하였다. 응집된 탄소나노튜브의 수가 증가함에 따라 동일한 탄소나노튜브의 체적분율에도 불구하고, 면내 영률 및 면내 전단계수는 감소하였고, 면내 열팽창계수는 증가함을 확인할 수 있었다. 계면의 두께를 조사하기 위하여 밀도의 반경 방향 분포(Radial density distribution)을 조사하였으며, 계면의 두께는 탄소나노튜브의 수와는 거의 무관함을 확인할 수 있었다. 기지와 계면은 등방성 재료로 가정하였으며, 예측한 계면의 열-기계적 특성에 따르면, 응집된 탄소나노튜브의 수가 증가함에 따라 계면의 영률 및 전단계수는 감소하였으며, 열팽창계수는 반대로 증가하였다. 이를 토대로, 탄소나노튜브 다발을 포함하는 PLA 나노복합재료의 열-기계적 특성 예측을 위한 멀티스케일 균질화 모델을 개발하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we employ the full atomistic molecular dynamics simulation and finite element homogenization method to predict the thermo-mechanical properties of nanocomposites including carbon nanotube bundle. As the number of carbon nanotubes within the single bundle increases, the effective in-pl...

Keyword

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 탄소나노튜브의 응집 현상은 일반적으로 기계적 성능을 약화하는 것으로 알려져 있다[6-9]. 그러나 아직 다발형 탄소나노튜브의 기계적 성능 약화의 원인에 대해서 분자스케일에서 규명하고자 한 시도는 없었으며, 본 연구에서는 이를 이론적으로 규명하고 이를 토대로 모델을 개발하고자 한다.
  • 본 연구에서는 친환경 고분자 소재이자 3차원 프린터의 대표적인 필라멘트로 사용되고 있는 폴리유산(Polylactic acid, PLA)를 고분자 기지로 하여, 단일벽 탄소나노튜브 다발을 포함하는 고분자 나노복합재료에 대해서 연구를 수행하였다. 나노복합재의 열-기계적 특성을 정량적으로 예측하기 위하여 분자동역학 전산모사와 유한요소 기반 균질화 기법을 적용하였다.
  • 본 연구에서는 계면의 영률, 전단계수, 열팽창계수를 얻기 위하여, 유한요소 기반 균질화 기법을 접목하였다. 유한 요소 기반 균질화 기법을 통해서 나노복합재료의 유효 열-기계적 특성을 예측하였다[11,12].
  • 본 연구에서는 PLA와 탄소나노튜브 다발을 포함하는 나노복합재료의 멀티스케일 모델링 기술을 개발하였다. 순수한 PLA와 나노복합재료의 열-기계적 특성을 분자동역학 전산해석을 통해서 예측하였으며, 순수한 PLA의 결과에 대해서 실험값과 비교하였다.

가설 설정

  • 단위 셀의 구조적 정보는 Table 1에 제시하였으며, z축을 탄소나노튜브의 길이 방향으로 설정하였다. 벌크 물성을 예측하기 위하여, x, y, z축 각 방향에 대해서 주기 경계 조건을 부여하였으며, 탄소나노튜브와 PLA 사이에는 비공유결합(반데르발스 힘과 전자기적 인력)만 작용하는 것으로 가정하였다. 본 연구에서 PLA 탄소 나노복합재의 분자모델 그림은 Fig.
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참고문헌 (15)

  1. Choi, J., Shin, H., and Cho, M., "A Multiscale Mechanical Model for the Effective Interphase of SWNT/epoxy Nanocomposite", Polymer, Vol. 89, 2016, pp. 159-171. 

  2. Salvetat, J., Briggs, G., Bonard, J., Bacsa, R., Kulik, A., Stockli, T., Burnham, N., and Forro, L., "Elastic and Shear Moduli of Single-walled Carbon Nanotube Ropes", Physical Review Letters, Vol. 82, 1999, pp. 944-947. 

  3. Berber, S., Kwon, Y., and Tomanek, D., "Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes", Physical Review Letters, Vol. 84, No. 20, 2000, pp. 4613-4616. 

  4. Ma, D., Giglio, M., and Manes, A., "An Investigation into Mechanical Properties of the Nanocomposite with Aligned CNT by Means of Electrical Conductivity", Composites Science and Technology, Vol. 188, 2020, pp. 107993. 

  5. Khan, S., Pothnis, J., and Kim, J., "Effects of Carbon Nanotube Alignment on Electrical and Mechanical Properties of Epoxy Nanocomposites", Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 49, 2013, pp. 26-34. 

  6. Alian, A., Kundalwal, S., and Meguid, S., "Multiscale Modeling of Carbon Nanotube Epoxy Composites", Polymer, Vol. 70, 2015, pp. 149-160. 

  7. Pan, J., and Bian, L., "A Physics Investigation for Influence of Carbon Nanotube Agglomeration on Thermal Properties of Composites", Materials Chemistry and Physics, Vol. 236, 2019, pp. 121777. 

  8. Liu, Y., Gao, X., Qian, W., Wang, Y., and Wei, F., "Architectural and Mechanical Performances of Carbon Nanotube Agglomerates Characterized by Compaction Response", Powder Technology, Vol. 211, No. 2-3, 2011, pp. 226-231. 

  9. Romanov, V., Lomov, S., Verpoest, I., and Gorbatikh, L., "Stress Magnification due to Carbon Nanotube Agglomeration in Composites", Composite Structures, Vol. 133, 2015, pp. 246-256. 

  10. Ki, Y., Lee, M.Y., and Yang, S., "A Molecular Dynamics Simulation Study on the Thermoelastic Properties of Poly-lactic Acid Stereocomplex Nanocomposites", Composites Research, Vol. 31, No. 6, 2018, pp. 371-378. 

  11. Cho, M., Yang, S., Chang, S., and Yu, S., "A Study on the Prediction of the Mechanical Properties of Nanoparticulate Composites Using the Homogenization Method with the Effective Interface Concept", International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 85, No. 12, 2011, pp. 1564-1583. 

  12. Chang, S., Yang, S., Shin, H., and Cho, M., "Multiscale Homogenization Model for Thermoelastic Behavior of Epoxy-based Composites with Polydisperse SiC Nanoparticles", Composite Structures, Vol. 128, 2015, pp. 342-353. 

  13. Jiang, J., Wang, J., and Li, B., "Thermal Expansion in Singlewalled Carbon Nanotubes and Graphene: Nonequilibrium Green's Function Approach", Physical Review B, Vol. 80, No. 20, 2009, pp. 205429. 

  14. Farah, S., Anderson, D., and Langer, R., "Physical and Mechanical Properties of PLA, and Their Functions Inwidespread Applications-A Comprehensive Review", Advanced Drug Delivery Reviews, Vol. 107, 2016, pp. 367-392. 

  15. Song, Y., Lee, J., Ji, D., Kim, M., Lee, S., and Youn, J., "Viscoelastic and Thermal Behavior of Woven Hemp Fiber Reinforced Poly (lactic acid) Composites", Composites Part B: Engineering, Vol. 43, No. 3, 2012, pp. 856-860. 

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