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열에너지 수확용 멀티스케일 및 섬유강화 복합재의 열전 특성 평가
성대한(Dae Han Sung),강구혁(Gu-Hyeok Kang),공경일(Kyungil Kong),김명수(Myungsoo Kim),박형욱(Hyung Wook Park),박영빈(Young-Bin Park) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11
In this research, two kinds of multifunctional materials that serve as not only structural but also thermoelectric materials were manufactured, and their applicability was assessed as thermoelectric materials. One is multiscale composite (carbon nanotubes(CNT)/glass fabric(GF)/epoxy) and the other is fiber-reinforced composite (carbon fiber(CF)/epoxy). GF/epoxy composites containing various contents of CNT were prepared by calendering with a threeroll-mill followed by a hand-layup process on a hot plate. Experiments confirmed that the electrical conductivity of multiscale composites increases as CNT concentration increases. In-plane thermal and electrical conductivities of multiscale and fiber-reinforced composites are higher than those in through-thickness direction due to the alignment effect of CNTs and continuity of woven fabric. In most cases, conductivities of fiber-reinforced composites are higher than those of multiscale composites. Calculating the Seebeck coefficients, we concluded that multiscale composites behave as n-type thermoelectric materials and fiber-reinforced composites showed p-type nature. Closed circuit consisting of two different types of materials showed appreciable electric currents in the presence of temperature gradients.
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탄소나노튜브 및 환원된 산화그래핀과 고분자간 계면결합력이 나노복합재의 압전 거동에 미치는 영향
황상하 ( Sang Ha Hwang ),김현주 ( Hyeon Ju Kim ),성대한 ( Dae Han Sung ),정영태 ( Teong Tae Jung ),강구혁 ( Ku Hyek Kang ),박영빈 ( Young Nin Park ) 한국 접착 및 계면학회 2012 접착 및 계면 Vol.13 No.3
탄소나노소재의 화학적 기능화는 대부분 복합체 제조 시 고분자 모재(matrix)와의 계면 특성 향상을 위한 방법으로 적용되어 왔다. 계면결합력의 증가에 따른 효과는 기계적 물성의 증가를 통해 간접적으로 확인할 수 있으며, 이는 계면에서 효과적인 응력전달을 통해 설명된다. 보다 직접적으로 기능화를 통한 계면결합력 증가의 효과를 설명하기 위하여 피에조 저항효과를 관찰할 수 있으며, 이를 통하여 변형에 대한 복합체 내부의 전도성 충진재의 거동을 짐작해 볼 수 있다. 이를 위해 다 중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 환원 그래핀(rGO)을 황산/질산 용액을 이용하여 산화반응을 통해 기 능기를 도입하였으며, 기능화 전·후의 복합체의 전기적 저항 및 피에조 저항효과를 측정하였다. 결 과로부터 기능기 도입으로 인해 증가한 탄소나노소재의 구조적 결함이 전기적 저항의 증가를 야기 하지만 동일한 변형에 대하여 저항 변화가 더 크게 나타나 변형에 따른 복합체 내부 전도성 입자의 유동성이 증가함을 확인하였고, 이를 통해 계면결합력이 증가함을 피에조 저항효과 관찰을 통해 확인 할 수 있었다. Chemical functionalization of carbon nanomaterials (CNMs) is generally carried out for increasing interfacial adhesion between filler and polymer matrix for CNM-polymer nanocomposites. The chemically functionalized CNTs can produce strong interfacial bonds with many polymers, allowing CNT based nanocomposites to possess high mechanical and functional properties. Hence, increased surface adhesion can be measured indirectly by observing increased mechanical properties. However, there is a more direct way to observe interfacial bonds between polymer and CNM by measuring piezoresistivity behavior so that we can imagine the behavior of CNM particles in polymer matrix under deflection. Fuctionalization of MWCNT and rGO was carried out by oxidization reaction of MWCNT and rGO with H2SO4/HNO3 solution. Electrical resistivities of MWCNT-PMMA and rGO-PMMA composites were decreased after functionalization because of the destructive fuctionalization process. Meanwhile, piezoresistivities of functionalized CNM-PMMA composites showed more sensitive behavior under the same deflection as compared to pristine CNM-PMMA composites. Therefore, mobility of CNM in polymer matrix was found to be improved with chemical functionalization.
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김명수 ( Myungsoo Kim ),성대한 ( Dae Han Sung ),박영빈 ( Young Bin Park ),박기원 ( Kiwon Park ) 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.1
본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도를 구하는데 있어 기존의 연구보다 개선된 방법을 제시하고, 직물섬유의 기하학적 구조가 복합재의 열전도도 향상에 미치는 영향, 그리고 유전 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 복합재의 열전도도 향상을 위한 최적구조 설계에 관한 연구를 하였다. 직물섬유의 구조를 토우의 물결무늬와 너비 및 두께를 이용하여 구현하였고, 열전도도는 열전기유사법(Thermal-electrical analogy)을 이용하여 구하였다. 유전 알고리즘에서 염색체 문자열은 fill과 warp tow의 두께와 너비로 하였고 복합재의 열전도도를 향상 시키는 방향으로 목적함수를 정하였다. 연구결과 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위한 향상된 방법이 제시되었고, 섬유토우 사이의 간격(inter-tow gap)이 넓어 질수록 복합재의 열전도도가 감소하는 것으로 나타났다. 직물섬유 복합재의 구조 최적화에서는 이론적 수치해석 결과가 제시되었는데, 전체적으로 섬유토우(tow)의 축의 수직 방향보다는 축 방향의 열전도도 성분이 복합재의 전체 열전도도 향상에 크게 기여를 하는 것으로 나타났다. This research presents studies on an improved method to predict the thermal conductivity of woven fabric composites, the effects of geometric structures of woven fabric composites on thermal conductivity, and structural optimization to improve the thermal conductivity using a genetic algorithm. The geometric structures of woven fabric composites were constructed numerically using the information generated on waviness, thickness, and width of fill and warp tows. Thermal conductivities of the composites were obtained using a thermal-electrical analogy. In the genetic algorithm, the chromosome string consisted of thickness and width of the fill and warp tows, and the objective function was the maximum thermal conductivity of woven fabric composites. The results confirmed that an improved method to predict the thermal conductivity was built successfully, and the inter-tow gap effect on the composite`s thermal conductivity was analyzed suggesting that thermal conductivity of woven fabric composites was reduced as the gap between tows increased. For structural design, optimized structures for improving the thermal conductivity were analyzed and proposed. Generally, axial thermal conductivity of the fiber tow contributed more to thermal conductivity of woven fabric composites than transverse thermal conductivity of the tows.
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