Boron nitride nanosheet (BNNS), which is consist of $sp^2$ conjugated boron and nitrogen atoms in 2-dimensional hexagonal structure, is attractive reinforcement in composite materials, due to its remarkable mechanical and thermal properties. BNNS has elastic modulus of 0.7 TPa and yield strength of 120GPa. Furthermore, it can endure high temperature system until $900^\circ C$. Thus, BNNS/metal nanocomposite is expected to be high strength and high thermal nanocomposite.
In this research, we demonstrated BNNS reinforced metal nanocomposite. Molecular-level mixing process was applied to synthesize homogeneously dispersed BNNS in metal matrix. The successful fabrication of BNNS/Cu nanocomposites was confirmed by XRD and FT-IR. Hydroxide sodium assisted mechanical exfoliation produces hydroxyl functionalized BNNS. During molecular-level mixing process, hydroxyl group of BNNS and Cu ion chemically bonded together. Strong interfacial strength induces high mechanical properties. The BNNS/Cu (1.5vol. %) has yield strength of 281 MPa, ultimate tensile strength of 314 MPa and elastic modulus of 130 GPa, which are respectively 1.75, 1.23 and 1.27 times higher than those of pure Cu, which fabricated by same process. The strengthening mechanisms of the BNNS/Cu nanocomposites was composed of grain size refinement, load transfer and dislocation strengthening by CTE mismatch. Due to high thermal stability of BNNS, the BNNS/Cu nanocomposite shows high mechanical properties at high temperature. At $300^\circ C$, BNNS/Cu (1.5 vol.%) has yield strength of 178 MPa, ultimate tensile strength of 196 MPa and elastic modulus of 7.5 GPa, which are respectively 1.89, 2.04 and 2.67 times higher than those of pure Cu. From these result, we can confirm that BNNS/Cu nanocomposite is applicable to high thermal and high strength field.
From high enhancement of mechanical of BNNS/Cu, BNNS/Cu system provides possibility of BNNS as a reinforcement for various metal matrix composites. Furthermore, BNNS/Metal nanocomposite could be used for high strength, multi-functional and high temperature application.
질화붕소 나노시트는 같은 수의 붕소와 질소 원자로 이루어져 있으며, 2차원의 육각구조를 가진 나노소재이다. 질화붕소 나노시트의 뛰어난 기계적 및 열적 특성으로 인해, 복합 나노재료에서 강화제로서의 가능성을 가지고 있다. 질화붕소 나노시트는 ~ 0.7 TPa의 탄성 계수를 가지고 있으며120GPA의 항복강도를 가지고 있다. 또한, $900^\circ C$까지의 고온을 견딜 수 있어, 고온에서도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는, 질화붕소 나노시트/금속 복합나노재료를 제조했다. 분자 수준 혼합 공정을 적용하여, 금속 기지에 질화붕소 나노시트가 균질하게 분산되게 하였다. 질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료의 성공적인 제조는 XRD 및 FT-IR에 의해 확인하였다. 질화붕소 나노시트의 제조는 수산화 나트륨이 보조하는 기계적 박리방식을 채택하여, 나노시트로의 박리와 히드로실기의 기능기화가 동시에 진행되도록 하였다. 분자 수준의 혼합 공정중에서, 질화붕소 나노시트의 히드록실기와 Cu 이온이 화학적으로 결합한다. 그로 인한, 강한 계면 강도는 나노 복합재료의 높은 기계적 성질을 유도한다. 1.5 vol%의 질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료는 281MPa의 항복 강도, 314MPa의 최대 인장 강도 및 130Gpa의 탄성 계수를 가지며, 이는 동일하게 제조 된 순수 구리보다 1.75, 1.23 및 1.27 배 더 높은 값이다. 질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료의 강화 기작은 입자 크기 미세화, 하중 전달 및 열팽창 계수의 불일치에 의한 전위 강화로 구성된다. 질화붕소 나노시트의 높은 열 안정성으로 인해, 질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료는 고온에서도 높은 기계적 성질을 나타낸다. 1.5 vol%의 질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료는 $300^\circ C$에서 178 MPa의 항복 강도, 196 MPa의 최대 인장 강도 및 7.5 GPa의 탄성 계수를 가지며, 이는 순수한 Cu보다 1.89, 2.04 및 2.67 배 더 높은 값이다. 이를 통해, BNNS/Cu 나노복합재료가 고온에서도 적용가능함을 확인 할 수 있었다.
질화붕소 나노시트/구리 나노 복합재료의 기계적 및 열적 특성의 높은 향상으로, 금속 기지 내에 질화붕소 나노시트 강화제의 가능성을 확인 할 수 있었다. 나아가, 구리 뿐만이 아닌 다양한 금속 기지로의 확장 및 고강도/다기능성/고온 질화붕소 나노시트/금속 나노복합소재료의 응용가능성을 확인 할 수 있었다.
