The low-dimensional Boron nitride (BN) materials are one of the most promising inorganic nanomaterials reported so far. When compared to multi-dimensional structures of elemental carbon (i.e. fullerenes, carbon nanotubes, and graphene), hexagonal boron nitride has structural similarities resulting from sharing the same total number of electrons between the neighboring atoms. While boron nitride also has various dimensional forms (0-D, 1-D, 2-D structures) with excellent properties, including low density, high mechanical strength, superior thermal and chemical stabilities, elemental differences result in different intrinsic properties, such as electrical insulation and potential biocompatibility, from its carbon analogue. In fact, h-BN also may attractive material in use as biomedical applications, due to its biocompatibility resulting from the chemical stability and inertness that other nanomaterials, such as graphene or carbon nanotube, are unable to provide. However, while biocompatibility of BN nanotube (BNNT) has been reported, those of BNNP need to be further verified. Therefore, biological properties of BNNP nanocomposite are investigated to evaluate the potential of using BNNPs in biomedical fields, such as tissue regeneration material. Regardless of these unique combinations of properties, the applications of BN nanoplatelets have been limited due tendencies to cause irreversible aggregation and agglomeration, because of their high surface area and strong van der Waals interaction between them.
In this research, we developed two-dimensional hexagonal boron nitride nanoplatelets (BNNPs) reinforced nanocomposite systems for new applications. By utilizing and modifying previously developed scalable liquid exfoliation method, bulk h-BN crystals can be exfoliated into mono- and few-layer nanoplatelets with hydroxyl functional groups. Manipulation of functional groups is effective methods of further modifying the physical and chemical properties of nanofillers to improve the compatibility, dispersion, and interfacial interaction of 2D nanofillers with a matrix. Herein, we propose fabrication process of multifunctional metal and polymer nanocomposite systems using BNNP as nanofiller. For polymer nanocomposites, vacuum filtration-assisted self-assembly process was utilized to fabricate bioinspired BNNP/polymer nanocomposites. The proposed approach is capable of producing highly strong bioinspired nanostructure by aligning BNNP and inducing electrostatic interaction between functional groups. Further chemical modification by covalent functionalization using hyperbranched polyglycerol molecules and non-covalent functionalization using melamine were designed in order to enhance the self-assembly and interfacial bond strength between these entities. The mechanical properties of the resulting HPG-g-BNNP/Gelatin and MBNNP/PVA nanocomposites can be tailored to closely match those of human bone and tendon, respectively. These results suggest that nanostructured BNNP/polymer nanocomposites can be used in biomedical applications, such as orthopedic substitute or implant materials.
For metal matrix nanocomposites, molecular-level mixing process and spark plasma sintering (SPS) process was utilized to fabricate BNNP/metal nanocomposites. The proposed approaches resulted in BNNP/Cu nanocomposites with excellent mechanical properties, suggesting that the molecular-level mixing was an effective method to avoid the issues of inhomogeneous dispersion and interfacial bonding by inducing chemical bonds. This strengthening behavior was attributed to combination of grain boundary strengthening and load transfer strengthening by BNNPs. In order to determine and compare the effectiveness of BNNP as reinforcement material in metallic matrix, both room temperature and high temperature (300 $^\circ C$) mechanical properties were compared with those of Graphene/Cu nanocomposite analogue. By comparing the mechanical behaviors of BNNP with graphene in nanocomposite system, unique strengthening mechanisms of BNNP has been realized.
In this study, the BNNP reinforced nanocomposites were successfully fabricated and characterized. In both metal matrix nanocomposite and nanostructured nanocomposite, BNNPs were homogenously dispersed throughout the matrix and formed strong interfacial bonding with matrix phase. In both cases, the increase in the amount of BNNP resulted in a significant enhancement in mechanical properties. The BNNP reinforced nanocomposites presented in this study can broaden the possibility of using BNNP as a reinforcement for various matrix composites and the developed BNNP reinforced nanocomposite could be applicable for high strength structural and multi-functional materials.
