Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

수소는 탄소 배출 없이 연소하는 깨끗한 연료로, 미래의 차량과 우주선을 구동할 유망한 후보입니다. 그러나 이를 효과적으로 사용하기 위해 엔지니어들은 엄청난 압력이나 극저온 상태에서도 가스를 견딜 수 있을 만큼 매우 가볍고 강한 탱크에 막대한 양의 수소를 저장해야 합니다. 가장 진보된 저장 탱크는 탄소 섬유 층을 질긴 플라스틱 수지로 감싸서 만듭니다. 이러한 재료들은 금속보다 가볍지만, 숨겨진 약점이 있습니다. 액체 수소를 저장하는 데 필요한 극도의 추위로 온도가 떨어지면, 탱크 내부의 서로 다른 재료들이 서로 다른 속도로 수축한다는 점입니다. 이러한 불일치는 섬유 층 사이의 플라스틱에 미세한 균열을 만듭니다. 시간이 지나면서 이 균열들이 서로 연결되어 수소가 새어 나가는 통로를 형성할 수 있으며, 이는 잠재적으로 탱크의 파손을 초래할 수 있습니다. 과학자들은 이 탱크를 "자가 치유(self-healing)"가 가능하도록 만드는 방법을 연구해 왔습니다. 즉, 피부의 상처가 신체의 자연스러운 과정에 의해 아물 듯, 온도가 올라갈 때 미세한 균열을 자동으로 수리할 수 있게 하는 것입니다.

퀸 메리 대학교 런던 캠퍼스와 그래핀 이노베이션 맨체스터의 연구진은 이러한 자가 치유 탱크를 구축하는 방법에 관한 구체적인 퍼즐을 해결하기 위해 모였습니다. 그들은 에틸렌-메타크릴산(EMAA)이라는 특수 플라스틱을 추가하면 열을 가했을 때 재료가 스스로 복구되는 데 도움이 될 수 있다는 점은 알고 있었지만, 극저-온 환경의 극한 추위 속에서 이 치유 플라스틱을 어디에 배치해야 가장 잘 작동할지는 확신하지 못했습니다. 그들은 이 플라스틱을 탄소 섬 섬유 층에 넣는 두 가지 매우 다른 방법을 테스트했습니다. 첫 번째 방법은 마치 빵 두 조각 사이에 버터를 바른 것처럼, 적층 구조의 정중앙에 연속적인 형태의 치유 플라스틱 시트를 삽입하는 것이었습니다. 두 번째 방법은 층을 쌓기 전 탄소 섬유 표면에 동일한 플라스틱의 미세 입자를 분사하여, 구조 전체에 치유 재료를 흩뿌려 분포시키는 것이었습니다. 연구팀은 이 두 가지 설계를 동일한 조건에서 테스트함으로써, 어떤 배열이 반복되는 냉동 및 가열 주기 후에도 탱크를 가장 강하고 손상에 잘 견디게 유지할지 알아내고자 했습니다.

연구팀은 두 가지 방법을 모두 사용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱 샘플을 제작하고 엄격한 테스트를 실시했습니다. 먼저, 샘ples을 상온에서 잡아당겨 얼마나 단단하고 강한지 확인했습니다. 예상대로, 치유 플라스틱을 추가하면 기존의 수정되지 않은 샘플보다 약간 덜 단단하고 약해졌는데, 이는 해당 플라스틱이 교체된 에폭시 수지보다 부드럽기 때문입니다. 그러나 연구진이 샘플을 액체 질소 온도인 약 영하 196도까지 냉각했을 때, 그 거동은 극적으로 변했습니다. 모든 샘플은 훨씬 더 단단하고 강해졌는데, 이는 이러한 재료들이 추위 속에서 보이는 일반적인 반응입니다. 흥ari로운 점은, 분사된 입자 방식의 샘플은 원래의 강도를 회복하여 수정되지 않은 재료의 성능과 일치한 반면, 중간에 시트를 넣은 샘플은 여전히 약간 더 약했다는 것입니다. 이는 치유 입자를 섬유 표면에 넓게 퍼뜨리는 것이 하나의 두꺼운 층을 가운데 두는 것보다 초기 냉각 스트레스를 견디는 데 도움이 된다는 것을 시사했습니다.

