생체모방 FRP 복합재: 고내구성 강화

해양 콘크리트 환경에서 섬유강화 고분자(FRP) 복합재는 낮은 층간 전단 강도와 알칼리 부식 저항성 문제로 적용에 제약이 있었습니다. 본 연구는 연잎의 초소수성 구조와 대나무의 경사형 관다발에서 영감을 받아, 시너지 효과를 내는 나노 계면과 거시적 섬유 네트워크를 통합한 하이브리드 FRP 복합재를 개발했습니다. 이를 위해 테트라에틸 오르토실리케이트-폴리메틸하이드로실록산(TEOS-PMHS)으로 개질된 흑연/탄소나노튜브를 에폭시 매트릭스 내 소수성 나노필러로 활용했습니다. 또한, 탄소/유리 섬유를 대나무 모방 경사 배열로 배치하여 이중 생체모방 접근법을 구현했습니다. 개발된 생체모방 FRP(BE-FRP) 보강근은 75.4 MPa의 층간 전단 강도를 보였으며, 60℃ 해수-해사 콘크리트(SWSC) 용액에서 120일 후에도 강도의 80.5%를 유지했습니다. 이는 기존 GFRP 보강근 대비 전단 강도 280% 증가, 강도 유지율 160% 향상에 해당합니다. 이러한 성능 향상은 다중 스케일 계면 시너지 효과에 기인합니다. 나노 스케일의 소수성 장벽은 부식성 이온 침투를 막고 에폭시 수지와 섬유 간의 응집력을 강화하며, 경사형 섬유 네트워크는 기계적 맞물림과 응력 재분배를 통해 균열 전파를 억제합니다. 이 생체모방 하이브리드화 접근법은 극한 환경에서 여러 특성 간의 상충 관계를 극복하는 차세대 복합재 설계의 새로운 패러다임을 제시합니다.