Recent advances in the development of nanomaterials and nanocomposites have raised much interest in the aerospace sector. Polymer nanocomposites (PNCs) obtained by uniform dispersion of nanoscopically sized filler particles in a polymer matrix have received a great deal of attention in both the academia and industry since the 1990s. In contrast to conventional composites, PNCs are featured by the incorporation of fillers with a size of less than 100 nanometers. The key features in design and behaviour of PNCs include the size and property of the nanofiller, and the interface between the nanofiller and matrix. Recently, carbon nanotubes (CNTs) based nanocomposites have been widely investigated. The intense interest in CNTs as a very attractive reinforcement material for high-strength structural and high-performance functional polymer composites is due to CNT’s unique properties such as high aspect ratio, low density, excellent mechanical strength, and good electrical and thermal conductivity.
In the aerospace applications, CNTs possess great potential as fillers for both structural and functional materials. To reduce the weight of aircraft, CNT-based polymer materials are being considered as potential replacement for structural materials of non-load bearing components presently made with other composites or metal; these CNT-based polymer materials are also being applied as functional materials for spacecraft to protect critical parts against electrostatic discharge. Among the polymer matrices, epoxy resins have been used predominantly as thermosetting matrices for aerospace composites due to their high-dimensional stability at elevated temperatures, good chemical and corrosion resistance, high tensile strength, high modulus, low percentage shrinkage in cure, and reasonably low toxicity. However, poor dispersion and weak interfacial adhesion between the CNTs and the epoxy matrix have limited the wider usage of CNT/epoxy nanocomposites. The chemical functionalization of carbon nanotubes is one of a few techniques introduced to solve these problems between the nanotubes and matrix. This method is that some functional groups are covalently bonded directly to the surface of CNTs.
The low earth orbit (LEO) space environment where spacecraft normally operates includes many harsh constituents, such as untra-high vacuum, atomic oxygen (AO), ultraviolet (UV) radiation, thermal cycling, micrometeoroids, and man-made debris. These environmental factors cause polymer and polymer-matrix composites (PMCs) material to suffer from accelerated degradation, resulting in the loss of mass and deterioration of performance. Polymer materials used in the space environment are concurrently exposed to numerous harsh conditions and the synergistic effects between these conditions can result in accelerated damage and degradation. Recognizing these effects is critical for determining the material and design of spacecraft. Therefore, space environment survivability in the development of polymer materials compatible with space application is of significant importance to achieve the desired mission life of spacecraft at LEO altitudes. In order to have potential use in space application, the response of polymer materials under harsh environment conditions in designing materials for use in LEO environment should be understood. Also, resistance to degradation from the destructive conditions present in LEO is essential for the extended use of these polymer materials in space.
In this study, silane treated carbon nanotube filled polymer nanocomposites are suggested as a new alternative to reduce the degradation of polymer matrix composites (PMCs) when exposed to the low earth orbit (LEO) environment. The silanization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) is conducted using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES). Nanocomposites filled with MWCNTs with and without the silane treatment were prepared by the solution blending method using mechanical/physical approaches in order to homogeneously disperse the MWCNTs into the polymer matrix. The specimens were exposed to an accelerated low earth orbit simulated space environment for 20 hours. The synergistic environmental factors of the ground simulation systems were high vacuum, atomic oxygen (AO), ultraviolet (UV) radiation, and thermal cycling. The material properties for nanocomposites reinforced with MWCNTs with and without silane treatment were evaluated before and after exposure to the low earth orbit space environment by mass loss, tensile test, thermo-gravimetric analysis (TGA), thermo-mechanical analysis (TMA), and thermo-optical analysis. Surface morphologies of the exposed specimens were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that improvement of the interfacial bonding between the nanotubes and the matrix by the silanization of MWCNTs can considerably reduce the degradation rate and enhance the thermal stability, without sacrificing the thermo-mechanical properties of the nanocomposites with very low MWCNT content under LEO space environmental conditions.
인공위성, 발사체 등과 같은 우주항공용 구조시스템의 경량화에 대한 연구는 비용절감 및 성공적인 임무수행과 직결되기 때문에 지속적으로 진행되어 왔다. 이러한 연구의 일환으로 전통적인 고분자 복합재료(Polymer Matrix Composites, PMCs)는 비강도, 비강성의 우수한 기계적 물성과 낮은 열팽창특성을 가지고 있기 때문에 1960년대 유리섬유강화복합재와 탄소섬유강화복합재의 개발이후 우주항공용 구조물시스템의 경량화를 목적으로 적용되고 있다.
최근 나노재료를 기반으로 하고 있는 “나노기술(nanotechnology)”의 발전은 항공우주분야에 있어어 확장 가능성이 크기 때문에 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 기지재가 고분자인 나노복합재료는 고분자 수지에 나노크기의 충전제를 균일하게 분산시켜 제조한 복합재료로서 뛰어난 치수안정성, 기계적 강도, 기체 차단성, 전기적 특성, 내마모성, 내열성이 크게 향상된 복합재료이다. 마이크로 크기의 충전제를 충전한 기존의 고분자 복합재료보다 나노크기의 충전제를 고분자수지에 충전시켜 복합재료를 제조하는 경우 적은 함량의 충전제만으로 크게 향상된 물성을 나타낸다. 이러한 우수한 물성을 바탕으로 한 나노복합재료는 다양한 기능을 구현할 수 있는 새료운 재료로서 주목을 받고 있으며, 항공우주분야에서도 나노재료의 독특한 기계적 및 다기능 특성 때문에 구조용 재료나 기능성 재료로 크게 관심을 받고있다.
