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철보다 100배 강하고 알루미늄보다 가벼운 것은 무엇입니까? 탄소 나노튜브는 지금까지 발견된 가장 강력한 재료 중 하나이지만 엔지니어는 이제 막 잠재력을 최대한 발휘하기 시작했습니다.
탄소 나노튜브는 탄소 동소체입니다. , 이는 탄소가 취할 수 있는 여러 가능한 원자 배열 중 하나임을 의미합니다. . 자연에서 순수 탄소는 흑연 형태에서 발견됩니다. , 부드럽고 얇은 고체, 또는 다이아몬드 , 투명하고 가장 단단한 자연 발생 물질입니다.
탄소 나노튜브는 다이아몬드보다 흑연과 더 밀접한 관련이 있습니다. 흑연은 매우 부드럽지만 한 원자 두께의 시트에 배열된 탄소 원자 층으로 구성됩니다. 이러한 개별 시트를 그래핀이라고 하며 탄소 나노튜브는 그래핀 시트를 튜브 모양으로 굴려서 얻을 수 있는 것입니다. .
그래핀은 그 자체로 놀라운 물질입니다. 탄소 나노튜브와 마찬가지로 믿을 수 없을 정도로 강합니다. . 2010년 노벨 물리학상은 그래핀 한 장을 최초로 분리한 팀에게 수여되었으며, 그래핀은 이론상 약 1밀리그램 무게의 그래핀 한 장이 고양이를 안을 수 있을 정도로 강력합니다 .
이 가상의 "고양이 해먹"은 두께가 원자 1개에 불과하며 인간의 눈에는 완전히 보이지 않습니다. . 탄소 나노튜브는 튜브로 배열된 하나 이상의 그래핀 층으로 형성되며 또한 매우 강합니다. .
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노벨 아카데미 문서에 따르면 그래핀으로 만든 1제곱미터 해먹이 “두 그루의 나무 사이에 묶여 있으면 약 4kg의 무게를 싣고 나면 부러질 수 있습니다. 따라서 고양이를 부러뜨리지 않고 안을 수 있는 거의 보이지 않는 해먹을 그래핀으로 만드는 것이 가능해야 합니다.
현재 탄소나노튜브는 주로 고분자 복합재료의 특성을 개선하는 데 사용 . 탄소 나노튜브는 다양한 유익한 특성을 제공할 수 있습니다.
다른 강화 재료와 비교할 때 탄소 나노튜브는 다른 섬유보다 상당히 강합니다. 섬유 강화 폴리머 복합 재료에 사용됩니다. 최근 연구는 또한 탄소 나노튜브가 전략적으로 분포되어 있는 기능적 등급 폴리머의 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 폴리머 구조 내에서 맞춤형 기계적 특성을 부여합니다.
| 자료 | 강도(링크의 데이터 소스) |
|---|---|
| 다중벽 탄소 나노튜브 | 11 - 63GPa |
| 탄소 섬유 | 3.5 - 5.5GPa |
| 유리 섬유 | 3.5 - 4.6GPa |
| 케블라 | 3.0GPa |
| 스틸 | 0.23 - 0.73GPa |
탄소 나노튜브는 또한 좋은 전기 및 열 전도성을 제공합니다. , 이는 전자제품 포장 응용 분야 또는 폴리머 및 접착제의 첨가제에 유용합니다. 그것들을 전도성으로 만들기 위해. 폴리머와 세라믹은 상대적으로 열악한 전기 및 열 전도성을 제공하기 때문에 전통적으로 금속은 전자 제품의 전기 및 열 전도체로 사용되는 주요 재료였습니다.
그러나 탄소 나노튜브를 추가하여 여러 고분자를 전도성으로 만들 수 있습니다. , 더 빠르고 저렴한 전자 제품 제조를 위한 새로운 가능성을 열어줍니다. .
| 자료 | 전기 전도도 (링크의 데이터 소스) | 열전도율 (링크의 데이터 소스) |
|---|---|---|
| 단일벽 탄소 나노튜브 | 10 2 - 10 6 S/cm | 6000W/mK |
| 다중벽 탄소 나노튜브 | 10 3 - 10 5 S/cm | 2000 W/mK |
| 다이아몬드 | 10 -2 - 10 -15 S/cm | 900 - 2320 W/mK |
| 흑연 | 3.3 - 4000 S/cm | 2.2-298 W/mK |
| 구리 | 4.3•10 9 - 5.9•10 9 S/cm | 305 - 385 W/mK |
그래핀과 탄소 나노튜브가 그렇게 믿을 수 없을 정도로 강하다면 모든 것에 사용하지 않는 이유 ? 그래핀이나 탄소나노튜브에 버금가는 강도를 가진 부품은 다른 어떤 소재와 비교해도 거의 파괴되지 않습니다.
