KR101509028B1 - 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료 - Google Patents

알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료 Download PDF

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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder

Abstract

알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법이 개시된다. 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료는 탄소나노튜브를 알루미늄 분말 표면에 기계적으로 디클러스터링한 후 볼밀 공정을 통하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 제조하고, 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 소결 후 압출성형하여 제조된다. 이러한 방법으로 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 경우 우수한 연성 및 강도를 갖는 복합재료를 제조할 수 있다.

Description

알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료{METHODS OF MANUFACTURING ALUMINIUM-CARBON NANOTUBE AND ALUMINIUM-CARBON NANOTUBE COMPOSITES MANUFACTURED BY THE METHODS}
본 발명은 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료에 관한 것으로, 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료에 관한 것이다.
알루미늄은 주방에서 사용하는 포일(foil)에서, 일회용 식기, 창문, 자동차, 항공기 및 우주선까지 생활에 다용도로 사용되고 있다. 알루미늄의 특성으로는 철의 중량의 1/3 정도로 가볍고, 다른 금속과 합금을 시킬 경우 뛰어난 강도를 갖는다. 또한 알루미늄 표면에는 화학적으로 안정한 산화막이 존재하여 수분이나 산소 등에 의해 부식이 진행되는 것이 방지되므로 화학적으로 안정하다. 이와 같은 이유로 알루미늄은 자동차와 항공기 등에 사용되어 왔다. 특히 자동차의 경우 알루미늄 부품은 기존의 철제 부품에 비하여 가벼워 자체의 하중을 줄일 수 있으며, 이것은 차체 무게의 경량화를 가져와 연비 감소에 기여할 수 있는 일거양득의 효과가 있다.
그러나 이와 같은 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40 %정도밖에 되지 않아 구조용 재료로 사용할 경우 구조용 알루미늄 관이나 판재의 두께가 매우 두꺼워지고, 이는 결국 재료가 과다하게 소요되어 과다한 재료비를 필요로 하는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 탄소재료와 알루미늄의 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 일반적으로 금속의 경우 강도(strength)을 증가시킬 경우 연성(ductility)은 감소되는 경향이 있어서, 탄소재료와 알루미늄 복합체재료의 응용이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 향상된 기계적 강도 및 연성을 갖는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 방법에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법은 탄소나노튜브를 알루미늄 분말 표면에 기계적으로 디클러스터링하는 단계; 상기 알루미늄 분말 및 상기 알루미늄 표면에 디클러스터링된 상기 탄소나노튜브에 대하여 볼밀 공정을 수행하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 제조하는 단계; 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 소결하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 압출성형하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예로서, 상기 탄소나노튜브를 상기 알루미늄 분말 표면에 기계적으로 디클러스터링하는 단계는 10 내지 30nm의 직경 및 약 10 내지 70㎛의 길이를 갖는 상기 탄소나노튜브와 10 내지 70㎛의 직경을 갖는 상기 알루미늄 분말을 용기에 투입하고 블레이드 믹서를 10000 내지 40000 rpm으로 회전시켜 상기 탄소나노튜브와 상기 알루미늄 분말을 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 제조하는 단계는 산소 및 습도가 1ppm 미만인 조건에서 상기 볼밀 공정이 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 볼밀 공정은 200 내지 500 rpm에서 20 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 이와 같은 볼밀 공정을 통해 제조된 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말은 내부에 캡슐화된 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 캡슐화된 탄소나노튜브는 상기 복합 분말을 구성하는 알루미늄의 그레인 내부에 분산될 수 있다.
하나의 실시예로서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계는 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들을 금형에 충진하는 단계; 및 상기 금형에 충진된 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들에 대해 방전 플라즈마 소결 공정(spark plasma sintering process)을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 200 내지 600℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료는 알루미늄 매트릭스(matrix); 및 상기 알루미늄 매트릭스 내부에 분산된 탄소나노튜브를 포함한다. 이 경우, 상기 탄소나노튜브는 상기 알루미늄 매트릭스의 그레인(grain) 내부에 분산될 수 있다.
하나의 실시예로서, 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 연성 및 강도를 향상시키기 위하여 상기 탄소나노튜브의 함량은 2 내지 8 vol.%인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따라 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 경우, 탄소나노튜브를 매트릭스인 알루미늄의 그레인(grain) 내부에 분산시킴으로써 우수한 연성 및 강도를 갖는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a 및 도 2b는 산소 및 습도가 1ppm 이상인 조건에서 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 광학현미경 사진 및 공초점 라만 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 스트레스-스트레인 곡선들이다.
