Advanced
Nanoparticle Size Effect on Mechanical Properties of Carbon Fiber-reinforced Polymer Composites
Nanoparticle Size Effect on Mechanical Properties of Carbon Fiber-reinforced Polymer Composites
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2015. Apr, 29(2): 186-190
Copyright © 2015, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : October 23, 2014
  • Accepted : April 16, 2015
  • Published : April 30, 2015
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
창권 문
부안 김

Abstract
TiO 2 nanoparticles can be used to improve the performance of carbon fiber-reinforced epoxy resin composites. In this study, the effect of the size of TiO 2 nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy resin composites was investigated. The size of the TiO 2 nanoparticles was easily controlled using heat treatment. The size of the TiO 2 nanoparticles for this study were20nm, 100nm, and 200nm. Three types of carbon fibers with different diameters were also used in this study. The carbon fiber-reinforced epoxy resin composites with 20-nm TiO 2 powder showed the highest tensile strength compared to the other types of CFRP, regardless of the fiber maker or fiber diameter. The size of the TiO 2 powder and the diameter of the carbon fiber strongly affected the interfacial properties of all kinds of CFRP in this study.
Keywords
1. 서 론
섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composites)에 사용되고 있는 탄소섬유는 화학적으로 매우 안정하며, 열적 성질도 우수하다( Moon and Goo, 1997 ). 그리고 기계적 성질로는 강도 및 탄성률이 높고 가벼 우며 내마모성 및 윤활성이 우수할 뿐만 아니라 유리섬유와 같은 다른 섬유 등에 비하여 수분의 영향을 거의 받지 않는다는 특징을 가지고 있다( Kootsookos and Mouritz, 2004 ). 복합재료용 매트릭스 수지로 사용되고 있는 에폭시 수지는 중요한 열경화성 고분자로 내 부식성, 내화학성, 전기 절연성 및 접착 특성이 우수하다. 또한 열에 대해 안정성을 가지므로 접착제, 코팅제, 전기 전자재료 및 성형 재료 등으로 널리 사용되고 있다. 에폭시 수지는 촉매 또는 경화제 존재하에서 실온 혹은 가열하면 삼차원적 망목구조를 갖는 수지로 된다. 그리고 열경화성 수지와는 다르게 경화제 혹은 촉매를 가하지 않고 가열하면 경화하지 않는다는 특징이 있다. 결점으로는 가용성이 없고 황색으로 착색되어 있으며 열 경화 온도가 그다지 높지 않고, 내자외선이 약간 떨어진다는 점이 있다( Hammami and Ghuilani, 2004 ).
한편, 분산상의 크기가 1~100nm의 이종 물질을 매트릭스에 분산시켜 복합화한 제품을 나노 복합재료라고 하며, 이는 단일 소재로는 충족시키기 어려운 점을 극복하기 위한 또 다른 하나의 재료물성 향상 방법으로 사용되고 있다. 고분자 나노 복합재료는 나노 크기의 무기 충진제와 유기매트릭스인 고분자로 이루어져 있으며 이때 사용되는 무기 충진제의 대표적인 예로는 층상 실리케이트(Layered silicate), 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 티타니아(TiO 2 )와 같은 무기물질 또는 금속의 나노입자등 다양한 물질들이 사용되고 있다( Abanilla et al., 2005 ).
특히 TiO 2 의 적당한 분산은 에폭시 수지의 기계적 물성 및 열적성질, 마찰저항을 우수하게 만들어 주로 투명 디스플레이, 능동형 유기 발광 다이오드, 태양전지 필름, 박막 트랜지스터로의 적극적 응용이 기대된다. TiO 2 첨가량이 3wt%일 때 가장 좋은 강도특성이 나타났다는 선행연구결과( Kim and Moon, 2014 )에 기초하여, 본 연구에서는 탄소섬유의 종류에 따른 탄소섬유강화 고분자 복합재료(CFRP) 시편의 Weibull Parameter를 비교하였다. 그리고 열처리( Lee, 1990 ; Lee, 1994 )에 의하여 여러 가지 크기로 변화시킨 TiO 2 가 3wt% 첨가된 에폭시 수지와 탄소 섬유와 복합화한 CFRP 시험편의 인장강도 변화를 조사하였다. 또한 전자현미경에 의한 파면검사도 함께 실시하였다.
2. 실험재료 및 시험편
- 2.1 섬유강화 복합재료
본 실험에서 사용된 강화용 섬유 Carbon fibe는 Toray사의 T700SC 12K(직경, 6.86μm, 1-CFRP), Mitsubishi사의 TR 50S 12L(직경, 6.82μm, 2-CFRP), MR 40 12M(직경, 6.02μm, 3-CFRP)의 총 세 종류의 Carbon fiber를 사용하였고, 자료는 회사에서 제공받은 것이다.
