KR20200008572A - 신축성 나노컴포지트 스킨 재료 및 관련 구조물 - Google Patents

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KR20200008572A
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layer
skin
nanocomposite
nanotubes
nanocomposite material
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KR1020197035925A
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베남 아쉬라피
마이클 자쿠비넥
커티스 라쿠아
야디엔카 마르티네즈-루비
브누아 스마르
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내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다
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Abstract

신축성 다층 나노컴포지트 재료가 제공되며, 엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 네트워크를 포함하는 나노컴포지트 재료층; 및 나노컴포지트 재료층으로 적층된 적어도 하나의 추가층을 적어도 포함한다. 나노컴포지트층 및 추가층의 수, 이의 성질 및 조성은 모핑 또는 전개 가능한 구조물을 생성하는데 사용될 수 있는 결과적으로 생성되는 스킨에 맞춤형 기계적 및 물리-화학적 특성을 제공하도록 표면 방향 및/또는 두께 방향이 변화될 수 있다.

Description

신축성 나노컴포지트 스킨 재료 및 관련 구조물
본 발명은 일반적으로 나노컴포지트 재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로 신축성 나노컴포지트 스킨 재료 및 이의 관련 구조물에 관한 것이다.
나노컴포지트 재료는 바람직한 기계적 저항 특성을 제공하면서 변형 가능한 재료로 사용하기에 좋은 후보이다. 전형적으로, 나노튜브는 폴리머에 분산되거나 나노튜브 시트에 후속적으로 폴리머 수지가 주입되어, 굽힘성 또는 신축성 나노컴포지트와 같은 변형 가능한 나노컴포지트가 생성된다.
나노컴포지트의 영역에서의 진보와 관련하여, 제2015/147573 호로 공개된 미국 특허출원은 그 결과물인 변경 가능한 시트가 실질적인 저항 변화를 받지 않고 초기 신장으로 탄성적으로 이완되고 반복적으로 재-신장될 수 있도록, 연장된 엘라스토머 시트(다공성 엘라스토머 직물 또는 다공성 실리콘 고무 시트) 상에 나노섬유 시트의 디포지션을 포함하여 엘라스토머 변형 가능한 탄소 나노튜브 시트의 제조 방법을 보여주는 실시예(실시예 32 및 90 참조)를 제공한다. 방법은 제 2 엘라스토머 시트로 오버코팅하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법의 원리는 또한 엘라스토머 시트 사이에 적층된 하나 이상의 나노튜브 전극 시트를 포함하는 엘라스토머 변형 가능한 스택을 생성하도록 확장될 수 있다.
변형 가능한 나노컴포지트 재료의 또 하나의 예는 Martinez-Rubi Y et al. Nanotube-Buckypaper/Polyurethane Composites with Enhanced Mechanical Properties. 20th International Conference on Composite Materials, Copenhagen, 19-24th July 2015 (Referred hereinafter as Martinez-Rubi)에 의해 제공된다. Martinez-Rubi는 탄소 나노튜브/열가소성 폴리우레탄 컴포지트(CNT/TPU)의 부직 시트를 개시한다. CNT/TPU 컴포지트 시트는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 시트 사이에 중간층으로서 사용될 수 있다.
변형 가능한 나노컴포지트 재료의 추가 예는 Koerner H, et al. Deformation-morphology correlations in electrically conductive carbon nanotube-thermoplastic polyurethane nanocomposites. Polymer. 46 (2005) 4405-4420에 의해 제공된다. Koerner는 신축성이 있는 단층 CNT/TPU 컴포지트 시트 또는 필름을 개시한다.
모핑(morphing) 및 전개 가능한(deployable) 구조는 지지 구조 위에 연속적인 외부 표면을 유지하면서 형태 변경을 가능하게 하기 위해 변형 가능한 스킨을 필요로 한다. 기존의 구현에서, 스킨은 최소한의 면적 변화로 재성형(예를 들어, 굽힘)될 수 있지만, 면적의 변화를 통합함으로써 신축될 수 있는 스킨이 필요하다. 기존의 신축성 재료는 실리콘, 고무, 열가소성 폴리머, 형상 기억 폴리머 및 부직포와 같은 엘라스토머 폴리머를 포함한다. 이들 이용 가능한 재료 각각은 스킨 재료로서 사용되는 후보가 될 수 있지만, 공기 역학적 하중에 대한 불충분한 강성, 투과성, 전이의 타임스케일 등을 포함하는 단점이 있다.
충분한 범위로 신축할 수 있고, 필요한 경우 가역적으로 신축할 수 있고, 하중을 지지하기 위해 필요한 강성을 제공할 수 있는 재료를 생각하는 것은 개선된 모핑 및 전개가능한 구조 기술의 개발에 있어 어려운 과제이다.
제1 견지로, 엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 네트워크를 포함하는 적어도 하나의 나노컴포지트 재료층, 및 상기 나노컴포지트 재료층으로 적층된 적어도 하나의 추가층을 포함하는 신축성 다층 나노컴포지트 재료가 제공된다.
일부 구현으로, 나노튜브의 네트워크는 나노튜브의 부직 시트에 의해 제공된다. 나노튜브는 나노컴포지트 재료층에 의해 정의된 평면 내에, 무작위로 또는 제어된 정렬로 배향될 수 있다.
일부 구현으로, 나노튜브는 탄소 나노튜브, 보론-니트라이드 나노튜브, 보론-탄소-질소 나노튜브, 실리콘-카바이드 나노튜브, 다른 나노입자, 이들의 하이브리드 또는 이들의 조합을 포함한다. 나노튜브는 단일-벽 나노튜브 및 다중-벽 나노튜브를 포함한다. 나노컴포지트 재료층은 5중량% 내지 90중량%, 선택적으로 10중량% 내지 40중량%의 나노튜브 함량을 가질 수 있다.
일부 구현으로, 엘라스토머 폴리머는 열가소성 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄, 고무, 실리콘 고무 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 언급된 층들 각각은 다양한 조합으로 조합될 수 있고, 재료는 동일한 타입의 여러 층을 포함할 수 있다.
일부 구현으로, 나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트 재료층의 나노튜브와 본질적으로 상이한 나노튜브를 포함하는 또 하나의 나노컴포지트 재료층이다. 선택적으로, 나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트층과 상이한 나노튜브 함량을 갖는 또 하나의 나노컴포지트 재료층일 수 있다. 대안적으로, 나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트 재료층과 유사한 또 하나의 나노컴포지트 재료층일 수 있다.
또한, 적어도 하나의 추가층은 순수 폴리머층, 컴포지트 폴리머층, 또는 적어도 하나의 엘라스토머 폴리머를 포함하는 강화 폴리머층일 수 있다. 적어도 하나의 추가층의 엘라스토머 폴리머는 나노컴포지트 재료층에 포함된 것과 동일할 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 추가층의 엘라스토머 폴리머는 나노컴포지트 재료층에 포함된 것과 상이할 수 있다.