도 4는 탄소나노튜브 함량에 따른 탄성계수(Young's modulus) 및 항복강도항복강도(Yield strength)의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 탄소나노튜브 함량에 따른 인성(toughness) 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 순수 알루미늄 재료 및 탄소나노튜브의 함량이 2 vol.%인 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 압출성형 후의 미세구조를 설명하기 위한 EBSD(Electron backscattering diffraction) 이미지들이고, 도 6c는 도 6b의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 공초점 라만 광학현미경 이미지이며, 도 6d는 라만 스펙트라(Raman spectra)로부터 G band 맵핑을 수행한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 7은 도 6b의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 라만 스펙트라(Raman spectra)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 탄소나노튜브의 함량에 따른 그레인 사이즈 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 X-ray 회절 분석의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 탄소나노튜브 함량에 따른 전위(dislocation) 밀도 및 가공경화(work hardening)의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 TEM 이미지들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법은 탄소나노튜브를 알루미늄 분말 표면에 디클러스터링(declustering)하는 단계(S110), 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말을 제조하는 단계(S120), 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말을 소결하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계(S130) 및 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 압출성형하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브를 알루미늄 분말 표면에 디클러스터링하는 단계(S110)는 블레이드 믹서(blade mixer)를 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 용기에 클러스터(cluster) 형태의 탄소나노튜브와 알루미늄 분말을 투입한 후 블레이드 믹서를 고속으로 회전시켜 탄소나노튜브를 알루미늄 분말 표면에 디클러스터링할 수 있다. 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 등이 사용될 수 있고, 디클러스터링 전의 탄소나노튜브는 약 10 내지 30nm의 직경 및 약 10 내지 70㎛의 길이를 가질 수 있다. 그리고 알루미늄 분말은 약 10 내지 70㎛의 직경을 가질 수 있다.
일반적으로 탄소나노튜브는 비표면적이 크기 때문에 클러스터(cluster) 형태로 존재하는데, 최종 복합재료 내부에 탄소나노튜브가 클러스터 형태로 존재하는 경우, 복합재료의 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명에 있어서는 이러한 문제점을 해소할 뿐만 아니라, 탄소나노튜브의 캡슐화를 용이하게 하기 위해 탄소나노튜브를 기계적으로 디클러스터링한다.
탄소나노튜브의 디클러스터링은 블레이드 믹서를 약 10000 내지 40000 rpm으로 회전시키면서 약 10 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 이와 같이 블레이드 믹서를 고속으로 회전시키면서 탄소나노튜브를 디클러스터링하는 경우, 이후 진행될 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말의 제조 단계에서 탄소나노튜브가 복합분말 내부로 효과적으로 캡슐화될 수 있도록 탄소나노튜브가 절단되어 그 길이가 감소될 수 있다. 예를 들면, 디클러스터링이 완료된 탄소나노튜브는 약 10㎛ 이하의 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 기계적 디클러스터링 공정과 달리 초음파를 이용하여 탄소나노튜브를 분산시키는 경우, 탄소나노튜브를 고도로 분산시킬 수 있으나 초음파 공정은 산소 함유 용매를 사용하므로 알루미늄의 산화를 야기하여 탄소나노튜브가 알루미늄의 그레인 내부에 분산되는 것을 방해하는 문제점이 있다.
알루미늄-탄소나노튜브 복합분말을 제조하는 단계(S120)는 볼밀 공정을 통해 수행될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 분말 및 디클러스터링된 탄소나노튜브를 볼밀볼과 함께 디스크에 회전가능하게 결합된 볼밀 용기 내부에 투입한 후 볼밀 공정을 진행할 수 있다. 볼밀 공정은 산소 및 습도가 1ppm 미만인 조건에서 수행될 수 있다. 일반적으로 알루미늄은 높은 산화력을 갖는 물질로 알려졌다. 그래서 지금까지 보고된 바로는 10-6 torr에서도 산화가 일어나는 것으로 보고되어 있다. 또한 산화막의 두께는 10 nm 정도로 탄소나노튜브의 직경과 유사할 정도이다. 이런 산화막은 탄소나노튜브를 알루미늄 입자 내부 혹은 그레인 내부로 분산시키기에는 큰 한계를 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명에서는 산소 및 습도가 1ppm 미만인 조건에서 볼밀 공정을 수행하였다. 디클러스터링된 탄소나노튜브는 알루미늄에 의해 캡슐화되고 알루미늄의 그레인 내부까지 분산될 수 있어서 탄소나노튜브의 분산성이 크게 향상된다. 이에 반하여, 산소 또는 습도가 1ppm 이상인 조건에서 볼밀 공정을 진행하는 경우, 알루미늄의 산화가 일어나 탄소나노튜브가 알루미늄의 그레인 내부로는 침투할 수 없고, 단지 알루미늄의 그레인 경계에만 분산되는 문제점이 발생한다.
