Due to its unique electrical and mechanical properties, graphene is emerging as one of the ideal materials for nanotechnology as well as for mechanical engineering. Depending on the physical energy source, it is possible to synthesize graphene into various structures from nanoscale to macroscopic scale. In this thesis, synthesis and engineering applications of multifunctional porous graphene are proposed to be applied as functional structures to next generation vehicles such as electric vehicles, hydrogen vehicles, and long-life unmanned aerial vehicles. Based on the engineering application of hydrogen storage, sound absorption and vibration damping, graphene-based 2D porous nanostructures and three-dimensional porous architectures were synthesized. Herein, this study presented the synthesis of four types of porous graphene nanostructures based on different physical energy sources: (1) nanohole-structured three-dimensional porous graphene by microwave irradiation method, (2) directionally antagonistic graphene foam by liquid nitrogen freezing method, (3) structural ordered/disordered-lattice graphene-polyurethane foam by liquid nitrogen freezing method and boiling water heating method, and(4) auxetic graphene foam by compression-hot pressing heating method.
In detail, in Chapter 2, a defect engineered self-assembly synthesis has been developed to fabricate a three-dimensional nanohole-structured and palladium-embedded 3D porous grpahene hetero-nanostructure having multi-functionalities of super-high hydrogen storage and CO oxidation. In the multistage microwave method, agglomerated palladium nanoparticles having diameters of ~10nm produce physical nanoholes in the base plane of the graphene layer. The results of this study show that the defect-engineered hetero-nanostructure has a hydrogen storage capacity of ~ 5.4wt% at 7.5MPa and a CO oxidation catalyst activity at $190^\circ C$. In Chapter 3, a directionally antagonistic graphene-polyurethane aerogel graphene foam with aligned pores and facesheets was synthesized by liquid nitrogen freezing method and freeze drying method, and applied research into the field of sound attenuation proceeded. A ice template freezing method has been developed to arrange a functional graphene porous graphene sound absorbing material having different physical properties along the direction by arranging a grayscale plate of a microscale. This graphene porous sound absorbing material exhibits adjustable stiffness and improved sound absorption performance in a microscale bulk structure. By controlling the internal cell size and shape structure of the porous structure, the incidence and reflection at the surface and the air viscous resistance damping in the interior, In this paper, the sound absorption performance improvement by the thermal energy conversion is studied. The development of an antagonistic structure that shows the performance difference between one structure with superior sound absorption performance or superior reflection performance along the direction has various engineering applications in the future. In Chapter 4, a unique structure was synthesized by using a polyurethane foam with a large pore as a support and a grid array of ordered or disordered graphenes inside, and applied to engineering applications in the field of sound attenuation. As a reducing agent, l-ascorbic acid and KOH were used. Depending on the order and type of addition, macro-structures arranged in a wavy pattern are formed, and disordered lattice graphene foams irregularly entangled in a spider-like shape can be made. The new polyurethane foam-based ordered / disordered grid graphene foam thus developed exhibits different sound absorption performance depending on the arrangement. Finally, in Chapter 5, we have implemented a polyurethane foam-based graphene-wrapped auxetic structure and propose the possibility of engineering application of vibration damping which can be brought about by negative Poisson's ratio behavior. Auxetic graphene-polyurethane foam has an irregular porous structure and has structural properties that can effectively absorb stiffness and resistance to local action loads due to the increased density of compression sites due to negative Poisson's ratio behavior and impact energy. The polyurethane was fabricated by compression-heating method to form an auxetic structure, coating the surface of the graphene, and forming a graphene film between the polyurethane wires. Through this, the graphene damper pad was applied to the surface of the metal beam, and the vibration damping characteristic was confirmed by measuring the FRF response by impact hammer test.
그래핀은 자체의 독특한 전기적, 기계적 성질로 인하여 나노기술뿐 만아니라 기계공학분야에서도 이상적인 기초물질중의 하나로 떠오르고 있다. 물리적 에너지원에 따라 그래핀을 나노규모에서부터 거시적 규모로의 구조체로 다양한 구조로의 합성이 가능하다. 본 학위논문에서는 전기자동차, 수소자동차, 장기체공 무인기 등의 차세대 운동체 시스템들에 기능성 복합 구조체로 적용할 수 있도록, 다기능성 다공성 그래핀의 합성 방법과 공학적 응용을 제시하고자 한다. 수소 저장, 흡음, 진동 감쇠의 공학적 응용에 따라 그래핀 기반의 2D 다공성 나노구조체와 3차원 다공성 아키텍쳐 구조를 합성하였다. 이때 다공성 그래핀의 합성방법은 서로 다른 물리적 에너지원을 기반으로 하여 네 가지 유형의 다공성 그래핀 나노구조체를 제시한다: (1) 마이크로파 조사 방법에 의한 나노 홀 구조의 3차원 다공성 그래핀, (2) 액체 질소 동결 방법에 의한 방향성 길항 그래핀 폼, (3) 액체질소 동결방법과 끓는 물 가열방법에 의한 질서/무질서 배열 그래핀 폼, (4) 압축-가열 방법에 의한 오그제틱 그래핀 폼.