일부 구현으로, 다층 재료는 이의 표면적에 걸쳐 변하는(varying) 기계적 특성을 가질 수 있다. 적어도 나노컴포지트 재료층은 이의 표면적에 걸쳐 변하는 기계적 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 다층 재료는 표면적에 걸쳐 변하는 나노튜브 함량을 가질 수 있다. 나노튜브 함량은 재료의 강성을 증가시키기 위해 나노컴포지트층의 특정 영역에서 더 높을 수 있다. 또 하나의 예로, 재료는 표면적에 걸쳐 변하는 폴리머 함량을 가질 수 있다. 폴리머 함량은 재료의 신축성을 증가시키기 위해 다층 나노컴포지트 재료의 또 하나의 특정 영역에서 더 높을 수 있다. 또 하나의 예로, 엘라스토머 폴리머의 성질 및/또는 나노튜브의 성질은 다층 재료의 표면적에 걸쳐 변할 수 있다.
일부 구현으로, 다층 재료는 재료의 표면적에 걸쳐 수가 변하는 복수의 층을 포함한다. 층의 수는 스킨 재료로서 사용하기에 적합한 주어진 재료 두께 및 특성 프로파일을 얻도록 맞춰질 수 있다.
추가의 구현으로, 다층 재료는 모핑 구조 또는 전개 가능한 구조에 적용하기 위해 스킨 재료에 주어진 신축성 프로파일을 제공하도록 맞춤화된 나노튜브:폴리머 비율을 갖는다.
또 하나의 견지로, 하부 구조 상에 스킨으로서 직접 적용하기 위한 스킨 재료가 제공되며, 스킨 재료는 폴리머로 변형된 나노튜브 네트워크를 포함한다. 폴리머는 스킨 재료에 신축성을 제공하도록 선택된 엘라스토머 폴리머를 포함할 수 있다.
일부 구현으로, 스킨 재료는 폴리머로 변형된 부직 나노튜브층을 포함한다. 또한, 폴리머로 변형된 부직 나노튜브층 상에 적어도 하나의 추가층이 적층될 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 추가층은 하나 이상의 나노컴포지트층이다. 추가로 선택적으로, 적어도 하나의 추가층은 열가소성 폴리우레탄, 실리콘 고무, 고무 또는 이들의 조합을 포함하는 순수하거나 강화된 엘라스토머 폴리머의 층이다.
일부 구현으로, 스킨 재료는 0.05mm 내지 20mm의 재료 두께를 얻도록 맞춤화된 복수의 적층된 층을 포함한다. 선택적으로, 재료 두께는 0.5mm 내지 3mm이다.
일부 구현으로, 스킨 재료는 5 내지 50%의 가역적 신장 성능 및 50MPa 내지 10GPa의 탄성 모듈러스를 제공하도록 맞춤화된 조성물을 갖는다. 선택적으로, 가역적 신장 성능은 20%이고, 탄성 모듈러스는 500MPa이다.
일부 구현으로, 스킨 재료는 적어도 100%의 1회(one-time) 신장 성능 및 50MPa 내지 10GPa의 강성을 제공하도록 맞춤화된 나노튜브:폴리머 비율을 갖는다. 선택적으로, 1회 신장 성능은 적어도 200% 신장 및 500MPa의 강성이다.
또 하나의 견지로, 상기 정의된 신축성 다층 나노컴포지트 재료인 신축성 스킨 재료가 제공된다.
또 하나의 견지로, 상기 정의된 신축성 다층 나노컴포지트 재료 또는 스킨 재료로서 지지 표면 상에 직접 적용되는 스킨이 제공된다. 일부 구현에서, 재료에 포함된 나노튜브의 성질은 스킨에 대해 가열, 감지, EMI 차폐, 중성자 차폐 특성 또는 이들의 조합을 제공하도록 선택된다.
또 하나의 견지로, 상기 정의된 바와 같은 스킨 재료를 지지 구조물 상에 직접 적용함으로써 생성되는 모핑 구조물이 제공된다. 모핑 구조물은 날개 선단 에지, 날개 후단 에지, 테일 핀, 노즈 콘 또는 이들의 조합을 포함하는 모핑 항공기의 적어도 일부일 수 있다.
또 하나의 견지로, 상기 정의된 바와 같은 스킨 재료를 전개 가능한 지지 구조물 상에 직접 적용함으로써 생성되는 전개 가능한 구조물이 제공된다. 전개 가능한 지지 구조물은 가역적으로 펼쳐지고 그리고/또는 팽창하여 스킨 재료의 신장을 일으킬 수 있다. 선택적으로, 스킨 재료는 지지 구조물이 전개될 때 내부 기압에 의해 신장 상태로 유지되며, 내부 기압은 전개 가능한 구조물 외부의 압력보다 높다. 전개 가능한 구조물은 전개 가능한 공간 거주지 또는 전개 가능한 군사 거주지의 적어도 일부일 수 있다.
또 하나의 견지로, 하부-구조물 및 상기 하부-구조물 상에의 적용에 의해 구조물의 외부 표면의 적어도 일부를 형성하도록 상기 정의된 바와 같은 스킨을 포함하는 구조물이 제공된다.
스킨 재료가 예시적인 구현과 관련하여 설명될 것이지만, 그러한 구현으로 재료의 범위를 제한하려는 의도는 아닌 것이 이해될 것이다. 반대로, 본 설명에 의해 정의된 바와 같이 포함될 수 있는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함하도록 의도된다. 스킨 재료 및 관련 응용의 목적, 장점 및 다른 특징은 첨부 도면을 참조하여 주어진 다음의 비제한적인 설명을 읽을 때 더욱 명백해지고 더 잘 이해될 것이다.
스킨 재료, 스킨, 모핑 구조물 또는 전개 가능한 구조물을 위한 신축성 다층 나노컴포지트 재료의 구현은 다음 도면과 관련하여 표현되고 추가로 이해될 것이다.
도 1은 열가소성 폴리우레탄(CNT-TPU, NT-PU라고도 함)으로 변형된 다중-벽 탄소 나노튜브를 사용하는 부직 나노컴포지트 시트(버키페이퍼(buckypaper) 컴포지트라고도 함)의 SEM 이미지이다.
도 2a 및 2b는 나노컴포지트 재료층의 2개의 각각의 조합에 대한 적층 공정의 개략도이다.
도 3은 순수 폴리우레탄 시트 및 관련 폴리우레탄-변형된 탄소 나노튜브 시트의 사이클링 로딩을 나타내는 그래프이다.
도 4는 가열 성능을 나타내는 파워드(powered) 스킨 재료 샘플의 열 이미지이다.
