초록 ▼

나노크기의 촉매금속입자가 분산된 세라믹 분말에 열CVD법으로 직접 탄소나노튜브를 성장시켜 균일분산 하는 독창적인 기술을 적용하여 요구되는 특성을 갖는 나노복 합재료를 제조하고자 하였다. 분말합성 및 치밀화에 대한 정량적인 해석을 통하여 최적의 공정을 제시하고, 특성평가를 기초로 새로운 기능성 응용을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 CNT 균일분산의 독창적인 기술을 적용하여 새로운 기능성 나노복합재료를 제조하였으며 내용은 크게 분말합성, 치밀화 및 특성평가로 구분하였다. 나노복 합분말의 합성에서는 금속산화물의 선택적 수소환원과

나노크기의 촉매금속입자가 분산된 세라믹 분말에 열CVD법으로 직접 탄소나노튜브를 성장시켜 균일분산 하는 독창적인 기술을 적용하여 요구되는 특성을 갖는 나노복 합재료를 제조하고자 하였다. 분말합성 및 치밀화에 대한 정량적인 해석을 통하여 최적의 공정을 제시하고, 특성평가를 기초로 새로운 기능성 응용을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 CNT 균일분산의 독창적인 기술을 적용하여 새로운 기능성 나노복합재료를 제조하였으며 내용은 크게 분말합성, 치밀화 및 특성평가로 구분하였다. 나노복 합분말의 합성에서는 금속산화물의 선택적 수소환원과 응집체 크기제어를 통하여 $Al_2O_3$ 기지상 분말에 나노크기의 촉매금속상 (Fe 및 Ni) 을 균질하게 분산시키는 방법과 이러한 복합분말에 분산도 및 첨가량을 제어한 CNT를 성장시키는 연구를 진행하 였다. 치밀화에서는 방전소결을 이용한 완전 치밀화의 최적 조건을 제시하고 미세구조 및 기계적 특성을 분석하였다. 특성 평가에서는 치밀체의 반응성 해석, 내산화성 및 전기전도도 평가와 균열에 대한 전기전도도 의존성을 이용한 균열감지 센서 및 CNT의 산화를 통한 나노기공 다공체의 제조에 관하여 조사하였다. 이러한 연구를 통하여 합성 및 소결거동에 대한 정량적인 해석과 특성구현을 위한 최적의 공정조건을 확인하였으며, 이를 기초로 다양한 기능성 응용 등을 제시하였다.
촉매금속이 균일하게 분산된 $Al_2O_3$ 복합분말을 성공적으로 제조하였으며 요구되는 CNT 첨가량의 균일분산을 위한 최적의 제조방법을 제시하였다. 후속 밀링처리 없이 열 CVD를 이용하여 $Al_2O_3$/촉매금속 복합분말에 CNT를 직접 성장시킨 나노복합분말은 우수한 소결체 밀도 및 CNT가 균일분산된 미세조직을 나타내었다. 소결체의 TEM 관찰을 통하여 $Al_2O_3$ 입계부위에 CNT가 존재하며 $Al_2O_3$ 입자들과 건전한 계면을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
TG를 이용한 분석으로 상대밀도가 증가함에 따라 CNT의 산화에 의한 분해는 고온에서 일어나 CNT의 고온안정성이 증가함을 확인하였다. 또한 상대적으로 치밀한 미세 조직을 갖는 시편의 경우 CNT의 분해는 낮은 기공도에 의하여 제약을 받게 되며, 결과적으로 높은 활성화 에너지를 갖는 것을 확인하였다. CNT 첨가량의 증가 및 균일 분산과 소결체의 상대밀도 증가에 따른 강도와 경도 값 등이 증가함을 확인하였고, 미세조직 특성분석을 통하여 기계적 특성과의 상관관계를 해석하여 고강도화를 위한 가능성을 제시하였다. 나노복합재료의 전기전도도는 최대 11 x $10^{-6}$ mS/m로 순수한 $Al_2O_3$와 비교할 때 매우 우수한 전기전도성을 나타내었다. 미세조직 특성의 분석으로 우수한 전기전도도의 구현을 위해서는 CNT의 응집체 제어, 균일분산 및 CNT의 연속성 등 미세조직제어가 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
Vickers 경도계의 하중에 의한 재료 내 균열의 발생으로 전기전도도의 변화를 확인하여, 향후 균열감지 센서로의 사용이 가능함을 확인하였다. 소결체의 고온 열처리에 의한 CNT의 분해로 미세한 연속기공을 갖는 다공체로의 제조가 가능함을 확인하였다.
결론적으로 본 연구를 통하여 다수의 연구업적 발표와 함께, 우수한 특성의 CNT를 기능성 강화재로 사용하는 나노복합재료의 제조 및 기능성 응용을 제시하였다.

Abstract ▼

The aim of the research is the fabrication of CNT-dispersed nanocomposites with required properties by applying a novel route for the in situ formation and homogeneous dispersion of CNT in a ceramic/metal powders. Also, an optimum fabrication method is suggested by the quantitative analysis of nanoc

The aim of the research is the fabrication of CNT-dispersed nanocomposites with required properties by applying a novel route for the in situ formation and homogeneous dispersion of CNT in a ceramic/metal powders. Also, an optimum fabrication method is suggested by the quantitative analysis of nanocomposite processing. In addition, the possibility of engineering application of functional nanocomposites is explained based on the estimation of various properties.
In this study, $Al_2O_3$ was chosen as matrix phase and Fe or Ni as dispersion phases which are active for the in situ nucleation and growth of CNT. In the powder synthesis, the homogeneous dispersion of metal particles in ceramic powder, control of agglomeration in composite powders and growth of CNT with required characteristics were investigated. In sintering process, optimum condition for the full densification of powders with sound microstructure was suggested.
Mechanical and electrical properties as well as oxidation behavior for composites were estimated. Also, the dependence of crack on the electrical conductivity and the fabrication of porous materials and its properties were studied. Finally, we suggest the optimum route to fabricate the functional nanocomposites with CNT dispersion and its engineering application.
In this research, an optimal condition of powder synthesis and sintering for the fabrication of fully densified nanocompoistes has been investigated. The stability of carbon nanotubes in nanocomposite powders and sintered bulks was estimated by the function of temperature. Also, the electrical conductivities of nanocomposites, fabricated by various powder synthesis method and sintering processing, were measured and their dependence on the microstructure were analysed. Nanocomposite powders with homogeneously dispersed CNT without free carbon were successfully synthesized by the newly developed materials process design concept(In-Situ fabrication of CNT on matrix materials). These nanocomposites showed improved mechanical and electrical conductivity with max, 11 x $10^{-6}$ mS/m. In addition, nanoporous materials with interconnected pore channel could be obtained by introducing the decomposition of CNT. The possibility of engineering application was proposed such as the crack sensitive sensor, electrostatic chuck, machinable materials using the electro discharging machine, nanoporous supporter, etc. From this study, it was achieved over 25 international/domestic presentation and papers.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...10
• 3. 결과 및 고찰...14
• 4. 결론...39
• 5. 인용문헌...40