본 연구에서는 염수분무환경에 노출된 철도차량 차체용 탄소섬유/에폭시 복합재의 내구성을 조사하였다. 염수환경시험을 위해서는 해수와 가장 유사하도록 5% 염화나트륨 염수용액을 제조하여 사용하였다. 본 연구에 적용된 시편은 T700 탄소섬유직물을 에폭시 수지에 함침시킨 형태의 복합재 평판에서 채취하였다. 기계적 특성 시험을 통해 인장특성, 굽힘특성, 전단특성을 평가하였으며 동역학 측정장치를 통해 저장탄성계수, 손실탄성계수, 그리고 tan $\delta$ 등의 열분석 특성을 평가하였다. 또한 적외선 분광분석을 통해 노출기간에 따른 화학구조 변화도 조사하였다. 연구결과에 따르면 강화섬유가 지배적인 역할을 하는 기계적 특성은 염수환경에 영향을 받지 않지만 수지가 지배적인 역할을 하는 기계적 특성은 노출기간이 길어짐에 따라 점차 감소하는 양상을 나타낸다. 저장탄성계수는 노출기간에 큰 영향을 받지는 않지만 유리전이온도는 염수환경에 영향을 받으며 노출기간이 길어지면 감소하는 양상을 나타낸다. FT/IR 선도에서 관찰된 피크의 세기는 노출기간에 다소 영향을 받지만 피크의 형상과 위치는 노출 기간에 따른 변화가 관찰되지 않는다. 이로 미루어 볼 때 본 연구에 적용된 탄소섬유/에폭시 복합재는 염수환경에 비교적 안정함을 알 수 있다.
본 연구에서는 염수분무환경에 노출된 철도차량 차체용 탄소섬유/에폭시 복합재의 내구성을 조사하였다. 염수환경시험을 위해서는 해수와 가장 유사하도록 5% 염화나트륨 염수용액을 제조하여 사용하였다. 본 연구에 적용된 시편은 T700 탄소섬유직물을 에폭시 수지에 함침시킨 형태의 복합재 평판에서 채취하였다. 기계적 특성 시험을 통해 인장특성, 굽힘특성, 전단특성을 평가하였으며 동역학 측정장치를 통해 저장탄성계수, 손실탄성계수, 그리고 tan $\delta$ 등의 열분석 특성을 평가하였다. 또한 적외선 분광분석을 통해 노출기간에 따른 화학구조 변화도 조사하였다. 연구결과에 따르면 강화섬유가 지배적인 역할을 하는 기계적 특성은 염수환경에 영향을 받지 않지만 수지가 지배적인 역할을 하는 기계적 특성은 노출기간이 길어짐에 따라 점차 감소하는 양상을 나타낸다. 저장탄성계수는 노출기간에 큰 영향을 받지는 않지만 유리전이온도는 염수환경에 영향을 받으며 노출기간이 길어지면 감소하는 양상을 나타낸다. FT/IR 선도에서 관찰된 피크의 세기는 노출기간에 다소 영향을 받지만 피크의 형상과 위치는 노출 기간에 따른 변화가 관찰되지 않는다. 이로 미루어 볼 때 본 연구에 적용된 탄소섬유/에폭시 복합재는 염수환경에 비교적 안정함을 알 수 있다.
This study investigates the durability of carbon/epoxy composites for use on train car bodies under a salt water spray environment. Salt water solution with 5% NaCl, similar to natural salt water, was used for the salt water environmental tests. The specimens were obtained from a composite panel con...
This study investigates the durability of carbon/epoxy composites for use on train car bodies under a salt water spray environment. Salt water solution with 5% NaCl, similar to natural salt water, was used for the salt water environmental tests. The specimens were obtained from a composite panel consisting of an epoxy matrix reinforced with T700 carbon fabric. The specimens were exposed to the salt water environment for up to 12 months. Mechanical tests were performed to obtain tensile properties, flexural properties, and shear properties. Dynamic mechanical analysis was used to measure such thermal properties as storage modulus, loss modulus, and tan $\delta$. Also FT/IR tests were conducted to investigate changes in chemical structure with exposure. The results revealed that fiber-dominated mechanical properties were not affected much by exposure time, but matrix-dominated mechanical properties decreased with increasing exposure time. Storage modulus was not very sensitive to exposure time, but glass transition temperature was affected, slightly decreasing with increasing exposure time. Although the peak intensity of FT/IR curves was affected slightly by exposure time, the peak shape and peak location of FT/IR curves were not noticeably changed. Carbon/epoxy composites used for this study were relatively stable to the salt water environment.