도 5는 도 4의 ~ 1 인치 파워드 스킨 재료 샘플에 의해 전달될 수 있는 각각의 전력 밀도 및 온도 대 전압의 두 그래프를 포함한다.
도 6은 신축성 단층 폴리우레탄-나노튜브 컴포지트 재료에 대한 초기 프리-신장(pre-stretch) 및 후속 사이클링을 나타내는 신축 하중 하에서의 하중 대 변위의 그래프이다.
도 7a는 CNT-TPU의 다수의 개별층 및 CNT-TPU의 다수의 개별층의 적층으로 인한 다층 스킨 재료를 각각 나타내는 2장의 사진을 포함한다.
도 7b는 CNT-TPU의 각각 2개의 상층 및 하층과 TPU의 중간층, 및 상기 3개의 층의 적층으로 인한 다층 스킨 재료를 나타내는 2개의 사진을 포함한다. 도 8a는 적층 직후에(순수 폴리우레탄 시트의 사용되지 않은 영역을 잘라내기 전) 수직(두께) 방향 및 수평(표면) 방향 모두에서 다양한 조성으로 제조된 12" x 36" 스킨의 주석이 달린 사진이다.
도 8b는 스킨의 전체 영역의 신장 동안 도 8A의 12" x 36" 스킨의 주석이 달린 사진이다.
도 9a는 하부-구조물 상에 적용된 스킨 재료로 형성된 스킨을 포함하는 신축성 모핑 구조물의 개략도이다.
도 9b는 3D 프린팅에 의해 생성된 도 9a에 따른 하부-구조물의 사진이다.
본 발명은 예시적인 구현과 관련하여 설명되지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예로 제한하려는 것은 아님이 이해될 것이다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 포함될 수 있는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함하도록 의도된다.
엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 부직 시트의 적층은 맞춤형의 신축성 스킨 재료를 생성한다. 신축성 스킨 재료의 구현, 이의 제조, 그 결과 형성되는 모핑 및 전개 가능한 구조물에서의 스킨 및 스킨 적용에 관한 세부 사항은 이하에 제공된다.
동일한 숫자 참조 또는 주석은 유사한 요소를 지칭한다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 단순성 및 명확성을 위해, 즉, 여러 참조로 도면에 과도하게 부담을주지 않기 위해, 모든 도면이 모든 구성 요소 및 특징에 대한 참조를 포함하는 것은 아니며, 일부 구성 요소 및 특징에 대한 부호는 오직 하나의 도면에서만 발견될 수 있으며, 다른 도면에 도시된 본 개시의 구성 요소 및 특징은 이로부터 용이하게 추론될 수 있다. 도면에 도시된 구현, 기하학적 구성, 언급된 재료 및/또는 치수는 선택적이고 단지 예시적인 목적으로 제공된다. 그러므로, 청구범위 및 명세서에 제시된 설명, 실시예, 방법 및 재료는 제한적인 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다.
더욱이, 스킨 물질 및 그의 상응하는 조성물 및 구조물의 구현이 본원에 설명되고 예시된 바와 같은 특정 기하학적 구성으로 구성되지만, 이들 구성 요소 및 기하학적 구조 모두가 필수적인 것은 아니므로 제한적인 의미로 받아 들여져서는 안된다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 명세서에서 간략하게 설명되고 용이하게 설명될 수 있으며, 이로부터 당업자에 의해 용이하게 유추될 수 있는 다른 적합한 구성뿐만 아니라 다른 적합한 구성 요소 및 그 사이의 다른 적합한 구성 요소 및 합동이 스킨 재료에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 설명에서, 구현은 본 발명의 예 또는 실행이다. "하나의 구현(one embodiment)", "일 구현(an embodiment)", "일부 구현(some embodiments)" 또는 "일부 실행(some implementations)"의 다양한 표현은 반드시 모두 동일한 구현을 지칭하는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징들이 단일 구현과 관련하여 설명될 수 있지만, 특징들은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 조합으로 제공될 수 있다. 반대로, 본 발명은 명확성을 위해 별도의 구현과 관련하여 본원에 설명될 수 있지만, 본 발명은 단일 구현으로도 실행될 수 있다.
청구범위 또는 명세서가 "하나(a 또는 an)"의 요소를 언급하는 경우, 그러한 참조는 그 요소 중 하나만이 존재하는 것으로 해석되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 명세서에서 구성 요소, 특징, 구조 또는 특성이 포함"할 수 있다(may)", "할 수도 있다(might)", "할 수 있다(can 또는 could)"는 것이 명시되어 있는 경우, 그 특정 구성 요소, 특징, 구조 또는 특성은 포함되는 것을 요건으로 하지 않음이 이해되어야 한다.
단층 나노컴포지트 재료 실행
제1 실행으로, 단층으로서, 엘라스토머 폴리머와 결합된 나노튜브의 네트워크를 규정하는(defining) 탄소 나노튜브의 부직 시트를 포함하는 신축성 나노컴포지트 재료가 제공된다. 나노튜브 네트워크와 폴리머의 조합은 폴리머 변형된 나노튜브 네트워크를 생성한다. 엘라스토머 중합체와 나노튜브의 조합은 폴리머와 나노튜브 표면의 결합 또는 나노튜브 네트워크 내에서의 폴리머의 혼입을 지칭한다는 점에 유의해야 한다.
나노튜브는 탄소 나노튜브(CNT), 보론 니트라이드 나노튜브(BNNT), 보론 탄소 질소 나노튜브(BCNNT), 실리콘 카바이드 나노튜브 (SiCNT), 다른 나노입자 및 이들의 하이브리드 또는 조합을 포함한다. 나노튜브는 단일벽 나노튜브 및 다중벽 나노튜브를 포함한다. 나노튜브는 실질적으로 순수하거나, 도핑되거나, 기능화되거나, 또는 이들의 조합일 수 있다.
나노튜브의 성질은 타입(CNT, BNNT, BCNNT, SiCNT), 치수, 구조(단일벽, 다중벽), 상태(도핑/기능화된/순수)를 포함한다는 것을 이해해야 한다.
엘라스토머 폴리머는 열가소성 엘라스토머(예컨대 열가소성 폴리우레탄), 실리콘, 고무 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 강성(stiffness)은 본원에서 연신 또는 굽힘에 의한 변형에 대한 저항으로 정의된다는 점에 유의해야 한다.
신축성(stretchabillity)은 본원에서 1차 방향으로 부과된 응력(축 방향 하중) 하에서 연장될 수 있는 능력으로 정의된다. 연장(elongation)은 영구적일 수 있고, 또한 1회 신장(stretching) 또는 최대 신장으로 기재될 수 있다. 연장은 가역적일 수 있으며, 또한 가역적 신장으로 기재될 수 있다. 신축성은 굽힘성과 구별되며, 후자는 굽힘에 대한 능력, 즉 외부 하중이 1차 방향에 수직으로 적용될 때의 변형(최소 면적 변화는 있으며 실질적 연장은 없음)을 지칭한다.