탄소 나노튜브와 그래핀의 놀라운 강도를 활용하는 문제를 이해하기 위해 흑연이 부드러운 이유를 살펴볼 수 있습니다 . 그래핀의 개별 시트는 매우 강하지만 그래핀 시트 간의 결합이 약하기 때문에 흑연이 부드럽습니다. .
개별 탄소 나노튜브는 지금까지 발견된 가장 강력한 물질 중 하나이지만 강도가 유용하려면 서로 연결되어야 합니다 .
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탄소 나노튜브는 그래핀 시트를 튜브 모양으로 굴려서 얻을 수 있는 것입니다.
이것이 탄소 나노튜브가 종종 다른 재료의 첨가제로 사용되는 이유입니다. , 일반적으로 폴리머를 사용하여 특성을 개선합니다. 탄소 나노튜브는 강도를 추가합니다. 그리고 그들이 분산되어 있는 "매트릭스" 물질은 모든 것을 하나로 묶습니다. 그러나 이것은 우리에게 다음과 같은 질문을 남깁니다. 저 작은 탄소 나노튜브가 벌크 재료보다 훨씬 더 강한 이유는 무엇입니까? 그들은 작기 때문에 강합니다.
탄소나노튜브의 강도의 핵심은 작은 크기로 인해 탄소의 이론적인 강도에 거의 도달한다는 사실에 있습니다. . 재료의 이론적인 강도는 결함이 없는 완벽한 결정을 깨는 데 필요한 응력입니다.
예를 들어, 순수 철의 이론 강도는 31.8GPa인 반면, 벌크 강철은 이론 강도의 2.5% 미만인 270-740MPa 범위의 강도를 갖습니다. 이는 전위로 알려진 작은 결함이 벌크 강철을 가상의 결함이 없는 결정에 비해 낮은 응력에서 소성 변형 및 파손에 취약하게 만들기 때문입니다. .
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정렬된 탄소 나노튜브의 SEM 이미지. © 프라운호퍼 IKTS
대량 재료는 이론적인 장점에 절대 근접하지 않습니다. 매우 조심스럽게 처리하더라도 대규모 재료는 필연적으로 미세 구조적 결함으로 끝납니다. 그것은 그들의 힘을 감소시킵니다. 이것이 또한 불행하게도 인간이 크고 완벽한 그래핀 시트를 제작할 가능성이 거의 없는 이유입니다. 2010년 노벨상 시상식에서 묘사된 원자 1개 두께의 그래핀 고양이 해먹처럼
이러한 큰 시트는 결함을 포함할 것이 확실합니다 힘이 약해지고 고양이가 해먹을 찢어버릴 것입니다. 따라서 대부분의 벌크 재료의 처리는 결함을 완전히 제거하기보다는 미세 구조적 결함의 영향을 제한하는 데 중점을 둡니다 . 현재 기술로는 결함이 없는 재료를 대량으로 만드는 것이 사실상 불가능합니다.
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전기화학적으로 성장한 TiO2 나노튜브의 전자현미경 이미지. 머리카락 너비보다 10,000배 더 작은 튜브는 현재 태양 전지보다 저렴할 가능성이 있는 태양 전지를 "성장"하는 새로운 기술로 유기 폴리머로 채워져 있습니다.
무결함 재료의 합성은 재료 부피가 매우 작은 경우 훨씬 더 실현 가능합니다. 간단히 말해서 매우 적은 양의 자료가 많은 양의 자료보다 통계적으로 결함을 포함할 가능성이 적습니다. , 그리고 소량의 재료는 결함이 거의 발생하지 않는 화학적 성장 과정을 통해 더 쉽게 생성할 수 있습니다.
