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Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15405(2015) 이 기사 인용

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CNT 강화 금속 복합재는 경량, 고강도, 낮은 열팽창 및 높은 열전도율과 같은 우수한 특성으로 인해 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 현재 CNT/금속 복합재의 강화 메커니즘은 주로 CNT와 전위의 상호작용 및 CNT의 고유한 고강도에 의존합니다. 여기서 우리는 CNT/금속 복합재에 레이저 충격을 가하면 고밀도 나노쌍둥이, 적층 결함, CNT/금속 인터페이스 주위의 전위가 발생한다는 것을 입증했습니다. 복합재는 우수한 안정성과 함께 강화된 강도를 나타냅니다. 결과는 분자 역학 시뮬레이션과 실험을 통해 해석됩니다. CNT와의 충격파 상호작용은 CNT/금속 계면 주변에 적용된 충격 압력보다 훨씬 높은 응력장을 유도하는 것으로 나타났습니다. 그 결과, 나노쌍정은 금속에서 쌍정을 생성하는 임계값보다 훨씬 낮은 충격 압력 하에서 핵이 생성되었습니다. 이 하이브리드 고유의 나노 구조는 CNT 주변의 나노쌍둥이 경계가 전위 이동을 고정하는 데 도움이 되므로 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 강도를 안정화시킵니다.

탄소 나노튜브는 독특한 구조로 인해 초고강도, 강성, 전기적 및 열적 특성을 나타냅니다1,2. 이러한 우수한 특성으로 인해 CNT는 항공우주 및 자동차 산업에서 사용되는 금속 매트릭스 나노복합재 복합재료에 이상적인 강화재로 사용됩니다1,3. 이러한 강력한 기계적 특성은 CNT의 뛰어난 특성, 인접한 CNT 사이의 작은 평균 자유 경로 및 CNT의 높은 표면적에 의해 제공되는 큰 제약 때문입니다. 나노재료 강화재의 특성은 미크론 규모 강화재의 벌크 특성보다는 표면 특성에 의해 좌우됩니다. CNT와 금속 매트릭스 사이의 독특한 인터페이스는 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재 분말 야금, 변형 처리, 증기상 처리, 응고 처리, 전기화학, 레이저 증착을 포함하여 CNT를 금속에 통합하기 위한 다양한 방법1이 개발되었습니다. 복합재를 더욱 강화하기 위해 분말 컴팩트 CNT/금속 복합재의 고속 비틀림 및 롤링이 더 나은 기계적 특성을 달성하기 위해 시도되었습니다. 그러나 이러한 방법의 본질적인 낮은 변형률(103/s 미만)로 인해 강화 메커니즘은 일반적으로 CNT의 전위 강화 및 고정 효과에 의해 지배됩니다. 본 연구에서는 충격 부하를 통해 CNT/금속 인터페이스를 강화하는 새로운 메커니즘을 제시합니다.

나노재료 강화 금속 복합재의 전위 가소성은 나노재료/금속 인터페이스에서 소스의 열적 및 기계적 활성화에 의해 제어됩니다. 이는 변동이 필요한 메커니즘으로, 보고된 변형률 민감도를 설명할 수 있는 고유한 시간 척도를 의미합니다. 이는 충격 하중과 같이 변형률 속도가 104/s에서 106 ~ 107/s로 증가하면 다른 체제가 발생할 수 있음을 시사합니다. 충격 부하 중에는 측면 이완이 발생할 시간이 없으며 압력이 형성됩니다. CNT/금속 복합재에서 CNT의 고정 효과는 또한 CNT 앞에 높은 응력을 초래하는 파일업으로 인한 탈구 탈출을 방해합니다. 이러한 조건에서 소성은 높은 변형률과 높은 압력에 의해 제어됩니다. CNT 앞의 국부 응력이 쌍정 핵 생성에 대한 임계 응력을 초과하면 고밀도 변형 쌍정이 형성될 수 있습니다.

우리는 매우 짧은 압축 시간 척도가 충격 부하와 연관되어 있는 충격을 받은 CNT/금속 복합재의 원자학적 시뮬레이션을 제시하고 CNT/금속 복합재의 실험적 레이저 충격 부하 후의 미세 구조와 미세 구조를 비교합니다. 레이저 소결 구조의 단면은 그림 1a에 개략적으로 표시되어 있습니다. 다중벽 나노튜브(MWNT)는 레이저 소결(LS)6에 이어 레이저 쇼크 피닝(LSP) 공정을 통해 철 매트릭스에 통합됩니다. 분자 역학 시뮬레이션은 CNT/금속 인터페이스 주위에 축적된 높은 국부 응력을 보여줌으로써 고밀도 나노쌍둥이의 형성을 가능하게 합니다. MD 시뮬레이션과 실험 결과 모두 나노쌍둥이가 철 매트릭스에서 핵형성되었음을 보여줍니다. 핵화된 나노쌍둥이와 MWNT는 함께 강도를 크게 높이고 전위 이동을 안정화하는 데 도움이 됩니다.

zone axis. The microstructure evolution process is shown in movie S2. It demonstrates the generation and propagation of nanotwins and other microstructures. In Fig. 4a multiple twin boundaries is shown and Fig. 4b shows coherent single twin boundary. In Fig. 4a,b all non-bcc atoms have been shown in white, while bcc atoms are presented in blue. In Fig. 2g–i only atoms which belong to no specific atomic structure are colored as white. The cross-sectional microstructure was carefully characterized by high resolution TEM and twined structure was discovered. Figure 4c shows multi-twin structure with non-coherent boundaries around a carbon nanotube. The close-up view of one coherent nanotwin is shown in high-magnification TEM figure in Fig. 4d, which is a twin. The coherent twin boundary (TB) is marked in Fig. 4d. The insert image is its selected area diffraction pattern (SAED). The insert diffraction pattern further proves the nanotwin structure in Fig. 4d. The results in Fig. 4 show that the simulation and experimental results match each other. MD simulation provides a powerful tool to reveal the progress of microstructure evolution under shock loading./p>

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