In this thesis, low Earth orbit (LEO) space environment characteristics of nano-filler reinforced epoxy matrix nanocomposites were investigated. Prior to the investigation, understanding of LEO space environment effects on typical composite materials was carried. Designing and manufacturing LEO space environment simulation facility, simulation of major LEO space environment hazards characterized by high vacuum $(~10^{-5} Torr)$, ultraviolet (UV) radiation (<200nm wavelength), temperature cycling (-70℃ ~ 100℃), and atomic oxygen atmosphere $(AO flux of ~10^16 atoms/cm^2·s and kinetic energy of ~0.04eV)$ took place. Under the simulated LEO space environment, graphite/epoxy composites, which have been widely applied to space structures, were tested to study the LEO space environment effects on the composites.
Tensile properties, as well as mass loss of the graphite/epoxy composites, after being exposed to AO atmosphere and the synergistic LEO space environment, were investigated. The surface morphology of the composites under LEO space environment effects was also observed by scanning electron microscope (SEM). Experimental results showed that LEO environment and its synergistic effects cause considerable damage to the surface and material properties of composites. Multi-walled carbon nanotube (MWNT) reinforced and $Al_2O_3$ nanotube reinforced epoxy matrix nanocomposites were fabricated with different nanotube weight percent (wt.%) concentrations. Ultra-sonication and homogenization were simultaneously employed to disperse the nano-fillers into epoxy resin. Both nano-filler reinforced composites were tested under the simulated LEO environment. LEO space environment characteristics of MWNT/epoxy and $Al_2O_3$ nanotube/epoxy nanocomposites were investigated. The tensile and thermal properties, as well as, mass loss of the nanocomposites with various nanotube concentrations (0.0-2.0 wt.%) after being exposed to the simulated LEO environment effects were investigated. In addition, surface morphology changes of the nanocomposites after LEO space environment exposure were observed by SEM micrograph. Experimental results showed that through the reinforcement of MWNTs or $Al_2O_3$ nanotubes, epoxy began showing relatively high material properties under LEO space environment effects, that is enhanced LEO space environment resistant characteristics.
Damage evaluation of LEO space environment protective $SiO_2$ coated epoxy and nano-filler reinforced epoxy matrix composites was carried out to verify that the reinforcement of LEO space environment resistant nano-fillers enhance durability in the LEO space environment. Performance of pre-damaged $SiO_2$ coated composite specimens under LEO space environment effects was studied by investigating the changes in mass loss and in appearance of coating and substrate material. Through the reinforcement of nano-fillers (MWNTs and $Al_2O_3$ nanotubes), mass loss of the specimens with damage in coating was reduced, and the substrate polymeric material nearby the pre-damaged area was less eroded than un-reinforcement (pure epoxy), which implies that the nano-filler reinforced polymer matrix composites will possess greater resistance and extended use than pure polymers after the protective coating is damaged under the severe LEO space environment effects.
본 논문에서는 나노필러가 강화된 고분자 복합재료의 지구 저궤도 우주환경 특성을 연구하였다. 모든 실험에서 고분자 재료 중 가장 널리 사용되고있는 에폭시가 본 연구의 기지 재료로 사용되었다. 우선, 지구 저궤도 우주환경이 일반적인 고분자 복합재료에 끼치는 영향에 대한 연구가 수행되었다. 지구 저궤도 모사장비의 설계 및 제작을 통해, 고 진공 $(~10^{-5} Torr)$, 자외 복사선(<200nm), 열 주기(-70℃ ~ 100℃), 원자산소$(AO flux of ~10^16 atoms/cm^2s and kinetic energy of ~0.04eV)$ 의 주요 지구 저궤도 환경인자의 모사가 이루어졌다. 저궤도 우주환경이 고분자 복합재료에 미치는 영향을 조사하기 위하여 저궤도 우주 모사환경 하에서, 우주 구조용 재료로 널리 사용되고 있는 탄소섬유 강화 복합재료의 실험이 수행되었으며 원자 산소 및 저궤도 우주환경의 공동작용으로 인한 복합재료의 인장 물성 및 질량의 변화를 조사하였다. 또한 주사형 전자 현미경을 통해 우주환경으로 인한 복합재 표면의 변화를 관찰하였다. 실험을 통해 지구 저궤도 우주환경 인자들의 공동작용로 인해 고분자 복합재료에 상당한 손상을 끼침을 알 수 있었다.
다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 및 알루미나 나노튜브($Al_2O_3$ nanotube)가 강화 고분자 기지 나노 복합재료가 제작되었다. 초음파 분해(ultra-sonication) 및 균질화(homogenization)를 통해 나노필러는 에폭시 수지에 고루 분산될 수 있었다. 두 종류의 나노필러 강화 복합재료를 사용한 저궤도 우주 모사환경 실험이 이루어졌으며, 이를 통해 나노필러가 강화된 고분자 복합재료의 지구 저궤도 우주환경 특성을 조사하였다. 저궤도 우주 모사환경 노출 후의 나노 복합재료의 인장 물성 및 열 물성 그리고 질량 변화를 조사하였다. 또한 환경 영향으로 인한 재료 표면의 변화를 관찰하였다. 우주 모사환경 실험을 통해 우주환경 저항 특성을 가진 나노필러로 강화된 복합재료는 우주환경 하에서 상대적으로 높은 물성을 보임을 알 수 있었고, 이는 나노필러의 강화로 인해 고분자 재료가 향상된 우주환경 저항 특성을 가짐을 나타낸다.
나노필러가 강화된 복합재료의 저궤도 우주환경에서의 향상된 내구성을 검증하기 위해 보호용 실리카 $(SiO_2)$ 필름이 코팅된 나노 복합재의 손상 평가가 이루어졌다. 미리 손상된 실리카 $(SiO_2)$ 필름이 코팅된 복합재 시편을 사용하여 우주 모사환경 실험을 수행하였다. 그리고 저궤도 우주 모사환경 영향으로 인한 질량 변화 및 코팅 필름과 기질 재료의 외관을 조사하였다. 나노필러의 강화를 통해 에폭시는 보호용 코팅의 손상 후에도 우주환경 하에서 작은 질량 감소와 필러가 강화되지 않은 에폭시에 비해 적은 기질 재료의 손상을 나타내었다. 이를 통해 가혹한 지구 저궤도 우주환경 하에서 특정 나노필러가 강화된 고분자 복합재료는 보다 높은 우주환경 내성과 내구성을 보임을 검증할 수 있었다.
