Because carbon-carbon bond observed in graphite is one of the strongest in nature, carbon nanotubes(CNTs) are excellent materials to be the stiffest and most robust structure ever synthesized. The combination of high-aspect ratio, small size, strength, stiffness and low density makes the CNTs perfect candidates as reinforcements in composites. As a consequence, there has been lots of interest in the development of CNT reinforced composites. Although most research has focused on the development of CNT reinforced polymer composites, several attempts have also been made to develop CNT reinforced metal composites with nanotubes as reinforcement. However, because of the difficulties in distributing CNTs homogeneously in a metal matrix by the powder metallurgy processes, it has been doubted whether CNTs can really reinforce metals.
In this study, by introducing novel fabrication processes which are different from conventional powder metallurgy processes, CNT reinforced cobalt nanocomposite was successfully fabricated. First of all, CNTs were functionalized with acid-treatment to be homogeneously dispersed in oleylamine as a solvent. Multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs), with diameters of 3~15nm and fabricated by thermal chemical vapor deposition, were purified and functionalized by acid treatment using HF, $H_2SO_4$ and $HNO_3$. The CNTs were stirred for 24h in HF and then cleansed with a mixed solution of $H_2SO_4/HNO_3$ in a 3:1 ratio. In addition, by decomposing cobalt (Ⅱ) acetylacetonate at 250℃ in a mixture of oleylamine and functionalized CNTs, CNT/cobalt oxide nanocomposite powders with 100nm of mean diameter can be fabricated. CNT/cobalt oxide nanocomposite powders were reduced into CNT/cobalt nanocomposite powders at 410℃, 2hours of holding time. Spark plasma sintering was utilized to fabricate CNT/cobalt nanocomposite with high relative density. As a result, CNT/cobalt nanocomposite with relative density over 99% was successfully fabricated.
Mechanical properties of the CNT/cobalt nanocomposite were characterized by using Vickers hardness test, nanoindentation test and compressive test. Pure cobalt fabricated shows considerably high Vickers hardness and compressive yield strength of 305.1 and 920MPa over commercial cobalt reported and similar elastic modulus of 175GPa. When 7 volume fraction CNTs are added into cobalt, they show enhanced hardness, elastic modulus and compressive yield strength of 363.8, 206GPa and 1.5GPa, respectively. In summary, the enhancement of elastic modulus and yield strength of CNT/cobalt nanocomposite means that the CNTs play a role as a good reinforcement, which sustains the applied load, in a metal matrix. Also, it is confirmed that homogeneous dispersion of CNTs provides good properties such as high relative density and high strength. Finally it is decided that proposed novel fabrication process is suitable for making sound CNT/metal nanocomposites.
흑연에서 관찰되어지는 탄소-탄소 결합은 자연계에서 가장 강한 결합중의 하나이기 때문에 그것의 말려진 구조인 탄소나노튜브는 지금까지 합성된 가장 강한 구조를 가진 우수한 물질이다. 탄소나노튜브는 높은 aspect ratio, 작은 크기, 우수한 강도, 강성, 그리고 낮은 밀도와 같은 특성을 지니고 있어 복합재료의 강화재로서 훌륭한 후보로 여겨져 왔다. 결과적으로 탄소나노튜브가 강화된 복합재료의 개발에 있어서 많은 연구과 진행되어 왔다. 하지만 대부분의 연구가 탄소나노튜브가 강화된 폴리머 복합재료의 개발에 집중되어 왔고, 금속을 기지로 하는 복합재료는 최근에 와서야 연구에 관심이 집중되고 있다. 탄소나노튜브가 강화된 금속 복합재료의 연구결과를 살펴보면 탄소나노튜브의 첨가로 인한 강화효과는 보고되고 있지 않고 오히려 기계적 물성의 저하를 보고하고 있는 논문이 대부분이다. 이는 기존의 분말야금 공정을 통하여서는 금속 기지내에 탄소나노튜브를 균질하게 분산시키는 것이 어렵기 때문에 탄소나노튜브가 복합재료의 강화재로서의 역할을 제대로 수행할 수 없었다.
본 연구에서는, 기존의 분말야금 공정과는 다른 새로운 제조공정을 도입함으로써 탄소나노튜브가 강화된 코발트 나노복합재료를 성공적으로 제조하였다. 기존 탄소나노튜브가 강화된 금속 복합재료의 제조공정에 있어서 최대 문제점은 탄소나노튜브를 금속 복합재료내에 균질하게 분산시키지 못했다는 점이었다. 문제의 해결을 위해 먼저 산처리를 통해 탄소나노튜브를 기능화 시켰다. CVD방법에 의해 제조된 직경 3~15nm를 가진 MWCNT는 불산, 황산, 질산을 사용한 산처리에 의해 정제되고 기능화되어 탄소나노튜브와 금속의 계면결합력을 높였다. 두번째로는 금속 염인 코발트(Ⅱ) 아세틸아세토네이트를 올레일아민과 기능화된 탄소나노튜브 용액에서 250℃에서 열분해 하였다. 그 결과 직경 100nm룰 가진 탄소나노튜브/코발트 옥사이드 나노복합분말이 제조되었다. 탄소나노튜브/코발트 옥사이드 나노복합분말은 410℃, 2시간의 환원공정을 통해 탄소나노튜브/코발트 나노복합분말로 환원되었다. 마지막으로 Spark Plasma Sintering이라는 신소결공정을 도입하여 상대밀도 99%이상의 탄소나노튜브/코발트 나노복합재료가 성공적으로 제조되었다.
제조된 탄소나노튜브/코발트 나노복합재료의 기계적 물성에 대한 특성평가가 비커스 하드니스, 나노인덴테이션, 압축 테스트를 통해 이루어졌다. 새로 도입된 제조공정에 의해 제조된 코발트는 보고되고 있는 상업용 코발트에 비해 상당히 높은 305.1의 비커스 하드니스 값과 920MPa의 압축항복강도 값을 가졌다. 그리고 유사한 정도의 175GPa의 탄성계수값을 나타내었다. 이는 코발트 매트릭스의 나노화로 인한 강도증가 때문이다. 그리고 7부피분율의 탄소나노튜브가 첨가되었을 때 362.8의 비커스 하드니스 값, 206GPa의 탄성계수 값, 1.5GPa의 압축항복강도 값을 나타내었다. 1.5GPa의 압축항복강도 값은 기존의 금속에 비해 훨씬 높은 값이며 세라믹 재료의 항복강도 값에 필적할 만한 높은 값이다. 요약해보면, 탄소나노튜브가 강화된 코발트 나노복합재료의 향상된 탄성계수 값과 항복강도 값은 금속기지내에서 탄소나노튜브가 복합재료의 강화재로서 충분한 역할을 수행했다는 것을 보여준다. 또한, 탄소나노튜브의 균질분산은 높은 상대밀도와 고강도 같은 우수한 물성들도 갖게 한다는 것을 확인시켜주었다. 마지막으로 본 연구에서 제안된 새로운 제조공정은 우수한 탄소나노튜브가 강화된 금속 나노복합재료를 만드는데 적합하다고 판단되어진다.
