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학위논문
저자정보

최회길 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수
신의섭
발행연도
2019
저작권
전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수22

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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카본 나노튜브 (CNT)를 함유한 고분자 기지 기반 나노복합재료의 계면은 CNT와 고분자 기지 사이 하중과 에너지 교환을 통해 나노복합재료의 기계적, 열적, 전기적 거동들과 연관된다. 그것은 나노복합재료 내에서 CNT보다 큰 계면의 체적비와 원자들 사이 전기장과 전자기장의 직접적인 영향에서 기인한다. 원자 기반 분자동역학 (MD) 시뮬레이션은 나노 복합재의 계면의 확실한 분석을 위한 주요 인자들을 얻기 위한 최고의 수단이다. 또한 연속체 기반 해석 모델은 계면의 다양한 성능을 대응하는 물성으로써 정의하기 위해 요구되어진다. 본 연구에서는 나노복합재료 계면의 전단 강도, 열전도도, 전기전도도를 추정하기 위한 역학적 해석 모델을 제시하였다. 풀아웃, 열전도, 전기전도를 모사한 MD 시뮬레이션은 CNT-에폭시 나노 복합재의 나노스케일 인자들을 얻기 위해 수행되었다. 역학적 해석 모델에 의해 예측되고 MD 시뮬레이션으로부터 얻어진 결과들은 문헌의 실험 결과와 비교하고 다양한 효과에 대한 경향을 분석함으로써 비교 검증을 하고자하였다.
먼저, CNT-에폭시 나노복합재의 계면 전단 강도는 MD 시뮬레이션과 파생된 방정식에 의해 추정되었다. 계면의 상호작용 에너지와 기하학적 인자들은 풀아웃 MD 시뮬레이션으로부터 산출되었다. 이 시뮬레이션에서 CNT는 8가지 계면적 (2.1, 4.1, 8.3, 10.3, 20.6, 41.1, 82.3, and 164.6 nm2)과 4가지 기능화 방법 (무결함, 기계적 결함, COOH 화학처리, 질소 도핑)를 갖는다. 계면 해석 모델의 방정식들은 CNT의 풀아웃 메커니즘을 고려함으로써 유도된다. 이 모델은 풀아웃 MD 시뮬레이션의 결과로부터 계면 전단 강도와 임계 풀아웃 하중을 추정하기 위해 사용되었다. 해석 모델에 의해 예측된 계면 전단 강도는 문헌의 실험 결과와 유사하였다. 계면적에 따른 계면 강도의 변화 경향 또한 실험 결과와 일치하였다. 상호작용 에너지와 계면 두께는 CNT의 기능화에 의해 변화되었다. 이 변화는 나노복합재의 계면 전단 강도에 영향을 끼쳤다. 이 결과들 제안된 해석 모델이 프리스틴 혹은 기능화된 CNT를 포함한 나노복합재의 계면 전단 강도을 예측하는데 있어 유용하다는 것을 보여준다.
두 번째로, 계면 특성들이 CNT 강화 고분자 복합재의 열전도도에 미치는 영향은 열저항 이론을 기반한 역학적 해석 모델을 사용함으로써 조사되었다. 순수, 질소 도핑, 카르복실 기능화된 CNT들은 그들의 기능화가 미치는 효과들을 확인하기 위해 사용되었다. 기능화가 계면 특성들에 미치는 영향을 분석하기 위해 세 종류의 CNT들을 함유한 나노복합재의 계면 열전도도는 NEMD 시뮬레이션으로부터 계산되었다. 세종류의 CNT들과 에폭시 기지의 EMD 시뮬레이션은 그들의 유효 열정도도를 추정하기 위해 수행되었다. 나노복합재의 열전도는 MD 시뮬레이션으로부터 얻어진 결과들을 역학적 모델에 적용함으로써 예측되었다. 예측된 결과들을 통해 나노복합재의 종방향 열전도는 CNT의 열전도 성능에 의존적인 반면, 횡방향 열전도도는 계면 특성들에 상당한 영향을 받을 수 있음을 확인하였다.
세 번째로, 질소 도핑된 CNT가 나노복합재의 계면 특성에 미치는 영향은 MD 시뮬레이션을 통해 조사되었다. 3개의 다른 질소 도핑 그룹들(quaternary, pyridinic, pyrrolic)을 포함한 CNT들 나노복합재에 대한 그들의 영향성을 확인하기 위해 모델링되었다. 풀 아웃 및 열유동 시뮬레이션들은 나노복합재의 계면 특성을 분석하기위해 수행되었다. 각 도핑 그룹들이 탄성 계수와 열전도도에 미치는 영향은 추가적인 MD 시뮬레이션에 의해 분석 되었다. MD 시뮬레이션으로부터 얻어진 계면 특성의 경향은 실험기반 연구로부터 얻어진 인장 강도 및 열전도도의 경향과 비교되었다. 이 결과들을 통해 나노복합재의 기계적, 열적 물성들이 질소 도핑된 CNT에 의한 계면 특성 변화에 상당한 영향을 받을 수 있음을 확인하였다.
따라서 본 연구는 나노 복합재의 계면 특성과 열기계적 성능과의 관계를 연구함으로써 고성능, 다기능성 탄소 나노튜브 강화 고분자 나노복합재료의 설계에 유용한 데이터를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