나노튜브 및 엘라스토머 폴리머의 함량은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 선택된 기계적 강도 기준을 충족시키기 위해 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 재료의 나노튜브 함량은 재료의 강성을 향상시키기 위해 증가될 수 있고, 엘라스토머 폴리머 함량은 재료의 신축성을 향상시키기 위해 증가될 수 있다. 결과적으로, 신축성 나노컴포지트 재료 시트의 제조는 나노컴포지트 재료 시트의 기계적 강도 기준에 따라 나노 튜브:폴리머 비율을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 재료는 0.1 내지 10GPa의 강성 및 10 내지 1000%의 신축성에 도달하도록 5중량% 내지 90중량%의 나노튜브 함량 범위, 10중량% 내지 95중량%의 엘라스토머 폴리머 함량을 갖는다. 그 결과 생성된 시트는 얇고 다공성으로서, 즉 0.005mm 내지 1mm, 임의로 0.05mm 내지 0.15mm의 두께 및 10 내지 90부피%의 다공성을 갖는다.
다른 구현으로, 단층 나노컴포지트 재료는 여러 방법에 따라 엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 단층 부직 시트로서 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 단계에서, 엘라스토머 폴리머 성분이 적합한 용매(예를 들어, 아세톤, THF, 클로로포름) 내에 용해된다. 별도로, 나노튜브는 폴리머 비-용매(예를 들어, 알코올)에 (예를 들어, 음파적으로(sonically)) 분산된다. 이어서, 성분을 조합하여 균질 현탁액을 형성한다. 용매 시스템 및 나노튜브 농도의 제어는 현탁액 여과 후에 맞춤 가능한 조성 및 특성의 시트를 제조하는데 사용되며, 여기서 폴리머는 나노튜브 표면과 관련되며, 나노튜브:폴리머 비율은 보다 연장 가능한 것으로부터 보다 단단한 것으로 특성을 조정하도록 맞춰질 수 있다. 이 방법의 재료 산출물은 제어 가능한 높은 나노튜브 함량(중량으로)을 갖는 폴리우레탄-변형된 나노튜브의 얇은 다공성의 부직 시트이다.
도 1은 상기 방법으로 제조된 단층 NT-TPU 복합체의 SEM 이미지이다. 문헌 [Martinez-Rubi et al., Nanotube-buckypaper/polyurethane composites with enhanced mechanical properties, 20th ICCM, Copenhagen, 19-24th July 2015] 및 [Ashrafi et al., Highly stretchable strain sensor based on Polyurethane-Impregnated Carbon Nanotube Buckypaper, ProcASC, 2016]은 본 명세서에 참고문헌으로 편입된다.
일부 구현으로, 생성된 단층 나노컴포지트 재료는 예비-신장된다. 도 6은 신축성 재료에 대한 안정적인 사이클링을 달성하기 위해 나노튜브-폴리우레탄 복합체의 프리-스트레싱(pre-stressing) 및 스트레인 스트레스 사이클링의 예를 보여준다.
다층 나노컴포지트 재료 실행
또 하나의 실행으로, 적어도 하나의 신축성 부직 나노컴포지트 재료 시트를 포함하는 신축성 다층 나노컴포지트 재료가 제공된다. 상기 정의된 바와 같이, 신축성 부직 나노컴포지트 재료 시트는 단층으로서 엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 네트워크를 포함한다. 신축성 부직 나노컴포지트 재료 시트 상에 적어도 하나의 추가 층이 적층된다. 적어도 하나의 추가 층은 다른 신축성 부직 나노컴포지트 재료 시트, 순수한 엘라스토머 폴리머의 시트, 또는 강화 엘라스토머의 시트일 수 있다.
유리하게, 층화(layering)는 주로 재료의 평면에서 나노튜브 배향을 유지하면서 주어진 재료 두께에 도달할 수 있게 한다. 나노튜브는 단층 시트의 평면 내에 무작위로 정렬되며, 이 정렬은 목표로 하는 두께를 달성하면서 복수의 단층 시트의 중첩 동안에 유지된다는 점에 주목해야 한다. 도 7a에 도시된 예시적인 실행에서, 다층 나노컴포지트 재료 시트는 적층에 의해 동일한 재료의 중첩된 복수의 단층 시트의 스택으로부터 제조된다.
일부 실행에서, 재료의 제조는 다층 나노컴포지트 재료에 대한 목표 두께에 따라 층의 수를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
실험에 따르면, 복수의 단층 부직 나노컴포지트 재료 시트의 적층은 동일한 재료의 단층 시트에 의해 제공되는 신축성을 실질적으로 유지하거나 심지어 향상시키면서 재료의 두께를 증가시킬 수 있음을 보여준다. 따라서, 생성된 다층 재료의 향상된 기계적 저항성, 향상된 신축성 및 불투과성과 같은 추가적인 특성이 적층에 의해 부여될 수 있다.
단층 부직 나노컴포지트 시트 상에 적층된 추가 층은 따라서 연신 및/또는 적절한 기계적 저항을 제공할 수 있는 임의의 이용 가능한 재료로 제조될 수 있음에 유의해야 한다. 적층은 생성된 재료에 대한 맞춤형 기계-화학적 특성을 얻기 위해 복수의 층 조합의 가능성을 제공한다. 기계적 특성 측면에서 적층의 결과는 적층된 시트가 압력 및 온도뿐만 아니라 조성이 동일하거나 다른지 여부에 따라 달라진다. 생성된 다층 재료는 보다 두껍고 고밀화되어, 초기 비-적층 시트와 유사하거나 향상된 특성 범위를 유지할 수 있다.
적층 기술에는 핫 프레싱, 진공 배깅(vacuum bagging) 및 오토 클레이브가 포함된다. 예를 들어, 단층 폴리우레탄-변형된 나노튜브 시트는 먼저 단층 시트의 스택을 형성하기 위해 적층된 후, 핫 프레스에서 적층되어 보다 두껍고 고밀화된 다층 나노튜브-폴리우레탄 복합 시트를 형성한다.
도 2a 및 2b는 복수의 폴리우레탄-변형된 나노튜브 재료층(이 도면에서 NT-PU 층 또는 상세한 설명에서 CNT-TPU로 지칭됨) 및 적어도 하나의 순수 폴리우레탄(PU) 층의 적층의 개략도를 제공한다. 적어도 하나의 추가 폴리우레탄층은 도 2a에 도시된 표면층 또는 도 2b에 도시된 샌드위치형 구조의 중간층으로서 적층될 수 있다. 선택적으로, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 이형 필름은 재료의 노출된 층의 외부 표면에 사용되어, 재료의 방출을 용이하게 하여, 후속적으로 핫 프레싱 단계로 보낸다. 도 2b의 샌드위치형 조합은 상부 및 하부 근처에 더 단단한 층을 포함하고, 이에 따라 강성 물질을 덜 사용하고 가역적 신장 능력을 개선하면서 높은 굽힘 강성을 제공한다. 도 7b는 이렇게 생성된 스킨 재료와 같은 샌드위치형 조합의 사진을 제공한다. 이 재료의 구조는 작동력의 증가를 최소화하면서(즉, 장력의 탄성 모듈러스의 증가를 최소화하면서) 굽힘 하중에 대한 증가된 저항성(즉, 폴리머보다 굽힘에서의 보다 더 높은 탄성 모듈러스)을 제공한다.
