KR101562476B1 - 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트 - Google Patents
산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101562476B1 KR101562476B1 KR1020140132233A KR20140132233A KR101562476B1 KR 101562476 B1 KR101562476 B1 KR 101562476B1 KR 1020140132233 A KR1020140132233 A KR 1020140132233A KR 20140132233 A KR20140132233 A KR 20140132233A KR 101562476 B1 KR101562476 B1 KR 101562476B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- zno
- carbon fiber
- woven carbon
- resistance
- interlaminar
- Prior art date
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 77
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 77
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 74
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title description 12
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 283
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims abstract description 141
- 229920001567 vinyl ester resin Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 14
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 36
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 25
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 9
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 1-(1-adamantyl)-3-aminothiourea Chemical compound C1C(C2)CC3CC2CC1(NC(=S)NN)C3 XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 5
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 4
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 abstract description 7
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 abstract description 5
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- IISBACLAFKSPIT-UHFFFAOYSA-N bisphenol A Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(C)(C)C1=CC=C(O)C=C1 IISBACLAFKSPIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229920002430 Fibre-reinforced plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000011151 fibre-reinforced plastic Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000011160 polymer matrix composite Substances 0.000 description 2
- 229920013657 polymer matrix composite Polymers 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N zafuleptine Chemical compound OC(=O)CCCCCC(C(C)C)NCC1=CC=C(F)C=C1 YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WFUGQJXVXHBTEM-UHFFFAOYSA-N 2-hydroperoxy-2-(2-hydroperoxybutan-2-ylperoxy)butane Chemical compound CCC(C)(OO)OOC(C)(CC)OO WFUGQJXVXHBTEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLTDJTHDQAWBAV-UHFFFAOYSA-N N,N-dimethylaniline Chemical compound CN(C)C1=CC=CC=C1 JLTDJTHDQAWBAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229940106691 bisphenol a Drugs 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000000805 composite resin Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005264 electron capture Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 235000010299 hexamethylene tetramine Nutrition 0.000 description 1
- 239000004312 hexamethylene tetramine Substances 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002076 thermal analysis method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M11/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
- D06M11/32—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
- D06M11/36—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with oxygen, ozone, ozonides, oxides, hydroxides or percompounds; Salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond with oxides, hydroxides or mixed oxides; with salts derived from anions with an amphoteric element-oxygen bond
- D06M11/44—Oxides or hydroxides of elements of Groups 2 or 12 of the Periodic Table; Zincates; Cadmates
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
- D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M14/00—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials
- D06M14/36—Graft polymerisation of monomers containing carbon-to-carbon unsaturated bonds on to fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials on to carbon fibres
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M17/00—Producing multi-layer textile fabrics
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
- D06M2101/40—Fibres of carbon
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
- D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
- D10B2101/00—Inorganic fibres
- D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
- D10B2101/12—Carbon; Pitch
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
- D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
- D10B2401/00—Physical properties
- D10B2401/04—Heat-responsive characteristics
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
본 발명은 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트에 관한 것으로서, ZnO/직조된 탄소섬유 복합 라미네이트의 층간 영역에서 열적 가열이 조사되었다. ZnO/직조된 탄소섬유 복합 라미네이트에서, 직조된 탄소섬유 시트에 심어진 ZnO 나노구조 배열로 구성된 층간 영역은 열경화성 비닐 에스테르 레진과 상호작용한다. ZnO 나노구조 배열은 열수공정을 이용하여 나노봉(NRs)으로 형성되었다. 층간 영역의 전기적인 저항열 거동을 조사하기 위하여, 본 발명은 3개의 지대에서 시간의 함수로써 온도 프로파일을 분석하였다. ZnO NRs의 형태학적 구조는 주사전자현미경을 이용하여 조사되었고, X선 회절분석은 결정도와 ZnO 농도의 특징을 나타내는 것에 이용되었다. 별도의 주사 열량계는 ZnO/직조된 탄소섬유 복합 라미네이트의 정확한 열용량을 분석하는 것에 사용되었다. 전기적인 저항열은 고유의 직조된 탄소섬유 사슬의 사이 및 ZnO NRs에 둘러싸여 형성된 다중접합을 통하여 층간 영역에서 달성되었다. 열적 가열 획득의 기여는 층간 영역에서 직조된 탄소섬유 및 수지와 함께 서로 연결되었다. ZnO/직조된 탄소섬유 복합체의 상단과 하단의 박편 사이에서 층간 저항은 110mM까지의 ZnO 농도에서 점진적인 증가와 함께 증가하였다. 효과는 직조된 탄소섬유에서 전자 수송을 금지하는 층간 경계면과 ZnO NRs의 높은 표면밀도에 기인되었다. 저항은 고온에서 자유전자의 밀도에 증가에 기인하여 전기적인 저항열에 뒤따라 감소하였다.
Description
본 발명은 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트에 관한 것으로서, 상세히는 직소된 탄소섬유 복합체 라미네이트에서 성장하는 ZnO 나노봉(NRs)의 농도가 증가함에 따라, 상기 복합체 라미네이트의 층간 영역의 층간 저항열의 온도가 증가함으로써 열효율성이 좋아지고 구조적인 강화가 이루어지는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트에 관한 것이다.
