(57)【要約】  本発明は、ナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法に関するものであり、本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法は、金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスの材料にナノファイバーを混合した後に機械的エネルギーを加えてマトリックスの変形を通じてナノファイバーを材料に均一分散させる第１段階と、前記ナノファイバーが前記金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスに均一分散した材料を機械的な物質移動法によって前記ナノファイバーが方向性を有するようにする第２段階と、を含んでなされることを特徴とする。  本発明によると、単純な機械的な工程を通じて金属及びポリマーマトリックス内にナノファイバーを均一に分散させることができるので、製造工程が単純で産業的な生産の效率性が非常に高い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスの材料にナノファイバーを混合した後に機械的エネルギーを加えてマトリックスの変形を通じてナノファイバーを材料に均一分散させる第１段階と、
前記ナノファイバーが前記金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスに均一分散した材料を機械的な物質移動法によって前記ナノファイバーが方向性を有するようにする第２段階を含んでなされることを特徴とするナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項２】
前記第１段階は、
容器内に金属またはポリマーまたはセラミックとナノファイバーを混合する段階と、
前記混合材料にボールを添加する段階と、
前記ボールを運動させることで、前記ボールが金属またはポリマー及びナノファイバーに衝撃を加える段階と、及び
前記金属またはポリマーまたはセラミックが弾性変形または塑性変形を起こしてナノファイバーが金属またはポリマー混合材料内部に侵透する段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項３】
前記第２段階は、
前記ナノファイバーが均一分散した材料を容器内に装入する段階と、
前記装入された材料を一定な温度で維持させる段階と、及び
前記材料を一方向に加圧して加圧方向に変形させる段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項４】
前記金属は、金属基元素であるアルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)またはチタン(Ti)の純金属または前記純金属を基底とする合金であることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項５】
前記ポリマーは、熱可塑性樹脂、弾性体、熱硬化性または熱可塑性弾性体のうちいずれか一つのポリマーであることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項６】
前記セラミックは、アルミナ(Al２O３)、シリカ(SiO２)、マグネシア(MgO)から選択されるいずれか一つの単一系成分のセラミックであるか、または前記単一系成分のセラミックを一つ以上含む複合セラミック材料であることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項７】
前記ナノファイバーは、炭素ナノチューブまたは炭素ナノファイバーを含んだ直径が５０nm以下のチューブまたはファイバであることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項８】
前記機械的な物質移動法は圧出、圧延または射出のうちで選択されるいずれか一つの機械的加工法であることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【請求項９】
前記金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスにナノファイバーが重さ比で０〜５０wt.％添加されることを特徴とする請求項１に記載のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、ナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法に関するものであり、特に、本発明は金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスとナノファイバーに機械的な衝撃を加えてマトリックスの弾性変形または塑性変形を通じてマトリックス内部にナノファイバーを均一に分散させて、ナノファイバーが分散した金属マトリックスまたはポリマー、そしてセラミックマトリックス粉末を機械的な物質移動法(mass flowing)を通じて複合材内部のナノファイバーが方向性を有するようにする方法に関する。
【０００２】
〔背景技術〕
ナノファイバーとマトリックス金属またはポリマー、セラミックとの混合及び分散に関する研究は数年間にかけて進行されて来た。特に、C. L. Xu、B. Q. Wei、R. Z. Ma、J. Liang、X. K. Ma、D. H. Wu、Carbon、Vol.37、1999、ｐ855-858及びJ. W. Ning、J. J Zhang、Y. B. Pan and J. K. Guo、materials science and engineering、Vol. A313、2001、ｐ83-87では、炭素ナノチューブに強化されたアルミニウムマトリックスなどの複合材料を粉末混合及び焼結工程によって製造して特性評価する方法が開示された。
