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문제 정의
- VARTM을 이용한 탄소/유리섬유 강화 하이브리드 복합체 제조시 수지의 함침 시간과 void 형성의 특성에 관하여 조사하였다. 탄소섬유를 내부에 위치시키고 위, 아래로 유리섬유를 적층한 복합체를 제작하였고, 내부 탄소섬유의 비율을 전체 시편의 두께 대비 100, 75, 50, 25, 0% 로 변화 시켜가며 실험을 수행하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 따라서, 본 연구에서는 유리섬유 프리폼의 중앙에 탄소섬유 프리폼(두께 비로 각각 100%, 75%, 50%, 25%, 0%) 을 삽입하여 VARTM으로 복합체를 제조할 때의 수지의 충전 속도와 하이브리드 섬유 강화 복합체의 기공형성 양상에 대하여 단일 섬유 강화 복합체의 경우와 비교하여 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 또한, 수지 함침중 경화 반응이 발생할 경우 완전 함침이 이루어지기 전에 더 이상의 수지주입이 불가능하게 되므로 수지의 가용시간(경화제 첨가 후 경화가 발생하기 전 저점도 상태의 유지 시간)이 적당해야 한다. 사용된 수지의 점도 특성을 확인하기 위해 경화제 첨가 후 25℃에서 점도를 측정하였으며 측정에 사용된 점도계는 Brookfield사의 DV-1+이다.
- 섬유강화 복합체의 void를 측정하는 데에 image analysis 가 매우 유용하고 신뢰도 높은 방법임이 많은 보고서에서 입증되었으므로 본 실험에서 void content의 측정은 image analysis를 선택하였다.“')각 시편의 void content는 image analyzer(Counter program, Mirero Co.
- 조사하였다. 탄소섬유를 내부에 위치시키고 위, 아래로 유리섬유를 적층한 복합체를 제작하였고, 내부 탄소섬유의 비율을 전체 시편의 두께 대비 100, 75, 50, 25, 0% 로 변화 시켜가며 실험을 수행하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 2. Carbon and glass fabric used in the experiment.
- 선택하였다.“')각 시편의 void content는 image analyzer(Counter program, Mirero Co. Korea)를 사용하여 분석하였으며, 시편의 종류마다 모두 10개씩의 시편이 분석 되었다. 시 편은 2.
- 섬유강화 복합체 제조를 위해 사용된 수지는 국도화학 f쥐의 YD-114 에폭시 수지이며, 경화제는 상온경화제인 D-230 33 wt%를 수지에 섞어 사용하였다. 수지의 점도는 VARTM에서 매우 중요하며, 보통 500 cps 이 하의 수지 를사용한다.
- Korea)를 사용하여 분석하였으며, 시편의 종류마다 모두 10개씩의 시편이 분석 되었다. 시 편은 2.5x1.5 cm의 크기로 제 작되 었으며 , void 는 ICS-305A video microscope(Sometech Co., Korea)을사용해 100배의 배율로 관찰되었다.
- 탄소섬유와 유리섬유를 사용하였다. 탄소섬유는 레이온계열의 섬유를 사용하였고, 유리섬유의 경우는 한국오웬스코닝社의 WR 580A 섬유를 사용하였다. 각각 섬유 모두의 직조형태는 아래의 Fig.
- 하이브리드 섬유 강화 복합체는 Fig. 3과 같이 제조하였으며, 흐름 특성 파악을 위한 시편의 크기는 33cmLx 12cmW이었다.
- 하이브리드 섬유 강화 복합체를 제조하기 위하여 직조된 탄소섬유와 유리섬유를 사용하였다. 탄소섬유는 레이온계열의 섬유를 사용하였고, 유리섬유의 경우는 한국오웬스코닝社의 WR 580A 섬유를 사용하였다.
이론/모형
- 하이브리드 프리폼의 영향을 보기 위한 실험 역시 같은 방법으로 진행되었다.8) 또한, 각 단일 프리폼 복합체의 섬유체적비는 ASTM 31기에 의거하여 질산에 경화된 복합체를 녹여 측정하였으며, 각 종류별 복합체의 밀도는 water displacement method를 사용하여 측정하였다.
- 단일 프리폼의 투과도 즉, 탄소섬유와 유리섬유 각각의 투과도를 측정하기 위하여 Fig. 3과 같이 일방향으로 수지를 주입하는 unidirectional flow method를 사용하였으며, 주입시점부터 프리폼이 완전히 채워지는 시간을 측정하였다. 하이브리드 프리폼의 영향을 보기 위한 실험 역시 같은 방법으로 진행되었다.