지난 수십년을 넘어, 섬유강화 폴리머(FRP) 복합체는 그들의 높은 고유의 강도와 강성 때문에 많은 산업의 응용에서 폭넓게 사용되고 있다. 특히, 탄소섬유에 의해 강화된 폴리머 복합체는 그들의 뛰어난 기계적 성질과 경량 특성 때문에 상당한 관심을 받고 있다. 최근에, 탄소 나노튜브(CNTs), 그래핀/그라파이트 나노플레이트, 탄소 나노섬유 및 탄소블랙과 같은 나노스케일 탄소기반 충전재에서 떠오르는 관심사는 그들의 열적 안정성, 전기전도성 및 강화된 기계적 성질에 기인하여 매우 흥미를 끌어당기고 있다. 그러나, CNTs와 그래핀 사이에 강한 분자간 van-der Walls 상호결합과, 묶음과 가지를 형성하기 위한 CNTs와 탄소블랙에 대한 경향에 기인하여 이들 나노스케일 탄소 기반 충전재의 일정한 분산을 준비하는 것에 어려움이 존재한다; 결과적으로, 이들 재료들은 복합체로 결합할 수 있다. 이 문제들을 다루기 위해, whiskerization이 섬유의 표면 상에서 직접 2차 강화를 성장하는 것에 의해 복합체의 수행능력의 면에서 우수한 인자인 원하는 계면 강화를 얻기 위해 사용되고 있다. 특히, ZnO 나노구조는 그들의 양호한 압전, 광학적, 전자적, 기계적, 유전전 및 극초단파 흡수 성질에 기인하여 가장 유망한 whiskerization 재료 중의 하나로 인정되고 있다. ZnO 나노구조 배열은 매트릭에서 섬유로부터 부하이동 용량을 강화한다; 그들은 스트레스 농도를 감소시키고 폴리머 매트릭스와 함께 결합에 대한 표면적을 증가시킨다.
탄소 기반 복합체의 전기적인 성질은 전기적인 저항열을 위해 활용될 수 있다. 특히, 탄소섬유(CF)와 함께 강화된 비닐에스테르 기반 복합체에서 전기적인 저항과 자기적인 유도 열은 저항요소로써 응용을 위해 연구되고 있다. Fosbury를 위시하여, CF/폴리머 매트릭스 복합체의 층간 계면의 전기적인 성질을 조사하였고 이 경계면은 효율적인 저항열 요소로 기능할 수 있다는 것을 보여주었다. Takahashi와 Hahn은 그라파이트 섬유 폴리머 복합체 구조의 자동적인 열 관리를 위해 CF/폴리머 매트릭스 복합체의 전기적인 성질을 사용하였다. 이것들은 복합체의 온도가 섬유의 축에 평행 및 수직의 양쪽 방향으로 전도도를 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다는 것을 보여주었다.
Rodolf를 위시하여, 연속적인 CF-강화된 열가소성 복합체의 자기 유도열을 연구하였다. 이들은 열이 닫힌 섬유 루프가 전류가 흐를 수 있는 것을 통하여 존재할 때만 발생되는 것을 발견하였다. 예를 들면, 일정방향의 섬유 라미네이트는 라미네이트가 섬유결합을 포함하지 않기 때문에 열이 발생될 수 없다. 그러나, ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 전기적인 저항열에 대한 박편과 박편 사이의 층간 영역 특징의 그러한 보고는 공개되고 있지 않다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 비닐 에스테르 매트릭스에서 ZnO 2차 강화로 코팅된 직조된 탄소섬유(CF) 시트로 형성되는 복합체 라미네이트에서 층간 영역의 전기적인 저항열을 조사하여, 정렬된 ZnO 나노봉(NRs) 배열이 다양한 ZnO 농도를 이용하여 직조된 CFs에서 성장될 때, 상기 ZnO 농도의 증가에 의해 상기 저항열의 온도가 증가하도록 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법은, 직조된 탄소섬유(CFs) 복합체 라미네이트의 표면상에서 성장하는 ZnO 나노봉(NRs)의 일정한 농도범위 내에서 상기 농도의 증가에 따라 층간 영역에서 층간 저항열의 온도가 증가하도록 한 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 층간 영역은 직조된 탄소섬유에 심어진 ZnO 나노구조 배열로 구성되고, 상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장은 ZnO 나노구조 배열을 열수공정을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
또 상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장을 위해 시드 처리된 직조된 탄소섬유 시트가 배치되는 수용액의 pH는 6∼8의 범위 내로 유지하며, 상기 수용액은 1M 아연 니트레이트 헥사하이드레이트와 1M HMTA의 수용액인 것이 바람직하다.
또 상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장은 90℃에서 5시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
또 상기 ZnO 나노봉(NRs)의 농도범위는 70∼110mM인 것이 바람직하다.
또 상기 복합체 라미네이트는 진공보조 레진변형 몰딩(VARTM) 공정으로 직조된 탄소섬유 시트에 비닐 에스테르 레진을 스며들게 하여 형성하며, 상기 비닐 에스테르 레진은 기폭제 및 촉진제와 함께 100:1:1의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또 상기한 제조방법에 의해 제조된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트를 사용하는 것을 또 다른 특징으로 하고 있다.
본 발명의 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트에 의하면, 층간 저항열에 기인한 온도가 증가하는 것으로 인해 열효율성이 좋은 층간 영역의 사용이 가능해지고, 이러한 층간 영역이 구조적인 강화로 이어져 다기능의 구조적이고 전기적인 열 응용에 유리한 복합체가 될 수 있는 효과가 있다.
