| 바이오닉 초인성, 고전압 절연의 운모 기반 나노 페이퍼 재료 개발 | ||
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 전동기, 변압기와 같은 전력 설비가 고출력, 소형으로 급속하게 발전함에 따라, 전기절연 소자의 역학적 신뢰성, 고전압 절연파괴에 대한 저항력 및 내열성 요구가 점점 높아지고 있다. 공업에서, 순 운모 페이퍼, 라미네이트 운모 벨트, 운모/아라미드지 등 운모 기반 절연 재료가 고전압 단열 분야에 널리 사용되고 있다. 현재, 중저가의 운모 기반 절연 재료 개발 기술은 중국 회사가 파악하고 있지만 고가의 운모 기반 절연 재료는 국외(미국 듀폰(DuPont)사의 운모/아라미드 미크론 페이퍼 Nomex 818)에 의존하고 있다. 후난(湖南)대학교 재료과학공학대학 왕젠펑(王建锋) 연구팀은 박리한 아라미드 나노 섬유와 운모 나노 시트를 기반으로 바이오닉 구조 설계 이념을 이용하여 졸-겔-박막 전환 기술을 통해 대면적의 운모 기반 나노 페이퍼를 제조함으로써 초대변형(78.9 %)과 초고인성(109 MJ/m3)을 구현하였다. 파괴 변형도는 기존 문헌에서 보고된 모든 쉘형(Shell like) 박막 재료의 4~240 배이고 인성은 기존에 보고된 모든 쉘형 막박 재료의 6~220 배이다(그림 1a 참조). 더 중요한 것은, 이러한 우월한 역학적 성능과 높은 전기 절연파괴 강도(164 KV/mm), 내열성(유리 전이 온도 268 ℃, 열분해 온도 565 ℃), 난연성 및 유기용제 저항성과의 통합을 구현함으로써 국외의 모든 종류의 운모 기반 전열재료 성능을 훨씬 초월하였다(그림 1b 참조). 예를 들어, 해당 운모 기반 나노 페이퍼의 강도는 듀폰의 운모/아라미드 미크론 페이퍼 Nomex 818의 5 배이고 파괴 변형도는 Nomex 818의 45 배이며 전기 절연파괴 저항력은 Nomex 818의 5.5 배이고 내열성은 Nomex 818과 비슷하다. 그림1: 운모 기반 나노 페이퍼의 성능 a)운모 기반 나노 페이퍼와 기존에 보고된 쉘형 박막 재료의 파괴 변형과 인성을 비교. 적색 오각별은 운모 기반 나노 페이퍼를 대표하고 회색 부분의 검은 정방형은 기존에 보고된 다양한 쉘형 적층 박막 재료를 대표한다. b) 운모 기반 나노 페이퍼와 국외 상업화 운모 기반 미크론 페이퍼의 종합 성능 비교. 적색 선은 운모 기반 나노 페이퍼이고 분홍색 선은 순 운모 페이퍼이며 황갈색 선은 라미네이트 운모 벨트이고 녹색 선은 운모/아라미드 복합 페이퍼이며 남색 선은 순 아라미드 페이퍼이다. 자연계에서, 패각 진주층은 대량의 탄산칼슘과 소량의 키토산 나노파이버(Chitosan nanofibers) 등 유기 물질로 구성된다. 고강도의 키토산 나노파이버는 3차원 유기 층상 프레임을 구성하며 대량의 탄산칼슘이 해당 3차원 프레임에 질서 있게 삽입되어 층상 복합 구조를 형성함으로써 패각 진주층으로 하여금 선형 탄성 변형 후에 항복하고 소성 변형을 생성하도록 하여 높은 인장 강도와 높은 인성을 구현한다. 연구진은 패각 진주층에서 영감을 얻어 쉘형 구조 이념을 운모 기반 절연지 분야에 응용하였다. 실험에서, 연구진이 최근 발명한 졸-겔-박막 전환 기술을 운모 기반 나노 페이퍼 제조에 응용하였다(Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1903876). 