나노복합재

나노복합재는 적어도 하나의 상이 나노 규모로 존재하는 복합 재료입니다. 일반적으로 이는 연속적인 매트릭스에 분산된 나노 입자, 나노 섬유 또는 나노 플레이트입니다. 매트릭스는 폴리머, 금속 또는 세라믹일 수 있습니다. 나노 크기의 비율은 대부분 몇 % 미만이지만, 재료 특성에 비례 이상으로 큰 영향을 미칩니다.

나노 복합재의 탁월한 특성은 주로 매트릭스와 나노 크기의 상 사이의 넓은 계면에서 비롯됩니다. 기계적, 열적, 전기적 또는 차단 효과는 물질 자체에 의해 발생하는 것이 아니라, 그 균일한 분포와 계면의 품질에 의해 발생합니다.

따라서 혼합이 재료 개발의 핵심이 됩니다. 핵심 공정상의 병목 현상은 서로 다른 성분을 혼합하는 것이 아니라 나노 입자의 완전한 탈응집과 매트릭스 내 안정적인 내장입니다.

나노 입자는 초기 상태에서 거의 항상 응집체 형태로 존재합니다. 이러한 응집체는 입자 합성 시 또는 저장 중에 이미 생성됩니다. 이들의 내부 결합 에너지는 반데르발스 힘, 정전기 효과 또는 소결 브릿지에 의해 안정화되어 매우 높습니다. 고성능 나노 복합재를 제조하려면 이러한 응집체를 완전히 또는 최소한 대부분 분해해야 합니다.

이를 위해 필요한 응집 분해 작업은 표면 에너지와 밀접한 관련이 있습니다. 분리를 위한 최소 에너지 요구량은 대략 다음 공식으로 설명할 수 있습니다:

E ≈ γ · ΔA

여기서 γ는 비표면 에너지이고 ΔA는 새로 생성된 표면적입니다. 나노 입자의 경우 ΔA가 극히 크기 때문에, 진정한 1차 입자 분산에 필요한 에너지 요구량이 크게 증가합니다. 여기서 중요한 것은 총 에너지가 아니라 혼합 공정에서 국부적으로 작용하는 에너지 밀도입니다.

나노 복합재의 경우, 이는 중력이 지배적인 기존의 혼합 메커니즘만으로는 충분하지 않음을 의미합니다. 높은 국부 전단, 압축 응력 또는 충격 에너지를 생성하는 공정만이 효과적입니다. 예를 들면, 강렬한 전단 흐름, 압력 하의 고체-고체 접촉 또는 벽면에 전단 기울기를 의도적으로 주입하는 과정 등이 있습니다.

매트릭스에 의한 나노 입자의 습윤은 매우 중요합니다. 불완전한 습윤은 응집체를 안정화시키고 계면을 통한 힘 및 전하 전달을 방해합니다. 습윤성은 나노 입자의 표면 화학, 매트릭스의 극성 및 공정 상태에 의해 결정됩니다. 많은 경우 표면 개질 또는 분산 보조제의 사용이 필요합니다.

혼합 기술적 관점에서 공정 단계의 순서는 매우 중요합니다. 종종 건식 사전 혼합이 유용한데, 이는 응집체를 분해하고 일종의 균질한 사전 혼합물을 준비하기 때문입니다.

이는 폴리머 나노 복합재뿐만 아니라 세라믹 및 금속 시스템에도 적용됩니다. 폴리머 기반 나노 복합재의 경우 매트릭스의 점도가 분산 공정에 추가적인 영향을 미칩니다. 점도가 증가하면 전단 전달이 증가하지만 동시에 탈기가 어려워집니다. 갇힌 공기는 추가적인 계면 역할을 하여 재응집을 촉진할 수 있습니다. 따라서 진공 상태에서 이루어지는 제어된 공정 운영은 중요한 품질 기준입니다.

나노 복합재의 특성은 분산 품질에 크게 좌우됩니다. 아주 적은 양의 응집 잔여물도 공작물에서 결함 부위로 작용할 수 있습니다.