도 1의 (A)는 신호 흐름을 보여주고 있는 실험장치의 도식도,(B)는 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 층간 영역에서 전기적인 저항열의 형태를 보여주고 있는 도식도
도 2는 서로 다른 전극 형태에서 가열(60초)과 냉각(60초) 동안에 온도의 적외선 열감지 분석으로써, (A)는 점 접촉, (B)는 선 접촉, (C)는 넓은 면 접촉
도 3은 직조된 탄소섬유에서 성장이 변화하고 있는 ZnO 나노봉(NRs)으로써, ZnO의 (A) 10mM 농도, (B) 30mM 농도, (C) 50mM 농도, (D) 70mM 농도, (E) 90mM 농도, (F) 110mM 농도, 스케일 바는 1㎛에 해당하는 SEM 이미지로 보여주었다.
도 4는 직조된 탄소섬유에서 성장된 ZnO 나노봉(NRs)의 XRD 패턴
도 5는 서로 다른 ZnO 몰 농도와 ZnO 양에 대한 저항성
도 6은 20분으로 가열하는 동안 다양한 ZnO 몰 농도에서 층간 영역의 전력(A)과 저항성(B)
도 7의 (A∼C)는 시간의 함수로써 층간 영역의 저항열 동안에 온도, (D)는 다양한 ZnO 몰 농도에서 및 1∼3A 범위에서 서로 다른 전류와 함께 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 평균 온도
도 8은 온도의 함수로써 서로 다른 ZnO 몰 농도와 함께 샘플에 대한 구체적인 열용량
도 2는 서로 다른 전극 형태에서 가열(60초)과 냉각(60초) 동안에 온도의 적외선 열감지 분석으로써, (A)는 점 접촉, (B)는 선 접촉, (C)는 넓은 면 접촉
도 3은 직조된 탄소섬유에서 성장이 변화하고 있는 ZnO 나노봉(NRs)으로써, ZnO의 (A) 10mM 농도, (B) 30mM 농도, (C) 50mM 농도, (D) 70mM 농도, (E) 90mM 농도, (F) 110mM 농도, 스케일 바는 1㎛에 해당하는 SEM 이미지로 보여주었다.
도 4는 직조된 탄소섬유에서 성장된 ZnO 나노봉(NRs)의 XRD 패턴
도 5는 서로 다른 ZnO 몰 농도와 ZnO 양에 대한 저항성
도 6은 20분으로 가열하는 동안 다양한 ZnO 몰 농도에서 층간 영역의 전력(A)과 저항성(B)
도 7의 (A∼C)는 시간의 함수로써 층간 영역의 저항열 동안에 온도, (D)는 다양한 ZnO 몰 농도에서 및 1∼3A 범위에서 서로 다른 전류와 함께 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 평균 온도
도 8은 온도의 함수로써 서로 다른 ZnO 몰 농도와 함께 샘플에 대한 구체적인 열용량
이하, 본 발명에 따른 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
1. 소개
본 발명에서, ZnO/직조된 탄소섬유(CF) 층들 사이에 결합은 전기적인 저항열을 나타낼 것으로 예상되고, ZnO 나노구조는 탄소섬유와 비닐 에스테르 레진 사이에 계면 영역의 기계적 안정성을 증가시킬 것으로 예상된다. 열수 방법은 ZnO 나노구조를 합성하는 것에 사용되었는데, 수용액에서 진행되는 저온 공정(90℃)이고 전적으로 섬유의 기계적 강도를 보존한다. 계면 성질의 상당한 강화는 탄소섬유에서 ZnO와 카르복실(carboxyl), 하이드록실(hydroxyl) 및 카르보닐(carbonyl) 산 그룹 사이에서의 결합 때문인 것으로 예상된다. 주사전자현미경(SEM) 이미지는 직조된 CFs의 표면에서 성장된 ZnO 나노봉(NRs)의 조직형태를 검사하는 것에 사용되었고, X선 회절기(XRD) 패턴은 ZnO NRs의 결정성을 규정하는 것으로 분석되었다. 시차주사(示差走査) 열량 측정(differential scanning calorimetry)은 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 고유의 열용량을 분석하는 것에 사용되었다. 이에 대해서 다음과 같이 상세하게 설명하도록 한다.
2. 실험
2.1. 재료
본 발명에서는 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone) 과산화물 기폭제와 함께, 비스페놀-A 에폭시(bisphenol-A epoxy) 기반 비닐 에스테르를 사용하였다. 디메틸 아닐린(Dimethyl aniline)은 비닐 에스테르 레진의 경화 시간과 온도를 감소하기 위한 촉진제로 사용되었다. 이들 반응제들은 한국의 국도화학 주식회사로부터 구입되었다. T-300 직조된 CFs는 Toray Industries Inc.(Japan)에 의해 제공되었고, 분석등급 아연 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·2H2O), NaOH, 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2·6H2O), 그리고 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4, HNTA)은 Sigma Aldrich(U.S.A.)로부터 구입되었고 ZnO NRs를 준비하기 위해 사용되었다. 에탄올(반응제 등급, J.T. Baker, U.S.A.)은 안정적인 콜로이드 현탁액을 얻기 위해 아연 아세테이트 디하이드레이트와 함께 용매로 사용되었는데, ZnO NRs의 성장에 씨앗이 되는 것으로 사용되었다.