구체적으로, 상용화된 아라미드 미크론 섬유를 다이메틸설폭사이드(DMSO, dimethyl sulfoxide)/강알칼리 시스템에서 탈양성자화를 통해 나노 섬유로 박리하고, 해당 나노 섬유를 박리한 단층 운모 나노 시트와 혼합하여 점성 졸을 형성한다. 계속하여, 물침전으로 다시 양성자화하는 방법으로 졸을 히드로겔로 전환시킨다. 미시적으로, 아라미드 나노 섬유는 전체 히드로겔에서 고도로 얽힌 견고한 3차원 네트워크 구조로 조직되며 운모 나노 시트는 해당 네트워크 중에 균일하게 분포된다. 마지막으로, 건조된 히드로겔이 해당 네트워크 구조를 대면적 층상 복합 박막으로 전환한다. 미시적으로, 운모 나노 시트는 3차원 아라미드 나노 섬유 프레임 중에 질서 있게 삽입되어 층상 복합 구조를 형성한다(그림 2 참조). 그림2: 졸-겔-박막 전환 기술로 대면적 운모 기반 나노 페이퍼 제조 a) 아라미드 나노 섬유를 박리한 TEM. b) 운모 나노 시트의 AFM. c) 졸에서 전환된 히드로겔. d) 히드로겔에서 전환된 대면적 운모 기반 나노 페이퍼. e,f) 동결건조 히드로겔의 SEM. g,h) 운모 기반 나노 페이퍼의 단면 SEM. i) 운모 기반 나노 페이퍼의 다척도 구조 개략도. 연구진은 상술한 배치식 대면적 제조에 기반하여, 자체적으로 제조 장비를 설계하였다. 해당 장비는 주로 주입 시스템, 다이(Die), 수조 및 컨베이어 벨트로 구성되었다. 또한, 해당 장비를 기반으로 운모 기반 나노 벨트를 연속적으로 제조함으로써 상술한 졸-겔-박막 전환 기술이 산업 생산에서 양호한 확장 가능성을 구비함을 입증하였다. 그림3: 졸-겔-박막 전환 기술을 운모 기반 나노 벨트 연속 제조에로 확장 a) 설계 가공한 장비. b) 다이. c) 히드로겔. d) 운모 기반 나노 벨트. e) 매듭지은 운모 기반 나노 벨트. f) 수동으로 반복하여 비빈 후, 손상되지 않은 운모 기반 나노 벨트. 연구진은 해당 운모 기반 나노 페이퍼를 표징하는 미시적 구조, 계면 상호 작용 및 균열 전파 모드에 기반하고 거시적 인장 성능을 결합하여 미시적 구조와 거시적 역학 성능 사이의 관계를 분석하여 3차원 아라미드 나노 섬유 프레임과 운모 나노 시트 사이의 결합은 큰 변형과 높은 인성의 주요 원인임을 입증하였다. 운모 나노 시트와 아라미드 나노 섬유 두 가지 성분 재료는 고유의 전기 절연성, 내열성, 난연성 및 내용제성을 보유하여 운모 기반 나노 페이퍼에 우수한 다기능 특성을 제공한다. 또한, 높은 가로세로비 나노 운모의 2차원 기하학적 구조, 균일한 층상 복합 구조 및 강인한 역학적 성능은 운모 기반 나노 페이터의 전압 절연파괴 저항력을 증가시킨다. 해당 연구 성과는 「A Bioinspired Ultratough Multifunctional Mica-Based Nanopaper with 3D Aramid Nanofiber Framework as an Electrical Insulating Materia」라는 제목으로 "ACS Nano"(IF = 13.903)에 거재되었다. 정보출처 : http://clxy.hnu.edu.cn/info/1027/3743.htm?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg |
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