This study investigates the durability of carbon/epoxy composites for use on train car bodies under a salt water spray environment. Salt water solution with 5% NaCl, similar to natural salt water, was used for the salt water environmental tests. The specimens were obtained from a composite panel consisting of an epoxy matrix reinforced with T700 carbon fabric. The specimens were exposed to the salt water environment for up to 12 months. Mechanical tests were performed to obtain tensile properties, flexural properties, and shear properties. Dynamic mechanical analysis was used to measure such thermal properties as storage modulus, loss modulus, and tan $\delta$. Also FT/IR tests were conducted to investigate changes in chemical structure with exposure. The results revealed that fiber-dominated mechanical properties were not affected much by exposure time, but matrix-dominated mechanical properties decreased with increasing exposure time. Storage modulus was not very sensitive to exposure time, but glass transition temperature was affected, slightly decreasing with increasing exposure time. Although the peak intensity of FT/IR curves was affected slightly by exposure time, the peak shape and peak location of FT/IR curves were not noticeably changed. Carbon/epoxy composites used for this study were relatively stable to the salt water environment.
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문제 정의
본 연구에서는 염수환경에 노출된 철도차량용 탄소섬유/에폭시 복합재의 내구성을 조사하기 위한 염수환경 시험방법을 제시하고 염수환경시험을 통해 내구성 평가를 수행하였다. 이때 염수환경시험은 염수분무환경을 고려하였으며 최대 12개월까지의 노출기간에 따른 복합재의 기계적 특성, 열분석 특성, 화학구조 특성을 평가하였다.
염수분무환경에 노출된 탄소섬유/에폭시 복합재의 내구성 평가를 통해 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
5% 정도의 굽힘강성이 감소한다고 하였다. 또한 복합재가 환경인자에 노출된 경우 전자현미경을 통해 섬유 표면 손상, 섬유와 수지 사이의 계면 손상, 층간분리 등의 현상을 가시화하였다. Zhang[5] 등은 유리섬유/비닐에스터 복합재에 대해 염수용액에 노출된 경우, 옥외 자연에 노출된 경우, 가속 열환경에 노출된 경우를 고려하여 환경인자에 장기간 노출된 복합재의 특성 저하를 조사하였다.
5%이다. 복합재 시편을 제작하기 위해 철도차량 차체 제작용 프리프레그를 블리드 및 필 플라이와 함께 원하는 두께로 적층하고 실리콘 진공백으로 몰드 전체에 덮은 다음 오토클레이브를 통해 규정된 압력과 온도를 적용하여 성형하였다. 성형이 완료되면 다이아몬드 휠을 이용하여 복합재 적층판에서 인장시편, 굽힘시편, 전단시편을 채취하였다.
동역학 측정장치를 통해 시편에 가해진 동적신호에 대한 시편의 응답거동을 측정하면 저장탄성계수 E', 시편이 변형될 때 내부마찰로 인한 방출에너지의 척도인 손실탄성계수 E", 시편의 감쇠성능 척도인 tan δ를 얻을 수 있다. 복합재의 열분석 특성을 평가하기 위해 길이가 60mm, 폭이 10mm, 두께가 2.5mm인 복합재 시편을 스팬이 35mm가 되도록 시편 양단을 고정시킨 다음 진폭 20um, 주기 1.0Hz의 굽힘하중을 작용하였다. 이때 온도는 30℃에서 2℃/min의 온도상승률로 250℃까지 가하였다.
4에는 염수환경에 노출된 복합재 시편의 화학구조 변화를 조사하기 위한 ATR(Attenuated total reflectance) 적외선 분광분석장치(VERTEX-70, Bruker Optics, Germany)가 나타나 있다. 시료는 염수분무환경에 최대 6개월까지 노출된 경우를 고려하였으며 4000~700cm-1 영역에서 32회 스캔하여 얻은 평균 스펙트럼을 수집하여 화학구조 변화를 분석하였다.
시험장치는 하중시험기(Zwick/Z100, Zwick), 신호증폭기(2300 Amplifier & Signal Conditioner, Measurements Group), A/D 변환장치(PCI-MIO-16E, National Instruments) 등으로 구성되어 있다. 시편에 형성된 변형률은 인장시험의 경우 Extensometer, 굽힘시험의 경우 LVDT를 적용하였다. 작용하중, 변위, 변형률 등의 자료는 A/D 변환장치가 장착된 개인용 컴퓨터를 통해 초당 10개씩 수집하였다.
