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문제 정의
- 본 연구에서는 압력용기가 받는 환경노화를 고려하여 우레탄으로 표면코팅 처리된 용기의 외관 층인 복합재(CFRP, GFRP)를 고온, 수침 및 열충격의 가속조건으로 노화시켰을 때 재료의 물성 변화를 평가하였다.
- 본 연구에서는 우레탄으로 표면코팅 처리된 복합재 압력용기가 받는 다양한 환경 노화 거동을 미국 국방표준 (MIL-STD-810F)°)에 의거하여 파악하고자 한다. 이를 위해 압력용기의 외관층을 구성하는 복합재(CFRP, GFRP)를 선정하여 고온, 수침, 열충격의 가속조건으로 노화시켰을 때 재료의 인장강도, 굽힘강도, 전단강도, 층간강도 및 각하 중 모드에서의 탄성계수 변화를 평가함으로써 복합재료의 노화특성을 구한다.
제안 방법
- MIL-HDBK-17B 노화시험규격에 따라 각 시편을 70±r>c의 항온수조에 넣고 2주간 방치함으로써 수침노화 시편을 만들었다.
- 이를 위해 압력용기의 외관층을 구성하는 복합재(CFRP, GFRP)를 선정하여 고온, 수침, 열충격의 가속조건으로 노화시켰을 때 재료의 인장강도, 굽힘강도, 전단강도, 층간강도 및 각하 중 모드에서의 탄성계수 변화를 평가함으로써 복합재료의 노화특성을 구한다. 또한 노화되지 않은 시편과의 비교를 통해 표면 코팅이 노화 효과에 미치는 정도를 분석한다.
- 본 연구에서 수행한 인장시험, 굽힘시험, 전단시험은 Zwick 250 만능시험기를 사용하여 실시하였다. Fig.
- 우레탄으로 표면코팅 처리된 복합재료 시편의 실제 코팅효과를 알아보기 위해서 표면코팅 처리하지 않은 90° CFRP복합재 시편을 동일한 노화 조건에서 노화시키고 굽힘시험 후 물성을 비교해보았다. 표면 우레탄코팅층의 두께가 약 130|im이며 이 표피층의 탄성계수와 강도는 각각 90° CFRP복합재의 20%, 50% 정도로 작으므로, 코팅된 90° CFRP복합재료 시편의 탄성계수와 강도를 구할 때 코팅층의 두께를 제외한 원래의 시편 두께를 이용하여 계산했다.
- GFRP 복합재료의 경화조건은 30℃에서 8시간 1차 경화 후에 60℃에서 16시간 2차 경화를 실시하였고 승온시의 속도는 CFRP의 경우와 같았다. 이렇게 만든 평판형 복합재를 인장시편(15x250x0.8mm/0° 방향, 25시75x2.0mm/90° 방향), 굽힘시편(25x127x3.2 mm/0°방향, 25x76x3.2mm/90° 방향), iosipescu 전단시편(20x76x2.5mm), 증간 전단 시편(6.4x38.4x6.4mm)으로 절단하여 ASTM규격(지。) 에 따라 각 종류의 시편형상을 갖추도록 제작하였다. Fig.
- 이를 위해 압력용기의 외관층을 구성하는 복합재(CFRP, GFRP)를 선정하여 고온, 수침, 열충격의 가속조건으로 노화시켰을 때 재료의 인장강도, 굽힘강도, 전단강도, 층간강도 및 각하 중 모드에서의 탄성계수 변화를 평가함으로써 복합재료의 노화특성을 구한다. 또한 노화되지 않은 시편과의 비교를 통해 표면 코팅이 노화 효과에 미치는 정도를 분석한다.
- 표면 우레탄코팅층의 두께가 약 130|im이며 이 표피층의 탄성계수와 강도는 각각 90° CFRP복합재의 20%, 50% 정도로 작으므로, 코팅된 90° CFRP복합재료 시편의 탄성계수와 강도를 구할 때 코팅층의 두께를 제외한 원래의 시편 두께를 이용하여 계산했다. Fig.