2.2. ZnO/직조된 CF/비닐 에스테르 레진 복합체 라미네이트의 준비
ZnO NRs의 육방정계의 배열은 낮은 온도, 그리고 낮은 환경적인 충격으로 그것의 간단함에 대해 잘 알려진 열수 방법을 이용하여 합성되었다. ZnO 시드 전구체는 각각 10분의 사이클로 하는 바의 네 개의 담그기와 열처리 사이클을 통하여 직조된 CFs 상에 도포되어, 직조된 CF 시트는 ZnO 나노입자의 콜로이드 현탁액에 담갔다. 시드 처리된 직조된 CF 시트는 이때 1M 아연 니트레이트 헥사하이드레이트와 1M HMTA의 수용액에 배치되었다. ZnO 성장을 위한 수용액의 pH는 6과 8 사이에 유지되었다. ZnO NRs의 성장은 90℃에서 5시간 동안 수행되었고, 반응은 다음과 같았다:
HMTA + 6H2O ↔ 6HCHO + 4NH3 (1)
NH3 + 6H2O ↔ NH4 + + OH- (2)
2OH- + Zn2 + ↔ ZnO(s) + H2O (3)
반응 (3)은 ZnO 성장이 OH- 음이온의 높은 농도에 의해 지지된다는 것을 묘사한다.
각각의 직조된 CF 시트는 에탄올을 사용하여 세척된 80×80㎟이었고, 100℃에서 10분 동안 건조하였다. 합성의 더욱 상세함은 주요한 문헌에서 발견될 수 있다. ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트는 진공보조 레진변형 몰딩(VARTM) 공정을 이용하여 형성되었고 무게를 단위로 하여 100:1:1의 비율로 혼합되는 비닐 에스테르 레진, 기폭제 및 촉진제와 함께 스며들었다. ZnO의 몰 농도는 최종적인 복합체의 표면 조직형태, 결정성, 전기적인 저항열 및 고유의 열용량에 효과를 연구하기 위해 ZnO NR 성장 동안에 변화되었다.
2.3. 전기적인 저항열과 특성에 대한 실험적인 계획
전기적인 저항열은 도 1의 (A)에서 도식적으로 보여지는 실험장치를 이용하여 특징이 나타내게 되었다. 샘플은 전기적인 전력 공급장치에 연결되었고, 표면에서 온도 분포는 적외선 카메라(H2640, 주원산업 주식회사, 한국)를 이용하여 모니터되었다. 표면에 배치된 열전대로부터 출력값이 얻어졌고 적외선 열감지 분석이 수행되었다; 이들 측정된 온도 데이터에서 차이는 온도 갭에 대한 보상에 이용되었다. 전기적인 저항은 2가지의 탐침자 방법을 이용하여 측정되었다. 전극은 전도성이 있는 은 페이스트와 함께 샘플에 배치되었다. 이것은 전극과 복합체 라미네이트 사이에 접촉저항이 층간 영역의 그것보다 많이 더 낮다는 것을 보장하였다. 샘플의 상호 탐침 저항은 디지털 멀티미터(81/2-dight Model 2002, Keithley, U.S.A.)를 이용하여 모니터 되었다.
표면 저항과 층간 저항은 개별적으로 분석되었다. 표면 저항은 뒤의 절에서 논의되는 전극연결방법에 의해 측정되었다. ZnO/직조된 CF 복합체 계면에서 층간 저항은 도 1B에 묘사되었고 CF 층의 하부 박판에서 상부로 재료 두께를 통하여 흐르는 전류와 결합된다. CF는 전도성이 있는 재료로 간주되기 때문에, 2개의 탐침자 사이에 주요한 저항은 박판 안쪽에서부터 발생하는 것으로 가정되었던 층간 저항으로서 적용되었다. 층간 영역은 열경화성 비닐 에스테르 레진과 함께 2개의 직조된 CF 층에 ZnO NRs의 다중 접촉에 의해 특징이 나타나게 된다.
전기적인 저항열 거동을 조사하기 위해, VARTM 공정 이전에 CF 시트에서 성장된ZnO NRs의 표면에 은 와이어가 결합되었다. 은 와이어의 끝은 전기적인 전력공급장치에 연결되었고, 2개의 전극 사이에 열분포는 모니터되었다.
2.4. 전극 형상
전극 연결은 전극 주위에 집중된 열을 가능한 한 많이 감소시키기 위해 열 분산을 최적화하는 것에 분석되었다. 도 2는 점 접촉, 선 접촉 및 넓은 면 접촉이라는 서로 다른 전극연결방법을 보여준다. 각 접촉은 은 에폭시 페이스트를 이용하여 샘플의 표면 상에 붙인다. 구리 전도테이프는 넓은 면 접촉을 위해 사용되었고, 은 와이어는 테이프에 연결되었다.
샘플 사이즈는 60×60㎟이었고 전극 사이에 거리는 40㎜이었다. 연구되었던 열 면적은 50×40㎟이었고 전극 사이에 위치되었다. 적외선 열감지 분석을 이용하여, 본 발명에서는 점 접촉 연결이 도 2A에 도시한 바와 같이, 다른 접촉과 비교하여 상당히 많이 집중되었던 최대 온도를 가졌다. 이 이유 때문에, 점 접촉 연결방법은 앞으로의 측정에서 배제되었다. 점 접촉을 이용하여 측정된 표면 저항은 6.83Ω이었다; 선 접촉을 이용하여 그것은 2.77Ω이었고 넓은 면 접촉을 이용하여 그것은 0.81Ω이었다. 저항체 의해 분산된 열 전력은 일정 적용전압(여기에서 3V가 사용되었다)과 함께 1/R에 비례한다. 전력(P)법 방정식은 다음과 같다:
P = VI = I2R = V2/R (4)
여기서 P는 전력, V는 전압, I는 전류이고, R은 저항이다.
