염수 환경에 노출된 고강성 탄소/에폭시 복합재의 물성치 변화 연구 An Experimental Study on the Mechanical Properties of High Modulus Carbon-Epoxy Composite in Salt Water Environment원문보기
본 연구에서는 염수환경이 고강성 탄소-에폭시 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 시편은 UPN139B 탄소-에폭시 복합재로 제작하였고, 3.5% 염수에 0, 1, 3, 6, 9, 12개월 간의 침수 후 면내 인장시험과 전단시험을 수행하였다. 실험에서 온도 조절과 같이 흡수 시간을 절약하기 위한 특별한 가속방법은 사용하지 않았다. 섬유방향 및 기지방향 인장강도와 강성의 경우 12개월 동안의 침수에도 불구하고 특별한 변화를 발견할 수 없었다. 반면 12개월 침수 후 전단강도와 강성은 염수에 노출되지 않은 시편에 비해 약 10% 내외의 감소를 보였다. 본 연구를 통하여 UPN139B가 우수한 섬유방향 강성과 내부식성으로 인하여 염수환경에서 외부수압에 의한 좌굴을 지지해야 하는 구조물의 설계에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 염수환경이 고강성 탄소-에폭시 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 시편은 UPN139B 탄소-에폭시 복합재로 제작하였고, 3.5% 염수에 0, 1, 3, 6, 9, 12개월 간의 침수 후 면내 인장시험과 전단시험을 수행하였다. 실험에서 온도 조절과 같이 흡수 시간을 절약하기 위한 특별한 가속방법은 사용하지 않았다. 섬유방향 및 기지방향 인장강도와 강성의 경우 12개월 동안의 침수에도 불구하고 특별한 변화를 발견할 수 없었다. 반면 12개월 침수 후 전단강도와 강성은 염수에 노출되지 않은 시편에 비해 약 10% 내외의 감소를 보였다. 본 연구를 통하여 UPN139B가 우수한 섬유방향 강성과 내부식성으로 인하여 염수환경에서 외부수압에 의한 좌굴을 지지해야 하는 구조물의 설계에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
The main objective of this study is to investigate the effect of salt water on the mechanical properties of a high modulus carbon-epoxy composite. Specimens were made of a carbon-epoxy composite UPN139B of SK Chemical and tested under inplane tension and shear after 0, 1, 3, 6, 9, and 12 months imme...
The main objective of this study is to investigate the effect of salt water on the mechanical properties of a high modulus carbon-epoxy composite. Specimens were made of a carbon-epoxy composite UPN139B of SK Chemical and tested under inplane tension and shear after 0, 1, 3, 6, 9, and 12 months immersion in 3.5% salt water. Acceleration technique such as temperature elevation was not used. The tensile strengths and modulli in fiber and matrix direction did not show any remarkable degradation until 12 months immersion. In contrast to the tensile properties, shear strength and modulus started to gradually decrease up to about 10% of values of dry specimens after 12 months immersion. It was confirmed through the test that the material UPN139B can be an effective material for the shell structures in salt water to resist against the external pressure buckling because of the high fiber directional modulus and corrosion resistance.
The main objective of this study is to investigate the effect of salt water on the mechanical properties of a high modulus carbon-epoxy composite. Specimens were made of a carbon-epoxy composite UPN139B of SK Chemical and tested under inplane tension and shear after 0, 1, 3, 6, 9, and 12 months immersion in 3.5% salt water. Acceleration technique such as temperature elevation was not used. The tensile strengths and modulli in fiber and matrix direction did not show any remarkable degradation until 12 months immersion. In contrast to the tensile properties, shear strength and modulus started to gradually decrease up to about 10% of values of dry specimens after 12 months immersion. It was confirmed through the test that the material UPN139B can be an effective material for the shell structures in salt water to resist against the external pressure buckling because of the high fiber directional modulus and corrosion resistance.
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문제 정의
본 연구에서는 고강성 탄소섬유 복합재료 UPN139B가 염수 환경에 노출될 때 노출시간에 따라 면내 인장 및 전단 물성치가 어떻게 달라지는지를 연구하였다. 시험 결과 섬유 방향은 물론 기지방향의 경우에도 12개월까지 인장 강도 및 강성의 뚜렷한 변화는 발견되지 않았다.
