Carbon nanotubes (CNTs) have been considered as reinforcements for polymer, ceramic and metal matrices owing to their remarkable strength and high stiffness. In this study, CNT/alumina nanocomposites have been fabricated through molecular level mixing process for CNT-implanted amorphous alumina nanocomposite powders and followed by consolidation of these nanocomposite powders using in-situ spark plasma sintering process (SPS). During the molecular level mixing process for CNT-implanted amorphous alumina powder, functionalized CNTs interacted with aluminum ions in a particular solvent in which the CNTs can be homogeneously dispersed. The CNT-implanted amorphous alumina powder becomes fully densified CNT/alumina nanocomposite with crystallized alumina matrix during SPS process. The CNTs are homogeneously dispersed within alumina matrix with strong interfacial bonding caused by chemical interaction between CNT and aluminum ions, which can be verified by FTIR spectrum. Using this process, three kinds of CNT/alumina nanocomposites with 1.4, 1.6 and 3 vol.% CNTs have been fabricated. It is observed that both Vicker's hardness and fracture toughness of the alumina matrix are enhanced with the increase in the volume fraction of CNTs in the CNT/alumina nanocomposite.
There are two main factors which control the hardness of the CNT/alumina nanocomposite - homogeneous dispersion of CNTs in the alumina matrix and the existence of strong interfacial bonding between CNTs and the alumina matrix. These two factors facilitate the load transfer efficiency from the alumina matrix to the CNTs in the CNT/alumina nanocomposite. The strengthening effect of CNTs can be verified using the Hall-Petch relationship which is based upon the correlation between alumina matrix grain size and the hardness of the nanocomposite. A comparison between Hall-Petch relationship of pure alumina and CNT/alumina nanocomposite shows that the nanocomposite shows a higher hardness value than pure alumina at the same grain size, the difference between the two being the strengthening effect of CNTs.
The fracture toughness results show that increasing the volume fraction of CNTs increases the fracture toughness of the CNT/alumina nanocomposite. There are two main mechanisms which are responsible for the enhancement of fracture toughness due to the addition of CNTs - crack bridging by CNTs and the pull-out of CNTs from the alumina matrix. However, only one of these mechanisms can be dominant in contributing to toughening in CNT/alumina nanocomposite depending upon the CNT-alumina interfacial bond-strength. If the bond strength is lower than a critical value, pull-out would be the dominant mechanism whilst crack-bridging would be dominant if the bond-strength exceeds that critical value for the same value of fracture stress. The net fracture toughness would be roughly equal to the contribution toward toughening from each of these two mechanisms.
탄소나노튜브는 1991년 최초로 발견된 이후, 높은 강도 및 탄성계수 및 높은 전도도와 전계방출 효과 등 우수한 기계적 특성과 열 및 전기적 특성 들이 밝혀짐에 따라, 각종 소재분야에 그 활용성 검토가 활발히 이루어져 왔다. 기존의 소재와 달리 탁월한 기계적 특성을 제공하는 근본 원인으로 탄소나노튜브의 1차원적인 원자배열 구조를 들 수 있다. 이 구조적인 특징으로 인해 탄소나노튜브는 그 자체만으로는 특성의 발현이 어렵고, 반드시 기지재료나 기판 등 다른 소재와 함께 사용될 때만이 탄소나노튜브의 우수한 특성의 구현을 가능하게 한다. 이는 탄소나노튜브의 탁월한 특성을 이용한 신소재를 개발하기 위해서는 기존의 기지재료에 탄소나노튜브가 강화되는 복합재료의 개발 필요성을 필연적으로 제시하는 것이다.
그러나 현재까지 일부 배열된 박막형태의 제조를 제외하고는, 탄소나노튜브를 기존의 소재에 제어된 형태로 분산시키는 기술의 연구가 부족한 실정이다. 탄소나노튜브를 성공적으로 기존의 소재내에 제어된 형태로 분산시킬 수 있는 복합소재화 기술에 관한 연구는 탄소나노튜브가 가지고 있는 여러 가지 우수한 물성을 최대한 활용하여 기존의 구조 또는 기능 소재가 안고 있는 한계를 극복할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 탄소나노튜브를 세라믹 기지내에 분산된 형태로 제조하기 위하여 분자수준 혼합 공정이라는 신공정을 도입하여 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료를 제조하였다. 탄소나노튜브를 기존의 알루미나에 강화시킴으로서 경도를 향상시키고 알루미나에 인성을 부여함으로서 질긴 알루미나를 형성시키고자 하는 것이 본 연구의 목적이다.
분자수준 합성공정은 기존의 분말수준의 혼합공정과 달리 탄소나노튜브를 알루미나 기지내에 균질하게 분산 및 혼합시킬 수 있기 때문에 제조된 나노복합재료는 탄소나노튜브의 우수한 기계적 특성 덕분에 높은 강도와 우수한 인성을 보유하게 된다. 분자수준 혼합공정에서는 먼저 탄소나노튜브를 화학처리를 통하여 기능기화(functionalization)시키고 계면활성제를 투입함으로써, 용매내에 균일하게 분산된 안정한 탄소나노튜브 용액을 제조한다. 제조된 탄소나노튜브 용액에 알루미나가 되는 알루미늄 질산염(Al(NO3)3H2O)을 혼합하여 Al이온과 기능기화된 탄소나노튜브를 분자수준에서 혼합하여 탄소나노튜브와 알루미늄 이온의 균질 혼합체를 제조한다. 제조된 균질혼합체를 건조공정과 열처리공정을 통하여 탄소나노튜브가 박혀있는 형태의 비정질 알루미나 나노복합분말을 제조한다. 제조된 나노복합분말은 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)공정이라는 신소결공정을 통해 비정질 알루미나 기지를 결정질로 제조하고, 나노복합분말을 고밀도로 벌크함으로서 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료를 제조한다. 본 연구에서 제조된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료는 탄소나노튜브의 함량이 3vol.%로 증가할수록 알루미나 기지에 비하여 경도와 파괴인성 30%, 50%이상 향상되는 결과를 얻었다. 본 연구에서 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료의 경도증가효과는 탄소나노튜브가 알루미나 기지에 균질하게 분산됨으로서, 외부에서 가해지는 응력을 효과적으로 기지에서 탄소나노튜브로 전달해주기 때문인 것으로 판단된다. 또한 파괴인성의 경우, 탄소나노튜브가 알루미나 결정립의 crack을 bridging 기구에 의해 방지해줌으로써 탄소나노튜브가 첨가될수록 우수한 파괴인성을 보이는 것으로 판단하였다. 나노복합재료의 파면을 관찰한 결과 알루미나 기지내에 균질하게 분산되어 있는 탄소나노튜브를 확인하였다. 또한 FT-IR결과 탄소나노튜브와 알루미나 사이에는 특정한 화학결합이 존재하는 것으로 판단됨에 따라 강화효과는 탄소나노튜브와 알루미나 사이의 건전한 계면에서 도 동시에 기인하는 것으로 판단하였다.
이와 같이 본 연구에서는 기존의 공정에서 해결하지 못하였던 탄소나노튜브의 세라믹 기지내의 응집문제를 분자수준 혼합공정을 통하여 해결하였다. 또한 제조된 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료는 탄소나노튜브의 우수한 특성을 그대로 발현함에 따라, 높은 경도와 파괴인성을 나타내는 결과를 얻었다. 이를 통해 탄소나노튜브/세라믹 나노복합재료를 제조하기 위해서는 분자수준 합성공정이 가장 적합한 제조공정임이 확인하였다.