따라서, 선과 넓은 면 접촉의 낮은 저항은 더 많은 열 총합을 초래할 것이다. 더 나아가, 저항열은 복합체와 접촉 사이에 계면에서뿐만 아니라, 복합체 내에서도 일어날 것이다. 그러므로, 복합체 내에서 저항열을 활용하기 위해, 접촉저항은 최소화되어야 할 것이다. 그러나, 넓은 면적 저항은 샘플에서 더 많은 공간을 가정하고, 이 이유 때문에, 본 발명에서는 복합체 재료에서 전기적인 저항열의 앞으로의 조사를 위해 선 접촉 연결방법을 사용하였다.
2.5. 특징
직조된 CF 시트에 ZnO NRs의 조직형태는 서로 다른 ZnO 농도와 함께 SEM 이미지로부터 얻어졌다. ZnO NRs의 구조적인 순서는 결정 단색화된 CuKα 방사(0.154㎚)와 함께 XRD(Bruker, U.S.A.)를 이용하여 검사되었다. XRD 패턴은 40㎸의 작동전압과 20㎃의 전류와 함께 30-60°(2θ) 범위에서 1°/min의 비율에서 얻어졌다. DSC는 질소 흐름으로 설비가 된 DSC(TA Instrument로부터 Q200, U.S.A.)를 이용하여 시간과 온도의 함수로 열 흐름을 측정하기 위해 수행되었다. 샘플 질량은 각 작동에 대해 20-21㎎ 범위 내였고, 시편은 10°/min의 비율로 실온에서부터 100℃까지 가열되었다.
3. 결과 및 토론
3.1. 구조와 조직형태 특징
축 방향(예컨대, c-축 방향)에서 ZnO 성장률은 아연 니트레이트 헥사하이드레이트와 HMTA의 몰 농도에 의해 영향을 미치게 되었다. 도 3에 도시한 바와 같이, ZnO NRs는 큰 표면밀도를 가지고 있는 일정하고 잘 분배된 조직형태와 함께 성장되었다.
도 4에 도시된 XRD 패턴은 직조된 CFs에 포함된 ZnO NRs의 특징적인 결정선 피크를 나타낸다. ZnO NRs는 2θ=31.7° , 34.4°, 36.2°, 47.5° 및 56.5°에서 결정선 피크와 함께 관찰되었는데, a=3.25A와 c=5.21A의 격자상수와 함께 JCPDS No. 36-1451에서 참조되는 바와 같이 육방정계 구조와 잘 일치한다. 추가적으로, (002) 방향 피크는 ZnO NRs가 c-축을 따라 성장되었다는 것을 나타내었다. XRD 패턴의 강도는 ZnO 몰 농도에 따라 독특하였다. 본 발명에서는 회절 피크의 강도가 ZnO 성장의 농도가 증감됨에 따라 더 높아지게 되는 것을 관찰하였다.
3.2. ZnO NRs의 전기적인 저항열 거동
층간 영역에서 저항열을 연구하기 이전에, 본 발명에서는 면상 저항열에서 ZnO 나노봉의 효과를 평가하였다. 2개의 와이어 전극이 4개의 60×60㎟ 샘플의 양쪽 끝에 배치되었다: 직조된 CF, ZnO(30mM)/직조된 CF, 직조된 CF/비닐 에스테르 박판 및 ZnO(30mM)/직조된 CF/비닐 에스테르 박판. 샘플 면상에 온도는 전극 사이에서 2-A 전류흐름 하에 측정되었다. 평균 온도(∼1℃)에서 의미 있는 차이는 박판 샘플들(또는 직조된 CF 샘플들) 사이와 ZnO 나노봉 없이는 관찰되지 않았다. 이것은 면상 저항열에서 ZnO NRs의 추가적인 효과가 무시되었다는 것을 가리킨다. 본 발명은 이때 2층으로 된 복합체로 층간 저항열을 시험하였다. 전극은 전류가 복합체의 두께를 따라 흐르도록 복합체의 상단과 하단 표면 시트에 부착되어, 층간 영역에서 저항열을 초래하고 있다. 계면에서 온도는 열로 전력을 변환하는 것에 의해 얻어졌다.
층간 계면은 압력 접촉 또는 접합 접촉으로 분류될 수 있다. 압력 접촉은 결합 없이 접촉하여 2개의 구성요소로 이루어지고, 접합 접촉은 접착 결합에 의해 형성된다. 압력 접촉은 압력 하에서 꺼칠함의 변형에 기인하여 저항열 요소에 대해 적합하지 않다. 그러나, 접착 접합은 표면의 꺼칠함 사이에서 만들어 전기적인 접촉을 가능하게 한다. 본 발명에서는 접합 접촉을 사용하였고, ZnO/직조된 CF의 2개의 층은 절연성이 있는 접착재료, 예컨대, 열경화성 비닐 에스테르를 이용하여 결합되었다. 층간 영역을 사용하는 추가적인 이점은 직조된 CFs의 표면에서 성장된 ZnO NRs가 층간 저항을 증가시킬 수 있다는 것인데, 이 층간 저항은 ZnO의 몰 농도를 변화시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 섬유 대 섬유의 전기적인 층간 저항은 분기된 ZnO NRs가 전하 이동 밀도를 감소시키기 때문에 심어진 ZnO NRs의 존재에 의해 증가된다. 도 5는 ZnO 몰 농도의 함수로서 복합체 라미네이트의 저항을 보여준다. ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 층간 저항은 ZnO 몰 농도가 증가됨으로써 더 높아졌다. 따라서, 저항은 재료의 질량에 비례하였고, 복합체 박판 재료의 층간 영역은 열 요소로 작용할 수 있다. 생산된 열은 주어진 온도와 구체적인 열 용량에서 재료의 질량에 관련된다. 그러므로, 더 높은 열은 저항 요소의 질량을 증가하는 것에 의해 얻어질 수 있을 것이다.