매트릭스는 Bisphenol-A형의 에폭시(Epoxy)수지로, 주재는 YD-128(국도화학)을, 경화제는 고온경화제인 MNA(methyl nadic anhydride)를, 경화촉매제로는 산무수물계인 BDMA(benzhyl dimethyl amine)가 사용되었다.
- 2.2 TiO2나노분말
섬유강화 복합재료의 물성향상을 위하여 첨가하는 나노분말은 20nm 크기의 티타니아(AEROXIDE P90, AEROSIL)를 기본 분말로 사용하였다. 그리고 나노 분말의 크기가 CFRP의 강도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 20nm의 분말을 열처리에 의하여 100nm, 200nm의 입자크기의 두 종류로 제조하였다.
- 2.3 CFRP 인장시험편
탄소섬유 Bundle을 Resin bath에 함침 시킨 섬유는 유리 오리피스(Orifice)에 통과시켜 잉여수지를 제거하여 섬유함유율을 일정하게 조정하였다( Moon and Nam, 1992 ). 잉여수지가 제거된 탄소섬유는 80℃에서 2시간 경화 후, 140℃에서 3시간 동안 후 경화 처리를 하였다. 티타니아 나노입자는 주재인 YD-128에 경화재인 MNA, BDMA를 혼합하기 전에 혼합 분산시켰으며 그 첨가량은 3wt%로 하였다.
- 2.4 인장시험 및 파면관찰
인장 시험은 1ton 용량을 가진 Testometric의 인장 시험기 M350-10CT에서 실시하였으며, 이 때 Cross head speed는 2mm/min로 실온에서 실시하였다. 인장강도의 계산은 이론에 따라 수지가 섬유에 비해 인장강도가 매우 작으므로 수지의 기여 분은 무시하고 순수 섬유만의 단면적을 구하여 계산하였다( Moon, 1996 ).
3. 결과 및 고찰
- 3.1 CFRP의 신뢰성평가
CFRP 시험편의 인장강도의 신뢰성평가를 위한 파괴확률은 아래와 같은 식 (1)을 이용하였다.
PPT Slide
Lager Image
여기서 N 은 시험편의 총수이며, Li 는 시험편의 파괴강도를 작은 것부터 나열했을 때 i 번째를 나타낸다. 그리고 인장강도의 분포함수식은 Two parameter Weibull 분포함수 식 (2)를 사용하였다.
PPT Slide
Lager Image
여기서 α는 Shape parameter이며, β는 Scale parameter이다 (Kim and Shin, 2004; Moon and Takaku 2010 ).
Fig 1 - 3 에서 실선은 최약 링크 모델(Weakest link model)을 기초로 한 Two parameter Weibull 분포함수 식 (2)에 적용시킨 결과이며, 점은 실험 데이터이다. 이에 의하면 본 실험에 사용한 CFRP 시험편은 Two parameter Weibull의 파괴확률 분포 특성과 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 이것은 CFRP 재료의 전형적인 취성파괴 특성을 보인 결과이며, CFRP의 재료설계 내지 강도 데이터의 신뢰도 평가에 있어서 고려해야할 매우 중요한 점으로 생각된다.
PPT Slide
Lager Image
Failure Probability of tensile strength on 1-CFRP
PPT Slide
Lager Image
Failure Probability of tensile strength on 2-CFRP
PPT Slide
Lager Image
Failure Probability of tensile strength on 3-CFRP
그리고 상기의 실험 결과에서 two parameter Weibull 분포함수 식 (2)의 Shape parameter α와 Scale parameter β를 구한 결과를 Table 1 에 보인다. Mitsubbishi사의 탄소섬유를 비교하면, 인장강도는 섬유직경이 큰 섬유로 만든 2-CFRP시험편이 가장 낮았지만 Shape parameter가 제일 높게 나타났다. 이것은 2-CFRP 시험편의 강도 데이터 신뢰도가 가장 높다는 것을 의미이며 재료 설계상 검토되어야 할 중요한 요소로 생각된다.
Tensile strength and Weibull parameters for the three kind of CFRP specimens
PPT Slide
Lager Image
Tensile strength and Weibull parameters for the three kind of CFRP specimens
- 3.2 CFRP 시험편의 인장강도
티타니아 나노입자가 CFRP의 인장강도에 미치는 영향을 조사한 결과를 Fig. 4 - 6 에 보인다. 먼저 Fig. 4 는 Toray 사의 1-CFRP의 인장시험 결과이다. 이에 의하면, 20nm 크기의 티타니아 분말을 첨가했을 때 인장강도가 가장 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 그리고 100nm크기의 티타니아 분말을 첨가했을때는 티타니아 나노분말을 첨가하지 않은 CFRP와 비슷한 강도를 보였으며, 200nm의 티타니아 입자를 첨가한 경우에는 오히려 강도가 저하하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 따라서 CFRP의 강도향상을 위하여 첨가하는 티타니아 나노분말은 일정크기 이상에서는 에폭시 수지와 탄소섬유의 계면에서의 접착력 등에 나쁜 영향을 미치는 것으로 판단된다.
