탄소나노튜브가 분산된 평직 탄소 섬유 / 에폭시 복합재료의 감쇠특성

Abstract

섬유 강화 복합재료는 비 강도와 비 강성이 우수하기 때문에 고효율이 요구되는 항공 및 우주 분야에서 사용이 점차 증가하고 있다. 항공 및 우주 구조물은 운용속도가 높고 공기력에 의하여 구조물이 지속적으로 영향을 받기 때문에 감쇠 성능과 같은 동적 응답 특성이 중요하다. 기존의 복합재료 구조물의 감쇠 성능 향상 연구는 대부분 감쇠 물질을 이용하였다. 하지만 이 방법은 복합재료의 강도와 강성을 저하시킬 수 있고, 추가된 감쇠 물질의 무게로 인하여 비 강도와 비 강성이 저하될 수 있으며, 열 적 안정성이 떨어져 감쇠 성능의 신뢰도가 저하될 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 탄소나노튜브를 복합재료 필러로 적용하여 복합재료 구조물의 감쇠 특성을 향상시키고자 하였다. 탄소나노튜브는 표면에서의 반데르발스 에너지에 의하여 다발과 로프 형태로 뭉치는 현상이 발생한다. 본 연구에서는 에폭시 레진에 탄소나노튜브를 분산시키기 위하여 캘린더 과정을 적용하였다. 그리고, 탄소나노튜브의 분산성을 확인하기 위하여 SEM 사진을 촬영하여 정성적으로 평가하였다. 선행 연구에서 주로 사용된 초음파를 이용한 탄소나노튜브 분산 방법과 비교하여 보다 우수한 탄소나노튜브 분산성을 확보할 수 있었고, 이에 근거하여 탄소나노튜브의 첨가량을 7wt%까지 향상시킬 수 있었다. 탄소나노튜브가 분산된 에폭시 레진은 점도가 크게 증가하기 때문에 기존의 복합재료 제작 공법으로는 평직 탄소 섬유 / 에폭시 복합재료에 탄소나노튜브를 첨가할 수 없었다. 본 연구에서는 탄소나노튜브가 분산된 에폭시 레진을 필름 형태로 제작하여 복합재료 제작 공정에 적용함으로써, 탄소나노튜브가 최대 7wt% 첨가된 평직 탄소 섬유 / 에폭시 복합재료를 제작할 수 있었다. 복합재료의 감쇠 성능을 주로 발현하는 레진은 내부에 잔류하는 기포에 의해서도 감쇠 성능이 향상될 가능성이 있기 때문에 이를 충분히 제거하고, 탄소나노튜브에 의한 복합재료 감쇠 성능 향상을 검증하기 위하여 탄소나노튜브 / 에폭시 복합재료가 제작되었다. 감쇠 특성 실험과 인장 실험을 수행한 결과, 에폭시 레진은 인장 강성의 저하 없이 감쇠 성능이 향상됨을 확인하였다. 평직 탄소 섬유 / 에폭시 복합재료에서도 탄소나노튜브 첨가량이 증가할수록 감쇠 성능이 향상되었고, 인장 강성은 크게 변화하지 않았다. 탄소나노튜브가 가장 많이 첨가된 7wt% 첨가 시편의 1차 모드에서는 감쇠 성능이 12.33% 향상되었고, 2차 모드에서는 감쇠 성능이 19.76% 향상되었다.