【０００３】
しかし、このような従来技術の場合に炭素ナノチューブがアルミニウムマトリックス内部に均一分散することができなくて結晶粒界に凝集されることで、複合材製造時に焼結能が減少されてまた材料の機械的、電気的特性を減少させる原因で作用するようになって、著しく向上した特性を得ることができなかった。すなわち、炭素ナノチューブの分散がなだらかではなくて、マトリックス金属粉末表面に塊になっている状態で複合材を形成することで、その部分が欠陷で存在するようになってマトリックス金属の物性を悪化させるだけで、炭素ナノチューブの添加による物性向上效果は期待することができなかった。
【０００４】
また、ポリマーマトリックスの場合においては、Haihui Ye, Hoa Lam, Nick Titchenal, Yury Gogotsi and Frank Ko, applied physics letters, Vol. 85, No. 10, 2004, pp1775-1777及びKunihiko Nishimura, Zhiying Shen, Masahiro Fujikawa, Akihiko Hosono, Noritsuna Hashimoto, Satoru Kawamoto, Shoyu Watanabe, Shuhei Nakata, Technical degest of IVMC2003, Vol. O5-4, pp49-50に開示されたところのように、炭素ナノチューブとの複合材を通じて機械的性質を向上させるか、または炭素ナノチューブが有する電磁気的特性を利用してＦＥＤ(Field Emission Display)に使用するなど多くの利用範囲を見せている。
【０００５】
しかし、このような従来の炭素ナノチューブの分散方法は分散溶媒での分散、焼結などの複雑な過程を経て行われているが、産業的な效率向上のためには、単純な工程を通じた均一な分散法が要求されている。
【０００６】
また、ナノファイバーを金属マトリックス内に適当な分散溶媒を通じて分散させて、超音波処理、金属塩の混合、超音波処理、乾燥、か焼、還元などの工程を経って金属やポリマー、そしてセラミックマトリックス内にナノファイバーを均一に分散させる方法は、分散溶媒の選択、分率による溶媒の量、塑性温度、還元条件など数多くの工程の変数を調節しなければならないので条件が複雑で、時間がたくさん必要となる多くの段階の工程を通さなければならないという短所を有しているから再現性ある健全な複合材の製造が難しくて、産業的效率も低下される問題点があった。
【０００７】
一方、機械的特性及び電磁気的特性を向上させるためにさまざまな方法を通じて炭素ナノチューブの方向性を確保するための方法が研究されて来たが、難しい作業条件が要求される問題点があった。
【０００８】
〔発明の詳細な説明〕
本発明は、前記したところのような従来の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、機械的な方法を利用してナノファイバーを金属、ポリマー及びセラミックマトリックス内に凝集なしに均一分散させた複合粉末を製造する方法を提供するものである。
【０００９】
また本発明の他の目的は、複合材粉末を機械的物質移動(mass flowing)を通じてマトリックス内のナノファイバーの方向性を確保する方法を提供するものである。
【００１０】
前記目的を達成するために本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法は、金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスの材料にナノファイバーを混合した後に機械的エネルギーを加えてマトリックスの変形を通じてナノファイバーを材料に均一分散させる第１段階と、前記ナノファイバーが前記金属またはポリマーまたは、セラミックマトリックスに均一分散した材料を機械的な物質移動法によって前記ナノファイバーが方向性を有するようにする第２段階と、を含んでなされることを特徴とする。
【００１１】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、ナノファイバーを材料に分散させる段階は、容器内に金属またはポリマーまたはセラミックとナノファイバーを混合する段階と、前記混合材料にボールを添加する段階と、前記ボールを運動させることで、前記ボールが金属またはポリマー及びナノファイバーに衝撃を加える段階及び前記金属またはポリマーまたはセラミックが弾性変形または塑性変形を起こしてナノファイバーが金属またはポリマー混合材料内部に侵透する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、ナノファイバーが方向性を有するようにする段階は、前記ナノファイバーが均一分散した材料を容器内に装入する段階と、前記装入された材料を一定な温度で維持させる段階及び前記材料を一方向に加圧して加圧方向に変形させる段階と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、前記金属は金属基元素であるアルミニウム(Al)、銅(Cu)、鉄(Fe)またはチタン(Ti)の純金属、または前記純金属を基底とする合金であることを特徴とする。