PPT Slide
Lager Image
Tensile strength of 1-CFRP with TiO2 powder
PPT Slide
Lager Image
Tensile strength of 2-CFRP with TiO2 powder
PPT Slide
Lager Image
Tensile strength of 3-CFRP with TiO2 powder
Fig. 5 - 6 는 mitsubishi 사의 탄소섬유의 직경이 서로 다른 2-CFRP와 3-CFRP의 인장강도를 보인 것이다. 그 결과, 티타니아 나노분말이 CFRP의 인장강도에 미치는 영향은 1-CFRP의 시험결과와 매우 비슷한 양상으로 나타나 20nm의 티타니아입자를 첨가한 경우가 가장 높은 인장강도를 보이고 있으며 티타니아 입자의 크기가 커질수록 인장강도는 약간 저하하고 있음을 알 수 있다. 그리고 전반적으로는 탄소섬유의 직경이 작은 3-CFRP의 경우가 2-CFRP보다 높은 인장강도를 보이고 있음을 알 수 있다. CFRP의 경우, 그 강도에 미치는 인자는 탄소섬유 에폭시나, 경화제, 온도 및 첨가제의 종류 등에 따라 매우 다양하고 생각된다. 그 중 첨가제의 이방성이 강도에 미치는 영향도 적지 않다고 생각된다. 즉 첨가된 입자들이 인장시험의 방향으로 배향이 된다면 이는 강화효과를 보이게 되지만 수직방향으로 배향됐을 경우 아무 효과를 주지 못하고 오히려 계면간의 결함이 될 수도 있다. 그리고 첨가하는 입자의 크기가 200nm정도로 크게 되면 배향성의 효과보다는 입자 자체로 인한 결함 효과가 나타날 수 있다고 생각된다. 그리고 섬유직경이 작은 시험편이 강도가 높게 나타나는 것은 직경이 작을수록 섬유다발 내로의 입자 침투가 용이하고 또 잘 침투된 입자들로 인한 계면 접착력도 높아지는 것으로 사료된다.
한편 CFRP시험편 중에서 입자 크기의 영향이 가장 크게 나타난 20nm의 입자를 첨가한 경우만을 서로 비교하여 Fig. 7 에 보인다. 그림에서 왼쪽은 CFRP이며, 오른쪽은 티타니아 입자가 첨가된 CFRP이다. 모든 CFRP에서 티타니아 나노입자 첨가에 의해 강도가 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 2-CFRP와 3-CFRP는 같은 회사의 탄소섬유를 사용하여 제작한 시편임에도 불구하고 직경이 작은 3-CFRP의 강화효과는 약 12.7%로 직경이 큰 2-CFRP의 3.2%로 나타나 탄소섬유 직경에 따른 강도 차이는 뚜렷하게 나타나 섬유의 직경도 나노 입자의 크기와 함께 인장강도에 미치는 주요한 요인임을 확인할 수 있다.
PPT Slide
Lager Image
Effect of fiber diameter on the tensile strength in CFRP
- 3.3 현미경 관찰
Fig. 8 는 여러 가지 크기의 티타니아 나노분말을 첨가한 대표적인 3-CFRP 시험편의 파면을 보인 것이다. 1-CFRP와 2-CFRP의 파면의 양상도 이것과 매우 흡사하여 비교할 의미가 그다지 크지 않아 본 논문에서는 생략하였다. 이것은 CFRP의 경우 재료강도에 미치는 섬유의 기여비율이 매우 크기 때문에 탄소섬유의 직경이나 첨가한 티타니아 나노분말에 의한 영향이 파면에서는 명확하게 나타나지 않았던 것으로 생각된다. 그러나 전반적으로는 계면결합이 강해보이는 것은 20nm크기의 티타니아 분말을 첨가한 Fig. 8 (b) 로 간주되며 티타니아 입자의 크기가 커질수록 파면의 평탄한 부분이 많아 보이지만 이것은 유의차에 지나지 않을 것으로 생각된다. 다음 Fig. 9 는 티타니아 나노분말의 첨가효과가 가장 크게 나타난 3-CFRP 시험편을 대상으로 그 파단면을 8000배로 확대하여 관찰한 것이다. 20nm 크기의 TiO 2 를 첨가한 (a)를 보면 탄소섬유와 수지사이의 계면이 매 우 잘 접착되어 있어 기공과 같은 빈 공간이 거의 보이지 않는다. 이것은 탄소섬유 사이로 수지가 잘 스며들어 그 접착력이 강화된 결과로 생각된다. 그러나 100nm 및 200nm 크기의 티타니아 분말을 첨가한 시험편의 파면에서는 섬유사이의 빈공간도 보이고 또한 그간격도 비교적 커진 것을 알 수 있다. CFRP에서 에폭시 수지가 강도에 미치는 영향은 탄소섬유에 비해서 크지는 않겠지만, 탄소섬유와 에폭시 수지와의 계면 접착력이나 기공과 같은 빈 공간 등은 인장강도에 어느 정도 영향을 미친 것으로 생각된다. 따라서 티타니아 나노분말의 크기는 탄소섬유의 직경과 더불어 CFRP의 강도향상에 있어서 중요한 요인으로 작용하고 있다고 판단된다.