볼밀 공정은 저에너지, 예를 들면, 약 200 내지 500 rpm에서 약 20 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 높은 회전속도, 즉 500rpm을 초과한 속도의 고에너지 볼밀 공정을 수행하는 경우, 볼밀 공정 동안 탄소나노튜브의 구조가 파괴되어 복합재료의 기계적 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
볼밀 공정을 진행하게 되면, 알루미늄 분말은 분쇄된 후 분쇄된 알루미늄 분말 사이에 접합(welding)이 일어나게 된다. 이 과정에서 탄소나노튜브는 알루미늄 분말 내부로 침투하여 알루미늄 분말에 의해 캡슐화 된다. 산소 및 습도가 1ppm 미만인 조건에서 볼밀 공정을 진행하는 경우, 알루미늄 분말 내부에 캡슐화된 탄소나노튜브는 알루미늄의 그레인 내부로 분산될 수 있다. 이에 반하여, 산소 및 습도가 1ppm 이상인 조건에서 볼밀 공정을 진행하는 경우, 알루미늄 분말 내부에 캡슐화된 탄소나노튜브는 알루미늄의 그레인 내부로 침투하지 못하고, 주로 그레인 경계에 분산된다.
본 발명과 달리 탄소나노튜브의 기계적 디클러스터링 공정 없이 볼밀 공정을 진행하는 경우, 탄소나노튜브의 분산도를 향상시키기 위해서는 고에너지의 볼밀 공정이 진행되어야 하는데, 이와 같은 고에너지의 볼밀 공정은 앞에서 설명한 바와 같이 탄소나노튜브의 구조를 파괴시키므로 복합재료의 기계적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계(S130)는 단계에서는 상기의 볼밀 공정을 통해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말을 소결시킴으로써 수행될 수 있다. 일례로, 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들은 방전 플라즈마 소결 공정(spark plasma sintering process)을 통해 소결될 수 있다. 구체적으로, 방전 플라즈마 소결 공정(spark plasma sintering process)은 약 200 내지 600℃의 온도에서 약 10 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들을 금형에 충진한 후, 약 50MPa 내지 700MPa의 압력을 인가한 상태에서 약 1분 내지 1시간 동안 약 200 내지 600℃의 온도로 소결하여 금형에 충진된 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들을 소결 시킬 수 있다.
알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 압출성형하는 단계(S140)는 압출 금형을 이용하여 수행할 수 있다. 일례로, 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 약 1 분 내지 1시간 동안 약 200 내지 600℃의 온도로 가열한 후, 압출 금형을 이용하여 약 50MPa 내지 700MPa의 압력을 인가한 상태에서 압출하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 압출성형할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 산소 및 습도가 1ppm 이상인 조건(이하 '산화 분위기'라 함)에서 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 광학현미경 사진 및 공초점 라만 현미경 사진이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 산화 분위기에서 볼밀 공정을 수행하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 경우 캡슐화된 탄소나노튜브는 알루미늄의 그레인 경계 상에 제한적으로 분포하게 됨을 알 수 있다. 즉, 산화 분위기에서 볼밀 공정을 진행하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 경우, 알루미늄의 산화가 발생하게 되는데, 이러한 알루미늄의 산화는 탄소나노튜브가 알루미늄의 그레인 내부에 분산되는 것을 방해하고, 그 결과 탄소나노튜브는 알루미늄의 그레인 경계 부근이라는 제한된 영역에만 분산된다. 이와 같이 알루미늄의 그레인 경계에 집중적으로 분산된 탄소나노튜브는 전위 움직임을 방해하여 복합재료의 강도(strength)는 강화하나 그레인 내부에서 전위(dislocation)와의 상호작용을 할 수 없으므로 연성(ductility) 향상에는 기여할 수 없다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 스트레스-스트레인 곡선들이다.
도 3을 참조하면, 엔지니어링 스트레스의 최대값은 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 증가하였으나, 파괴 전까지의 엔지니어링 스트레인은 탄소나노튜브의 함량이 증가하더라도 감소하지 않았음을 알 수 있다. 즉, 본 발명이 실시예에 따라 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 경우, 알루미늄의 그레인 내부에 까지 탄소나노튜브가 분산되고, 그레인 내부에 까지 탄소나노튜브는 전위의 움직임을 방해하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 가공경화(work hardening)을 향상시키고 나아가 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 신장률을 감소하는 것을 최소화할 수 있다.