【００１４】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、前記ポリマーは熱可塑性樹脂、弾性体、熱硬化性または熱可塑性弾性体のうちいずれか一つのポリマーであることを特徴とする。
【００１５】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、前記セラミックはアルミナ(Al２O３)、シリカ(SiO２)、マグネシア(MgO)で選択されるいずれか一つの単一系成分のセラミックであるか、前記単一系成分のセラミックを一つ以上含む複合セラミック材料であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、前記ナノファイバーは炭素ナノチューブまたは炭素ナノファイバーを含んだ直径が５０nm以下のチューブまたはファイバーであることを特徴とする。
【００１７】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法で、前記機械的な物質移動法は圧出、圧延または射出のうちで選択されるいずれか一つの機械的加工法であることを特徴とする。
【００１８】
また本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法は、前記金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスにナノファイバーが重さ比で０〜５０wt．％添加されることを特徴とする。
【００１９】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本発明の望ましい実施例の表１に明示された複合材composite１の炭素ナノチューブの分散度及び異方性を撮影した写真である。
【００２０】
図２は、表１に明示された複合材composite２の炭素ナノチューブの分散度及びマトリックス内の完全結合(perfect bonding)を撮影した写真である。
【００２１】
図３は、表１に明示された複合材composite６の炭素ナノチューブの均一分散状態を撮影した写真である。
【００２２】
図４は、表１に明示された複合材composite１の応力と変形率の相関関係を示すグラフである。
【００２３】
図５は、金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブの均一分散過程を説明する工程図である。
【００２４】
図６は、金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブの一方向配列を説明する工程図である。
【００２５】
〔実施例〕
以下、本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法の望ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
【００２６】
本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法は、機械的な方法を利用することで、金属またはポリマーまたはセラミック材料にナノファイバーを交ぜた後、機械的な衝撃を加えてマトリックスの弾性変形及び塑性変形を通じてナノファイバーを材料に均一分散させる段階と、ナノファイバーが分散した金属またはポリマーまたはセラミックマトリックス複合材料を圧出、圧延、射出などの機械的な物質移動法(mass flowing)を通じて複合材内のナノファイバーが方向性を有するようにする段階でなされる。
【００２７】
ここでナノファイバーを材料に均一分散させる段階は、一定な容器に金属、ポリマーまたはセラミックと、ナノファイバーを混合する段階と、混合した材料にボールを添加する段階と、ボールに機械的エネルギーを加えて運動させることでボールが金属/ポリマー/セラミック及びナノファイバーに衝撃を加える段階と、機械的衝撃によって金属、ポリマー、またはセラミックが弾性/塑性変形を起こして、ナノファイバーが材料(金属/ポリマー/セラミック)内部に侵透する段階と、ボールの継続的な衝撃による持続的な金属/ポリマー/セラミックの弾性、塑性変形によるナノファイバーの均一分散段階と、で構成される。
【００２８】
本発明の機械的な分散法で分散時間は、マトリックスの種類によって異なることがある。例えば、純粋なアルミニウム複合材を製造する場合よりニッケル合金複合材の場合は分散時間を増加させてナノファイバーを分散させることが望ましい。また、所望する結晶粒大きさの金属マトリックス複合材を希望する場合には結晶粒が小くなるほど機械的分散時間を増加させることが望ましい。
【００２９】
また、材料内部に分散しているナノファイバーを一方向に配列させる段階は、一定な容器にナノファイバーが均一分散した材料を装入する段階と、装入された材料を一定な温度で維持させる段階と、材料を一方向に加圧して材料の加圧方向への変形段階でなされる。ここで一定な温度は、常温で材料の溶融温度間の物質移動法による材料加工に好適な温度である。
【００３０】
ナノファイバーは一般に３０GPa級の強度と１TPa級の弾性係数を有するが、本発明で使用可能なナノファイバーは、炭素ナノチューブまたは炭素ナノファイバーを含んだ直径が５０nm以下のチューブまたはファイバーとして特別に限定を要しない。
【００３１】
本発明で、ナノファイバーは金属またはポリマーまたはセラミックマトリックスに重さ比で０〜５０wt.％添加される。
【００３２】