질화붕소는 우수한 물성으로 인해 많은 기대를 받고 있는 무기 재료 중 하나다. 특히 그 중에서도 육방정 결정구조를 가지는 육방정 질화붕소의 경우, 많은 연구가 진행되고 있는 물질로 유사한 구조를 가지는 탄소계 물질인 흑연과 비교되어 많은 연구가 보고되고 있다. 육방정 질화붕소는 흑연과 마찬가지로 1차원 물질인 나노튜브나 2차원 물질인 나노시트/나노플레이트렛과 같은 다양한 저차원 나노물질을 형성하는 것이 가능하며, 이들은 낮은 밀도, 우수한 기계적 및 열적 물성, 화학적 안정성을 가지고 있지만, 원자 구조의 차이로 전기 전도도나 생체 적합성 등에서 차이를 가지는 것으로 알려져 있다. 이러한 우수한 물성에도 불구하고, 저차원 육방정 질화붕소의 넓은 표면적과 반 데르 발스 힘에 의해 뭉치기 쉬워 이를 활용한 연구는 제한적이다. 특히, 이중 이차원 나노물질인 육방정 질화붕소 나노플레이트렛 (BNNP)은 제조 공정 및 효율적인 분산 기술에 대한 연구가 아직 미흡한 상황으로, BNNP 및 이를 이용한 나노복합재료의 제조와 물성에 대한 연구가 필요한 상황이다.
본 연구에서는 이차원 육방정 질화붕소 나노플레이트렛을 첨가한 나노복합재료를 제조하였고, 각각 생체재료와 구조재료로의 활용 가능성을 평가하였다. 고에너지 밀링 공정을 통해 제조하여 단층 및 수 층으로 이루어진 BNNP를 제조하였고, 나노물질 간의 뭉침을 최소화하는 동시에 기지 소재와의 계면 결합력을 향상시키기 위해 각각 공유 및 비공유 기능기화 공정을 도입하였다. 이렇게 기능기화가 이루어진 BNNP를 나노필러로 활용하여 자연모사 개념이 도입된 BNNP/고분자 나노복합소재를 제조하였다. 기능기의 종류에 따라 각각 공유 기능기화 BNNP 에는 Gelatin을, 비공유 기능기화 BNNP 에는 polyvinyl alcohol (PVA)를 고분자 바인더로 혼합하여 나노복합재료를 제조하였고, 이렇게 제조된 자연모사 BNNP/고분자 나노복합재료는 BNNP의 함량이 증가함에 따라 기계적 물성이 향상될 뿐 아니라, 생체 적합성도 향상되어 생체재료로의 활용이 기대된다. 또한, BNNP의 구조재료로의 활용을 위해 BNNP/구리 나노복합재료를 제조하고 이에 대한 평가를 진행하였다. BNNP와 같은 나노물질을 나노 필러로 금속 기지 내에 첨가하는 경우, 생길 수 있는 BNNP의 응집과 계면 결합의 문제를 해결하기 위해 분자수준 혼합 공정을 통해 BNNP/구리 나노복합재료를 제조한 결과, BNNP 첨가에 따라 BNNP의 존재로 인한 결정 입도 감소 및 하중 이전 효과로 인해 기계적 물성이 매우 큰 폭으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 BNNP에 의한 강화 효과는 동일한 공정을 적용한 그래핀과 유사한 수준이었으나, BNNP의 경우 기지 소재인 구리와의 계면에서 인터페이즈 (interphase)가 형성되어 보다 우수한 연신율과 고온 강도를 가질 수 있는 것으로 확인되었다.
이처럼 본 연구에서는 이차원 육방정 질화붕소 나노플레이트렛 (BNNP)을 제조하고 이를 활용한 생체 및 구조재료용 나노복합재료를 제조 및 평가하였다. 본 연구에서 개발된 공정을 적용할 경우, BNNP/고분자 및 BNNP/금속 나노복합재료의 물성이 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 기대되며, 생체재료 및 구조재료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이차원 나노물질의 분산성과 계면 특성을 향상시킬 수 있는 공정을 통해 이차원 나노물질를 활용한 나노복합재료의 상용화를 앞당기는 데 새로운 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