- 필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 복합 재료가 고온과 저온이 반복되는 환경 하의 재료 내구성을 평가하기 위하여 열충격 노화시험을 실시하였다. 각 시편을 MIL-STD-810F 노화 시험규격에 따라 -4(TC의 일정온도에서 24시간 처리 후 다시 80K의 일정온도에서 24시간 처리하는 과정을 4 회 반복함으로써 저온(-40。(2)과 고온(80。(3)의 반복적인 열충격에 의해 노화된 시편을 만들었다.
- 필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 복합 재료가 장시간 침수되거나 강우 환경에서 사용될 때 야기될 수 있는 노화에 대한 내구성을 평가하기 위하여 수침 노화시험을 실시하였다. MIL-HDBK-17B 노화시험규격에 따라 각 시편을 70±r>c의 항온수조에 넣고 2주간 방치함으로써 수침노화 시편을 만들었다.
- 필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 복합재료에 대해 고온 내구성을 평가하고자 고온노화시험을 실시하였다. 각 종류의 시편을 MIL-STD-810F 노화시험규격°)에 따라 100℃ 열풍오븐에 넣고 3주간 방치하였다.
대상 데이터
- 본 시험에 사용된 복합재료인 T700/Epon-826 탄소섬유/에폭시 시편 (CFRP) 과 E-glass/Phenolic 시편(GFRP)은 필라멘트 와인딩(filament winding)공법을 사용하여 한국화이바에서 제작하였다. 필라멘트 와인딩 공법은 섬유 스트란드(fiber strands) 혹은 필라멘트(filaments)를 일정 형상의 회전 맨드렐(mandrel)상에 감은 후 경화시켜 복합재료 구조물을 제작하는 방법이다.
데이터처리
- 본 연구에서 수행한 인장시험, 굽힘시험, 전단시험은 Zwick 250 만능시험기를 사용하여 실시하였다. Fig. 1의 각 종류의 시편에 대해서 최대강도와 탄성계수를 구하기 위해 시편 8개의 측정데이터값들 중에서 최대값과 최소값을 뺀 나머지에 대하여 평균을 구하고 오차범위를 계산하였다. 시험 후 데이터처리는 MIL STD 시험규격에서 추천하는 바와 같이 ASTM 기준에 따랐다.
- 2와 같이 수행하였으며, 전단탄성계수를 측정하기 위해서 CAS사의 2축 스트레인게이지(AE-11-TS30N-120-EL)와 NI사의 Strain gage conditioner(SCC-SG01)를 사용하였다. 또한 Labview 프로그램을 이용하여 데이터를 저장하고 후처리하였다. 전단탄성계수G는 섬유가 시편 길이 방향으로 배향된 iosipescu시편을 이용한 전단시험을 통해서 서로 직각인 2축의 응력-변형률 선도에서 선형성을 나타내는 1000~6000 #£(0.
이론/모형
- 1의 각 종류의 시편에 대해서 최대강도와 탄성계수를 구하기 위해 시편 8개의 측정데이터값들 중에서 최대값과 최소값을 뺀 나머지에 대하여 평균을 구하고 오차범위를 계산하였다. 시험 후 데이터처리는 MIL STD 시험규격에서 추천하는 바와 같이 ASTM 기준에 따랐다.
성능/효과
- (1) 0° 복합재의 경우, CFRP는 전반적으로 노화에 의한 인장강도 저하가 미미하였으나, GFRP 의 경우 우레탄 코팅에도 불구하고 고온 및 수분접촉에 의해 인장강도가 25%정도의 큰 저하를 보였다.
- (2) 90° 복합재의 경우, 수분 접촉 노화에 의해 CFRP 와 GFRP 모두 인장강도가 28% 이상으로 크게 저하되었다. CFRP의 굽힘강도는 노화에 의해 전반적으로 감소하였지만, GFRP는 노화 후에 수지의 후경화의 영향으로 고온 및 열충격 노화에서 굽힘강도가 오히려 증가되는 것을 확인하였다.
