Carbon nanotubes (CNTs) have attracted much attention during past decade because of their unique mechanical, chemical, and electrical properties. Thus CNTs open a new area with high driving force to develop multi-functional nanocomposites. However, the research efforts in this field have mostly dealt with CNT/polymer nanocomposites, which exhibit a tremendous strengthening effect for the composites. So far, few researchers have studied CNT/metal composites because of the difficulties in homogeneously distributing CNTs in a metal matrix by traditional methods. Since recently CNT/Co and CNT/Cu composite have been developed in our group by molecular-level mixing process, many researchers encouraged to the use of CNTs as reinforcement for metal matrices. Nevertheless, no breakthrough has been made on a CNT/Al composite so far. Limited research accomplished because of the obstacles associated with the interfacial bonds between CNTs and Al powders, and the lack of a suitable synthesis technique to get homogenous molecular-level mixing between CNTs and aluminum.
In this study, CNT/Al nanocomposite was fabricated by using molecular level mixed CNT/Cu nanocomposite powders. Molecular level mixed CNT/Cu nanocomposite powders have morphology of CNTs are homogeneously dispersed and surface of CNTs are well coated with copper. Therefore, this could be beneficial to disperse in aluminum matrix and to prevent the formation of aluminum carbide due to minimize interface between aluminum and carbon nanotube. For homogeneous dispersion of CNT, powder metallurgy process and spray coating process were performed to fabricate CNT/Al nanocomposites.
The CNT/Al nanocomposite was fabricated by using molecular level mixed CNT/Cu nanocomposite powders. CNT/Cu nanocomposite powders were fabricated by using functionalization of CNTs and molecular level mixing process. The former makes CNTs dispersed in a solvent and provides the attaching site between CNT and copper nanoparticles. The latter is related to make nano-sized metal powders which homogeneously mixed with CNTs and heterogeneously nucleated on the functionalized CNT surfaces. From the microstructural observation, it is confirmed that the fabricated CNT/Cu nanocomposite powders show that CNTs are homogeneously mixed with Cu phase.
To disperse CNT in aluminum matrix, powder metallurgy process and spray coating process were performed. In powder metallurgy process, CNT/Cu nanocomposite powders were mixed with aluminum powders by ball milling process and successfully consolidated by spark plasma sintering. The mechanical properties of CNT/Al nanocomposites are increased with adding CNTs. Vickers hardness was increased from 101.17 to 309.34 by increasing the content of carbon nanotube from 0wt% to 2wt%. Especially, yield strength of CNT/cobalt nanocomposite from compressive test is 1.3 times enhanced than that of unreinforced aluminum nanocomposite materials fabricated by same process.
CNT/Al nanocomposite was also fabricated by spray coating process. CNT/Cu nanocomposite powders were spray coated on Al foils and stacked multilayer of Al foils were consolidated by spark plasma sintering. CNTs were homogeneously dispersed in Al nanocomposite matrix. The formation of aluminum carbide (Al4C3) was prevented and interfacial bonding between CNT and Al was improved due to the nanosized Cu particles decorated on the surface of CNTs. As a result, Vickers hardness of CNT/Al nanocomposite was increased by 50% with an addition of homogeneously dispersed 0.5wt% CNTs compared to that of Al matrix. And Young’s modulus was increased from 91GPa to 126GPa adding 2wt% of CNTs. From the results of two novel fabrication processes, powder metallurgy and spray coating processes, suggested in this research, it is confirmed that high strength and modulus CNT/Al nanocomposite can be fabricated. CNT/Al nanocomposite is suggested as a new advanced structural material having high strength and modulus with low density for possible application of next generation materials as structural components for automobile and aerospace industries.
