탄소나노튜브 스펀지로 채워진 샌드위치 패널

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21435(2022) 이 기사 인용

다공성이 높고 가벼운 탄소나노튜브 스폰지가 샌드위치 패널의 고출력 연속파 레이저 제거 저항에 미치는 영향을 실험적으로 조사했습니다. 비교를 위해, 연속파 레이저 조사를 받은 단일체 플레이트, 탄소나노튜브 필름 충전 샌드위치 패널, 충전되지 않은 샌드위치 패널 및 탄소나노튜브 스폰지 충전 샌드위치 패널의 열 반응을 분석했습니다. 실험 결과에 따르면 탄소 나노튜브로 채워진 샌드위치 패널의 레이저 저항은 채워지지 않은 구조보다 분명히 더 높습니다. 단위질량의 탄소나노튜브 스폰지를 코어에 충진함으로써 샌드위치 패널의 추가 파손시간은 기존의 절제 및 단열재를 충진한 경우에 비해 약 18배, 33배 더 길었다. 이는 탄소나노튜브 스펀지의 높은 열확산계수와 승화잠열로 이해할 수 있다. 연속파에 의한 절제시 탄소나노튜브 스펀지는 높은 승화잠열로 인해 대면적 물질의 상변화를 통해 흡수된 레이저 에너지를 빠르게 소모할 뿐만 아니라 연속파 레이저에 의해 도입된 열에너지를 빠르게 분산시킨다. 높은 열확산 계수로 인해 레이저 절삭 저항이 매우 뛰어납니다.

샌드위치 구조는 경량화 및 다기능 설계를 구현하기 위해 항공우주, 운송 등 엔지니어링 산업에서 널리 사용됩니다1,2,3. 또한 다양한 조건에서 성능을 크게 향상시키기 위해 고급 재료를 채우기 위한 수많은 오픈 셀 코어를 제공합니다4,5,6,7,8. 우리의 이전 연구에 따르면 경량 절제 재료를 코어의 빈 공간에 채우면 실패 시간이 지연될 뿐만 아니라 연속파(CW) 레이저 조사 샌드위치 패널의 손상 정도가 감소하는 것으로 나타났습니다9. 절삭재로 채워진 샌드위치 패널의 경우, 탄소 분말의 고온 상변화는 샌드위치 패널의 레이저 저항에 주도적인 역할을 하며, 수지 매트릭스는 주로 탄소 분말에 지지 효과를 발휘합니다. 따라서 구조적 중량이 거의 증가하지 않는 조건에서 코어에 충전된 순수 탄소를 열에너지 소산으로 최대한 활용하여 레이저 저항성을 향상시키는 것이 보다 효율적인 방법일 수 있습니다.

탄소나노튜브(CNT) 구조는 우수한 기계적 특성과 전기 및 열 전도성을 지닌 일종의 다기능 나노 소재입니다. 현재 엔지니어링 실무에 적용할 수 있는 CNT 필름과 CNT 스폰지를 대량으로 제작할 수 있습니다. 기계적 거동, 전도성 및 단열과 같은 CNT 스폰지의 특성뿐만 아니라 태양전지 및 상변화 물질 측면에서의 적용을 다루는 문헌에는 상당한 양의 지식이 있습니다11,17,18,19,20 ,21,22,23. 베어링 큰 변형 및 사이클 방지 실패의 장점을 통해 CNT 스폰지를 하중 지지 샌드위치 구조에 채워 하중 지지 및 단열과 같은 다기능 설계를 실현할 수 있습니다. CNT 스펀지는 거시적 열전도도가 매우 낮음에도 불구하고 열에너지는 CNT 방향을 따라 매우 빠르게 전달될 수 있습니다. 결과적으로 CNT 스폰지는 CW 레이저 조사에 의해 발생된 열 에너지를 분산시키고 샌드위치 패널의 고장 시간을 지연시킬 수 있었습니다.

고체 재료와의 레이저 상호 작용은 레이저 용접24,25, 레이저 드릴링26, 레이저 절단27 및 레이저 가공28, 레이저로 인한 손상9,29을 포함한 다양한 조건에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 다공성 물질에 대해 Chen et al.30은 펄스 자외선 레이저와 CNT 스폰지 사이의 상호 작용을 연구하고 CNT 스폰지에서 펄스 레이저로 인한 플라즈마 특성에 대해 논의했습니다. 고출력 CW 레이저 빔이 다공성 재료에 적용될 때 손상의 주요 메커니즘은 레이저 지점에서 재료가 증발하고 배출되는 것입니다. 실제로는 녹는점에 도달하는 뒷면 온도가 우리의 주요 관심사입니다.