적층 방법은 또한 다층 나노컴포지트 재료 시트의 조성을 층마다 수직으로, 또는 시트의 표면적에 걸쳐 변화시킴으로써 추가의 제어를 제공한다.
일부 실행에서, 추가적인 신축성 부직 나노컴포지트 재료층은 다양한 방식으로 제1 신축성 부직 나노컴포지트 재료층과 상이할 수 있다. 예를 들어, 나노튜브의 타입은 다층 나노컴포지트 재료가 열가소성 폴리우레탄으로 변형된 CNT의 제1 부직 단층 시트 및 열가소성 폴리우레탄으로 변형된 BNNT의 제2 부직 단층 시트를 포함하도록 달라질 수 있다. 또한 선택적으로, 엘라스토머 폴리머의 타입은 다층 나노컴포지트 재료 시트가 열가소성 폴리우레탄으로 변형된 CNT의 제1 부직 단층 시트 및 실리콘 고무로 변형된 CNT의 제2 부직 단층 시트를 포함하도록 달라질 수 있다. 당업자는, 인식될 수 있는 바와 같이, 이용 가능한 나노튜브 및 폴리머 조합의 타입 및 수에 따라 다양한 조합의 층이 수행될 수 있음을 이해할 것이다.
기계적 특성의 수직 변화는, 예를 들어 적층 전에 상이한 조성(나노튜브 성질 및 함량, 폴리머 성질 및 함량)을 갖는 단층 나노컴포지트 재료 시트를 적층함으로써 수행될 수 있다. 또한, 제1 층으로부터의 나노튜브는 한 방향으로 배향될 수 있는 반면, 인접층으로부터의 나노튜브는 (시트의 평면 내에서) 또 하나의 방향으로 배향되어 이방성 특성에 영향을 줄 수 있다.
또 하나의 실행에서, 다층 재료는 재료의 표면적을 따라 다양한 기계적 및 물리-화학적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 면적에서 나노튜브:폴리머의 비율을 감소(또는 증가)시키고 순수한 엘라스토머 폴리머층의 수를 증가(또는 감소)시킴으로써 다층 재료의 특정 영역에서 균일한 하중(또는 더 높은 강성) 하에서 더 높은 신축성이 제공될 수 있다.
다층 시트의 표면적에 걸친 기계적 특성의 변화는 2개 이상의 다층 또는 단층 나노컴포지트 재료 시트를 나란히 연결함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, 조성이 다른 2개의 단층 나노컴포지트 재료 시트를 나란히 연결하여 이의 표면적에 걸쳐 다양한 기계적 특성을 갖는 또 하나의 더 큰 단층 재료 시트를 얻을 수 있다. 하나 이상의 추가 층의 적층은 더 큰 단층 재료 시트에서 수행되어 시트의 표면적에 걸쳐 변하는 기계적 특성을 갖는 최종 다층 나노컴포지트 재료 시트를 생성한다. 표면적에 걸친 특성의 변화를 얻는 또 하나의 방법은 2개의 상이한 기계적 특성 세트를 갖는 2개의 다층 나노컴포지트 재료 시트를 제조하는 단계 및 핫 프레싱을 통해 이들을 나란히 연결하여 시트의 표면적에 걸쳐 변하는 기계적 특성을 갖는 더 큰 다층 재료 시트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
스킨 재료 실행
적층에 의해 제조된 신축성 다층 나노컴포지트 재료는 신축성 스킨을 형성하기 위해 스킨 재료로서 직접 사용될 수 있다.
스킨 재료는 본원에서 구조물의 외부 표면을 형성하도록 하부구조에 적용되는 연속 다층 재료를 지칭한다는 것에 주목해야 한다. 유연(compliant) 스킨은 본원에서 하부구조의 형상 및 그에 적용된 인장 하중에 따라 반응할 수 있는 스킨을 지칭한다.
유연 스킨은 굽힙성 스킨 및 신축성 스킨을 포함한다. 스킨 재료 성능은 나노튜브 대 엘라스토머 폴리머의 비율, 나노튜브의 타입, 나노튜브의 기능화, 다층 재료의 적층 패턴 및 각 층의 조성을 포함하는 다양한 기준에 따라 맞춰진다. 신축성 스킨 재료는 모핑(morphing) 및 전개 가능한(deployable) 스킨으로서 유리하게 사용될 수 있다.
일부 실행에서, 다층 나노컴포지트 재료의 조합된 신축성(stretchabillity)(엘라스토머 폴리머에 의해 제공됨) 및 강성(나노튜브에 의해 제공됨)은, 외부 표면의 무결성 및 관련 기계-화학적 특성을 유지하기에 충분한 강성을 유지하면서, 하부-구조 변형 및/또는 그 위에 적용된 하중에 따라 형상을 변화시킬 수 있는 적합한 모핑 스킨을 생성할 수 있게 한다.
적절한 기계적 저항성 및 신축성을 보장하기 위해, 스킨 재료를 형성하는 적어도 하나의 나노컴포지트 재료층은 10중량% 내지 90중량%, 선택적으로 10 내지 45중량%, 추가로 선택적으로 20 내지 40중량%의 나노튜브 함량을 특징으로 할 수 있다. 적층은, 모핑 능력을 유지하면서, 0.05mm 내지 20mm, 선택적으로 0.5mm 내지 1.5mm, 추가로 선택적으로 0.5mm 내지 3mm의 두께를 갖는 스킨 재료를 얻도록 수행될 수 있다.
모핑 및 전개 가능한 구조물 실행
다층 나노컴포지트 재료는 모핑 또는 전개 가능한 구조를 형성하기 위한 스킨 재료로서 사용된다. 스킨 재료는 기저 하부-구조(underlying sub-structure)에 신축성 스킨으로서 직접 적용되어, 상당한 신장(면적 변화)을 가능하게 하면서, 지속적인 공기역학적 표면을 제공하고, 기저 하부-구조에 걸쳐 하중을 지지한다.
