This dissertation investigates the heating and mechanical characteristics of carbon nanotube (CNT)-incorporated polymeric composites. Many recent studies have focused on the incorporation of CNT, which has outstanding electrical and mechanical properties, in the polymer matrix for the development of highly functional and advanced composites. However, it remains at the level of realizing the limited performance of the composites, and in-depth research on the durability and stability of the composites has not been conducted, resulting in a large technological gap in the commercialization stage.
In this regard, the heating and mechanical characteristics of CNT-incorporated polymeric composites are identified experimentally and predicted using micromechanics in this dissertation. This dissertation can be categorized into four aspects as follows: 1) developing a physicomechanical approach to dispersion of CNT in polymeric composites, 2) predicting the electrical properties of polymeric composites incorporated with CNT and carbon fiber, 3) identifying heat-dependent electrical properties of CNT-incorporated polymeric composites under a self-heating condition, and 4) predicting the mechanical behavior of CNT and carbon fiber-reinforced composites.
The obtained results in the dissertation establish fundamental knowledge of heating mechanism and improvement in the mechanical performance of CNT-incorporated polymeric composites. Furthermore, these results introduce multiscale modeling based on micromechanics for the prediction of the effective properties of composites. The dissertation can not only offer a comprehensive understanding of composites but can also be utilized in the field of applications for composites.
본 학위논문은 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 혼입 고분자 복합재료의 발열 및 역학적 특성에 관해 연구하였다. 최근 고기능성 및 첨단 복합재료 개발을 위해 뛰어난 전기적 및 역학적 특성을 가지는 CNT를 고분자에 혼입하는 연구들이 수행되고 있다. 하지만, CNT 혼입 고분자 복합재료의 제한된 성능구현 수준에 머물고 있고, 복합재료의 내구성 및 안정성에 대한 심화 연구가 진행되지 못해 실용화 단계와의 기술 격차가 큰 실정이다.
이와 관련하여, 본 학위논문에서는 CNT 혼입 고분자 복합재료의 발열 및 역학적 특성을 실험적으로 규명하고, 미세역학을 활용하여 복합재료의 특성을 예측하는 연구를 수행하였다. 본 학위논문의 연구 내용은 다음과 같이 구성되었다: 1) 복합재료 내 CNT 입자의 분산을 위한 새로운 물리 역학적 분산기술 개발, 2) CNT 및 탄소섬유 혼입 복합재료의 전기적 특성 예측, 3) 자기발열 조건에서의 CNT 혼입 복합재료의 열 의존적 전기적 특성 규명. 마지막으로 4) CNT 및 탄소섬유 강화 복합재료의 역학적 특성 예측 연구를 수행하였다.
본 학위논문에서 도출한 결과들은 CNT 혼입 고분자 복합재료의 발열 메커니즘 및 역학적 성능 향상에 대한 기본지식을 확립하였다. 또한, 복합재료의 유효특성 예측을 위한 미세역학 기반의 멀티스케일 모델들을 소개하였다. 본 학위논문은 복합재료에 대한 포괄적인 이해를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 전 분야에 걸쳐 복합재료의 응용기술로 활용될 수 있다.
