그래핀 외피가 강화한 케블라 섬유의 탄성 특성 시뮬레이션

초록

본 연구는 케블라 원사에 얇은 그래핀 층을 화학적으로 결합한 복합섬유의 압축강도를 2차원 선형탄성 모델로 분석한다. 그래핀 외피 반경이 케블라 반경의 약 4 %일 때 횡방향 변형에 대한 강도가 크게 향상됨을 예측하였다.

상세 분석

이 논문은 케블라 섬유의 구조적 특성을 ‘길이 방향은 고강도, 횡방향은 약함’이라는 이방성으로 모델링하고, 외부에 얇은 그래핀 원통을 동축으로 입히는 구조를 가정한다. 그래핀과 케블라 사이의 결합은 카복실산 등 기능성 그룹을 통한 강한 공유결합으로 설정했으며, 이를 통해 계면 전단전이와 탈착을 무시할 수 있다고 전제한다. 2D 평면 응력 해석을 위해 원통 좌표계에서 라플라스 방정식을 풀고, 내부 케블라와 외부 그래핀 각각에 서로 다른 탄성계수를 부여하였다. 특히 케블라의 종축 탄성계수(E₁)와 횡축 탄성계수(E₂)의 비율을 10:1 정도로 설정해 실제 섬유의 수소결합에 의한 평면 구조를 반영하였다. 경계조건은 원통 중심에 축대칭을, 외부 표면에는 직선적인 압축 하중을 적용해 직경을 따라 최대 하중이 집중되는 상황을 모사한다. 파라미터 스윕 결과, 그래핀 층의 두께가 전체 반경의 3~5 % 구간에서 응력 전달 효율이 급격히 상승하며, 특히 4 % 지점에서 횡방향 변형률이 30 % 이상 감소한다는 것이 핵심 발견이다. 이는 그래핀의 높은 탄성계수와 얇은 두께가 케블라 섬유의 약한 횡방향을 보강하는 최적 비율임을 시사한다. 모델은 선형 탄성을 전제로 하므로 큰 변형이나 비선형 파괴 메커니즘은 반영되지 않으며, 실제 제조 공정에서 그래핀-케블라 결합 효율, 결함 밀도, 온도 효과 등이 추가 고려 대상이 된다.