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제목 질문 RE: 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문
작성자 전체관리자 등록일 2019-06-05 조회 364
첨부  
안녕하세요,

저희 기초과학연구원에 관심 가져주셔서 감사합니다.

해당 문의에 대해 다차원 탄소재료 연구단에 문의하였고

연구위원님께 아래와 같은 답변을 받았습니다.

----------- 아 래 -----------

1. 영률은 쉽게 말하면 탄성변형구간에서의stress/strain입니다. 즉, 직선구간의 기울기입니다. 인장강도는 보통 Ultimate tensile strength를 의미하는 경우가 대부분인데, 파단시의 stress 값이 됩니다.

2. 그래핀의 두께는 약 0.3 nm입니다. 이렇게 얇은 소재는 tensile test를 진행할 수가 없습니다. 너무 쉽게 부러집니다. 그래서 본 연구에서는 supporting layer 로 polycarbonate(PC)를 사용했습니다.

3.100nm 두께의 PC 와 그래핀 복합체의 영률은, 대충 30 MPa, 0.6% strain이 탄성변형구간이라고 하면, 30/0.006 = 5GPa 정도가 됩니다.

4.100nm PC 자체의 영률은 대충 10 MPa, 0.6% strain이라고 하면, 10/0.006= 1.6 GPa 정도가 됩니다.

5. 그러면 0.3nm 두께의 그래핀에 의한 영률 증가가 3.4 GPa 정도가 된다는 것을 알 수 있습니다.

6. 복합체에서는 혼합법칙 (rule of mixture)라는 법칙이 있습니다. 쉽게 설명하자면 100이라는 강도를 가진 물질 30%와 50이라는 강도를 가진 물질 70%를 통해 만들어진 복합체의 강도는(100 x 0.3) + (50 x0.7) = 75 의 강도를 가지게 됩니다.

7. 이제 혼합법칙을 통해 그래핀의 영률을 산출해 봅시다.
PC 그래핀 복합체에서 PC는 100 nm 이고 그래핀은 0.3 nm 이니 각각의 분율은 99.7%와 0.3% 정도가 되겠네요.그러면 (0.997 * 1.6 GPa) + (0.003 * X) = 5 GPa 이라고 할 경우, 그래핀 자체의 영률은 약 1TPa 이상이 나오네요.
이것은 설명을 위해 strain/stress값을 대충 넣어서 이런 것인데, 아마 수치를 정확히 사용한다면 논문에 게시한 정도의 영률이 나올 것입니다.

8. 그래핀은 약 0.8% 정도에서 파단됩니다. 영률은 물질 고유의 특성입니다. 0.8% 이상의 strain에서는 graphene 이 파단되어 더 이상 영률 향상에 기여하지 못하기 때문에 0.8% 이상에서는 PC그래핀 복합체의 기울기가 순수 PC의 기울기가 거의 같아지는 걸 보실 수 있으실 겁니다.

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앞으로도 IBS 연구에 응원부탁드립니다.

감사합니다.
세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문 게시판 상세보기
제목 답변 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문
작성자 김명훈 등록일 2019-05-31 조회 376
첨부  
안녕하세요?
Research News의 "그래핀의 기계적 특성을 측정하다."라는 글을 보고 문의드립니다.
로드니 루오프 교수님께서 측정한 그래핀 물성 커브를 보고 의문점이 있습니다.
올려놓으신 연구결과 중 [그림3]의 그래핀 인장시험 결과를 보면 100nm PC-G의 재질특성 중 strain 1.4%정도에서 대략 40MPa의 강도가 나옵니다. 그래프를 통해서 추정컨데, 어떻게 탄성계수가 수직방향 일때 683~775GPa, 수평방향일 때 725~905GPa이 나오는지 궁금합니다. 그리고 그래프 패턴이 인장강도 부분은 표시가 안되어 볼 수는 없지만, 대략 선형적으로 근사화하여 본다면 그래핀이 20% 수준의 strain에서 파단된다고 가정할 경우 500MPa의 내외의 인장강도를 갖을 수 있는 것으로 추정이 되고 있습니다. 결국 그래프를 통해서 본다면 인장강도는 500MPa 정도의 일반적인 고장력강 정도의 강도를 갖는 것으로 확인이 가능합니다. 그래프를 통해서 추정컨데, 제가 알고 있는 그래핀 재질의 Young's Modulus, 인장강도와는 차이가 많이 있어 보여서 질문을 드립니다.
관련하여 답변 주시면 감사하겠습니다.
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최종수정일 2019-01-30 19:14