金属及びポリマーマトリックス複合材粉末の場合高温圧出、高温圧延など機械的な物質移動を誘発することができる工程を通じてマトリックス内部ナノファイバーの方向性を確保することができる。本発明によって製造された複合材だけでなく、従来の方法を通じて製造された複合材も本発明の機械的物質移動法(mass flowing)を通じて方向性を確保することができるだけでなく、特に分散溶媒を利用した化学的分散方法で製造されたナノファイバー分散複合材の場合も本発明の機械的物質移動によって異方性確保が可能である。
次に本発明によるナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法の望ましい実施例を詳しく説明する。
【００３３】
<実施例>
本実施例では本発明で提示された方法を通じて製造された代表的な金属またはポリマーマトリックス複合材の種類と複合材に含有された炭素ナノチューブの分率、機械的加工方法、均一分散結果及び機械的物質移動法(mass flowing)の種類を表１を通じて提示する。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
上の表１で○の表示は、炭素ナノチューブが均一分散及び方向性を確保したことを意味する。
【００３６】
表１に示すように、炭素ナノチューブが均一分散された金属、ポリマーマトリックス複合材の場合、１時間以上のミーリング時間及び３００rpm以上のミーリング速度下で炭素ナノチューブの分率増加と関わらず機械的ミーリング法を通じて均一分散が可能であることを分かる。
【００３７】
また、高温圧出及び高温圧延を通じて金属及びポリマーマトリックス複合材内の炭素ナノチューブの一方向配列が可能であることが分かる。
【００３８】
図１は、表１に明示されたcomposite１を２４時間の間に分散させた後、高温圧出を通じて製造した棒状試片内部の炭素ナノチューブの分散度と異方性をＴＥＭを通じて撮影した写真である。この炭素ナノチューブは、図１に示すように均一に一方向に配列されていることが分かる。
【００３９】
図２は、表１に明示された複合材composite２の炭素ナノチューブの分散度及びマトリックス内の完全結合(perfect bonding)状態を撮影した写真である。
【００４０】
図３は、表１に明示された複合材composite６の炭素ナノチューブの均一分散状態を撮影した写真であり、１２時間ミーリングを通じてポリメチルメタアクリレート(ＰＭＭＡ)のマトリックス内部に炭素ナノチューブを均一に分散した結果をＴＥＭで観察したし、図３に示すように炭素ナノチューブの均一分散状態を確認することができる。
【００４１】
図４は、表１に明示された複合材composite１の異方性を調べるために２０％以上試片を変形させた応力と変形率の相関関係を示すグラフであり、試片の機械的性質の異方性を調べるために、２×２×４の正方形試片を使用して圧出方向及び圧出の垂直方向に１０-４ｓ-１の変形率で試験を実施した結果を示すものである。結果を見る時、圧出の垂直方向の試片は降伏点が低く、２０％以後には破壊が発生するということを確認したが、これは作用する力と、炭素ナノチューブが配列されている角度によって炭素ナノチューブが力の伝達力に差を見せるからである。
【００４２】
図５は、金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブの均一分散過程の概略的な工程図であり、ボールの機械的衝撃によって炭素ナノチューブが均一に分散する過程を見せてくれる。
【００４３】
図６は、熱間圧出過程で金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブが一方向に配列される過程を見せてくれる工程図である。
【００４４】
〔産業上の利用の可能性〕
本発明のナノファイバーを金属、ポリマー、セラミックマトリックスに均一分散させる方法によると、分散溶媒に分散、か焼など多くの段階を経ってナノファイバーを分散させる従来の方法に比べて、ボールミーリング、ハンドミーリングなどの単純な機械的な工程を通じて金属及びポリマーマトリックス内にナノファイバーを均一に分散させることができるので、製造工程が単純で産業的な生産の效率性が非常に高い。
【００４５】
また、圧延、圧出及び射出などの機械的物質移動法(mass flowing)を通じてナノファイバーの方向性を確保することで高強度、高靱性、機能性素材としてのナノファイバーの産業的応用分野を大きく拡大することができるし、特に本発明のナノ複合素材は宇宙航空、自動車、海洋、電子などの産業分野で軽量構造材及び伝導性素材として広く使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の望ましい実施例の表１に明示された複合材composite１の炭素ナノチューブの分散度及び異方性を撮影した写真である。
【図２】表１に明示された複合材composite２の炭素ナノチューブの分散度及びマトリックス内の完全結合(perfect bonding)を撮影した写真である。
【図３】表１に明示された複合材composite６の炭素ナノチューブの均一分散状態を撮影した写真である。
【図４】表１に明示された複合材composite１の応力と変形率の相関関係を示すグラフである。
【図５】金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブの均一分散過程を説明する工程図である。
【図６】金属及びポリマー複合材内部炭素ナノチューブの一方向配列を説明する工程図である。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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