염수분무시험이 진행되는 동안 분무실온도, 포화조온도, 분무압력, 염수분무량, 염수농도 등의 조건이 유지되도록 적용하였다. 염수분무기간은 최대 12개월이며 염수환경이 복합재의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 1개월, 2개월, 4개월, 6개월, 12개월 등의 노출기간을 고려하였다.
시편고정장치에 장착된 복합재 시편은 연직선에 대하여 25°로 놓이게 하여 분무된 염수가 시편의 표면이 균일하게 노출되도록 하였다. 염수분무시험이 진행되는 동안 분무실온도, 포화조온도, 분무압력, 염수분무량, 염수농도 등의 조건이 유지되도록 적용하였다. 염수분무기간은 최대 12개월이며 염수환경이 복합재의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 1개월, 2개월, 4개월, 6개월, 12개월 등의 노출기간을 고려하였다.
염수환경에 노출된 복합재 시편의 열분석 특성을 평가하기 위해 Fig. 3에 나타난 동역학 측정장치(DMA 2980, TA Instrument)를 적용하였다.
본 연구에서는 염수환경에 노출된 철도차량용 탄소섬유/에폭시 복합재의 내구성을 조사하기 위한 염수환경 시험방법을 제시하고 염수환경시험을 통해 내구성 평가를 수행하였다. 이때 염수환경시험은 염수분무환경을 고려하였으며 최대 12개월까지의 노출기간에 따른 복합재의 기계적 특성, 열분석 특성, 화학구조 특성을 평가하였다.
대상 데이터
복합재 구조물이 해수환경에 인접해 있는 경우를 고려하여 해수와 동일한 염수용액을 이용하였다. 염수분무시험기는 염수용액을 저장하는 저장소, 포화조 및 분무실의 내부 온도와 분무압력을 조절하기 위한 제어기, 분무실로 압축공기를 제공하는 압축기, 염수분무가 분무실 내부에 고르게 분사되는지를 확인하기 위한 분무량 측정계 등으로 구성되어 있다.
본 연구에서 적용된 복합재는 T700-12K의 탄소섬유 원사로 직조된 8매 주자직 직물로 되어 있다. 이때 경사와 위사의 밀도는 각각 4.
복합재 시편을 제작하기 위해 철도차량 차체 제작용 프리프레그를 블리드 및 필 플라이와 함께 원하는 두께로 적층하고 실리콘 진공백으로 몰드 전체에 덮은 다음 오토클레이브를 통해 규정된 압력과 온도를 적용하여 성형하였다. 성형이 완료되면 다이아몬드 휠을 이용하여 복합재 적층판에서 인장시편, 굽힘시편, 전단시편을 채취하였다.
이들 시편의 형상은 미국표준시험규격에 근거하여 제작하였으며 시험절차는 인장시험의 경우 ASTM D3039[8], 굽힘시험의 경우 ASTM D790[9], 전단시험의 경우 ASTM D5379[10]에 근거하여 수행하였다. 시편은 시험종류 및 시험조건에 따라 각 8개씩을 적용하였다. 시험장치는 하중시험기(Zwick/Z100, Zwick), 신호증폭기(2300 Amplifier & Signal Conditioner, Measurements Group), A/D 변환장치(PCI-MIO-16E, National Instruments) 등으로 구성되어 있다.
시험장치는 하중시험기(Zwick/Z100, Zwick), 신호증폭기(2300 Amplifier & Signal Conditioner, Measurements Group), A/D 변환장치(PCI-MIO-16E, National Instruments) 등으로 구성되어 있다.
1에는 본 연구에 적용된 염수분무시험기와 내부에 장착된 복합재 시편들이 나타나 있다. 이때 염수용액은 해수와 가장 유사한 5% 염화나트륨(순도 99.9%)과 증류수를 혼합하여 제조하였다. 염수환경시험은 ASTM B117[7]에서 제시한 조건에 따라 수행하였다.
시편에 형성된 변형률은 인장시험의 경우 Extensometer, 굽힘시험의 경우 LVDT를 적용하였다. 작용하중, 변위, 변형률 등의 자료는 A/D 변환장치가 장착된 개인용 컴퓨터를 통해 초당 10개씩 수집하였다.
이론/모형
9%)과 증류수를 혼합하여 제조하였다. 염수환경시험은 ASTM B117[7]에서 제시한 조건에 따라 수행하였다. 염수탱크로부터 공급되어진 염수용액은 포화조에서 생성되어진 뜨거운 공기와 혼합되어 일정한 압력으로 분무실의 노즐을 통해 분사된다.