제안 방법
5%의 일정한 염도 유지를 위해 주 1회 주기적으로 물을 보충하였다. 시편은 실험 직전에 수조에서 꺼내고, 마른 수건으로 깨끗이 닦은 후 수분율을 측정하고, 섬유방향 및 기지방향으로 변형률 게이지를 부착하였다. 시험은 수조에서 시편을 꺼낸 뒤 100분 이내에 완료하였다.
68 mm이다. 제작된 모재를 76 mm><20 mm로 재단한 후 Fig. 3에 보인 바와 같이 규격에 따라 전용가공 장치를 이용하여 중앙 부분에 직각의 노치(notch)를 만들었다. 시편 제작 후 변형률 게이지를 ±45º로 부착하였다.
시편은 침수기간별로 각각 5개씩 제작하였다. 침수 전 탭 (tab) 속으로 수분이 침투하는 것을 방지하기 위하여 접착식 실링 테이프(sealing tape)를 사용하여 탭 부분을 밀봉하였다. 침수를 위해 사용한 수조는 Fig.
구조물이 좌굴에 대한 높은 저항성을 갖기 위해서는 강도보다 강성이 커야 하는데 UPN139B는 USN125B에 비해 강성이 크게 개선된 재료이다. 침수기간은 0, 1, 3, 6, 9, 12 개월이고, 면내 인장시험과 전단시험을 수행하였다.
침수 전 탭 (tab) 속으로 수분이 침투하는 것을 방지하기 위하여 접착식 실링 테이프(sealing tape)를 사용하여 탭 부분을 밀봉하였다. 침수를 위해 사용한 수조는 Fig. 2에 보인 바와 같이 특별한 가속장치 없이 보통의 아크릴 재질로 제작하였고, 3.5%의 일정한 염도 유지를 위해 주 1회 주기적으로 물을 보충하였다. 시편은 실험 직전에 수조에서 꺼내고, 마른 수건으로 깨끗이 닦은 후 수분율을 측정하고, 섬유방향 및 기지방향으로 변형률 게이지를 부착하였다.
대상 데이터
이번에 사용한 UPN139B와 선행연구[16]에서 사용한 USN125B 탄소섬유의 재료특성은 Table 1에 정리하였다. USN125B의 탄소섬유는 Mitsubish Rayon사 TR50, UPN139B는 같은 회사의 HS40을 사용하고 있다. 수지는 두 재료 모두 같고 성형 후 밀도는 1.
거의 모든 섬유강화 복합재료에서 그렇듯이 파손 직전까지 응력-변형률 곡선은 선형적임을 알 수 있다. 강성과 Poisson 비는 규격에서 허용한 범위 내에서 선형 성이 비교적 잘 유지되는 1000~3000iie 부분에서 결정하였다.
본 시험에 사용된 재료는 SK 케미컬사의 UPN139B 고 강성 탄소-에폭시 프리프레그이다. 이번에 사용한 UPN139B와 선행연구[16]에서 사용한 USN125B 탄소섬유의 재료특성은 Table 1에 정리하였다.
시편은 침수기간별로 각각 5개씩 제작하였다. 침수 전 탭 (tab) 속으로 수분이 침투하는 것을 방지하기 위하여 접착식 실링 테이프(sealing tape)를 사용하여 탭 부분을 밀봉하였다.
인장 및 전단시험에 사용한 재료시험기는 Instron 5582이고, 상온에서 분당 1 mm의 변위제어로 하중을 가하였다. Fig.
제작하였다. 총 40장의 프리프레그를 사용하여 성형하였고, 전체 두께는 4.68 mm이다. 제작된 모재를 76 mm><20 mm로 재단한 후 Fig.
이론/모형
전단 물성치 측정을 위한 시편은 ASTM D5379[18] 규격에 따라 제작하였다. 총 40장의 프리프레그를 사용하여 성형하였고, 전체 두께는 4.
성능/효과
시편의 무게는 수조에서 꺼낸 후 마른 수건으로 표면 수분을 제거한 후 변형률 게이지를 부착하기 전에 측정하였다. 1년 후 시편의 수분율은 평균 0.36%(전단)~1.65%(섬유인장)이다. 12개월 후 기지방향 시편의 수분율은 시험과정상의 실수로 측정하지 못하였다.
4%이다. UPN139B의 12개월 후 전단강도와 강성의 감소율이 각각 9.5%와 10.8%인 점을 고려하면 수분율에 따른 강도저하는 USN125B에서 현저하고, 강성저하는 UPN139B에서 약간 더 큰 것을 알 수 있다. 전단강성의 절대값을 비교하면 UWN139B의전단강성이 침수 전 5.