상세하게 제 2장 에서는, 초고밀도 수소 저장 및 CO 산화의 다기능성을 갖는 3차원 나노 홀 구조 및 팔라듐이 삽입된 다공성 그래핀 헤테로 나노구조를 제조하기 위해 결함 공학적 자기조립 합성방법이 개발되었다. 다단계 마이크로파 합성방법에서 ~10nm의 직경을 갖는 응집된 팔라듐 나노 입자가 그래핀 층의 기저 평면에서 물리적인 나노홀을 생성하였다. 본 연구의 결과는 결함공학기반의 다공성 그래핀 헤테로 나노 구조체 가 7.5MPa 에서 ~ 5.4wt%의 수소저장 용량과 $190^\circ C$에서 CO 산화 촉매 활성을 갖는다는 것을 보여준다. 제 3장 에서는, 그래핀이 일렬로 배열된 방향성을 갖는 그래핀 폼이 액체질소 동결방법과 동결건조방법에 의해서 합성되었고, 음파 감쇠 분야로의 응용 연구가 진행되었다. 아이스템플릿 방법을 적용한 동결방법으로, 마이크로 스케일의 그래핀 판을 배열하여 방향에 따른 다른 물리적 특성을 갖는 기능적 길항 방향성 그래핀 다공성 흡음재를 신규하게 개발하였다. 이 그래핀 다공성 흡음재는 마이크로스케일 벌크 구조는 조절 가능한 강성과 향상된 흡음성능을 보여준다. 다공성 구조의 내부 셀 크기 및 형상 구조를 제어함으로써 표면에서의 입사와 반사 및 내부에서의 공기 점성저항 감쇄, 그래핀에서의 열에너지 변환에 의한 흡음성능 향상 방안을 연구하였다. 한 개의 구조를 방향에 따라 흡음성능이 우세하거나 반사성능이 우수한지의 성능 차이를 보이는 안타고니스틱 구조의 개발은 향후 다양한 공학적 응용 가능성을 가지고 있다. 제 4장 에서는, 거대공극을 갖는 폴리우레탄 폼을 지지체로 사용하여 내부에 질서한 혹은 무질서한 그래핀의 격자 배열을 통해 독특한 구조체를 합성하였고, 이를 음파 감쇠 분야에 공학적 응용을 하였다. 환원제로써 l-ascorbic acid와 KOH를 이용하였고, 첨가하는 순서와 종류에 따라서 물결모양으로 질서 정렬된 매크로구조가 만들어지고, 비규칙적으로 거미줄 모양으로 얽혀있는 무질서 격자 그래핀 폼을 만들 수도 있다. 이렇게 개발된 새로운 폴리우레탄 폼 기반의 질서/무질서 격자 그래핀 폼은 배열된 구조에 따라 서로 다른 흡음 성능을 보여준다. 마지막으로 제 5장 에서는, 폴리우레탄 폼 기반의 그래핀이 감싸진 오그제틱 구조를 구현하였으며, 음의 포아송비 거동이 가져올 수 있는 진동 감쇠로의 공학적 응용으로의 가능성을 제시하고자 한다. 오그제틱 그래핀-폴리우레탄 폼은 비규칙적인 다공성 구조를 가지며, 음의 포아송비 거동으로부터 압축부위의 밀도 증가로 인해 국부적인 작용 하중에 대한 강성 및 저항성, 충격에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 구조재 등으로 활용 가능하다. 폴리우레탄을 압축-가열 방법으로 오그제틱 구조를 구현하고, 그래핀을 표면을 코팅하고 폴리우레탄 와이어 사이를 그래핀 막을 형성하였다. 이를 통해 금속 빔 표면에 그래핀 댐퍼 패드를 적용하여, 충격 가진을 주어 주파수응답함수(FRF)를 측정하여 진동감쇠 특성을 확인하였다.
