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문제 정의
- 본 연구에서는 CFRC의 개발과정에서 생성되는 Green body와 CFRC에 대하여 압축과 굽힘시험을 고온 하에서 수행하였다. CFRC의 재료 특성상, 일반 복합재료의 상온에 대하여 ASTM에서 권장하는 굽힘 시험방법을 그대로 적용하지 않고, 인장강도/층간전단강도의 비에 따라 L/h 를 결정할 수 있는 식과 굽힘 파손식을 제안했다.
제안 방법
- 3) 온도증가에 따라 강도의 증가하는 현상과 파손 메카니즘에 대하여 거시적으로 고찰했다.
- CFRC에 대하여 고온 압축시험과 굽힘시험을 하여 온도 및 밀도의 변화에 따라 강도와 강성을 측정하고, 고온하에서 시험기법을 정립하여 다음 결론을 얻었다.
- CFRC의 재료 특성상, 일반 복합재료의 상온에 대하여 ASTM에서 권장하는 굽힘 시험방법을 그대로 적용하지 않고, 인장강도/층간전단강도의 비에 따라 L/h 를 결정할 수 있는 식과 굽힘 파손식을 제안했다.
- 는 Bundle로 짠 8주자직 직물이다. CFRC의 탄소섬유 프리폼의 초기 안정화 공정과 기공을 메우기 위한 고밀도화 제조공정을 거쳐서, 탄화와 재함침을 반복하여 제작하였다.
- 고온 시험시 시편에 편심이 발생되지 않토록 사진 2의 압축시험용 치공구를 고안했다. 사진 3에서 보는 바와 같이 2000P 의 온도까지 특수설계 제작한 고온로를 UTM 에 부착하여 시험을 수행했다.
- 그림 1과 같이 브레이크 디스크의 두께방향으로 보아 상부, 중앙부, 하부로 나누어 각각 채취하여 시편을 제작하였다. 상부와 하부는 촙형 (Chop molding compound) 이며,중앙부는 8주자직으로 배열된 직물구조이다.
- 또한, 시편의 스판 중앙부 한 점에서 최대 굽힘 모멘트로 굽힘강도를 정의하고 있기 때문에 정확도가 떨어져 탄성률 측정과 순수굽힘 파괴시험을 하는데 부적절하다. 따라서 중앙부의 양 부하점 사이에서 굽힘 모멘트가 일정하게 걸리고 안전설계 면에서도 바람직한 4점 굽힘법이 합리적이라고 인정되어, 본 연구에서는 사진 4와 같은 4점 굽힘시험 치공구를 사용하였다. 스판이 길거나, 한방향강화재와 같이 축방향 강도가 높으면, 파괴까지의 처 짐이 과대해져 되어 그 영향으로 하중-처짐 관계가 비선형으로 되고, 지지점 접촉점의 변화, 지점 반력방향의 경사가 있어 수평 방향에도 분력을 갖게 되어 굽힘모멘트의 크기가 미소 처짐을 전제로한 이론에 적합하지 않다.
- 사진 3에서 보는 바와 같이 2000P 의 온도까지 특수설계 제작한 고온로를 UTM 에 부착하여 시험을 수행했다. 로드 트레인 (Load-train) 의 한쪽 끝에 구형볼을 설치하여 시편에 편심없는 균일 압축 하중이 작용토록 하였다.
- 스판이 길거나, 한방향강화재와 같이 축방향 강도가 높으면, 파괴까지의 처 짐이 과대해져 되어 그 영향으로 하중-처짐 관계가 비선형으로 되고, 지지점 접촉점의 변화, 지점 반력방향의 경사가 있어 수평 방향에도 분력을 갖게 되어 굽힘모멘트의 크기가 미소 처짐을 전제로한 이론에 적합하지 않다. 본 연구에서는 ASTM의 4점 굽힘식율 수정하여, 보 지지대의 곡률반경과 지점 마찰의 영향을 고려할 뿐만 아니라 스판길이 (L)/높이 (h) 의 비가 과대해지면 CFRC 재료의 특성상 시편에 과도한 처짐이 발생하여 지지점 위 수평력을 고려한 최대웅력올예측할 수 있는 식 (1) 을 제시한다.