탄소나노튜브는 매우 우수한 물리적, 기계적, 전기적, 열적 그리고 광학적 물성을 가지고 있어 최근 화학, 물리, 재료공학 그리고 전기전자 공학 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 이러한 우수한 물성과 함께 작은 크기, 높은 aspect ratio를 가지고 있어 복합재료의 강화재로도 많은 관심을 받고 있다. 하지만 여러 복합재료 기지 중, 많은 연구들이 탄소나노튜브/고분자 복합재료에 초점이 맞춰져 우수한 강화효과를 증명하였다. 탄소나노튜브/금속 복합재료는 기존 공정으로 탄소나노튜브를 금속 기지재료에 고르게 분산시키기에 어려움이 크므로 우수한 강화효과가 기대됨에도 불구하고 많은 연구가 진척되어 있지는 않은 실정이다. 최근 탄소나노튜브/구리 복합재료와 탄소나노튜브/코발트 복합재료가 분자수준혼합공정이라는 신 공정을 통해 제조되어 탄소나노튜브/금속 복합재료 연구에 큰 활기를 불어넣었다. 하지만 알루미늄 기지재료의 경우, 알루미늄 산화물에서 알루미늄 금속으로의 환원이 불가능하므로 분자수준혼합공정을 사용 할 수 없다. 또한 알루미늄/탄소 복합재료에서 문제가 되는 알루미늄 카바이드의 형성을 막을 수 있는 방법 역시 제시되지 못하고 있다. 따라서 알루미늄은 낮은 밀도와 높은 강도로 실제 가장 많은 분야에서 활발하게 이용되고 있으나, 아직까지 탄소나노튜브가 잘 분산 된 탄소나노튜브/알루미늄 복합재료의 성공적인 개발은 이루어지고 있지 못하다.
본 연구에서는 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 분자수준으로 혼합 된 탄소나노튜브/구리 나노복합분말을 사용해 제조하였다. 분자수준혼합공정으로 제조 된 탄소나노튜브/구리 나노복합분말은 탄소나노튜브의 표면을 나노크기의 구리 입자가 코팅하고 있으므로 탄소나노튜브의 표면에 알루미늄 기지금속이 직접적으로 닿지 않으므로 알루미늄 카바이드의 형성을 막을 수 있으며, 탄소나노튜브와 알루미늄 사이의 wetting역시 증가시킬 수 있다. 또한 탄소나노튜브를 알루미늄 기지 내 고르게 분산시키기 위해 분말야금법과 스프레이 코팅 공정을 사용하여 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하였다.
탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하기 위해 우선 분자수준혼합공정을 통해 탄소나노튜브/구리 나노복합분말을 제조하였다. CVD로 제조 된 탄소나노튜브를 산처리를 통해 기능기화 하여 증류수에 분산 시킨 후 구리염을 녹인 용액과 초음파처리로 섞어주었다. 혼합용액을 80℃로 가열 한 후 수산화나트륨용액을 가해 구리 옥사이드 분말을 제조 한 후 남아있는 염을 제거하였다. 제조 된 탄소나노튜브/구리 옥사이드 나노복합분말을 300℃ 수소분위기에서 4시간 환원하여 탄소나노튜브/구리 나노복합분말을 제조하였다.
분말야금법으로 제조 된 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료는 분자수준혼합공정으로 제조 된 탄소나노튜브/구리 복합분말을 알루미늄 분말과 볼밀링을 통해 잘 섞은 후 spark plasma sintering을 이용 해 소결하였다. 제조 된 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료의 특성평가는 비커스 경도측정, 압축 테스트, 인장 테스트를 통해 평가되었다. 새로 도입된 제조공정에 의해 제조된 2wt% 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료는 보고되고 있는 상업용 알루미늄에 비해 상당히 높은 309.34의 비커스 경도값과 335MPa의 압축항복강도 값을 가졌다. 그리고 인장 테스트에 의해 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 탄성계수가 증가하여 2wt% 탄소나노튜브/알루미늄의 경우 141GPa의 증가 된 탄성계수값을 나타내었다.
스프레이 코팅공정을 통해 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료를 제조하였다. 분자수준혼합공정을 통해 제조 된 탄소나노튜브/구리 옥사이드 나노복합분말을 알루미늄 호일에 스프레이 코팅 한 후 수소분위기에서 300℃, 4시간 동안 환원하였다. 이를 쌓아 spark plasma sintering을 이용 해 벌크화 하였다. 제조 된 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료의 특성평가는 비커스 경도측정, 인장 테스트를 통해 평가되었다. 강화재로 탄소나노튜브를 0.5wt% 첨가 하였을 때, 104.37로서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 경우에 비해 비커스 경도가 약 50% 증가 한 값을 보였다. 인장 테스트를 통해 강화재로 탄소나노튜브를 첨가 함에 따라 탄성계수가 증가 하여 2wt% 탄소나노튜브/알루미늄 나노복합재료의 경우 126GPa의 탄성계수값을 가지는 것을 볼 수 있었다.
요약하면, 탄소나노튜브가 강화된 알루미늄 나노복합재료의 향상된 탄성계수 값과 항복강도 값은 금속기지 내에서 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 알루미늄 나노복합재료를 만드는데 적합하다고 판단된다.