하지만 진정한 시험은 연구진이 실제 수소 탱크가 경험할 법한 반복적인 손상과 치유를 시뮬레이션했을 때 찾아왔습니다. 연구진은 샘플에 하중을 가하고, 치유 플라스틱이 녹아 흘러 들어가도록 온도를 높였다가, 다시 냉각하는 과정을 4회 반복했습니다. 상온에서 수정되지 않은 샘플들은 테스트가 끝날 무렵 강성의 절반 이상을 잃었지만, 자가 치유 샘플들은 대부분의 강도를 유지했습니다. 중간에 시트를 넣은 샘플이 가장 좋은 성능을 보이며 원래 강성의 거의 90%를 유지한 반면, 분사된 샘플은 약 70%를 유지했습니다. 연구진이 이 혹독한 주기를 극저온 조건에서 반복했을 때, 그 차이는 더욱 결정적이었습니다. 수정되지 않은 샘플들은 누적된 손상으로 인해 네 번째 주기를 마치기도 전에 완전히 파손되었습니다. 반면, 두 가지 자가 치유 설계 모두 4회의 주기를 모두 견뎌냈습니다. 중간에 시트를 넣은 샘플은 살아남았을 뿐만 아니라, 손상이 시작되기 전의 원래 강도보다 더 높은 최종 강도를 보여주며 더 강해진 상태로 나타났습니다. 또한 파손되기 전까지 훨씬 더 많이 늘어났는데, 이는 치유 과정 이후에 더 유연하고 탄력적으로 변했음을 나타냅니다.

왜 중간 시트 방식이 추위 속에서 훨씬 더 잘 작동했는지 이해하기 위해, 연구진은 현미경으로 파손된 조각들을 자세히 관찰했습니다. 수정되지 않은 샘플들은 층 전체로 퍼져나간 균열의 혼란스러운 덩어리를 보여주었으며, 이는 재료가 복구할 수 없는 손상 네트워크를 형성했습니다. 분사된 샘플은 녹은 플라스틱 입자들이 작은 틈을 메우는 데 도움을 주어 어느 정도 개선된 모습을 보였으나, 손상은 여전히 재료 전체에 흩어져 있었습니다. 그러나 중간에 시트를 넣은 샘플은 다른 이야기를 들려주었습니다. 연속적인 치형의 플라스틱 층은 손상을 흡수하는 전용 구역 역할을 했습니다. 재료를 가열했을 때, 이 층은 흘러내려 분리된 부분들을 다시 결합했고, 효과적으로 균열을 닫고 패널 전체의 구조적 무결성을 회복시켰습니다. 연구진은 치유 과정 중에 이 중간층의 플라스틱이 가장자리로 약간 짜져 나오는 것을 관찰했으며, 이는 플라스틱이 녹아서 빈 공간을 채우기 위해 이동했음을 증명했습니다. 이러한 연속적인 흐름 덕분에 이 재료는 흩어진 입자 방식보다 훨씬 더 잘 하중을 견디는 능력을 회복할 수 있었습니다.

연구는 두 방법 모두 탄소 섬유 탱크의 내구성을 향상시키지만, 치유 플라스틱의 위치가 극한의 추위 속에서 성능을 결정짓는 핵심 요소라고 결론짓습니다. 층 중간에 연속적인 시트를 배치하는 것은 냉동과 해동에 의한 반복적인 균열로부터 가장 효과적인 보호를 제공합니다. 이 접근 방식은 재료가 부서지는 것을 방지할 뿐만 아니라, 각 주기 후에 강도와 유연성을 되찾도록 돕습니다. 비록 연구진이 이 특정 실험에서 가스 누출을 직접 측정하지는 않았지만, 중간 시트 설계가 연결된 균열 네트워크의 형성을 방지했다는 사실은 이 방식이 수소 누출을 막는 데도 매우 효과적일 것임을 시사합니다. 이 발견은 엔지니어들에게 차량 및 우주선용 차세대 경량 안전 재사용 수소 저장 탱크를 설계하는 명확한 길을 제시하며, 치유 재료를 배치하는 방식의 단순한 변화가 탱크가 가장 가혹한 환경에서 얼마나 잘 생존하는지에 근본적인 차이를 만들 수 있음을 보여줍니다.