- (3) 노화거동을 개선하기 위한 우레탄 표면코팅 효과를 굽힘특성으로 검토한 결과, 전체 노화 시험에 걸쳐 개선적 효과를 보이고 있으며 열충격 노화에서 약 20%정도로 큰 개선효과를 보였다. 단, 수침노화를 받은 90° 복합재의 굽힘 강도는 코팅에 의해서 오히려 21%만큼의 저하를 보여 향후 좀더 근본적인 분석이 필요하였다.
- (4) iosipescu전단강도와 전단탄성계수의 경우, CFRP와 GFRP가 모두 수침노화에서 상대적으로 큰 저하를 보였고, GFRP시편의 경우에는 각각 12%, 17% 만큼 저하했다. 전단강도는 고온 및 열충격 노화에서 오히려 증가하였다.
- 영향을 미치는데, 。*3 )수침노화에서 CFRP와 GFRP의 인장강도가 각각 50%, 28% 만큼 크게 저하하였다. 이는 우레탄 표면코팅에도 불구하고 90° 복합재는 수분흡수에 의해서 섬유/수지간 계면 강도와 수지자체의 강도가 크게 저하하였음을 나타내며, 에폭시 수지를 함유하는 CFRP의 경우가 페놀수지를 함유하는 GFRP보다 더 열화된 것이다.
- 90° 복합재의 굽힘강도에서는 Fig. 8과 같이 CFRP와 GFRP 각각 수침노화에서 52%, 48%만큼의 큰 저하를 보였으며 고온 및 열충격 노화에서는 9% 내의 열화거동을 나타냈다. 이는 90° 복합재의 굽힘강도가 역시 인장강도의 열화특성에 흡사하게 노화에 매우 민감함을 나타냈다.
- 저하되었다. CFRP의 굽힘강도는 노화에 의해 전반적으로 감소하였지만, GFRP는 노화 후에 수지의 후경화의 영향으로 고온 및 열충격 노화에서 굽힘강도가 오히려 증가되는 것을 확인하였다. 하지만 수침노화에서 CFRP와 GFRP는 각각 52%, 48%만큼의 큰 '저하를 보였으며, 고온 및 열충격노화에서는 9% 내의 열화거동을 나타냈다.
- 1(a)와 (b)는 각각 본 연구에서 사용한 CFRP와 GFRP시편의 내부구조를 주사형 전자현미경(SEM)으로 찍은 사진이다. CFRP의 섬유부피분율은 약 58%이었으며 탄소섬유와 에폭시 수지 사이의 계면접합상태가 매우 양호하고 수지중에 기공 등의 결함이 거의 없었다. 하지만, GFRP는섬유부피분율이 약 52%이었으며 유리섬유와 페놀수지 사이의 접합상태도 비교적 나쁜 편이었고 수지 내부에 다량의 기공(porosity)이 16% 정도 함유되어 있는 다공질 구조임을 알 수 있었다.
- 굽힘강도는 14%의 저하를, 0。GFRP의 경우에는 47%의 큰 저하를 보였으며 인장 강도에서 나타난 바와 같이 0° GFRP의 굽힘강도가 수침 노화에 민감함을 보였다. 고온노화에 의해서 0° CFRP는 미미한 감소를 보였지만 0° GFRP는 굽힘 강도의 편차가 고온 노화 전후에 유사한 수준이었지만 그 평균은 오히려 약간 증가거동을 보였다.
- 전체적으로 볼 때 iosipescu 전단 강도에 비해 층간전단강도의 값이 15~20MPa 정도 낮게 나왔으며 이는 실험방법에 따른 차이라고 간주할 수 있다. 노화에 따른 GFRP의 층간전단강도의 변동거동은 iosipescu전단강도의 변동거동과 유사하였지만, CFRP와 GFRP의 층간전단강도는 수침 노화 시에 각각 15%, 31%만큼의 현저한 저하를 보였다.