도 4는 탄소나노튜브 함량에 따른 탄성계수(Young's modulus) 및 항복강도항복강도(Yield strength)의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 탄소나노튜브의 함량이 2 vol.% 미만인 경우, 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 탄성계수는 증가하고, 탄소나노튜브 함량이 2 내지 8 vol.% 까지는 탄소나노튜브의 함량이 증가하더라도 탄성계수가 크게 변화하지 않으며, 탄소나노튜브 함량이 8 vol.% 이상인 경우, 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 탄성계수가 감소함을 알 수 있다. 이는 탄소나노튜브 함량이 8 vol.% 이상인 경우에는 탄소나노튜브의 분산성이 저하되기 때문인 것으로 판단된다.
항복강도 역시 탄소나노튜브 함량이 8vol.%까지는 탄성계수와 유사한 거동을 보이나 탄소나노튜브 함량이 8vol.% 이상인 경우에도 항복강도는 일정한 수준으로 유지됨을 알 수 있다.
도 5는 탄소나노튜브 함량에 따른 인성(toughness) 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 탄소나노튜브의 함량이 2vol.%까지는 인성이 증가하나 더 높은 탄소나노튜브 농도에서는 인성이 감소하는 것을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 순수 알루미늄 재료 및 탄소나노튜브의 함량이 2 vol.%인 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 압출성형 후의 미세구조를 설명하기 위한 EBSD(Electron backscattering diffraction) 이미지들이고, 도 6c는 도 6b의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 공초점 라만 광학현미경 이미지이며, 도 6d는 라만 스펙트라(Raman spectra)로부터 G band 맵핑을 수행한 결과를 나타내는 이미지이다. 도 7은 도 6b의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 라만 스펙트라(Raman spectra)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 알루미늄의 그레인 구조는 좁은 직경을 가진 연장된 형상을 가짐을 알 수 있다. 압출성형 공정은 압출 방향으로의 소성변형을 야기하므로, 알루미늄의 그레인 형상은 압출 방향으로 연장된 형상을 갖는다.
도 6b 내지 도 6d 및 도 7을 참조하면, 탄소나노튜브를 2vol.% 첨가한 경우, 그레인 사이즈가 감소하는 그레인 강화 현상이 일어남을 알 수 있다. 또한 도 6d 및 도 7에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 분포는 그레인 구조와 연관성이 없음을 알 수 있다. 이러한 관측으로부터 캡슐화된 탄소나노튜브는 그레인 경계 뿐만 아니라 내부에도 위치함을 알 수 있다.
도 8은 탄소나노튜브의 함량에 따른 그레인 사이즈 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 그레인 사이즈, 특히 길이 및 평균 직경이 감소함을 알 수 있다. 탄소나노튜브의 함량이 2 vol.% 미만인 경우, 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 그레인 사이즈가 급격히 감소하는 반면, 탄소나노튜브의 함량이 2 vol.% 이상인 경우, 탄소나노튜브의 함량이 증가하더라도 그레인 사이즈는 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 이와 같은 그레인 사이즈의 감소 현상은 탄소나노튜브 캡슐화 공정 동안 그레인 강화가 일어남을 증명한다.
도 9는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 X-ray 회절 분석의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 피크가 넓어지는 현상이 관찰되었다. 이는 탄소나노튜브의 함량이 증가함에 따라 격자 결함이 증가함을 나타낸다.
도 10은 탄소나노튜브 함량에 따른 전위(dislocation) 밀도 및 가공경화(work hardening)의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 탄소나노튜브 함량이 4 vol.% 미만인 경우에는 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 전위 밀도가 증가하고, 탄소나노튜브 함량이 4 vol.% 이상인 경우에는 탄소나노튜브의 함량이 증가하더라도 전위 밀도가 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 탄소나노튜브 함량이 증가함에 따라 전위 밀도가 증가하는 것은 탄소나노튜브와 알루미늄의 다른 열팽창 계수로 인하여 열적 부정합(thermal mismatch) 현상이 발생하기 때문이다.
가공경화(work hardening) 역시 전위 밀도와 유사한 경향을 보였다. 가공경화는 인장되는 시편의 네킹(necking)을 지연시키므로, 재료의 연성 향상에 크게 영향을 미친다. 따라서 가공경화가 향상되면 시편을 더 길게 신장시킬 수 있다.
도 11은 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 TEM 이미지들이다.