- 치공구를 고안했다. 사진 3에서 보는 바와 같이 2000P 의 온도까지 특수설계 제작한 고온로를 UTM 에 부착하여 시험을 수행했다. 로드 트레인 (Load-train) 의 한쪽 끝에 구형볼을 설치하여 시편에 편심없는 균일 압축 하중이 작용토록 하였다.
- 압축 시편의 경우 시편의 형상은 원기둥 모양(표 1참조)으로 직경 (10mm) X 높이 (13mm) 채취하였고, 굽힘시편의 모양과 크기는 Green body에 대해서는 현 ASTM 시험법7)에 준하고, CFRC의 시편은 상온과 고온 시험편으로 분류하여 각각 표준형과 축소형으로, 그림 1에서 채취한 시편의 모양은 표 1(굽힘 ) 의 그림과 같이 길이 (50mm) X 폭 (10mm) X 두께 (3rrun) 로 제작했다. 시편의 가공 및 제작은 다이아몬드 절단기, 분사수 (Water jet), 레이저 등을 이용하여, 절단부의 손상을 최소화하였다.
- 시편의 한쪽에 높은 온도를 갑자기 가하게 되면, 두께 방향의 큰 열응력으로 인한 충격으로 균열이 발생될 수 있음으로, 이런 열로 인한 충격 파손을 막기 위하여 로내의 온도를 그림 2와 같이 단계적 가열방법을 택했다.
- 상부와 하부는 촙형 (Chop molding compound) 이며,중앙부는 8주자직으로 배열된 직물구조이다. 압축 시편의 경우 시편의 형상은 원기둥 모양(표 1참조)으로 직경 (10mm) X 높이 (13mm) 채취하였고, 굽힘시편의 모양과 크기는 Green body에 대해서는 현 ASTM 시험법7)에 준하고, CFRC의 시편은 상온과 고온 시험편으로 분류하여 각각 표준형과 축소형으로, 그림 1에서 채취한 시편의 모양은 표 1(굽힘 ) 의 그림과 같이 길이 (50mm) X 폭 (10mm) X 두께 (3rrun) 로 제작했다. 시편의 가공 및 제작은 다이아몬드 절단기, 분사수 (Water jet), 레이저 등을 이용하여, 절단부의 손상을 최소화하였다.
대상 데이터
- 탄소 직물은 탄소섬유로 직조된 8매 주자직을 사용하였으며, 경사방향과 위사 방향으로의 Count수는 공히 1 인치당 11개이다. 따라서 유닛쎌 (Unit cell) 의 크기가 18.
이론/모형
- 압축시험은 압축강도, 파괴 변형률, 탄성률의 예측은 ASTM C695-91 시험방법에 준하여 시험하였고, 그 계산식은 다음과 같다.
- 탄화시편 및 밀도의 기공률의 측정은 ASTM">에 준했다. 우수한 물성값을 가진 CFRC를 제조하기 위해서는 탄화물의 고밀도화가 필수적이다.
성능/효과
- 1) 시편에 균일하게 응력이 걸리도록 압축굽힘 시험용과 4점 굽힘시험용 치공구를 새로 개발하여 2000℃까지 기계적 특성치를 얻었다.
- 2) 고온실험 결과값의 분산 정도가 큰 주원인은 기공의 분포기- 불 균일하기 때문이며, 시편의 폭이 유닛 쎌의 2배 이상 되어야만 측정값의 분산을 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 11개이다. 따라서 유닛쎌 (Unit cell) 의 크기가 18.5mm X 18.5mm인 8주자직의 시편은 Filament bundle의 크기에 따라 유닛 쎌의 크기가 정해짐으로 어떠한 경우도 시편의 폭은 유닛 쎌보다 커야 하며 가능한 한 유닛 쎌의 2-3 배 정도이어야 실험값의 심한 분산을 줄일 수 있음을 시험 중 확인할 수 있었다.
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