Multiscale?Multiphysics Coupled Analysis of Environmental Effects and Characterization of Polymers in Low Earth Orbit = 다중스케일, 다물리 해석을 연계한 지구 저궤도 환경 고분자 소재의 환경 영향 및 특성평가

국문 초록 (Abstract)

지구 저궤도(LEO) 위성의 활용은 높은 분해능의 지구 관측 능력, 빠른 통신 속도, 그리고 상대적으로 낮은 궤도 비용 등의 이점으로 인해 상당한 경제적, 사회적 이익을 제공한다. 이에 따라 LEO는 현대 우주 개발의 주요 연구 분야로 자리 잡고 있다. 그러나 LEO 환경은 자외선(UV) 조사, 원자 산소(AO)의 표면 충돌, 열 사이클, 고진공과 같은 극한 조건에 재료를 노출시키며, 이는 복합적으로 심각한 재료 열화를 야기한다. 이러한 손상을 예측하고 AO 침식 및 UV 복사에 저항성이 있는 재료를 평가하기 위해 광범위한 실험 및 시뮬레이션 연구가 수행되어 왔다.
본 연구에서는 분자 스케일의 결합 해리 메커니즘을 거시적인 침식 거동과 연결하기 위한 멀티스케일 시뮬레이션 프레임워크를 제안한다. 나노 스케일의 해석을 연속체 스케일로 확장하기 위해, 시간 의존 밀도범함수 이론 (TD-DFT), 반응성 분자동역학(ReaxFF), 그리고 유한요소해석(FEA)을 통합하였다. NVT 앙상블 하에서의 ReaxFF 시뮬레이션을 통해 일관된 AO 침식률 계산 방법론을 확립하였으며, 이를 통해 온도 의존적 침식 관계를 도출하고 상전이를 관측하였다. TD-DFT 계산을 통해 에폭시 구성 성분의 여기 상태를 규명하였고, Franck-Condon 분석을 통해 진동 전이에너지를 산출하였다. 이 에너지는 ReaxFF 시뮬레이션에서 UV 유도 결합 해리 및 가교 열화를 묘사하기 위한 여기 에너지 분배에 활용되었다. 도출된 열화 거동은 FT-IR 실험 데이터로 보정되었으며, Beer-Lambert 법칙을 이용하여 재구성됨으로써 분자 수준의 반응을 연속체 스케일의 열화 모델로 연결하였다. 유도된 열화 모델은 이후 FE 기반의 침식 해석과 결합되었다.
그 결과, 에폭시와 Kapton에 대해 계산된 침식률은 실험 결과와 일치하는 비율을 보였으며, 이는 제안된 프레임워크의 타당성을 입증한다. 본 방법론은 향후 기계적 물성의 변화를 예측하고, 다양한 고분자 시스템에 프레임워크를 적용하여 포괄적인 재료 데이터베이스를 구축하는 데까지 확장될 것으로 기대된다. 더 나아가, 본 프레임워크는 다양한 궤도 조건 하에서의 재료 거동 해석으로 확장될 수 있는 범용성을 갖추고 있어, 차세대 우주 재료 개발을 위한 견고한 플랫폼을 제공할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The utilization of low Earth orbit (LEO) satellites offers significant economic and social benefits due to their advantages, including high-resolution Earth observation capability, rapid communication speed, and relatively low orbital cost. Consequently, LEO has become a major focus of modern space development. However, the LEO environment exposes materials to extreme conditions, such as ultraviolet (UV) irradiation, atomic oxygen (AO) surface impact, thermal cycling, and high vacuum, which collectively cause severe material degradation. To predict such damage and evaluate materials resistant to AO erosion and UV radiation, extensive experimental and simulation studies have been conducted. In this study, a multiscale simulation framework is proposed to bridge molecular-scale bond dissociation mechanisms with macroscopic erosion behavior. To extend nanoscale analyses to the continuum scale, time-dependent density functional theory (TD-DFT), reactive molecular dynamics (ReaxFF), and finite element analysis (FEA) were integrated. Through ReaxFF simulations under an NVT ensemble, a consistent methodology for calculating AO erosion rates was established, thereby deriving temperature-dependent erosion relationships and observed phase transitions. TD-DFT calculations identified the excitation states of epoxy constituents, and Franck–Condon analysis provided vibronic transition energies, which were used to distribute excitation energy in ReaxFF simulations to describe UV-induced bond dissociation and crosslink degradation. The resulting degradation kinetics were calibrated with FT-IR experimental data and reformulated using the Beer–Lambert law, linking molecular-level reactions to a continuum-scale degradation model. The derived degradation models were then coupled with the FE-based erosion analysis. As a result, the computed erosion yields for epoxy and Kapton exhibited ratios consistent with experimental findings, demonstrating the validity of the proposed framework. This methodology is expected to be further extended to predict the evolution of mechanical properties and to establish a comprehensive material database by applying the framework to diverse polymeric systems. Furthermore, the framework possesses the versatility to be expanded for analyzing material behaviors under various orbital conditions, providing a robust platform for next-generation space material development.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Contents iii
• List of Figures vi
• List of Tables x
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Study Background １
• 1.2. Literature Review ７
• 1.3 Aims and Scope １３
• 1.4 Outline of the Dissertation １７
• Chapter 2. ReaxFF AO collision simulation and the temperature dependency of erosion yield １９
• 2.1. Force Field description of the MD simulations １９
• 2.1.1 All-atom polymer consistent force field description １９
• 2.1.2 ReaxFF molecular dynamics ２３
• 2.1.3 Ensemble and calculation of physical properties ２４
• 2.2. Molecular dynamics model preparation ３２
• 2.2.1 Kapton slab preparation ３４
• 2.2.2 Epoxy slab preparation ３６
• 2.3. AO collision simulation settings and optimization ４２
• 2.3.1 Boundary conditions ４２
• 2.3.2 Time step optimization ４６
• 2.4. Temperature dependency of polymer surface erosion ５０
• 2.4.1 Mass loss by AO collision ５０
• 2.4.2 Oxidation stage and gas generation ５４
• 2.4.3 Arrhenius fitting of erosion yield and temperature dependency ５８
• Chapter 3. UV degradation of epoxy in LEO environment ６１
• 3.1. UV Excitation characteristics of molecules ６１
• 3.1.1 UV-vis spectra and oscillator strength ６１
• 3.1.2 Vibronic transition analysis of molecules ６７
• 3.2. Degradation by UV irradiation of epoxy matrix ７４
• 3.2.1 ReaxFF degradation ７４
• 3.2.2 Calibration of time-scale with experimental data ７９
• 3.3. UV irradiation and degradation analysis in LEO condition ８４
• 3.3.1 LEO UV irradiation spectrum and absorptivity ８４
• 3.3.2 Influence on AO resistance by crosslink degradation ９１
• Chapter 4. Multi-scale degradation simulation in LEO ９４
• 4.1. FE degradation simulation description ９５
• 4.1.1 Model description and boundary conditions ９５
• 4.1.2 Simulation methods and subroutine structure ９８
• 4.2. Thermal-AO erosion coupled simulation results １０１
• 4.2.1 Thermal results on the surface １０１
• 4.2.2 Nodal recession and erosion yield results on the surface １０７
• 4.2.3 Synergetic effect of UV and AO in LEO environment １０９
• Chapter 5. Conclusion １１４
• 5.1. Summary １１４
• 5.2. Contributions of the present work １１５
• 5.3. Limitations and future work １２１
• References １２６
• 국문 초록 １３４