스킨으로서 스킨 재료를 직접 적용하는 것은 스킨 재료를 추가적인 강화 수단, 층 또는 재료와 조합할 필요없이 본원에 정의된 스킨 재료를 스킨으로서 사용하는 능력을 의미한다는 것을 유의해야 한다. 스킨 재료는 하부-구조의 적용 및 재료 표면에 따라 당업자에게 이용 가능한 수단에 의해 하부-구조의 표면에 부착된다는 것을 또한 유의해야 한다. 또한, 하부-구조 설계 및 재료의 선택은 스킨으로서 사용될 스킨 재료에 따라 선택된다는 점에 유의해야 한다.
또한, 스킨 재료는 특정 영역에서 하부-구조에 의해 연속적으로 지지될 수 있고, 생성된 구조물의 다른 영역에서 불연속적으로 지지될 수 있음에 유의해야 한다.
예를 들어, 스킨은 하부-구조(도 9b 참조)에 적용되어 신축성 모핑 구조(도 9a 참조)를 형성할 수 있다.
일부 실행에서, 본원에 기재된 다층 나노컴포지트 재료에 기초한, 신축성 스킨의 제조 방법은, 스킨이 부착된 기저 하부-구조의 외부 표면에 대한 기계적 저항 특성 및 신축성을 맞추는(tailoring) 단계를 포함한다. 예를 들어, 하부-구조는 언폴딩 영역을 포함할 수 있고, 신축성 스킨은 하부-구조의 대응하는 영역이 펼쳐질 때 이의 일부가 더 높은 신장이 가능하도록 제조될 수 있다.
본원에 포함되는 모핑 구조는 항공 도메인의 모핑 날개를 포함한다. 본원에 포함되는 전개 가능한 구조물은 전개 가능한 군사 거주지 및 전개 가능한 우주 거주지와 같은 전개 가능한 거주지를 포함한다.
일부 실행에서, 본원에 정의된 스킨 재료는 고-양력 시스템에서 슬랫 대신에 모핑 선단을 형성하기 위해 모핑 날개의 일부로서 사용될 수 있다. 다층 나노컴포지트 재료는 스킨 재료로서 날개의 모핑 선단을 형성하여, 스킨 재료의 신장으로 인해 연속적인 표면을 유지하면서, 형상을 변경함으로써 날개 면적을 증가시킨다. 나노튜브 네트워크의 존재는 공기역학적 하중을 지지하고 2차 지지 구조물 무게를 최소화하기 위해 필요한 강성을 제공한다.
엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 적층 부직 시트는 날개 선단 에지, 테일 핀 또는 노즈 콘을 포함하여 날개 또는 평면의 임의의 부분에서 스킨 재료로서 사용되어, 모핑 연속 표면을 제공하고, 어떠한 이륙, 착륙 및 순항 조건에 대한 공기역학적 효율을 향상시키고, 항공기의 기동성을 향상시킬 수 있음을 이해해야 한다.
또 하나의 실행에서, 스킨 재료는 전개 가능한 구조물의 외부 표면의 적어도 일부로서 사용될 수 있고, 지지 구조물이 전개될 때 재료는 내부 공기 압력에 의해 신장된 상태로 유지될 수 있으며, 내부 공기 압력은 전개 가능한 구조에 대한 외부 압력보다 더 높다.
다층 조립체(또는 스킨)의 영역에 걸쳐 기계적 특성을 맞추는 예는 일부 영역에서(예를 들어, 선단의 바로 앞 또는 충격을 받기 쉬운 위치에서) 더 높은 지지 능력(loadbearing ability)을 가지므로, 이러한 영역에서 보다 적은 신장을 수용하는 것이다. 신축성 스킨이 나머지 구조물에 결합되는 위치는 또한 응력 집중을 받을 수 있고, 따라서 그 위치에 접근하는 기계적 특성을 조절하는 것이 유리할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 보다 낮은 강성 표면 또는 내부 층은, 각각 표면 마무리 및 최적화 특성과 관련이 있다. 상이한 나노튜브 함량, 순수한 엘라스토머, 또는 상이한 엘라스토머 조성물의 표면층을 첨가하는 것은 스킨과 구조물 사이의 마모, 도장성 또는 결합에 유리할 수 있다.
모핑 구조물을 위한 신축성 스킨을 개발할 때 최대 가역적 신장 능력이 선호되는 반면, 전개 가능한 구조물을 위한 스킨을 개발할 때 최대 일회 신장이 선호될 수 있음에 유의해야 한다. 또한, 충격 저항성의 차이는 평면 또는 거주지의 형태에 따라 조정될 수 있다.
다기능 재료 실행
유리하게, 나노튜브 네트워크는 가열, 감지, EMI 차폐, 중성자 차폐 및 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 기능을 동시에 수행하면서, 신축성 스킨 재료의 요건을 충족시키도록 선택되고 최적화될 수 있다. 이에 의해 다기능 스킨 재료 및 생성된 다기능 모핑 또는 전개 가능한 구조가 제공된다.
일부 구현에서, 탄소 나노튜브(CNT)는 스킨 재료 내에 전기 네트워크를 제공하여 스킨 재료에 가열 기능 또는 감지 기능 중 적어도 하나를 부여하도록 선택된다.
예를 들어, 가열 스킨 재료는 날개의 외부 표면이 가열되어 온도-의존적 기계적 성질을 제어하고 그리고/또는 가열에 의해 스킨 제빙하여 이의 모핑을 가능하게 하도록 날개에 적용될 수 있다.
또 하나의 예로, 감지 스킨 재료는 전개 가능한 구조에 적용될 수 있으며, 이에 따라 사이클링 또는 충격으로 인한 스킨 손상을 검출하기 위해 외부 표면의 건강-모니터링을 제공한다.
또 하나의 예로, 전도성 스킨 재료가 인클로저를 형성하기 위해 그리고 인클로저의 내부에 EMI 차폐를 제공하기 위해 적용될 수 있다.
또 하나의 실행에서, 스킨 재료에 열적 특성을 제공하기 위해 BNNT가 CNT 대신에 또는 CNT에 추가적으로 사용될 수 있다. 복합 재료의 BNNT 네트워크는 전개 가능한 공간 구조에 중성자 방사선 차폐를 제공한다.
각각의 나노컴포지트 시트, 다층 나노컴포지트 재료, 스킨 재료, 모핑 및 전개 가능한 구조물, 및 이와 관련된 제조 방법의 상기 언급된 견지 중 어느 하나가, 2가지 견지가 이들의 상호간의 배타성에 기인하여 분명히 조합될 수 없는 경우가 아닌 한, 이의 다른 어느 견지와 조합될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 상기, 이하 및/또는 첨부된 도면에 설명된 부직 나노컴포지트 재료 시트의 다양한 제조 단계 및/또는 구조적 요소는, 본원에 나타낸 및/또는 첨부된 청구범위에 따른 다기능 모핑 구조의 어느 일반적인 제조 방법 또는 특징과 조합될 수 있다.
