Atomic oxygen (AO) in the low Earth orbit (LEO) space attacks polymer matrix composites. AO strikes their surface with sufficient energy to break chemical bonds of constituents. Surface coating is not sufficient to protect composites since a minor defect in the coating layer can result in severe damage, known as AO undercutting erosion. Therefore, polymer matrix must be able to resist against AO effectively to avoid severe erosion. In this study, in an attempt to decrease AO undercutting of polymer matrix composites, a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)-epoxy nanocomposite was proposed as an enhanced matrix material. OG POSS (octaglycidyldimethylsilyl polyhedral oligomeric silsesquioxane) containing glycidyl groups was chosen among others. OG POSS shows similar characteristics to epoxy owing to these glycidyl groups. Hence, OG POSS can be dispersed into epoxy resins readily without phase separation and can be easily cured with curing agents. To evaluate the performance of OG POSS-epoxy nanocomposites for potential space applications, the resistance to AO and the tensile properties of OG POSS nanocomposites were measured and compared to nanocomposites containing nanosilica particles or multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), which have been examined widely for space applications. Subsequently, OG POSS-epoxy nanocomposites with higher content of OG POSS up to 10 wt% were fabricated, and AO exposure tests showed the improvement of the resistance to AO. Moreover, the thermal and mechanical properties were checked to evaluate its applicability to the space environment. Finally, a CFRP (carbon fiber reinforced polymer) laminate with outermost lamina composed of OG POSS-epoxy matrix was proposed as a practical method to enhance the resistance of CFRP against AO, and AO resistance of the proposed CFRP and the conventional CFRP whose entire matrix was neat epoxy were compared in terms of mass, thickness and tensile properties.
본 연구에서는 지구 저궤도에서 재료를 침식시키는 원자산소에 대한 복합재료의 저항성을 강화하기 위하여 옥타글리시딜디메틸실리 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(OG POSS, octaglycidyldimethylsilyl polyhedral oligomeric silsesquioxane)/에폭시 나노복합재료를 제안하였다. 본 연구에서 사용한 OG POSS는 기능기로서 글리시딜 기를 지녀 에폭시와 쉽게 교반이 가능하고, 경화제와도 반응이 가능하기 때문에 에폭시와의 적합성이 뛰어나다. 먼저 OG POSS/에폭시의 특성을 확인하기 위하여 OG POSS/에폭시 나노복합재료의 원자산소 반응성과 인장물성을 측정하였고, 그 결과를 기존 연구에서 사용한 나노실리카/에폭시, 탄소나노튜브/에폭시와 비교하였다. 그리고 최대 10 wt%의 더 높은 함량의 OG POSS를 포함한 나노복합재료가 갖는 원자산소 저항성과 기계적, 열적 물성을 측정하여 저궤도 우주용 재료로서의 적합성을 확인하였다. 최종적으로 본 연구에서 제안한 OG POSS/에폭시 나노복합재료를 섬유강화복합재료에 적용하기 위한 방법으로서 OG POSS/에폭시 나노복합재료를 복합재료 최외각 라미나의 매트릭스로 사용하는 구성을 제안하였고, 이처럼 구성된 탄소섬유 복합재료의 원자산소 저항성을 원자산소에 의한 질량손실과 인장물성 변화로서 측정하여 제안된 방법에 의한 보호효과를 확인하였다.
