[논문 리뷰] Interlaminar toughening in structural carbon fiber/epoxy composites interleaved with carbon nanotube veils

Yunfu Ou, Carlos González외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 22.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 63인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 반제품 공정을 통해 탄소섬유/에폭시 복합재의 모드-I 균열 토성에 60% 향상을 이룩하였다. 이는 탄소섬유 직織물에 직접 연속적인 탄소나노튜브(CNT) 벨을 도포한 결과이다. 균열 전파 경로는 CNT 강화 상층부 위아래를 번갈아가며 진행되며, 이는 낮은 밀도의 CNT 벨을 도입했을 경우 상층부 간의 인터페이스 간 강화를 향상시킨다. 반면, 조밀화된 CNT 벨은 결함으로 작용한다.

ABSTRACT

The susceptibility to delamination is one of the main concerns in fiber reinforced polymer composites (FRPs). This work demonstrates improvements of 60% in Mode-I fracture toughness after integration of thin (~30 micron), continuous veils of carbon nanotubes (CNTs) directly deposited onto carbon fiber fabric as the CNT are drawn from the gas-phase using a semi-industrial process. A combination of optical imaging, scanning electron microscopy and a Raman spectroscopy provide a new rapid tool to unambiguously determine the crack propagation path by simple visual inspection of fracture surface. The results show that interlaminar crossing between CNT veil/CF interfaces is of paramount importance. The crack front alternatingly propagates above and below the CNT-toughened interlayer, significantly improving the fracture toughness of resultant laminates. This mechanism is strongly influenced by the method used to integrate the veils onto the CF. CNT veils directly deposited onto the fabrics as a low-density layer lead to large improvements in interlaminar properties, whereas compact CNT veils densified by solvent exposure prior to their integration in the lay-up act as defects.

연구 동기 및 목표

• 섬유 강화 폴리머 복합재에서의 탈착 문제를 해결하여 구조적 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 산업적 응용을 위한 스케일업 가능하고 저비용의 상층부 간 강화 전략을 개발하기 위해.
• CNT 벨 통합 방법(직접 도포 대비 용매 조밀화)이 상층부 간 균열 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 광학 영상, 주사전자현미경(SEM), 라만 분광법을 활용한 빠르고 시각적인 균열 전파 경로 추적 방법을 수립하기 위해.
• CNT-벨 강화 복합재에서 우세한 강화 메커니즘을 미세구조 분석을 통해 규명하기 위해.

제안 방법

• 반제품 공정을 통해 연속적이고 약 30 µm 두께의 CNT 벨을 제작하였다.
• 용매 처리 없이 낮은 밀도의 층으로서 탄소섬유 직織물에 직접 CNT 벨을 도포하였다.
• 레이아웃 통합 이전에 용매 노출을 통해 조밀화된 CNT 벨을 포함한 대조 시편을 제작하였다.
• 모드-I 균열 토성(GIC)을 측정하기 위해 노치가 가공된 끝-노치 bending 시험을 실시하였다.
• 균열 전파 경로와 상층부 간 상호작용을 분석하기 위해 광학 현미경, 주사전자현미경(SEM), 라만 분광법을 사용하였다.
• 미세구조 관찰 결과를 기계적 시험 결과와 연계하여 강화 메커니즘을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소섬유 직織물에 직접 도포된 CNT 벨이 탄소섬유/에폭시 복합재의 상층부 간 균열 토성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 CNT 벨의 형상 및 통합 방법(예: 용매 조밀화)이 탈착 저항성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 광학 영상 및 라만 분광법을 통해 균열 표면에서 균열 전파 경로를 신속하고 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ4 CNT-벨 강화 복합재에서 관찰된 강화 효과를 뒷받침하는 미세구조적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 왜 용매 조밀화된 CNT 벨은 복합재 구조에서 결함으로 작용하고, 강화 요소로 작용하지 않는가?

주요 결과

• 직접 도포된 낮은 밀도의 CNT 벨을 포함한 복합재에서 모드-I 균열 토성(GIC)이 60% 향상되었다.
• 균열 전파 경로가 CNT 강화 상층부 위아래를 번갈아가며 진행되어, 균열 굽힘과 다리지르기 효과를 통한 에너지 소산이 효과적으로 이루어졌음을 시사한다.
• 통합 이전에 용매 노출으로 조밀화된 CNT 벨은 제어 시편보다 상층부 간 균열 토성을 떨어뜨리는 결함으로 작용하였다.
• 광학 영상, SEM, 라만 분광법의 조합을 통해 균열 표면의 시각적 검사로 균열 경로를 명확히 식별할 수 있었다.
• CNT 벨/탄소섬유 상층부 간 인터페이스에서의 상층부 간 교차가 주요 강화 메커니즘으로 규명되었다.
• 특히, 낮은 밀도를 유지하고 직접 도포하는 CNT 벨 통합 방법이 향상된 균열 저항성 확보에 핵심적인 역할을 하였다.