실험 결과
폴리우레탄-변형된 CNT 부직 시트, 및 단일 시트 대 다층 적층 재료의 여러 샘플의 기계적 특성을 평가하기 위한 실험이 수행되었다.
본 절에서, "약(about)"이라는 용어는 당업자가 결정하는 특정 값에 대해 허용 가능한 오차 범위 내를 의미하며, 이는 부분적으로 값이 측정 또는 결정되는 방법, 즉 측정 시스템의 한계에 따라 일부 달라질 것이다. 일반적으로 10% 정밀 측정이 허용적이며, "약"이라는 용어를 포함한다. "~" 기호는 "약(about)"으로 이해해야 한다.
UAFTM 472는 열가소성 에스테르에 기초한 폴리우레탄 접착 테이프를 지칭하며, TecoflexTM 80A 및 100A는 폴리에테르에 기초한 지방족 열가소성 폴리우레탄이다.
[표 1] 순수 폴리우레탄에 산업용 등급 MWCNT를 사용한 여러 폴리우레탄-변형된 CNT 시트의 인장 특성의 비교
Figure pct00001
[표 2] 단일 CNT-TPU 층 샘플과 이의 15개의 층으로 구성된 다층 라미네이트의 비교
Figure pct00002
표 2는 다층의 적층이 두께 증가에 추가적으로 기계적 특성, 특히 모듈러스 및 파괴 변형률을 변형시킬 수 있음을 보여준다. 이 경우, 15개의 층이 사용되었고, 최종 두께는 적층 전에 조합된 구성 층의 두께보다 작았다. 질량의 현저한 감소가 없기 때문에, 적층 단계는 다공도를 현저히 감소시키므로 CNT 및 폴리우레탄 둘 모두의 부피 함량을 증가시킨다.
다른 경우에(예를 들어, 표 3 참조), 치밀화된 다층에서 더 높은 강성이 관찰된다. 이러한 예시적인 사례는 형태적 변화가, 두께를 증가시키기 위한 단순한 층화 효과에 추가적으로, 단층 조성 및 적층 조건 둘 모두에 의존한다는 것을 나타낸다. 적층은 무시할 수 없는 효과가 있지만, 엘라스토머 스킨보다 훨씬 더 높은 강성을 제공하지만 여전히 높은 신축성을 제공하는 유사한 범위의 특성을 맞출 수 있다. 전체 조성물은 가압 조건에 의해 영향을 받을 수 있고, 적층은 또한 개별 층의 거칠기의 영향을 감소시킬 수 있다.
[표 3] 핫-프레스 압축된 단일 CNT-TPU 층 샘플과 이의 여러 층으로 구성된 다층 적층된 버전의 비교
Figure pct00003
도 3을 참조하면, 부직 폴리우레탄-변형된 CNT 시트(표 1로부터) 및 동일한 타입의 순수 폴리우레탄 시트에 대한 가역적 신장 능력을 평가하기 위해 사이클릭 시험을 수행하였다. 실질적으로 수직인 루프는 순수 폴리우레탄(실질적으로 수평인 루프)보다 훨씬 큰 모듈러스(라인의 기울기)를 갖는 가역적인 신장을 나타낸다. 따라서, 20%초과의 변형을 갖는 사이클링이 크게 증가된 경사(더 높은 강성)로 관찰되었으며, 이는 나노컴포지트가 실질적으로 더 우수한 하중 전달 능력으로 표적 신장을 제공할 수 있음을 확인시켜 준다. 나노튜브-폴리우레탄 복합 시트에 대한 이들 및 유사한 측정에 기초하여, 엘라스토머 폴리머-변형된 나노튜브에 기초한 스킨 재료의 엘라스틱 변형률 및 강성도(엘라스틱 모듈러스)에 대한 가능한 범위가 확립되었다.
[표 4] 두께가 약 1.5mm이고 특정 CNT-TPU 시트(두께 약 0.1mm) 및 순수 폴리우레탄 층의 조합으로부터 유래된 스킨 재료의 샘플들에 대한 비교 특성
Figure pct00004
표 4를 참조하면, 폴리우레탄-변형된 CNT 시트가 순수 폴리우레탄층으로 적층되어 샌드위치 구조(예를 들어, 도 7b에 도시된 바와 같이)를 형성하는 실시예에서, 인장 강성(인장 모듈러스로 표시됨)의 증가를 최소화하고, 이에 따라 스킨 및 구조물을 신장시키는데 필요한 구동력을 최소화하면서 스킨의 굽힘 강성(굽힙시 탄성 모듈러스로 표시됨)은 실질적으로 증가한다. 이 스킨 구조는 또한 개별 NT-PU 층에 비해 신축성(가역적 변형률)을 증가시킨다. 표 4에 예를 들어, 이 샌드위치 구조를 사용하는 스킨 재료의 특성을 열거하였다.
적어도 20% 신장되는 생성된 스킨 재료의 평가된 능력은, 예를 들어 스킨 재료가 에어호일의 선단이 처지도록 하고, 항공기 날개에 대해 충분한 강성 및 강도를 갖는 신장을 수용하도록 하기에 충분한 탄성을 제공함을 예측해 주고 있음에 유의해야 한다.
전극에 연결된 재료에 전력을 공급함으로써 폴리우레탄-CNT 스킨 재료의 가열 능력을 검증하기 위한 다른 실험이 수행되었다. 도 5는 전기 가열을 위한 스킨의 탄소 나노튜브 네트워크의 사용을 예시한다. 테스트 조건은 주변의 크기와 열 손실 측면에서 실제 날개 스킨과 다르지만, 도 6의 그래프는 제빙 요구 사항에 적합한 전력 밀도에 도달할 수 있으며, 스킨이 적절한 고온을 견딜 수 있음을 입증한다. 이러한 작은 전압은 작은 면적으로 인해 높은 전력 밀도를 이끈다. 실험은 스킨이 높은 전력을 방출하고 고온을 견딜 수 있음을 보여준다.
도 8a 및 8b는 수직(두께) 방향(CNT-TPU 나노컴포지트 층 사이에 층을 이룬 순수 폴리우레탄 시트) 및 수평(표면) 방향(함께 연결되어 표면을 형성하는 인접 CNT-TPU 시트) 모두에서 다양한 조성으로 제조된 12" x 36" 스킨을 도시한다.