도 11a를 참조하면, 탄소나노튜브가 그레인 내부에 위치함을 확인할 수 있다. 그레인 내부에 위치하는 탄소나노튜브는 전위와 상호작용을 하여 복합재료의 강도 및 연성을 향상시킬 수 있다.
도 11b 및 도 11c를 참조하면, TEM 측정 동안 시편을 비틈으로써 선형 전위가 생성될 수 있다. 이 경우, 도 11b에 도시된 바와 같이 일부 선형 전위는 탄소나노튜브 부근에 축적된다. 이러한 현상은 도 11c와 같이 더 높은 해상도에서 관찰하면 보다 명확하다. 도 11c는 0.385 내지 0.5nm의 층간 거리를 가진 탄소나노튜브의 단면 이미지이다.
그레인 내부에 위치한 탄소나노튜브는 전위의 움직임을 방해하고, 그 결과 탄소나노튜브는 가공경화에 영향을 미치는 분산강화 현상을 야기할 수 있다. 즉, 그레인 내부에 분산된 탄소나노튜브는 가공경화에 영향을 미치고, 그 결과 시편의 신장률을 향상시킬 수 있다. 탄소나노튜브의 함량이 증가하면, 도 11d에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브는 클러스터를 이루게 되는데, 이는 탄소나노튜브의 분산도를 저하시켜 강화 효율 감소를 초래한다. 도 11d는 탄소나노튜브 함량이 8 vol.%인 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 TEM 이미지이다.
이와 같은 사항을 종합하면, 알루미늄-탄소나노튜브 복합체에 있어서, 탄소나노튜브의 분산도가 높을수록 높은 강도 강화 효율이 나타나며, 강도가 증가함에도 불구하고 신장률이 감소되는 것을 최소화할 수 있다.
그레인 내부에 분산된 탄소나노튜브는 상기에서 설명된 분산강화 메카니즘 뿐만 아니라 로드 전송(load transfer) 메카니즘에 의해서도 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 강도 및 연성을 향상시킬 수 있다. 그레인 내부에 분산된 탄소나노튜브는 외부 힘의 일부를 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 전위 움직임을 억제시킬 수 있다. 그 결과 그레인 내부에 분산된 탄소나노튜브는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 영률을 향상시킬 뿐만 아니라 소성 변형 전의 항복 강도를 향상시킬 수 있다.
즉, 소성 변형 동안 전위 움직임은 그레인 내부에 위치한 탄소나노튜브에 의해 억제되었고, 그 결과 알루미늄 복합재료의 강도 및 연성이 향상될 수 있다. 그리고 소결 공정에 의해 형성된 강한 계면을 통하여 외부 로드는 탄소나노튜브로 전송될 수 있고, 탄소나노튜브는 외부 로드에 대한 반대 힘을 생성하여 복합재료의 변형을 방해할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브가 알루미늄의 그레인 내부에 분산되므로 우수한 연성(ductility) 및 기계적 강도(strength)를 갖는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 클러스터 형태의 탄소나노튜브들을 제1 길이 이하로 절단하여 알루미늄 분말 표면에 분산시키는 단계;
    상기 탄소나노튜브가 표면에 분산된 알루미늄 분말들에 대하여 볼밀 공정을 수행하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 제조하는 단계;
    상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 소결하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계; 및
    상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 압출성형하여 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터 형태의 탄소나노튜브들을 제1 길이 이하로 절단하여 알루미늄 분말 표면에 분산시키는 단계는,
    10 내지 30nm의 직경 및 10 내지 70㎛의 길이를 갖는 상기 탄소나노튜브와 10 내지 70㎛의 직경을 갖는 상기 알루미늄 분말을 용기에 투입하고 블레이드 믹서를 10000 내지 40000 rpm으로 회전시켜 상기 탄소나노튜브와 상기 알루미늄 분말을 혼합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 제조하는 단계는 산소 및 습도가 1ppm 미만인 조건에서 상기 볼밀 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 볼밀 공정은 200 내지 500 rpm에서 20 내지 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말은 내부에 캡슐화된 탄소나노튜브를 포함하고,
    상기 캡슐화된 탄소나노튜브는 상기 복합 분말을 구성하는 알루미늄의 그레인 내부에 분산된 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합 분말을 소결하여 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하는 단계는,
    상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들을 금형에 충진하는 단계; 및
    상기 금형에 충진된 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합분말들에 대해 방전 플라즈마 소결 공정(spark plasma sintering process)을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 방전 플라즈마 소결 공정은 200 내지 600℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-탄소나노튜브 복합재료의 제조방법.
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