하이브리드 복합 단열재의 기계적·열적 특성 연구

Abstract

석고 (Gypsum)는 우수한 내열성, 흡음성 및 가공성 등의 특성을 지닌 친환경적 재료로서 건축자재에서 널리 사용되고 있으며 이에 따라 보다 다양한 환경에서 유용하게 그 특성을 발현하기 위해서는 재료의 기계적 강도 향상과 함께 열적 성능에 대한 연구가 필요하다. 이와 관련하여 최근 소재 경량화의 목적으로 유리중공체가 합성된 하이브리드 석고 복합 단열재가 개발되고 있다. 본 논문은 유리중공체 강화 석고(Gypsum-Hollow Glass Microsphere, Gypsum-H.G.M.)의 기계적·열적 특성에 관한 연구로서 첫째, 유리중공체(H.G.M.) 함량이 상이한 Gypsum-H.G.M.을 제조하고 소재 경량화 효과를 확인하며, 둘째, Gypsum-H.G.M.의 다양한 기계적·열적 거동 예측모델의 비교평가 및 실험적 검증과 함께 셋째, 유리중공체 보강 석고 하이브리드 단열 소재의 재료거동 예측을 위한 최적 모델을 제시하였다. Gypsum-H.G.M.의 기계적 거동 예측 모델로서 Ishai-Cohen model, Modified Guth model, 그리고 Modified Halpin-Tsai model을 바탕으로 압축 탄성거동에서의 탄성계수를 예측하고, Nicolais-Narkis model과 Pukanszky model을 적용하여 항복강도를 예측한 후 이들 모두 각각 실험값과 비교하였다. 또한 Gypsum-H.G.M.의 열적 특성을 예측하기 위하여 Hamilton-Crosser model을 이용하여 열전도율을 평가하였으며 열전도 시험을 수행을 통해 예측값과 측정값을 비교 하였다. 본 연구를 통해 Gypsum-H.G.M.의 석고와 유리중공체의 결합구조를 분석하였으며 압축 탄성거동에서 복합재료 내의 강화재의 크기, 형상 및 부피분율을 모두 고려하여 탄성계수를 예측할 수 있는 Modified Halpin-Tsai model의 예측값이 실험값과 가장 잘 일치함을 확인 하였다. 또한 압축 항복강도 예측모델은 강화재와 모재의 결합에 따른 계면응력을 고려한 Pukanszky model이 하이브리드 복합재료에 가장 적합함을 확인하였다. 그리고 Hamilton-Crosser model을 적용하여 하이브리드 복합재료 개발에 있어 선행적인 열전도율 예측이 가능하였으며 예측한 값과 실험적으로 측정된 값의 비교를 통하여 이론적 열전도율 모델의 타당성을 확인할 수 있었다. 결과적으로 본 연구에서는 소재 경량화 및 기계적·열적 특성에 관한 유리중공체의 강화효과와 단열성능을 이론적으로 예측하고 실험적으로 검증, 고찰하였다.