Claims (46)

  1. 엘라스토머 폴리머로 변형된 나노튜브의 네트워크를 포함하는 나노컴포지트 재료층; 및
    상기 나노컴포지트 재료층에 적층된 적어도 하나의 추가층
    을 적어도 포함하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    나노튜브의 네트워크는 나노튜브의 부직 시트에 의해 제공되는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  3. 제2항에 있어서,
    나노튜브는 나노컴포지트 재료층의 평면 내에 무작위로 배향되는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노튜브는 탄소 나노튜브, 보론-니트라이드 나노튜브, 보론-탄소-질소 나노튜브, 실리콘-카바이드 나노튜브, 다른 나노입자, 이들의 하이브리드 또는 이들의 조합을 포함하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노튜브는 단일-벽 나노튜브 및 다중-벽 나노튜브를 포함하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노컴포지트 재료층은 5중량% 내지 90중량%의 나노튜브 함량을 갖는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  7. 제6항에 있어서,
    나노튜브 함량은 10중량% 내지 40중량%인, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘라스토머 폴리머는 열가소성 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄, 고무, 실리콘 고무 또는 이들의 조합을 포함하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트 재료층의 나노튜브와 성질이 상이한 나노튜브를 포함하는 또 하나의 나노컴포지트 재료층인, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트 재료층과 상이한 나노튜브 함량을 갖는 또 하나의 나노컴포지트 재료층인, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노컴포지트 재료층은 제1 나노컴포지트 재료층이고, 적어도 하나의 추가층은 제1 나노컴포지트 재료층과 유사한 또 하나의 나노컴포지트 재료층인, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가층은 순수 폴리머층, 컴포지트 폴리머층, 또는 적어도 하나의 엘라스토머 폴리머를 포함하는 강화 폴리머층인, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 추가층의 엘라스토머 폴리머는 나노컴포지트 재료층에 포함된 것과 동일한, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  14. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 추가층의 엘라스토머 폴리머는 나노컴포지트 재료층에 포함된 것과 상이한, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노컴포지트 재료는 이의 표면적에 걸쳐 변하는(varying) 기계적 특성을 가지며, 그리고 여기서 적어도 나노컴포지트 재료층은 이의 표면적에 걸쳐 변하는 기계적 특성을 갖는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  16. 제15항에 있어서,
    표면적에 걸쳐 변하는 나노튜브 함량을 갖는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  17. 제16항에 있어서,
    나노튜브 함량은 재료의 강성을 증가시키기 위해 나노컴포지트층의 특정 영역에서 더 높은, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면적에 걸쳐 변하는 폴리머 함량을 갖는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  19. 제18항에 있어서,
    폴리머 함량은 재료의 신축성을 증가시키기 위해 다층 나노컴포지트 재료의 또 하나의 특정 영역에서 더 높은, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘라스토머 폴리머의 성질은 재료의 표면적에 걸쳐 변하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노튜브의 성질은 재료의 표면적에 걸쳐 변하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    재료의 표면적에 걸쳐 수(number)가 변하는 복수의 층을 포함하는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    층의 수는 스킨 재료로서 사용하기에 적합한 주어진 재료 두께 및 특성 프로파일을 얻도록 맞춰지는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  24. 제23항에 있어서,
    모핑 구조(morphing structure) 또는 전개 가능한 구조(deployable structure)에 적용하기 위해 스킨 재료에 주어진 신축성 프로파일을 제공하도록 맞춤화된 나노튜브:폴리머 비율을 갖는, 신축성 다층 나노컴포지트 재료.
  25. 하부 구조 상에 스킨으로서 직접 적용하기 위한 스킨 재료로서, 상기 스킨 재료는 폴리머로 변형된 나노튜브 네트워크를 포함하는, 스킨 재료.
  26. 제25항에 있어서,
    폴리머는 스킨 재료에 신축성을 제공하도록 선택된 엘라스토머 폴리머를 포함하는, 스킨 재료.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 폴리머로 변형된 부직 나노튜브층을 포함하는, 스킨 재료.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 폴리머로 변형된 부직 나노튜브층 상에 적층된 적어도 하나의 추가층을 포함하는, 스킨 재료.
  29. 제28항에 있어서,
    적어도 하나의 추가층은 하나 이상의 나노컴포지트층인, 스킨 재료.
  30. 제29항에 있어서,
    적어도 하나의 추가층은 열가소성 폴리우레탄, 실리콘 고무, 고무 또는 이들의 조합을 포함하는 순수하거나 강화된 엘라스토머 폴리머의 층인, 스킨 재료.
  31. 제25항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.05mm 내지 20mm의 재료 두께를 얻도록 맞춤화된 복수의 적층된 층을 포함하는, 스킨 재료.
  32. 제31항에 있어서,
    재료 두께는 0.5mm 내지 3mm인, 스킨 재료.
  33. 제25항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    5 내지 50%의 가역적 신장 성능 및 50MPa 내지 10GPa의 탄성 모듈러스를 제공하도록 맞춤화된 조성물을 갖는, 스킨 재료.
  34. 제33항에 있어서,
    가역적 신장 성능은 20%이고, 탄성 모듈러스는 500MPa인, 스킨 재료.
  35. 제25항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 100%의 1회(one-time) 신장 성능 및 50MPa 내지 10GPa의 강성을 제공하도록 맞춤화된 나노튜브:폴리머 비율을 갖는, 스킨 재료.
  36. 제35항에 있어서,
    1회 신장 성능은 적어도 200% 신장 및 500MPa의 강성인, 스킨 재료.
  37. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 정의된 재료인, 신축성 스킨 재료.
  38. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 정의된 재료로서 지지 표면 상에 직접 적용되는 스킨.
  39. 제38항에 있어서,
    재료에 포함된 나노튜브의 성질은 스킨에 대해 가열, 감지, EMI 차폐, 중성자 차폐 특성 또는 이들의 조합을 제공하도록 선택되는, 스킨.
  40. 제25항 내지 제37항 중 어느 한 항에 정의된 스킨 재료를 지지 구조물 상에 직접 적용함으로써 생성되는 모핑 구조물.
  41. 제40항에 있어서,
    날개 선단 에지, 날개 후단 에지, 테일 핀, 노즈 콘 또는 이들의 조합을 포함하는 모핑 항공기의 적어도 일부인, 모핑 구조물.
  42. 제25항 내지 제37항 중 어느 한 항에 정의된 스킨 재료를 전개 가능한 지지 구조물 상에 직접 적용함으로써 생성되는 전개 가능한 구조물.
  43. 제42항에 있어서,
    전개 가능한 지지 구조물은 가역적으로 펼쳐지고 그리고/또는 팽창하여 스킨 재료의 신장을 일으키는, 전개 가능한 구조물.
  44. 제42항 또는 제43항에 있어서,
    스킨 재료는 지지 구조물이 전개될 때 내부 기압에 의해 신장 상태로 유지되며, 내부 기압은 전개 가능한 구조물 외부의 압력보다 높은, 전개 가능한 구조물.
  45. 제42항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    전개 가능한 공간 거주지 또는 전개 가능한 군사 거주지의 적어도 일부인, 전개 가능한 구조물.
  46. 하부-구조물 및 상기 하부-구조물 상에의 적용에 의해 구조물의 외부 표면의 적어도 일부를 형성하도록 제38항 또는 제39항에 정의된 스킨을 포함하는 구조물.
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