2에는 염수환경에 노출된 복합재 시편의 인장특성, 굽힘특성, 전단특성을 평가하기 위한 인장시편, 굽힘시편, 그리고 전단시편의 형상이 나타나 있다. 이들 시편의 형상은 미국표준시험규격에 근거하여 제작하였으며 시험절차는 인장시험의 경우 ASTM D3039[8], 굽힘시험의 경우 ASTM D790[9], 전단시험의 경우 ASTM D5379[10]에 근거하여 수행하였다. 시편은 시험종류 및 시험조건에 따라 각 8개씩을 적용하였다.
성능/효과
(1) 강화섬유가 하중지지에 지배적인 역할을 하는 인장강도는 염수분무환경에 장기간 노출되어도 저하 정도는 크지 않지만 강화섬유와 수지가 하중지지에 역할을 하는 인장강성, 굽힘강성, 굽힘강도는 장기간 노출되면 저하 정도는 다소 커진다. 그러나 수지의 역할이 지배적인 전단강도는 장기간 노출되면 저하 정도는 심하게 나타난다.
(2) 저장탄성계수는 노출기간에 따라 큰 변화는 나타나지 않지만 유리전이온도는 노출기간이 길어지면 점차 감소하는 양상을 나타낸다.
(3) 복합재가 염수분무환경에 장기간 노출되면 FT/IR 선도에서 피크의 세기는 노출기간에 다소 영향을 받지만 피크의 형상과 위치는 노출기간에 무관하게 나타난다. 따라서 본 연구에 적용된 탄소섬유/에폭시 복합재는 염수환경에 노출되더라도 화학구조의 변화가 없으며 염수환경에 매우 안정적임을 알 수 있다.
이 경우도 C-O 결합과 마찬가지로 피크의 형상과 위치는 노출기간에 무관하게 일정하게 나타나지만 피크의 세기는 노출기간에 따라 다소 달라지는 양상을 나타낸다. 따라서 본 연구에 적용된 탄소섬유/에폭시 복합재는 염수환경에 노출되더라도 피크의 형상과 위치가 노출기간에 무관함으로 미루어 화학구조가 염수환경에 매우 안정적임을 알 수 있다. 그러나 피크의 세기는 노출기간에 영향을 다소 받음을 알 수 있으며 이는 노출기간에 따른 기계적 특성 변화와 밀접한 관계가 있을 것으로 판단된다.
(3) 복합재가 염수분무환경에 장기간 노출되면 FT/IR 선도에서 피크의 세기는 노출기간에 다소 영향을 받지만 피크의 형상과 위치는 노출기간에 무관하게 나타난다. 따라서 본 연구에 적용된 탄소섬유/에폭시 복합재는 염수환경에 노출되더라도 화학구조의 변화가 없으며 염수환경에 매우 안정적임을 알 수 있다.
9%인 자연해수에 30℃의 온도 조건으로 2년간 침수시킨 후 굽힘시험 및 모우드 I 파괴시험을 수행하였다. 연구결과에 따르면 복합재가 자연해수에 노출되면 굽힘특성은 흡수된 수분이 증가할수록 감소하지만 모우드 I 파괴인성은 해수환경의 영향에 거의 영향을 받지 않음을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재는 기존의 금속재에 비해 어떤점이 우수한가?
복합재는 기존의 금속재에 비해 비강성과 비강도가 높고 내열성과 내식성 등이 우수하여 항공우주, 선박, 교량 등 산업 전반에 널리 적용되고 있다. 최근에는 철도차량의 고속화 및 안정성을 위한 차체 소재로 적용하기 위해 많은 연구가 진행되었다.
복합재가 적용된 철도차량이 장기간 운행될 경우 무엇에 의해 복합재 차체에 노화가 발생되어 차량의 수명 및 성능이 저하될 우려가 있는가?
최근에는 철도차량의 고속화 및 안정성을 위한 차체 소재로 적용하기 위해 많은 연구가 진행되었다. 복합재가 적용된 철도차량이 장기간 운행될 경우 자외선, 온도, 수분, 염수 등의 자연환경에 의해 복합재 차체에 노화가 발생되어 차량의 수명 및 성능이 저하될 우려가 있다. 특히 해양환경에서 고려되는 수분 및 염분 등의 환경인자는 복합재의 계면 특성을 감소시키는 가소제 역할을 하여 다른 환경인자보다 복합재의 내구성에 지배적인 영향을 미친다.
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