다중스케일 섬유 복합재의 나노 인터페이스 설계와 응력 전달 메커니즘

초록

본 연구는 연속 미세섬유 주위에 정렬된 탄소 나노튜브(CNT) 번들을 분산시킨 나노‑엔지니어드 인터페이스 층을 도입한 다중스케일 복합재의 기계적 특성과 응력 전달 거동을 다단계 모델링으로 분석한다. 분자동역학(MD)과 Mori‑Tanaka 방법으로 인터페이스의 등방성·횡방향 이방성 탄성계수를 얻고, 이를 기반으로 축·반경 변형을 모두 고려한 삼상 풀‑아웃(피어‑아웃) 모델을 구축하였다. 완전·불완전 계면(선형 스프링 층) 조건과 CNT의 축방향·방사형 정렬을 변환하며 응력 전달 효율을 평가했으며, FEM 결과와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하였다. 결과는 축방향 정렬된 CNT가 인터페이스 전단강도와 전단 전이 효율을 크게 향상시키며, 계면 약화가 미세섬유의 방사 응력 분포에 민감하게 작용함을 보여준다.

상세 분석

이 논문은 다중스케일 복합재의 설계에 있어 미세섬유와 매트릭스 사이에 형성되는 나노‑엔지니어드 인터페이스의 역할을 정량적으로 규명한다. 첫 단계에서는 LAMMPS와 CVFF 포텐셜을 이용해 EPON 862‑DETDA 에폭시의 교차결합 과정을 MD 시뮬레이션으로 재현하였다. 전처리(압축, NVT 평형화)와 반응 거리(5.64 Å) 기준에 따라 C–N 결합을 형성시켜 실제 경화 메커니즘을 모사하고, 0.25 %씩의 등방성 및 전단 변형을 가해 체적·전단 탄성계수를 추출하였다. 두 번째 단계에서는 13개의 정렬된 CNT(직경 ≈ 0.8 nm, 길이 ≈ 10 nm) 번들을 에폭시 매트릭스에 삽입한 CNS 모델을 구축하고, 동일한 스트레인 프로토콜로 횡방향 이방성 탄성텐서를 얻었다. 얻어진 나노‑레벨 탄성상수는 Mori‑Tanaka 평균화 이론에 투입되어 인터페이스 층(두께 ≈ 1 µm)의 등방성·횡방향 이방성 유효계수를 산출한다.

이후, 삼상(섬유‑인터페이스‑매트릭스) 풀‑아웃 모델을 전개한다. 각 상은 직교 이방성(섬유) 또는 등방성(매트릭스)으로 가정하고, 축방향 변위와 반경 변형을 동시에 고려한 연속 방정식을 유도하였다. 계면 결합은 연속 전단응력과 변위 불연속을 허용하는 선형 스프링 층(전단계수 K)으로 모델링했으며, 완전 결합(K→∞)과 불완전 결합(K < ∞) 두 경우를 비교하였다. 해석식은 라플라스 변환을 이용해 폐쇄형 해를 얻었으며, FEM(ABAQUS)으로 검증한 결과 평균 5 % 이내의 오차를 보였다.

파라미터 스터디에서는 CNT 정렬 방향을 축방향(A‑CNT)과 방사형(C‑CNT)으로 바꾸어 응력 전달 효율을 평가하였다. 축방향 정렬 시 인터페이스 전단강도가 최대 45 % 증가하고, 섬유 중심부의 축응력 감소율이 크게 완화되는 반면, 방사형 정렬은 전단 전달에 기여가 제한적이었다. 또한, 스프링 계수 K를 감소시켜 계면 약화를 모사하면, 섬유 길이 전반에 걸친 방사 응력이 급격히 상승해 파손 위험이 증가함을 확인하였다. 이러한 결과는 나노‑레벨 인터페이스 설계가 매크로 구조의 강도와 내구성에 직접적인 영향을 미친다는 점을 강조한다.