기계/재료

초탄성 및 내피로성 보유 탄소 나노섬유 에어로겔 개발

발행일 : 2019 / 12 / 26

중국과학기술대학교 위수훙(俞书宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海伟) 연구팀은 공동으로 열분해 화학 제어를 통해 구조생물 재료를 흑연탄소 나노섬유 에어로겔로 열전환시켰다. 해당 에어로겔은 세균성 섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 완벽하게 구현함으로써 뚜렷한 열기계적 성능을 보유함과 아울러 대규모 합성을 구현했다. 해당 성과는 “Advanced Materials”에 게재되었다.

초탄성 및 내피로성을 보유한 경량 압축 재료는 항공우주, 기계 완화, 에너지 감쇠 및 소프트 로봇 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 저밀도 중합체 발포체는 압축성이 높지만 재사용시 내구성이 약해지며 중합체 유리전이와 용융 온도 근처에서 초탄성이 퇴화된다. 탄소 나노 튜브와 그래핀은 고유의 초탄성과 열역학적 안정성을 갖지만 복잡한 설비와 제조 과정에서 밀리미터 크기의 재료만 제조할 수 있다. 또한, 대자연에서 수억 년 동안 진화한 복잡한 성층 구조 생물 재료는 우수한 역학적 특성으로 많은 관심을 끌지만, 순수한 유기 또는 유기/무기 복합 구조 때문에 통상적으로 좁은 온도 범위에서만 작동한다. 따라서, 이러한 비열안정적 구조 생물 재료를 고유의 성층 구조의 열안정적 흑연재료로 전환시킨다면 열역학적으로 안정적인 새로운 재료를 창조할 수 있다.

연구팀은 무기염의 세균섬유소에 대한 열분해 화학적 조절 방법을 이용하여 대규모 합성, 형태 보존적 탄화 공정을 구현하고 개발한 탄소 나노섬유 에어로겔은 세균섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 구현했으며 비교적 넓은 온도 범위에서 온도에 따라 변하지 않는 뚜렷한 초탄성 및 내피로성을 구현했다. 탄소 나노섬유 에어로겔이 우수한 열안정적 기계 성능을 보유하고 대규모 제조를 달성할 수 있기 때문에 극단 조건에서의 기계 완화, 압력감지, 에너지 감쇠 및 우주항공 태양 에너지 배터리 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.

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