3.3. ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 층간 저항열 거동
서로 다른 몰 농도와 함께 ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 층간 저항열(ILRH)은 층간 영역에서 ZnO NRs와 함께 하단 CF 시트에서 상단으로 흐르는 전류를 유도하는 것에 의해 조사되었다. 전기적인 저항열은 1∼3A 범위에서의 전류와 함께 층간 영역에서 시간 의존 온도 변화의 적외선 열감지 분석을 이용하여 특징이 지어졌다. 더 높은 온도는 CF 복합체 라미네이트뿐인 것으로 관찰된 온도와 관련하여 ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트와 함께 얻어졌다. 측정된 적외선 열감지 분석을 보여주는 도 5는 20분 동안 3A로 적용된 전류 하에 직조된 CFs의 표면에서 ZnO NRs(110mM)의 성장 후에 평균온도에 81% 증가를 나타낸다.
도 6의 (A)는 층간 영역에서 전력이 ZnO 몰 농도(일정한 전류와 함께)의 함수로 이차방정식적으로 증가하였다는 것을 나타낸다. 도 6의 (B)는 ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 층간 영역의 저항이 ZnO 몰 농도의 함수로 증가하였다는 것을 보여준다. 도 6에서 그래프로 나타낸 데이터는 다음의 표 1에 요약된다. ZnO NRs의 높은 표면밀도와 함께 결합된 층간 계면은 직조된 CFs에서 전자이동을 금지하여, 그것에 의해 ZnO의 몰 농도가 증감됨에 따라 실온에서 ZnO NRs의 저항을 증가하고 있다.
*1∼3A 범위에서 전류가 흐르는 동안 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 층간 영역의 저항성
층간 영역의 저항은 증가하는 힘(주어진 ZnO 몰 농도에 대해)을 감소시킨다. 그것은 전기적인 전도성이 복합체 재료의 온도가 증가하는 것과 함께 증가하는 것으로 뒤따른다. CFs를 둘러싸고 있는 ZnO NRs는 전자 포획 장소로 중요한 역할을 한다. 주어진 ZnO의 농도에서, 온도를 증가시키는 것은 전하 이동 밀도에 증가를 초래하고 층간 영역의 저항을 감소시킨다. 대조적으로, 샘플뿐인 것(예컨대 ZnO가 없이)은 증가하는 전류(그리고 앞으로 전기적인 저항열)와 함께 증간 저항에 증가를 나타내는데, 이 전류는 CF와 열경화성 레진 사이에 계면 접촉의 저하에 기여할 수 있게 된다.
도 7의 (A-C)는 ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 ILRH의 시간 의존을 보여준다. 이것은 3개의 지대로 세분될 수 있다: 실험의 초기 단계 동안의 가열 지대, 온도가 안정되는 것에 의하여 최대온도 지대, 그리고 연결이 끊어지고 있는 전원공급(1200-1800s)에 뒤따르는 냉각 지대.
가열 지대에서, 증가하는 시간 의존 온도는 다음의 수학식 1 및 2로 실험에 의하여 표현될 수 있다.
여기서, Tt는 시간의 함수로서 온도, T0는 초기온도, Tm은 최대온도, 그리고 τg는 특징적인 성장시간 상수이다. 서로 다른 ZnO 몰 농도에 대한 τg의 값은 다음의 표 2에 요약된 바와 같이, 도 7의 (A-C)에 가열 지대에서 데이터를 고정하는 것에 의해 얻어졌다. 주어진 복합체 라미네이트를 위해, τg는 실험적인 오차 내에서, 평균 그룹의 ZnO 농도(세트 1에서 10-50mM, 세트 2에서 70-110 mM)와 증가하는 전류와 함께 근소하게 감소하였다. ZnO 농도 사이에서 관찰된 불일치는 더 높은 농도가 연속적이고 밀집하여 채워진 조직형태를 형성하는 비교적 마이크로 크기 직경의 NRs를 생산한다는 사실에 기인한다고 생각된다. 전체적으로, 낮은 τg 값은 적용된 전류에서 급속한 온도 반응을 가리킨다.
*1∼3A 범위에서 전류가 흐르는 동안 ZnO/직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 층간 영역의 전기적인 저항열에 대한 특징적인 매개변수(예컨대, τg, Hr +c 및 τd)
시간의 함수로서 온도가 안정적으로 되는 최대온도 지대에서, 전력에 의한 열 획득은 복사와 대류에 기반을 둔 보존에너지에 의한 환경으로 방출된다. 이와 같이, 열은 복사와 대류에 의해 이동하는데, Hr +c는 다음의 수학식 2로 표현될 수 있다.
여기서, I0는 초기전류이고 Vc는 안정상태 전압이다.
가열에서 반응의 양적 분석을 위해, ILRH 복합체 라미네이트 각각의 중간 부분(60X60㎟)을 넘어 평균온도는 도 7D에 도시한 바와 같이 측정되었다. 평균온도는 적용된 전류와 ZnO 몰 농도 양쪽의 함수로서 점진적으로 증가하였다. 상기의 표 2는 ILRH 복합체 라미네이트 부분에 대한 ZnO 몰 농도의 함수로서 Hr +c의 값을 기재한 것이다. 증가하는 ZnO 농도와 함께 Hr +c에 감소는 비교적 낮은 전력소비로 달성되고 있는 최대온도를 초래하고 있는 높은 전기적인 열 효율을 가리킨다. ZnO NRs는 그러므로 층간 영역에서 전가 경로를 금지하는 것에 효율적이다.
