본 연구에서는 미시역학 전산 모형을 통해 열 보호 시스템에 사용되는 내열 코팅 재료의 유효 열전도도와 탄성 계수를 산출하고 분석하였다. 상용 프로그램 Simpleware를 이용하여 HfC로 코팅된 탄소/탄소 복합재료의 삼차원 전산 모형을 생성한 후 유한요소 해석을 수행하였다. 유효 물성의 경향을 확인하기 위해 코팅층의 기공도와 두께 변화를 고려하였다. 또한, 실제 시편을 제작하여 실험에서 온도에 따라 측정된 열전도도와 해석에서 산출된 열전도도를 서로 비교하였으며 해석 결과가 측정값에 근접하였다. 이를 통해 내열 코팅 재료의 유효 물성을 산출하는데 있어서 미시역학 전산 해석이 적절함을 확인하였다.

본 논문에서는 재진입 환경에 노출된 탄소/페놀릭 복합재 구조물에 대한 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 열기계적 연계를 위한 해석 인터페이스를 상용 소프트웨어를 이용하여 구축하였다. 열분해 및 삭마에 따른 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 온도장과 변위장의 주요 지배방정식을 고려하였다. 구축한 해석 인터페이스를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재 구조물에 대한 열기계적 연계해석을 수행하였으며 이를 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험 결과와 비교하였다. 또한 탄소/페놀릭 복합재를 적용한 재진입 캡슐에 대한 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 이를 통해 탄소/페놀릭 복합재의 삭마 특성 및 열 보호 효과와 구축한 해석 인터페이스의 활용성을 확인하였다.

본 연구에서는 미세 단층 영상을 이용하여 삭마 복합재료의 전산 모델링 및 해석을 수행하였다. 탄소/페놀릭(carbon/phenolic) 복합재료의 삭마 실험은 0.4MW 아크 가열 풍동을 이용하여 수행하였다. 미세 단층 촬영기(Micro-CT)로 삭마 실험 전후의 복합재료 시편을 촬영하여 이진화된 단층영상을 생성하였다. 생성된 이진화 영상을 활용하여, 삭마 복합재료의 실제 미시 구조가 반영된 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형은 시편 횡방향의 특정 영역의 영상을 적층하여 개발하였다. 전산 모형은 실험 전 시편 영상에서 1종, 실험 후 시편 영상에서 8종, 총 9종의 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형을 통해 삭마에 의한 유효 물성을 예측하였으며, 기공도 증가에 따른 유효 물성 저하를 확인하였다.

본 연구에서는 삽입자(intercalators)의 카복실기 기능화가 흑연 산화물(graphite oxide)의 박리(exfoliation)에 미치는 영향을 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 분석하였다. MD 시뮬레이션에는 4층 그래핀 산화물(graphene oxide, GO) 시트의 분자 모델, 네 가지 서로 다른 용매(에탄올, 디메틸포름아미드, 테트라하이드로푸란, N-메틸-2-피롤리돈), 그리고 네 가지 서로 다른 삽입자(안트라센, 2-안트라센카복실산, 2,3-안트라센디카복실산, 2,6-안트라센디카복실산)를 사용하였다. GO 시트가 박리되기 시작하는 지점을 파악하기 위해 GO 시트의 분리(separation) 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 박리에 필요한 최소 운동 에너지를 얻고, GO-용매 및 GO-삽입자 상호작용 에너지를 계산하기 위해 삽입(insertion) 시뮬레이션을 사용하였다. 시뮬레이션 결과, GO-용매 및 GO-삽입자 상호작용은 박리에 필요한 최소 운동 에너지에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 안트라센에 카복실기 기능기가 더 많이 존재할수록, GO-삽입자 상호작용과 박리 과정에서 삽입자들의 효율이 모두 향상되었다. 이러한 결과는 GO 시트와 삽입 분자 사이의 상호작용 에너지를 증가시키는 것이, GO 시트 박리를 위한 용매 및 삽입자의 성능을 향상시키는 효율적인 방법임을 보여준다.