인공위성과 우주정거장의 구조시스템에 사용되는 복합재는 지상환경과는 다른 가혹한 환경조건 즉, 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 우주환경에 놓이게 되면 열적사이클(thermal cycling), 원자산소(atomic oxygen), 자외선 복사(ultra violet)등의 환경적 요인과 미소유성체(micrometeoroids), 우주잔해(orbital debris) 등의 영향으로 구조물의 설계수명 보다 낮은 임무수행 기간과 구조적 안정성을 보장할 수 없는 치명적인 상태에 놓일 수 있다. 따라서, 우주환경요소가 우주환경에 노출된 구조시스템의 물성에 미치는 영향을 고려한 구조설계는 우주개발에 있어 필수적이다. 특히, 우주환경에 적합한 다기능 초경량 복합재 개발을 통해 저비용, 고수명의 효율적인 우주시스템개발의 초석을 마련할 수 있을 뿐만 아니라 구조 안정성 확보를 통해 보다 정확한 임무수행이 가능하다. 혹독한 우주환경은 고분자 복합재로 구성된 우주 구조물을 손상시키고 재료의 물성저하를 초래하여 계획된 임무를 수행할 수 없게 한다. 따라서, 저궤도 우주환경요인이 복합재에 미치는 영향을 확인하고 이에 대한 저항성(resistance)을 갖춘 재료를 개발하는 것이 우주용 구조재료 개발에 있어 중요한 과제이다. 현재까지 내 우주환경성을 갖는 복합재 연구개발은 복합재 표면에 얇은 보호코팅 필름(protective coating film)을 피복함으로서 저항성을 향상 시키는 연구, 금속원자를 고분자 표면에 주입하여(ion implantation) 산화막(silicon dioxide)을 형성 시키는 연구, 고분자 내에 나노필러(nano-filler)를 첨가함으로서 내 우주환경성을 갖도록 하는 고분자 복합재 개발에 대한 연구들이 있다.
이와 같은 연구들중에서 최근까지는 저궤도 우주환경으로부터 고분자 재료로 이루어진 구조체를 보호하기 위한 보호코팅 방법에 대한 연구가 주로 수행되어왔다. 그러나 보호코팅 필름이 우주에서 장시간 동안 노출되면 갑작스런 성능 저하를 보이기도 한다. 그 이유는 구조물 제작 시에 발생한 결함(흠집)이나 열적사이클 그리고 미소유성체 및 우주 잔해물과의 충돌 등으로 인해 보호코팅 위에 균열, 재료손실, 계면분리 등이 발생하기 때문이다. 따라서 고분자 복합재를 위한 보호코팅 방법을 개발하는 것보다 저궤도 우주환경에 대해 우수한 저항성을 가지는 복합재를 개발하는 연구가 더 적합하다고 할 수 있다. 그러므로 최근에 수행된 많은 연구결과로부터 우수한 기계적, 열적 특성을 나타내는 것으로 나노필러를 이용한 나노복합재를 제작하여 저궤도 우주환경에서의 적용가능성을 고찰하는 연구가 필요하다.
최근 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT), 탄소섬유, 그라핀과 같은 나노크기의 강화입자들은 그들의 우수한 재료특성으로 인해 많은 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 특히 CNT의 경우, 나노미터 스케일의 크기와 우수한 성질 때문에 최근 10년동안 다양한 연구분야에서 가장 주목받는 기능성 재료이며, 복합재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화재로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 복합재료의 열적, 전기적, 광학적 특성 등 다양한 기능성을 부여할 수 있는 첨가재로서의 사용되고 있다. 따라서 이러한 나노필러가 첨가된 복합재의 장점을 이용하면 기존에 혹독한 저궤도 우주환경에서 사용되던 고분자 복합재의 단점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 고분자 내에 나노필러(nano-filler)를 첨가함으로서 내 우주환경성을 갖도록 하는 고분자복합재 개발의 일환으로, 유기실란을 이용하여 나노필러의 화학적 표면처리를 수행하였으며, 실란처리된 나노필러가 강화된 나노복합재를 제작하여 고분자복합재의 열적, 기계적 물성 향상 및 우주환경요인들중에서 고분자복합재의 물성 저하에 가장 치명적인 원자산소에 대한 저항성을 확인하였다. 그 결과, 나노필러와 기지재와의 계면결합력 향상으로 인하여 우주환경에 노출된 나노복합재의 물성 손상을 줄일수 있다는 것을 알 수 있었으며, 실란처리된 나노필러의 기지재 함침은 원자산소에 대한 저항성을 가지는 Si-O-Si 실론산 결합을 고분자 사슬구조에 형성시킴으로서 우주환경에 노출된 고분자복합재의 내구성을 향상시킬 수 있다는것을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 항공우주용 구조시스템 적용에 있어 경량화된 구조물의 기능과 원자산소 저항성을 동시에 가지는 다기능 특성이 요구되는 부구조물(secondary structure)에 직접적으로 응용이 가능할 것으로 보인다.