냉각 지대에서, ILRH 복합체 라미네이트는 적용된 전류를 끊은 후에, 복사와 대류를 통하여 열을 잃는 냉각으로 방치되었다. 시간의 함수로 온도는 다음의 수학식 3의 2차방정식의 공식에 의해 표현될 수 있다.
여기서, τd는 전형적인 소멸시간 상수이다. 표 2는 서로 다름 샘플들에 대한 τd를 기록한 것이다; τd의 값은 각 ILRH 복합체 라미네이트에 대한 τd의 값보다 더 컸다. 이것은 열용량이 ZnO NRs의 존재에 의해 영향을 받게 되는데, 이 ZnO NRs는 냉각 동안에 매트릭스에서 CFs로 열적 장벽으로서 행동한다; 열 전도도의 온도 의존은 가열 동안보다 냉각 동안에 더 긴 시간을 초래한다.
본 발명은 도 3에 보여진 샘플들에 기반을 둔 ZnO NRs 성장의 조직형태를 분류하였다. 세트 2(70-110 mM 범위에서 ZnO 몰 농도)에 대해서 표 2에 기록된 τg, Hr +c 및 τd의 값은 실험오차 내에서 세트 1(10-50 mM 범위에서 ZnO 몰 농도)의 그것보다 더 낮다. 온도 변화는 더 높은 ZnO의 농도에서 더 급속하다.
DSC 측정은 도 8에 도시한 바와 같이, ZnO/직조된 CF 복합체 라미네이트의 특정한 열용량과 온도 사이에 관계를 측정하는 것으로 수행되었다. 특정한 열용량은 서로 다른 온도에서 얻어졌다. 결과는 특정한 열용량이 ZnO의 몰 농도가 증감됨에 따라 감소하였다는 것을 보여주는데, 이 ZnO의 몰 농도의 증가는 관찰된 전형적인 온도성장과 소멸시간, τg 및 τd와 일치한다. 특정한 열용량은 온도에 반비례한다. 그러므로, 더 낮은 특정한 열용량은 초기온도와 비교하여, 더 높은 온도가 주어진 힘 입력을 위해 얻게 될 것이라는 것을 의미한다. 이것은 ZnO NRs를 포함하고 있는 복합체가 층간 영역에서 ZnO의 증가하는 농도와 함께 더 높은 평균온도에 도달하였다는 관찰을 지지한다. ZnO는 그러므로 복합체의 층간 영역에서 열 이동을 늦출 수 있고, 따라서 열경화성 매트릭스는 외부의 직접 열원으로부터 개선된 보호를 제공할 수 있을 것이다.
4. 결론
ZnO/직조된 탄소섬유 복합 라미네이트의 층간 영역의 열적 특성이 조사되었다. 이 영역은 효율적인 전기적인 저항열 요소가 되는 것을 보여주었다. 시간 의존 온도 분포의 적외선 열감지 분석은 전기적 저항열에 기인한 온도가 층간 영역에서 ZnO 농도와 함께 증가하였다는 것을 나타내었다. 직조된 탄소섬유의 표면상에서 ZnO NRs의 성장은 SEM과 XRD 분석에 의해 관찰되었다. 110mM ZnO NR을 함유하고 있는 박편 복합체에서, ZnO가 없는 박편과 대비하여 평균 온도에서 81% 증가가 20분 동안 3-A(15-W) 전류의 적용에 뒤따라 얻어졌다. 더욱이, 비교적 큰 농도(70-110mM)에서 ZnO NRs의 효율적인 열적 가열은 시간의 함수로 표현되었다. 이것은 직조된 탄소섬유와 층간 영역의 레진에서 다중접합으로 ZnO의 더 높은 표면밀도에 기인되었다고 생각된다. 온도에서 급속한 증가는 적용된 전류와 함께 관찰되었다. 냉각 동안, 온도에 감소는 층간 영역에서 ZnO NRs의 존재에 기인하여 더 많이 느린 비율로 발생하였는데, 저항열 포획과 열적 장벽으로 행동하였다. 열적 요소에서 이러한 층간 영역의 사용은 그것의 열효율성 때문에 매력적일 뿐 아니라, 영역이 구조적인 강화로서 행동하기 때문에 매력적이다. 그러므로, 이 복합체는 다기능의 구조적이고 전기적인 열 응용에서 전도유망한 미래를 갖는다.