목차

Chapter Ⅰ Introduction and Background 1
1.1 Carbon nanotubes based polymeric composites 1
1.1.1 Carbon nanotube (CNT) 1
1.1.2 Polymeric matrix-based composites 5
1.1.3 Interphase between carbon nanotubes and polymer matrix 8
1.2 Molecular dynamics simulation 10
1.2.1 Concept of Molecular dynamics (MD) simulation 10
1.2.2 MD simulations for nanocomposites 13
1.2.3 Interfacial property analysis using MD simulations 14
1.3 Continuum-based model for nanocomposites 15
1.4 Objective of present study 18
Chapter Ⅱ An Estimation of interfacial shear strength of carbon nanotube-epoxy composites 20
2.1 Introduction 20
2.2 Molecular dynamics simulations 23
2.2.1. Potential equations 23
2.2.2. Pull out simulation 25
2.2.3. Simulation details 27
2.3 Analytical interphase model: Mechanical properties 29
2.3.1 Basic assumptions 29
2.3.2 Derived equations 31
2.4 Results and Discussion 33
2.4.1 Effects of an embedded surface area 33
2.4.2 Effects of the functionalization of CNTs 38
2.5 Conclusion 42
Chapter Ⅲ Analysis of the influence of interphase characteristics on thermal conduction in surface-modified carbon nanotube -reinforced composites using an analytical model 43
3.1 Introduction 43
3.2 All atom-based molecular dynamics simulation 47
3.2.1. Non-equilibrium molecular dynamics simulation 47
3.2.2. Equilibrium molecular dynamics 50
3.2.3. Simulation details 51
3.3 Continuum-based analytical model 54
3.3.1 Assumptions 54
3.3.2 Thermal resistance theory based analytical model 58
3.4 Results and Discussion 63
3.4.1 Interphase characteristics 63
3.4.2 Effective thermal conductivities of CNTs and matrix 69
3.4.3 Thermal conductivity prediction using an analytical model 76
3.5 Conclusion 82
Chapter Ⅳ Effects of nitrogen-doped carbon nanotubes on mechanical and thermal properties of nanocomposites: A molecular dynamics study 84
4.1 Introduction 84
4.2 Molecular dynamics simulations 86
4.2.1. Pull out simulations 86
4.2.2. Heat flow simulations 89
4.2.3. Simulation details 90
4.3 Results and discussion 93
4.3.1 Interfacial shear strengths and mechanical properties 93
4.3.2 Interfacial thermal properties and thermal conductivities 101
4.4 Conclusion 109
Chapter Ⅴ Conclusions 111
References 114
Abstract in Korean 135

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