아라미드-세라믹 에어로젤 복합재는 경량 단열재, 기계적 강도 및 내마모성을 결합하여 항공우주, 전자제품 및 보호 장비에 사용됩니다.
아라미드-세라믹 복합재로 가혹한 환경에 대응하기
내마모성 및 단열성이 뛰어난 소재는 극한 환경에 맞게 설계될 경우 개발 및 제조 과정에서 예상치 못한 문제에 직면하는 경우가 많습니다. 소재는 충격 저항성과 같은 특정 특성을 유지해야 하지만, 고온에서는 성능이 저하되는 경향이 있습니다(특히 내열성 저하). 따라서 내구성이 뛰어난 단열 섬유를 제작하려면 여러 소재를 조합하는 복잡한 제조 공정이 필요한 경우가 많습니다.
아라미드 섬유 이러한 소재는 우수한 기계적 특성 덕분에 소방관 및 응급 구조대원용 장비와 같은 보호 장비에 널리 사용됩니다. 그러나 열적 특성은 그 활용도를 제한합니다. 상대적으로 높은 열전도율과 온도에 민감한 고분자 특성으로 인해 넓은 온도 범위에서 적절한 열 보호 기능을 제공하는 동시에 견고한 기계적 강도를 유지하기가 어렵습니다.
반면, 세라믹 에어로겔은 높은 비표면적과 낮은 밀도를 특징으로 하는 메조다공성 구조 덕분에 탁월한 단열 성능을 제공합니다. 그러나 이러한 초경량 소재는 기계적 취성이 강하고 기계적 성능이 떨어진다는 단점이 있습니다.
버팔로 대학교 연구진은 두 소재의 장점을 결합하여 뛰어난 기계적 및 열적 특성을 나타내는 내마모성 아라미드/세라믹 에어로젤 나노복합체를 개발했습니다.
(예를 들어, 꽃봉오리 위에 놓인 이 아라미드 에어로젤 나노복합체)
새로운 아라미드 에어로젤 나노복합체 샘플이 꽃봉오리 위에 놓여 있는 모습은 이 소재의 가벼운 특성을 보여줍니다. 이러한 특성 덕분에 이 새로운 나노복합체는 항공우주, 전자, 개인 보호 장비 등 극한 환경에서 사용되는 웨어러블 섬유를 저비용으로 생산하는 데 유망한 소재로 주목받고 있습니다.
버팔로 대학교 교수가 이끄는 연구팀은 밀도가 낮고(0.08 g cm⁻³), 열전도율이 낮으며(0.034 W m⁻¹ K⁻¹), 압축성이 뛰어난 첨단 아라미드-세라믹 에어로젤 복합 소재에 대한 연구 결과를 발표했습니다. 이 소재는 압축 강도가 1.1 MPa에 달합니다. 연구 과정은 아라미드 에어로젤 직물을 세라믹과 아라미드 사이의 현장 가교 반응을 통해 제조하는 방식으로 진행됩니다.
아라미드 섬유 실리카 에어로겔 전구체(HCl, CTAB 미셀, 요소, 규산나트륨)를 사용했습니다. 나노워크는 제조 공정에 대해 다음과 같이 설명합니다. "나노다공성 실리카 에어로겔과 아라미드 섬유 간의 현장 가교 반응을 통해 나노복합체를 생산하는 간단하고 확장 가능한 제조 전략을 사용했습니다. 결과적으로 생성된 나노복합체 섬유는 속이 빈 메조다공성 실리카 매트릭스와 상호 연결된 3차원 네트워크를 형성합니다." 에어로겔 섬유 구조는 상호 연결된 다공성 네트워크와 높은 함량의 공기 포집을 특징으로 하며, 이로 인해 아라미드 섬유-에어로겔 복합체는 -196°C에서 400°C에 이르는 극한 환경에서도 탁월한 단열 성능을 발휘합니다.
이 제조 방법의 핵심은 실리카 에어로겔 전구체와 아라미드 섬유 사이에서 일어나는 현장 가교 결합입니다. 상압 건조 공정 동안 전구체는 나노다공성 실리카 에어로겔로 변환되어 아라미드 섬유 위에 증착됩니다. 아라미드 섬유는 퍼콜레이션 네트워크를 형성하고, 실리카 에어로겔은 이 섬유 네트워크 위에 가교 결합되어 증착됩니다. 겔화 과정에서 형성된 아라미드 섬유와 에어로겔 사이의 계면 결합은 섬유 네트워크의 붕괴를 더욱 방지합니다.
이 나노복합 절연 소재의 우수한 특성을 성공적으로 입증한 연구팀은 이제 열 절연 및 내마모 시스템, 충격 방지 장갑, 열에 민감한 용도를 위한 구조 부품 등 특정 응용 분야를 연구하고 있습니다.