전체적으로 12개월 동안 염수환경에의한 의미 있는 강도 변화는 없는 것으로 판단된다. USN125B에서도 침수 전 강도가 48 MPa이고, 12개월 침수 후 강도가 51 MPa로서 미세하게 증가하였다. UPN139B의 기지 방향 강도를 USN125B와 비교하면 침수 전 75%, 12개월 침수 후 69% 정도로 나타난다.
시험 결과 섬유 방향은 물론 기지방향의 경우에도 12개월까지 인장 강도 및 강성의 뚜렷한 변화는 발견되지 않았다. 그러나 12개월간 염수 환경에 노출된 시편의 전단 강도와 강성의 경우 염수환경에 노출되지 않은 시편 대비 각각 약 10% 정도 저하되었다. 구조물의 내 좌굴 설계에 가장 큰 영향을 미차는 섬유방향 인장강성은 UPN139B의 경우 12개월 침수 후에도 95% 이상 유지되었다.
어떻게 달라지는지를 연구하였다. 시험 결과 섬유 방향은 물론 기지방향의 경우에도 12개월까지 인장 강도 및 강성의 뚜렷한 변화는 발견되지 않았다. 그러나 12개월간 염수 환경에 노출된 시편의 전단 강도와 강성의 경우 염수환경에 노출되지 않은 시편 대비 각각 약 10% 정도 저하되었다.
8%인 점을 고려하면 수분율에 따른 강도저하는 USN125B에서 현저하고, 강성저하는 UPN139B에서 약간 더 큰 것을 알 수 있다. 전단강성의 절대값을 비교하면 UWN139B의전단강성이 침수 전 5.17 GPa, 技개월 침수 후 4.61 GPs이고, USN125B는 침수 전 6.05 GPa, 12개월 침수 후 3.26 GPa이다. 침수기간으로만 비교하면 침수 전에는 USN125B의 전단 강성이 높지만 12개월 침수 후에는 UPN139B의 전단강성이 더 높게 나타난다.
7% 감소)를 제외하면, 3, 6, 12개월 침수 후의 값의 변화는 무시할 만하다. 전체적으로 12개월 동안 염수환경에의한 의미 있는 강도 변화는 없는 것으로 판단된다. USN125B에서도 침수 전 강도가 48 MPa이고, 12개월 침수 후 강도가 51 MPa로서 미세하게 증가하였다.
17에 나타내었다. 침수 3개월까지는 거의 변화가 발생하지 않았으나, 침수 6개월 후부터 서서히 감소하여 침수 12개월에는 67 MPa로 침수 전 74 MPa과 비교하여 9.5%의 강도 감소가 나타났다. USN125B의 경우에는 그 경향이 더 뚜렷하다.
18에 제시하였다. 침수 전 5.17 GPa에서 침수 1개월부터 감소하여, 9개월 후에는 12.6%, 12개월 후에는 10.8%의 감소를 보인다. USN125B의 경우 12개월 침수 후 46%가 넘는 전단강성 감소를 보이지만 앞에서 언급한 바와 같이 수분율이 다르기 때문에 침수 기간만으로 상대적인 비교를 하는 것은 어렵다.
참고문헌 (18)
Kimpara I., 'Use of advanced composite materials in marine vehicles,' Marine structures, Vol. 4, No. 2, 1991, pp. 117-127
김제현, 문창권, '장시간의 수분흡수가 유리섬유/에폭시수지 복합재료의 계면특성에 미치는 영향,' 한국고분자학회지, 제22권, 제3호, 1998, pp. 468-477
Judd, N. C. W., 'Absorption of water into carbon fibre composite,' Society of Chemical Industry, Vol 9, No. 1, 1977, pp. 36-40
Loos, A. C. and Springer, G. S., 'Moisture absorption of graphite-epoxy composites immersed in liquids and in humid air,' Journal of composite materials, Vol. 13, No. 2, 1979, pp. 131-147
Chiou, P. and Bradley, W. L., 'Effects of seawater absorption on fatigue crack development in carbon/epoxy EDT specimens,' Composites, Vol. 26, No. 12, 1995, pp. 869-876
Miller, P. H., 'Effects of moisture absorption and test method on the properties of E-glass/Polyester hull laminates,' Journal of composite materials, Vol. 36, No. 9, 2002, pp. 1065-1078
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