이상과 같이 본 발명에 따른 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
Claims (10)
- 직조된 탄소섬유(CFs) 복합체 라미네이트의 표면상에서 성장하는 ZnO 나노봉(NRs)의 일정한 농도범위 내에서 상기 농도의 증가에 따라 층간 영역에서 층간 저항열의 온도가 증가하도록 한 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 층간 영역은 직조된 탄소섬유에 심어진 ZnO 나노구조 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장은 ZnO 나노구조 배열을 열수공정을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장을 위해 시드 처리된 직조된 탄소섬유 시트가 배치되는 수용액의 pH는 6∼8의 범위 내로 유지하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 수용액은 1M 아연 니트레이트 헥사하이드레이트와 1M HMTA의 수용액인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 ZnO 나노봉(NRs)의 성장은 90℃에서 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 ZnO 나노봉(NRs)의 농도범위는 70∼110mM인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 복합체 라미네이트는 진공보조 레진변형 몰딩(VARTM) 공정으로 직조된 탄소섬유 시트에 비닐 에스테르 레진을 스며들게 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 비닐 에스테르 레진은 기폭제 및 촉진제와 함께 100:1:1의 비율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법. - 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 복합체 라미네이트를 사용하는 특징으로 하는 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140132233A KR101562476B1 (ko) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140132233A KR101562476B1 (ko) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101562476B1 true KR101562476B1 (ko) | 2015-10-22 |
Family
ID=54427053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140132233A KR101562476B1 (ko) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | 산화아연 나노봉으로 층간 저항열이 변화된 직조된 탄소섬유 복합체 라미네이트의 제조방법 및 그 복합체 라미네이트 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101562476B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101919496B1 (ko) | 2017-11-20 | 2018-11-16 | 울산과학기술원 | 플라즈마 처리를 이용한 탄소섬유 상의 아연 산화물 나노 구조체 형성 방법 및 이를 이용한 복합 재료의 형성 방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100790524B1 (ko) | 2006-03-17 | 2008-01-02 | 학교법인 포항공과대학교 | ＺｎＯ 나노막대의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된ＺｎＯ 나노막대 |
| KR101307332B1 (ko) | 2012-07-30 | 2013-09-10 | 한국기계연구원 | 초소수성 탄소섬유 및 이의 제조방법 |
-
2014
- 2014-10-01 KR KR1020140132233A patent/KR101562476B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100790524B1 (ko) | 2006-03-17 | 2008-01-02 | 학교법인 포항공과대학교 | ＺｎＯ 나노막대의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된ＺｎＯ 나노막대 |
| KR101307332B1 (ko) | 2012-07-30 | 2013-09-10 | 한국기계연구원 | 초소수성 탄소섬유 및 이의 제조방법 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101919496B1 (ko) | 2017-11-20 | 2018-11-16 | 울산과학기술원 | 플라즈마 처리를 이용한 탄소섬유 상의 아연 산화물 나노 구조체 형성 방법 및 이를 이용한 복합 재료의 형성 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Samadi et al. | Investigation of the electromagnetic microwaves absorption and piezoelectric properties of electrospun Fe3O4-GO/PVDF hybrid nanocomposites | |
| Dudem et al. | Highly-flexible piezoelectric nanogenerators with silver nanowires and barium titanate embedded composite films for mechanical energy harvesting | |
| Kong et al. | Interlaminar resistive heating behavior of woven carbon fiber composite laminates modified with ZnO nanorods | |
| Zhu et al. | Carbon nanostructure-derived polyaniline metacomposites: electrical, dielectric, and giant magnetoresistive properties | |
| Phang et al. | Synthesis, characterization and microwave absorption property of doped polyaniline nanocomposites containing TiO2 nanoparticles and carbon nanotubes | |
| Tsonos et al. | Electromagnetic wave absorption properties of ternary poly (vinylidene fluoride)/magnetite nanocomposites with carbon nanotubes and graphene | |
| Zheng et al. | Stretchable polyurethane composite foam triboelectric nanogenerator with tunable microwave absorption properties at elevated temperature | |
| Song et al. | Boosting piezoelectric performance with a new selective laser sintering 3D printable PVDF/graphene nanocomposite | |
| Yaqoob et al. | Effect of reduced graphene oxide on the energy harvesting performance of P (VDF-TrFE)-BaTiO3 nanocomposite devices | |
| Narasimulu et al. | Significant triboelectric enhancement using interfacial piezoelectric ZnO nanosheet layer | |
| Zhang et al. | Multifunctional electromagnetic interference shielding films comprised of multilayered thermoplastic polyurethane membrane and silver nanowire | |
| Kong et al. | Electrical thermal heating and piezoresistive characteristics of hybrid CuO–woven carbon fiber/vinyl ester composite laminates | |
| Deshmukh et al. | Novel nanocomposites of graphene oxide reinforced poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)-block-poly (ethylene glycol) and polyvinylidene fluoride for embedded capacitor applications | |
| Chamakh et al. | Vapor sensing performances of PVDF nanocomposites containing titanium dioxide nanotubes decorated multi-walled carbon nanotubes | |
| Liu et al. | 3D-printed TiO2-Ti3C2Tx heterojunction/rGO/PDMS composites with gradient pore size for electromagnetic interference shielding and thermal management | |
| Amoresi et al. | Crystallinity, morphology and high dielectric permittivity of NiO nanosheets filling Poly (vinylidene fluoride) | |
| Alhashmi Alamer et al. | Preparation and characterization of conductive cotton fabric impregnated with single-walled carbon nanotubes | |
| Zhang et al. | Flexible stretchable electrothermally/photothermally dual-driven heaters from nano-embedded hierarchical CuxS-Coated PET fabrics for all-weather wearable thermal management | |
| Toroń et al. | Nanogenerator for dynamic stimuli detection and mechanical energy harvesting based on compressed SbSeI nanowires | |
| Zheng et al. | Flexible nanocomposite electrothermal films based on carbon nanotubes and waterborne polyurethane with high reliability, stretchability and low-temperature performance for wind turbine blade deicing | |
| Wang et al. | Absorption-based electromagnetic interference shielding composites with sandwich structure by one-step electrodeposition method | |
| Pan et al. | PVDF/AgNP/MXene composites-based near-field electrospun fiber with enhanced piezoelectric performance for self-powered wearable sensors | |
| Chang et al. | Ultrathin multifunctional electromagnetic interference shielding MXene/AgNWs/PEDOT: PSS coatings with superior electro/photo-thermal transition ability and water repellency | |
| Wang et al. | Utility of whiskerized carbon fabric surfaces in resistive heating of composites | |
| Sharma et al. | Highly flexible, PEDOT: PSS-polyvinylpyrrolidone coated carbon nanofiber-polydimethylsiloxane composite for electromagnetic interference shielding |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20181001 Year of fee payment: 4 |