PPT Slide
Lager Image
SEM images of tensile fracture surface of 3-CFRP (×800)
PPT Slide
Lager Image
SEM images of tensile fracture surface of 3-CFRP (x8000)
4. 결 론
본 연구에서는 TiO 2 나노분말의 입자크기와 탄소섬유 직경이 CFRP 복합재료의 기계적 물성에 미치는 효과에 대해 알아보기 위한 것으로 여러 종류의 시험편에 대한 인장강도의 측정, CFRP 시험편의 인장강도의 통계적 특성 그리고 SEM 기기에 의한 파단면을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 20nm 크기의 TiO 2 나노입자를 CFRP에 첨가했을 때 그 인장강도의 상승효과가 가장 크게 나타났다. 그리고 첨가하는 TiO 2 나노입자가 100nm이상으로 커지게 되면 인장강도의 향상 효과가 거의 나타나지 않거나 오히려 저하하였다.
(2) 본 실험에 사용한 CFRP 시험편의 인장강도는 최약링크설에 근거한 Two parameter Weibull distribution의 파괴확률 분포함수 특성과 매우 잘 일치 하였다.
(3) Mitsubishi사의 탄소섬유의 경우, 섬유직경이 큰 편의 CFRP의 강도는 작게 측정되었지만, Two parameter Weibull distribution의 shape parameter는 크게 나타나, 탄소섬유의 강도와 그 신뢰도가 섬유직경에 따른 차이를 보였다.
(4) CFRP 시험편에서는 탄소섬유의 종류에 따른 명확한 파면 차이를 보이지 않았다. 그러나 고배율로 관찰한 파면에서는 TiO 2 나노입자의 크기에 따른 탄소섬유와 에폭시 수지의 계면 접착 상태의 차이는 비교적 뚜렷하게 관찰되었다.
Acknowledgements
이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2014년)에 의하여 연구되었음.
References
Abanilla M.A. , Li Y. , Karbhari V.M. 2005 Durability Characterization of Wet Layup Graphite/Epoxy Composites Used in External Strengthening Composites: Part(B) 37 (2/3) 1 - 13
Hammami A. , Ghuilani N.A. 2004 Durability and Environment Degradation of Glass–vinylester Composites Polymer Composites 25 (6) 609 - 616    DOI : 10.1002/pc.20055
Lee H.L. 1990 Engineering Ceramics Bando Publisher
Lee J.K. 1994 Sintering of Ceramics Bando Publisher
Kim B.A. , Moon C.K. 2014 Nanoparticle Effect on Durability of Carbon Fiber/Epoxy Composites in Saline Water Environment Journal of Ocean Engneering and Technology 28 (1) 64 - 68    DOI : 10.5574/KSOE.2014.28.1.064
Kim B.A. , Shin D.W. 2003 Ceramic Fracture Properties Wonchang Publisher
Kootsookos A. , Mouritz A.P. 2004 Seawater Durability of Glass- and Carbon-Polymer Composites Composites Science and Technology 64 (10-11) 1503 - 1511    DOI : 10.1016/j.compscitech.2003.10.019
Moon C.K. 1996 The Interface and Mechanical Properties of a Fiber Reinforced Composites Journal of Ocean Engneering and Technology 10 (1) 5 - 16
Moon C.K. , Takaku A. 2010 Polymer Matrix Composites Sigmapress
Moon C.K. , Goo J.S. 1997 Study on the Durability of Fiber Reinforced Plastics by Moisture Aborsoption Journal of Ocean Engneering and Technology 11 (2) 48 - 56
Moon C.K. , Nam K.W. , Um Y.S. 1992 Statistical Analysis of Interfacial Shear Strength on Fiber - Matrix Transactions of the KSME 16 (2) 200 - 206