This dissertation presents a multiscale modeling approach for predicting mechanical and electrical properties of nanocomposites. Nanocomposites, which are a mix of nanoscale inclusions and a matrix, have been developed rapidly over the last decade due to their appealing electromechanical properties. Nanocomposites generally exhibit various improvements over conventional materials; however, the potential for the widespread use of nanocomposites is restricted owing to a lack of knowledge regarding the complex characteristics.
A novel multiscale method that consists of molecular dynamics (MD), micromechanics, and finite element method (FEM) is therefore presented in the dissertation. It is believed that the proposed method, consisting of three stages, enables precise predictions of nanocomposites on relatively large scale with considerably reduced computational time. This dissertation can be divided into five works as follows: 1) homogenization method for composites containing nano-inhomogeneities, 2) multiscale constitutive modeling of nanoparticle-reinforced composites with interface effects, 3) viscoplastic damage modeling for nanoparticulate composites, 4) multiscale constitutive model for nanocomposites reinforced by carbon nanotube (CNT), and 5) effect of nano-inclusions on the electrical properties of nanocomposites.
The proposed multiscale approach is extended to consider various problems induced by material properties including viscoplastic deformation, interfacial debonding damage, nanotube curviness, and CNT agglomeration. A number of experimental comparisons and parametric analyses are carried out for verification purpose, and the comparisons show a good agreement with available experimental data in the literatures. Based on the results, the proposed methodology is expected to offer a wide range of predictive capacity of nanocomposites and is likely to be suitable for more precise predictions of complex materials.
오늘날 전 세계적으로 나노소재를 활용한 다양한 종류의 복합재료가 개발되고 있다. 복합재료는 대체로 기존 천연재료와 비교하여 우수한 강도 및 전기적 특성을 지니고 있으며, 이로 인해 가까운 미래에 높은 활용성이 기대된다. 점차 가속화되는 나노소재의 기술적 발전속도에 맞추어 나노복합재료 역시 앞으로 더욱 많은 연구가 필요한 실정이지만, 복합체의 비균질적 특징, 새로운 계면현상의 발현, 강화재료의 분산문제 등으로 기 재료의 정확한 성능예측 및 균일한 제품생산에 어려움이 있었다.
특히 복합재료는 두 가지 이상의 상이한 재료들이 물리？화학적으로 결합하면서 성능적인 향상을 이루게 되는데, 이러한 결합력을 올바르게 모사하기 위해서는 강화재료(reinforcement)의 형상 및 크기 효과뿐만 아니라 재료 간 분자구조 특성으로 이루어지는 결합의 고려가 수반되어야 한다. 그러나 기존의 연속체역학 중심에서의 해석은 이러한 효과를 과소평가 하는 경향이 있었다. 이에 본 학위논문에서는 나노소재가 고분자 및 시멘트 등과 같은 기지재료(matirx)에 혼입되었을 경우에 따른 전기-기계적 거동을 보다 정확하게 예측할 수 있는 멀티스케일 해석기법을 제시하였으며, 이를 검증할 수 있는 일련의 실험적 연구들을 수행하였다. 이때의 멀티스케일 해석에서는 나노단위에서 분자동역학 및 분자정역학을, 마이크로 단위에서 미세역학을, 그리고 매크로 단위에서 유한요소법을 계층적으로 적용하였다.
이를 통해 비교적 적은 계산시간으로 재료의 나노 스케일에 대한 국소적인 해석은 물론 이를 바탕으로 우리가 살고 있는 매크로 스케일로 확장하여 재료？구조물의 거동을 예측할 수 있었다. 또한 다양한 배합의 CNT혼입 시멘트 복합재료를 제작하여 재료구성에 따른 재료의 기계-전기적 성능을 평가하였으며, 이에 대한 결과 값을 제안한 시뮬레이션 예측과 비교하여 이론의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 제안한 멀티스케일 해석기법을 활용하여 각 단위에 적합한 재료적 특성을 고려할 수 있었으며, 이로 인해 시뮬레이션에 소요되는 계산시간과 관련비용을 절약할 수 있었다. 적절한 해석방법의 개발은 불필요한 실험을 줄이고 높은 성공 가능성을 가지는 재료에 관한 연구 집중을 유도하여 궁극적으로 연구의 효율성 및 안정성 측면에 도움을 줄 수 있다. 나노소재가 대중적으로 더욱 널리 사용되기 위해서는 무엇보다 신뢰할 수 있는 이론 및 실험적 연구결과가 뒷받침 되어야 한다. 본 학위논문을 통하여 향후 나노복합재료의 보다 정확한 성능평가 정립에 기여할 수 있기를 바란다.