- 하이브리드 프리폼의 투과도는 Darcy의 법칙에 의하여 예측이 가능하다. 레이놀즈의 수가 1 이하의 경우 2차원의 프리폼을 통과하는 유체의 흐름 속도 Vj는 아래 의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 1.단일 섬유 강화 복합체의 투과도 및 porosity를 통해 하이브리드 섬유 강화 복합체의 투과도 및 수지의 함침 시간을 예측할 수 있었으며, 실제 측정값과 근사한 값을 보였다. 또한, 투과도가 작은 섬유의 체적 비율이 증가 할수록 전체 하이브리드 프리폼의 투과도는 감소하며, 수지함침 시간 역시 늘어나게 된다.
- 2.내부에 투과도가 상대적으로 낮은 섬유를 위치시켰을 경우 수지의 흐름 속도 차이와 두께 방향 수지 흐름의 영향으로 인하여 trapped void가 발생하며, 이는 VARTM 을 적용한 하이브리드 섬유 강화 복합체제조시 void의 증가를 가져오게 된다.
- 은 프리폼간에 속도 구배가 발생할 경우 “enclosed area”에 의해 dry spot 즉, 수지에 함침되지 않는 부분이 생김을 보고하였다. 3)따라서, 본 실험의 경우 투과도가 작은 탄소 섬유가 내 부에 들어 있으므로 두께별 수지의 속도 구배 가 발생하게 되고, 이는 trapped void의 발생으로 단일 섬유로 제작된 복합체보다 더 많은 양의 void content를 포함하게 되었다고 판단된다.
- 계산된 수지의 하이브리드 프리폼에 대한 함침 시간 또한 실제 측정 시간과 잘 일치함을 볼 수 있으며, 하이브리드 프리폼의 투과도 및 함침 시간은 예측이 가능함을 알 수 있다. Darcy가 제안한 수지의 흐름 특성은 프리폼의 porosity, 크기, 모양 그리고 방향성 등에 좌우된다.
- 따라서, 사용된 수지의 가용시간이 약 60분 정도이며, 점도 또한 200cps로 VARTM에 적용하기에 적당한 수지임이 판단되었다.
- Darcy가 제안한 수지의 흐름 특성은 프리폼의 porosity, 크기, 모양 그리고 방향성 등에 좌우된다. 따라서, 조밀한 미세구조에 의해 투과도가 상대적으로 낮은 탄소섬유의 첨가 비율에 의해 수지의 유동 특성은 달라지게 되는데, 탄소섬유의 체적이 증가할수록 수지의 함침 시간은 늘어나게 됨을 알 수 있으며, 이는 이전의 연구자들에 의한 보고와 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.S)
- 4에 사용된 수지의 시간에 따른 점도 변화를 나타내었다. 시간이 지남에 따라 경화 반응이 발생하게 되어 수지의 점도가 점점 증가함을 나타내고 있으며, 초기 약 60분 동안 점도의 변화는 200cps에서 변화가 없는 것으로 측정되었다.
- 유리섬유의 경우 탄소섬유보다 섬유체적비가 약 10% 정도 낮게 나왔는데, 이는 porosity가 탄소 섬유보다 큼을 나타낸다. 실험을 통해 측정된 투과도 역시 유리섬유가 크게 나타났고, 이에 따른 수지의 함침 시간 또한 유리섬유가 탄소섬유보다 짧게 나타났다.
- 즉, porosity가 작은 탄소섬유의 양이 증가함에 따라 하이브리드 프리폼의 porosity 및 투과도가 감소함을 보인다. 계산된 수지의 하이브리드 프리폼에 대한 함침 시간 또한 실제 측정 시간과 잘 일치함을 볼 수 있으며, 하이브리드 프리폼의 투과도 및 함침 시간은 예측이 가능함을 알 수 있다.
- 5의 탄소섬유와 유리섬유의 복합 체제 조 후의 단면사진을 보면 수지 흐름의 통로인 porosity의 차이를 볼 수 있다. 즉, 탄소섬유의 굵기는 7 μ이 이고, 유리섬유의 굵기는 약 22μ이로서 상대적으로 조밀한 탄소섬유 프리폼의 porosity가 유리섬유보다 작음을 알 수 있으며, 이 porosity의 차이가 하이브리드 섬유강화 복합체를 WRTM으로 제조 시에 수지 함침 시간과 기공의 형성에 영향을 주게 될 것으로 판단되었다.
- G-75를 제외한 나머지 시편의 유리섬유 부분의 void content는 단일섬유 시편의 경우와 하이브리드 시편의 경우 모두 큰 차이가 없으나, 탄소섬유의 경우 단일 탄소섬유의 void content 보다 하이브리드 시편의 탄소섬유 내의 void content가 약 두 배임을 보인다. 즉, 하이브리드 섬유 강화 복합체의 void content 증가는 탄소섬유 내부에 포함되는 void content의 증가에 기인한 것임을 알 수 있으며, 이는 trapped void에 의한 void content의 증가임을 나타낸다.
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