분자동역학 전산모사를 이용한 탄소나노튜브와 나노복합재료의 역학적 거동에 관한 연구

Abstract

1탄소나노튜브는 우수한 전기적, 역학적 특성으로 인하여 급속하게 성장하고 있는 나노기술 분야에서 중요한 부분을 차지하고 있으며, 나노전자기계장치 및 나노복합재료 등에 응용될 수 있는 것으로 제안되어왔다.이러한 새로운 장치나 재료 등에 탄소나노튜브를 응용하기 위해서는 역학적인 특성에 대한 규명이 필요하며, 나노 단위 크기의 탄소나노튜브 특성상 실험적인 방법 보다는 이론적인 방법이 중요하게 사용되어 왔다. 본 연구에서는 분자동역학 전산모사 방법을 이용하여 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 다발 그리고 나노복합재료의 탄성계수와 압축 및 비틀림 거동 그리고 계면전단강도에 대한 역학적 특성을 규명하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 비틀림 좌굴 거동에 미치는 탄소나노튜브 형상 및 조건의 영향에 대한 연구에서는 탄소나노튜브가 이종 재료로 채워질 경우 임계 비틀림 모멘트가 이종 재료의 종류에 의존하여 현저하게 증가하며, 증가 정도는 압축이나 굽힘 하중 하에서의 결과 보다 크게 나타났다. 또한, 다중벽 탄소나노튜브의 경우에 내부에 있는 탄소나노튜브가 임계 비틀림 모멘트를 크게 증가 시키고 증가 정도는 내부에 있는 탄소나노튜브의 수에 의존하였다. 그러나, 비틀림 강성도와 전단탄성계수는 이종 재료와 내부의 탄소나노튜브에 의해서 영향을 받지 않았다. 탄소나노튜브의 직경과 길이의 변화는 임계 비틀림 모멘트와 비틀림 강성도에 중요한 영향을 미쳤으며, 특히, 비틀림 강성도는 직경의 세제곱과 길이의 역수에 비례하여 변화하였다. 마지막으로 탄소나노튜브의 카이랄 구조와 외벽의 기능적인 수정 그리고 온도는 임계 비틀림 모멘트에 중요한 영향을 미쳤으나, 비틀림 강성도와 전단탄성계수에는 그렇지 않았다. 이러한 연구 결과들은 토션 구동기와 같은 토션 나노전자기계장치 등을 위하여 특히 유용하게 사용될 수 있다. 탄소나노튜브 다발의 좌굴 거동에 대한 연구에서는 탄소나노튜브 다발에 묶여져 있는 각각의 탄소나노튜브에 대한 임계 압축하중 및 압축 강성도는 단일벽 탄소나노튜브와 유사한 값을 보여 주었다. 따라서 탄소나노튜브 다발의 임계 압축하중 및 압축 강성도는 단일벽 탄소나노튜브의 값들로부터 계산될 수 있다. 그러나 비틀림 좌굴 거동의 경우에 탄소나노튜브 다발에 묶여져 있는 각각의 탄소나노튜브에 대한 임계 비틀림 모멘트 및 비틀림 강성도는 단일벽 탄소나노튜브에 비해서 높은 값을 보여 주었다. 이때, 비틀림 변형형상은 일반적인 와이어 로프의 형상과 유사한 것을 확인하였다. 나노복합재료의 계면전단강도에 대한 연구에서는 공유결합 없이 반데발스 결합만 있는 탄소나노튜브와 기지재료의 경우에 계면전단강도가 매우 작게 나타났다. 이러한 결과로부터 탄소나노튜브와 기지재료 사이에 반데발스 결합만 있는 나노복합재료의 경우에서는 인위적으로 공유결합을 형성할 수 있도록 하는 수정이 필요함을 확인하였다. 다중벽 탄소나노튜브의 경우에 계면전단강도는 단일벽 탄소나노튜브의 경우와 차이를 보이지 않았으며, 이는 내부와 외부 탄소나노튜브 사이의 반데발스 결합의 영향이 매우 적음을 의미한다. 본 연구에서 사용된 REBO 분자동역학 전산모사 프로그램은 다른 형태의 탄소나노튜브와 나노복합재료의 역학적 거동을 규명하기 위하여 또한 사용될 수 있을 것으로 기대된다.; The unique electrical and mechanical properties of carbon nanotubes have attracted considerable interest and sparked discussion of their potential use in applications such as nanoelectromechanical systems and nanocomposites. Thus, understanding the mechanical responses of the nanotubes is important to optimize their use in new materials and devices. In these studies, molecular dynamics simulations are used to investigate the mechanical responses, such as elastic moduli, and compressive, torsional, and interfacial behavior, of carbon nanotubes, bundles, and nanocomposites. The results achieved from the simulations may be difficult to obtain with experimental methods due to the substantially small size of the nanotube structures, and should thus provide useful insights of their mechanical behavior. In examining the effect of nanotube conditions on torsional behavior, the simulations show that the critical torsional moment can be significantly increased by the presence of filling materials and inner nanotubes, and that the amount of this increase depends on the kind of filling materials and the number of inner tubes. These dependences are predicted to be more significant than is the case for either bending or compression. However, torsional stiffness and shear modulus are unaffected by the presence of filling materials and inner nanotubes. They also indicate that the dependence of the torsional stiffness on the diameters of the nanotubes varies as ~D2.99 in good agreement with predictions from continuum mechanics. The simulations further indicate that the dependence of the torsional stiffness on the nanotube length varies as ~L-0.99. Lastly, the simulations predict that the chirality of the nanotubes, chemical functionalization of the nanotube walls, and temperature affect their critical torsional moment, but not their torsional stiffness and shear modulus. These findings should prove to be useful for applications such as torsional nanoelectromechanical system devices. In the study of buckling behavior of nanotube bundles, it is shown that compressive buckling load and stiffness of a single nanotube in the bundle do not show significant differences from those of an individual nanotube. Therefore, it would be expected that the compressive buckling load and stiffness of bundles can be derived from those of the individual nanotubes that make up the bundle. On the other hand, the torsional buckling moments and stiffness of a single nanotube in the bundle are higher than those of individual nanotubes that are not in a bundle. Here, the configuration of torsional deformation of the bundle is examined and found to be similar to that of macroscopic wire ropes. In examining the interfacial responses of nanotube/polymer composites, the simulations indicate that the interfacial strength of van der Waals bonds between the nanotubes and the polymer is quite small, as expected. The simulations also predict that the interfacial strength of double-walled nanotube embedded composites does not show significant differences from that of single-walled nanotube embedded composites. The molecular dynamics simulation program used in these studies should also be expected to be applicable for the examination of the mechanical behavior of other nanotube- and nanocomposite-based structures.