[논문]탄소섬유/고무 복합재료의 압저항과 니켈입자의 영향

임동진

doi:10.7234/composres.2021.34.6.412

탄소섬유/고무 복합재료의 압저항과 니켈입자의 영향
Evaluation of the Effect of Nickel Powder on the Piezoresistivity Behavior of Carbon-Fiber/Rubber Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.6, 2021년, pp.412 - 420

임동진 (Korea Vehicle & Ind. Co., Ltd.)

초록
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본 연구에서는 탄소 단섬유를 천연고무 기지에 혼합한 탄소섬유/고무 시편과 그에 니켈입자를 추가한 탄소섬유-니켈입자/고무 시편의 초기 전기전도도를 측정하고, 그 시편에 압축스트레인을 가하면서 변화하는 전기전도도를 측정하였다. 실험을 통해 탄소섬유의 체적분율 및 추가된 니켈입자, 외부스트레인 등이 전기전도도에 미치는 영향을 관찰하였다. 탄소섬유 체적분율은 작은 차이로도 시편의 전기전도도의 변화에 매우 큰 역할을 하였고, 외부스트레인에 따른 탄소섬유 재배열에 의해 압저항이 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 니켈입자의 추가는 탄소섬유가 임계체적분율 이상인 시편에서 전기전도도를 개선하는데 기여하는 것을 볼 수 있었는데, 이로부터 외부변형에 따른 탄소섬유의 재배열에 의해 압저항이 증가하는 현상을 상쇄하는 효과가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we measure the initial electrical conductivity of SCF/rubber specimens and SCF/rubber specimens with nickel particles respectively. The corresponding electrical conductivity with compressive strain on the specimens is also measured. Through this experiment, we observed the effects of the volume fraction of carbon fiber, nickel particles and external strain on the electrical conductivity. Experiments show that even a small difference in the volume fraction of SCF plays a major role in the change of the electrical conductivity and that the piezoresistivity increases due to fiber reorientation respond to external strain. In addition, the nickel particles contribute to improving the electrical conductivity in specimens with carbon fibers above the threshold volume fraction. It was confirmed that there is an effect of offsetting the increment in the piezoresistivity caused by the reorientation of carbon fibers according to external strain.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Changes in electrical conductivity; (a) Electrically conductive, (b) Electrically non-conductive
그림 Fig. 2. A short carbon fiber in a 3D space
그림 Fig. 3. Changes in the position of a short carbon fiber inside the microstructure before and after straining
그림 Fig. 4. Test device configuration
$Table 1. Composition of the specimens(SP), [unit, PHR]. SCF and nickel particles are volume fractions$ 표 Table 1. Composition of the specimens(SP), [unit, PHR]. SCF and nickel particles are volume fractions
그림 Fig. 5. The electrical conductivity of SP4 as a function of applied strain
표 Table 2. Electrical conductivity of the material used to make the specimen and the initial electrical conductivity of specimens
표 Table 3. Electrical conductivity when external strain is applied [S/cm]
그림 Fig. 6. The electrical conductivity of SP5 as a function of applied strain
그림 Fig. 7. The electrical conductivity of SP6 as a function of applied strain
그림 Fig. 8. Effects of nickel particles on electrical conductivity (SP5, SP6)
$Fig. 9. Logarithm of sigma as a function of SCF volume fraction for SCF-Ni/Rubber speciemns$ 그림 Fig. 9. Logarithm of sigma as a function of SCF volume fraction for SCF-Ni/Rubber speciemns
그림 Fig. 10. logσ versus log(f - f^*) based on Cohen's expression