- 5), 수침노화 시편의 탄성계수 저하가 상대적으로 컸다. 또한 수침노화로 인해서 90° CFRP의 경우 (Fig. 6)는 탄성계수가 3%정도로 미미한 저하를 보였으나 Fig. 4와 같이 인장강도가 50%나 감소한 것은 수지부 및 탄소섬유/에폭시수지 계면 부에서 인장응력 집중에 의한 초기균열발생과 파단 거동이 수분흡수로 급격히 민감해졌음을 알 수 있다.
- 고온노화에 의해서 0° CFRP는 미미한 감소를 보였지만 0° GFRP는 굽힘 강도의 편차가 고온 노화 전후에 유사한 수준이었지만 그 평균은 오히려 약간 증가거동을 보였다. 또한, 열충격 가속노화를 받은 0° GFRP시편의 굽힘 강도는 노화하지 않은 시편보다 오히려 14% 정도 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 Fig.
- 코팅된 0。복합재의 인장 탄성 계수는 각 종류의 노화에 대해 비교적 미미하였으나(Fig. 5), 수침노화 시편의 탄성계수 저하가 상대적으로 컸다. 또한 수침노화로 인해서 90° CFRP의 경우 (Fig.
- 14는 0° CFRP 와 0° GFRP시편의 층간전단강도가 각종 노화시험에 따라 변동한 결과를 나타낸다. 전체적으로 볼 때 iosipescu 전단 강도에 비해 층간전단강도의 값이 15~20MPa 정도 낮게 나왔으며 이는 실험방법에 따른 차이라고 간주할 수 있다. 노화에 따른 GFRP의 층간전단강도의 변동거동은 iosipescu전단강도의 변동거동과 유사하였지만, CFRP와 GFRP의 층간전단강도는 수침 노화 시에 각각 15%, 31%만큼의 현저한 저하를 보였다.
- 할 필요가 있다. 즉, 본 시편의 코팅재료인 우레탄 수지가 수침노화에 취약하였음을 보여준다.
- CFRP의 섬유부피분율은 약 58%이었으며 탄소섬유와 에폭시 수지 사이의 계면접합상태가 매우 양호하고 수지중에 기공 등의 결함이 거의 없었다. 하지만, GFRP는섬유부피분율이 약 52%이었으며 유리섬유와 페놀수지 사이의 접합상태도 비교적 나쁜 편이었고 수지 내부에 다량의 기공(porosity)이 16% 정도 함유되어 있는 다공질 구조임을 알 수 있었다. 이들 기공들은 고온경화중에 페놀수지의 열분해로 인해 자발적으로 발생한 것이며, 전체 단면에 걸쳐 균등하게 분포하고 있다.
- 또한, CFRP는 섬유방향(0。)으로 수침 노화에 강했지만 섬유수직방향(90。)으로는 오히려 GFRP보다도 훨씬 약했음을 알 수 있다. 한편 층간 전단 강도(ILSS)는 iosipescu전단강도에 비해 열화 정도가 크게 나타났으며 이는 ILSS가 수지 자체와 섬유/수지간 계면부의 열화상태를 잘 나타내주는 방법이라고 해석된다.
후속연구
- 굽힘파괴시에 90。CFRP의 표면코팅부가 수분흡수로 인해서 취성적인 미세 표면균열을 먼저 일으키고 이 미세표면균열이 90° CFRP의 수지부나 섬유/수지간 계면 부에 응력집중을 일으켜 오히려 코팅효과가 부정적으로 나타난 것일 수 있어 향후 근본적인 원인분석을 할 필요가 있다. 즉, 본 시편의 코팅재료인 우레탄 수지가 수침노화에 취약하였음을 보여준다.
- 보였다. 단, 수침노화를 받은 90° 복합재의 굽힘 강도는 코팅에 의해서 오히려 21%만큼의 저하를 보여 향후 좀더 근본적인 분석이 필요하였다.
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