따라서 결함이 없는 나노튜브를 대량으로 생성하는 것이 가능 , 그러나 결함이 없는 재료의 큰 모놀리식 조각을 만드는 것은 불가능합니다. 탄소 나노튜브는 초소형이기 때문에 매우 강력합니다. 이는 결함이 없는 것을 가능하게 합니다.
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실을 형성하기 위해 회전되는 탄소 나노튜브.
또한 재료의 강도는 시편을 부수는 데 필요한 힘을 시편의 단면적으로 나누어 측정한다는 점을 염두에 두어야 합니다. , 제곱밀리미터(N/mm2)당 1뉴턴에 해당하는 메가파스칼(MPa)과 같은 단위가 됩니다. 따라서 강도 측정은 시편의 재료 양을 자동으로 보정하므로 결과적으로 직경 1cm 강철 막대의 강도를 직경 1μm 탄소 나노튜브의 강도와 비교할 수 있습니다.
작은 나노튜브는 결함이 전혀 없을 가능성이 훨씬 더 높습니다. , 따라서 매우 강력합니다. 그러나 강철 막대와 같은 크기의 부품을 만들기에 충분한 나노튜브를 묶으려면 섬유 강화 합성물을 만들어야 합니다. .
크기가 작고 결함이 없기 때문에 탄소 나노튜브가 초강력 나노물질이 됩니다. , 개별 다중벽 탄소 나노튜브는 11 – 63GPa의 강도를 보고했으며 이는 탄소의 이론적 강도 156.0GPa에 가깝습니다. 다른 재료도 초소형으로 만들 수 있음 , 철을 포함한 무결함 "위스커"는 나노 위스커 형태로 보고된 강도가 13GPa로 벌크강보다 철의 이론적인 강도에 훨씬 더 가깝습니다.
나노튜브에서 다른 많은 물질이 합성되었습니다. , 나노와이어 또는 위스커 형태가 실험실 조건에서 이루어지지만 탄소 나노튜브는 Goodfellow와 같은 공급업체에서 상업적으로 구입할 수 있는 몇 안 되는 초강력 나노물질 중 하나입니다.
탄소 나노튜브는 지금까지 발견된 가장 강력한 재료 중 하나입니다. 극히 작은 크기로 인해 결함이 없는 이론적 탄소 강도 달성에 가까워집니다. . 이것이 탄소 나노튜브가 다른 재료의 특성을 향상시키는 데 가장 일반적으로 사용되는 이유입니다. , 강도, 전기 전도성 및 열 전도성을 향상시키기 위해 폴리머 매트릭스에 첨가하는 경우와 같이
탄소 나노튜브의 강도는 섬유 강화 복합 재료에 일반적으로 사용되는 다른 섬유보다 훨씬 높습니다. 탄소 나노튜브의 우수한 전기 및 열 전도성 또한 전통적으로 금속이 사용되는 전자 애플리케이션을 위한 전도성 폴리머를 생성할 수 있습니다.
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강한 충격과 반복적인 사용을 견딜 수 있는 내구성 있는 고성능 부품이 필요한 경우 최고의 재료로 인쇄하는 것이 좋습니다. 하지만 어떤 필라멘트를 사용해야 할까요? 사용할 수 있는 재료 옵션은 셀 수 없이 많지만 각각은 특성이 다르며 상황에 따라 가장 적합합니다. 이 기사에서는 목록의 맨 위에 있어야 하는 고강도 3D 인쇄 필라멘트를 분석합니다. 인장 강도의 렌즈를 통해 3D 프린터 재료 강도 또는 재료가 늘어나면서 파손되지 않고 지지할 수 있는 최대 하중을 살펴보겠습니다. 필라멘트가 끊어지기 전에 늘어날 수 있는 정도를 나타내고
3D 인쇄는 1986년 척 헐(Chuck Hull)이 등장한 이후 몇 년 동안 존재하지 않았더라도 보이는 것처럼 최신 기술은 아닙니다. 3D Systems의 설립자인 은 최초의 3D 프린터를 기록합니다. 이것은 3D SLA 프린터(StereoLithoGraphy)로, 레이저 빔이 닿으면 광중합으로 굳어지는 수지를 사용합니다. 2년 후 , 스콧 크럼프 Stratasys의 창립자인 은 최초의 3D FDM 프린터(Fuse Desposition Modeling)를 선보이며 현재 사회 분야에서 가장 잘 알려진 3D 프린터 유형입니다. 둘