AI 본문요약
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제안 방법

Table 1의 시편들 가운데 시편 1, 3, 5를 실험하여 SCF의 체적분율이 다를 때 나타나는 전기전도도의 차이를 살펴보고, 이후 시편 2, 4, 6을 실험하여 SCF의 체적분율이 동일한 시편들에 니켈입자를 추가한 영향을 비교하였다.
이 실험결과를 바탕으로 임계체적분율을 찾고 Cohen의 식을 완성하였다. 그 과정에서 매트릭스에 대한 SCF의 체적분율과 추가된 니켈입자가 전기전도도에 미치는 영향 및 두 충전재 사이의 상호작용을 등을 고찰 하였으며, Taya의 식을 이용하여 외부스트레인에 따라 변하는 전기전도도를 살펴보았다.
본 연구에서는 기존 인장방향의 전기전도도 측정이 아닌, 시편에 압축이 가해질 때 그와 수직한 방향에서의 전기전도도 변화를 측정하였다. 시편은 SCF의 체적분율 변화를 갖도록 제작하고, 각 시편에 대응하는 니켈입자가 추가된 시편의 니켈입자 체적분율은 0.
본 연구에서는 천연고무 매트릭스에 SCF(탄소 단섬유)와 니켈입자를 혼합한 복합재료에서 외부 변형에 따른 전기전도도의 변화를 실험을 통해 측정하고, Cohen 및 Taya의 퍼콜레이션 모델을 적용하여 비교 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
4와 같다. 시편을 압축했을 때 나타나는 반경방향 인장스트레인에 의해 변화하는 전기저항을 측정하기 쉽도록 MTS Alliance RT/1을 이용하여 1 mm/min의 속도로 변위제어 압축실험을 하였다. 시편 높이의 1/2지점에 전극을 접촉시키고 반경방향에서 초기 전기저항을 측정한 후, 가중되는 스트레인에 따라 변하는 전기저항을 압축스트레인 1%마다 측정하였다.
05로 고정하였다. 실험은 시편의 초기 전기전도도 측정후 압축이 가해질 때 실시간으로 변화하는 전기전도도를 측정하였다.
원통형 시편의 반경방향 전기전도도를 측정하므로, 전극의 접촉점이 시편의 원주면과 일치하여야 하지만, 압축시 전극의 파손 및 변형 방지를 위하여, 전극의 높이를 0.5cm로 하였고, 전극과 피측정체의 동일한 접촉압력을 유지하기 위하여 시편에 전극을 부착한 형태로 실험을 진행하였다.

대상 데이터

매트릭스로 사용된 소재는 천연고무(SMR CV60)이고 내부에 개재된 섬유상 소재는 TORAY사의 T300을 짧게 절단한 SCF이다. SCF의 길이는 0.
천연고무와 같은 부도체인 매트릭스에 전도성 물질인 충전재를 혼합한 복합재료의 전기전도도는 매트릭스 내부에 충전된 소재의 종류, 양 및 형상에 따라 영향을 받는다. 본 연구에서는 최신 기술로서 탄소나노튜브(CNT)가 우수한 물리적 특성과 화학적 안정성을 지녀 높은 전기 전도성을 갖음에도, 실제적으로 적용하는 대형 구조물의 경우에는 비용이 중요한 변수로 작용하기에 탄소나노튜브가 아닌 탄소 단섬유를 이용한 복합체를 대상으로 하였다. Fig.
4 mm인 원통형이다. 시편의 종류는 천연고무 내부에 개재되는 SCF의 체적분율에 따른 3종류와 니켈입자의 유무에 따른 2종류로 구분하여 총 6종류이다. 시편에 혼합된 SCF의 체적분율은 각각 0.
30 Liter Banbury(internal mixer)를 이용하였고, 배합 단계는 ASTM 기준에 따라 진행되었다. 제작된 시편의 형상은 직경 17 mm, 높이 25.4 mm인 원통형이다. 시편의 종류는 천연고무 내부에 개재되는 SCF의 체적분율에 따른 3종류와 니켈입자의 유무에 따른 2종류로 구분하여 총 6종류이다.

이론/모형

천연고무의 조성은 미국재료실험학회(ASTM)의 천연고무 배합법을 따랐다. SCF와 천연고무의 배합은 0.30 Liter Banbury(internal mixer)를 이용하였고, 배합 단계는 ASTM 기준에 따라 진행되었다. 제작된 시편의 형상은 직경 17 mm, 높이 25.
추가된 니켈입자의 직경은 약 70 μm이다. 천연고무의 조성은 미국재료실험학회(ASTM)의 천연고무 배합법을 따랐다. SCF와 천연고무의 배합은 0.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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