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NASA가 개발한 자가 치유하는 탄소섬유 보강 열가소성 복합재료
연구소 2013-12-06 6422
NASA는 구멍이 난 부위를 스스로 치유하는 폴리부타디엔 중합 공중합체 매트릭스와 많은 탄소섬유를 용액에 적셔 미리 함침되어 있는, 일방향 탄소섬유 프리폼의 제조 기술을 확보하였다. 용액은 자가 치유 고분자와 용매로 구성되어 프리폼을 경화시킨다. NASA가 발명한 분야는 손상 및 충격을 견딜 수 있는 탄소섬유 보강 복합재료로서 보다 특별하게는 항공우주 분야에서 구조재료로 사용될 수 있는 복합재료이다. 손상이 시작되고 이 손상이 전개되면 결과적으로 항공우주 구조 부품들이 파괴되는 결과를 가져온다. 일반적으로 구조재료를 수선하는 경우는 부품들을 보다 손상시키게 되어 재료가 수선되고 구멍이 메워져야 하는 부분이 되는 새로운 손상 부위로 작용할 수 있다. 이미 손상된 부위를 치유하거나 혹은 손상된 것으로 예측되는 부위에 치료용 재료를 제공함으로써 안정성이 보다 향상될 수 있다고 여겨진다.

잘 손상되지 않고 자기 치유되는 구조 시스템이 개발목표가 된다. 그러나 효과적인 자가 치유를 위해서는 이들 재료들이 빠르게 낮은 혹은 중간 속도의 충격을 따라 치유되고 반면에 구조적인 통합은 그대로 유지되는 것이 필요하다. 자가 치유 엔지니어링 재료들을 사용하는 구조물은 손상의 기능으로서 재료의 사슬 이동에서 일어나는 변화에 반응하게 된다. 최근에 연구원들은 재료에서 다른 “자기 치유 메커니즘”을 연구하였다.- 치유하는 과정들은 궁극적으로 갈라진 틈을 메우거나 재봉합하게 하는 비가역적인 열역학 통로의 집합이다- 자동적인 치유 개념의 접근으로 치유는 마이크로캡슐에 싸인 치유제와 에폭시 내에 포함되어 있는 촉매 화학 개시제가 갈라진 틈을 수선하거나 봉합하고 갈라진 틈이 퍼져 나가는 것을 완화시킨다.

- 열 활성화 혹은 자외선 광을 사용하여 분자 수준에서 깨진 결합을 가역적으로 다시 연결시킬 수 있는 고분자를 활용하는 접근법을 사용한다.
- 열 혹은 압력 없이 재료의 분자 구조에서의 변화에서 마이크로 한 반응을 일으키는 구조적으로 동적인 고분자를 사용한다.
- 섬유 보강 복합재료 내에 자가 치유 레진을 통합시킨다.

재료들의 다양한 손상 상태들 및 갈라진 틈이 성장해 나가거나 수선에 대해 앞서 설명한 자가 치유는 다음과 같은 단점들을 가진다.
- 치유가 느리다.
- 복합재료 성능에 해로운 영향을 줄 수 있는 외부물질을 고분자 내에 사용한다.
- 시료들은 장기간 높은 온도에서 함께 용융되거나 하중이 걸리거나 직접 접촉하여야 한다.
- 재료는 구조적으로 하중이 걸리는 재료로 간주될 수 없다.

섬유 부피가 57%까지 포함되고 공기 부피가 2% 미만이 되어 항공우주 부품의 품질을 강화시키는 자가 치유하는 복합재료 층상 시스템은 현재 존재하지 않는다. 대부분의 자가 치유 복합재료 층상 시스템은 20~30% 섬유를 포함하며 섬유 보강 복합재료의 항공우주 산업 기준에 못 미치는 것으로 알려져 있다. 자기 치유를 위해 외부 물질을 포함하는 것에 의존하지 않고 항공우주 응용분야에 사용될 수 있는 기계적 특성을 가지는 고유의 자가 치유 복합재료 층상 구조 매트릭스를 위한 조건이 있다. 폴리부타디엔 중합 공중합체 매트릭스와 탄소섬유 보강재의 조합을 포함하는 복합재료가 제시되었다. 부가적으로 복합재료를 제조하는 방법은 사전에 함침된 동일 방향 탄소섬유 프리폼을 제조하는 단계를 포함한다.

하나의 구현으로서 폴리부타디엔 중합 공중합체는 다른 자가 치유 열가소성 고분자에 비해 우수한 기계적 및 열적 특성에 의해 탄소섬유 보강 복합재료의 매트릭스로 선정된다. 재료 공급체에 의하면, 폴리부타디엔 중합 공중합체는 유리전이 온도가 섭씨 80도이고 상온에서 인장 탄성률은 2.47 GPa, 인장강도는 37 MPa이다. 고분자 자체의 인장 탄성률은 항공우주의 주요한 구조재료 분야에 일반적으로 사용되는 매트릭스 고분자의 2.76 GPa 보다 낮다. 복합재료 제조 공정 사이클은 항공우주에 사용하기 위한 복합재료 층상구조를 제조하기 위해 복합재료 전구체 재료로부터 개발되었다. 전구체 재료는 사전에 함침된 일방향 탄소섬유 프리폼으로 프리프레그로 알려져 있다. 프리프레그 공정에서 고강도, 구조용 보강 탄소섬유는 N-Methylpyrrolidone 용액에 녹아 있는 자기 치료 폴리부타디엔 중합 공중합체를 포함하는 용액에 적셔진다.

일방향 프리프레그 형태로 된 전구체 재료는 상업용 및 군사용 항공 우주 비행 시스템에 사용하기 위한 항공우주 복합재료 구조물을 제조하기 위해 널리 사용된다. 구멍을 자가 치유하는 고분자를 포함하고 있는 실험적인 프리프레그에 대해서는 새로운 프리프레그 재료로부터 복합재료 층상구조 시험 쿠폰을 제조하는데 사용하기 위해 특성이 분석되고 내구성 실험이 진행된다. 현재 발명된 복합재료는 항공기, 로터항공기, 우주선과 같은 탈 것에 통합될 수 있는 구조 부품들에 제한 없이 응용될 수 있다. 전투용 항공기, 대형 군사용 운송기 및 폭격기, 상업용 운송기, 소형 운송기, 일반 항공기, 미사일 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있는 잠재성이 있다.

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