복합재료는 현재 항공-우주산업, 스포츠와 레저 산업에서 널리 사용되고 있으나, 흡습에 의해 기계적 성질이 저하하는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점에 대한 규명을 위해 $80^{\circ}C$의 수 환경(담수/해수)에서 $100{\sim}200일$ 동안 침지/침지 - 건조한 시편으로 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 전단강도의 하락은 초기에는 수지부의 흡습과 실란부의 흡습에 의한 물성저하 그리고 나중에는 실란부와 섬유와의 기계적 결합의 파괴가 주요원인으로 판단되었다. 결론적으로, 복합재료 내의 수분으로 인해 비가역구간을 넘어서게 되면 수분으로 인한 계면 파괴가 일어나 전단강도 회복이 어려워지는 것으로 판단된다.
복합재료는 현재 항공-우주산업, 스포츠와 레저 산업에서 널리 사용되고 있으나, 흡습에 의해 기계적 성질이 저하하는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점에 대한 규명을 위해 $80^{\circ}C$의 수 환경(담수/해수)에서 $100{\sim}200일$ 동안 침지/침지 - 건조한 시편으로 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 전단강도의 하락은 초기에는 수지부의 흡습과 실란부의 흡습에 의한 물성저하 그리고 나중에는 실란부와 섬유와의 기계적 결합의 파괴가 주요원인으로 판단되었다. 결론적으로, 복합재료 내의 수분으로 인해 비가역구간을 넘어서게 되면 수분으로 인한 계면 파괴가 일어나 전단강도 회복이 어려워지는 것으로 판단된다.
Composite materials are currently used in aero-space industry, sport and leisure industry but it has many problems such as mechanical properties deterioration by moisture absorption. In this study, we appraised interlaminar shear strength with specimen that immersed/ immersed-dried in water environm...
Composite materials are currently used in aero-space industry, sport and leisure industry but it has many problems such as mechanical properties deterioration by moisture absorption. In this study, we appraised interlaminar shear strength with specimen that immersed/ immersed-dried in water environment(distilled/sea) during $100{\sim}200$days. In the result, properties degradation of resin part and silan part by moisture absorption is judged early on main cause of interlaminar shear strength, and later destruction of mechanical bonding between silan part and fiber by moisture absorption is Judged later main cause of interlaminar shear strength. In conclusion, the recovery of interlaminar shear strength is judged to difficult due to interfacial destruction by moisture when pass over irreversible by moisture in composite material.
Composite materials are currently used in aero-space industry, sport and leisure industry but it has many problems such as mechanical properties deterioration by moisture absorption. In this study, we appraised interlaminar shear strength with specimen that immersed/ immersed-dried in water environment(distilled/sea) during $100{\sim}200$days. In the result, properties degradation of resin part and silan part by moisture absorption is judged early on main cause of interlaminar shear strength, and later destruction of mechanical bonding between silan part and fiber by moisture absorption is Judged later main cause of interlaminar shear strength. In conclusion, the recovery of interlaminar shear strength is judged to difficult due to interfacial destruction by moisture when pass over irreversible by moisture in composite material.
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문제 정의
특히 이러한 섬유강화 복합재료의 기계적 특성은 매트릭스 수지와 강화재 사이의 계면결합력에 크게 의존할 수 있으므로[4, 5], 섬유강화복합재료 라미네이트의 흡습에 의한 물성저하를 관찰하기 위해선 라미네이트 층과 층 사이의 층간 결합력을 판단하기 위한 전단강도 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이러한 섬유강화 복합재료의 흡습 시, 전단강도가 저하되는 원인에 대한 메커니즘을 명확히 하고, 이를 토대로 수분에 의한 복합재료 전단강도 저하의 본질을 규명하고자 하였다.
가설 설정
이때, 본 연구에서는 흡습시, 섬유강화 복합재료 적층판의 물성저하 메커니즘을 3가지 Step으로 구분하여 가정하였다.
제안 방법
(1) 5&±2℃ 오븐에서 사전건조 하여 일정해진 시편의 무게를 초기 값으로 사용하였다.
(3) 건조에 의한 전단강도의 회복을 수분제거로 인해 섬유와 기계적 결합의 회복이 가능한 가역(reversible)구간과 회복이 불가능한 비가역(irreversible)구간으로 설정하였다.
본 연구에서는 흡습에 의한 복합재료 전단강도저하의 원인에 대한 세 가지 메커니즘(1.수지고분자의 망상구조 사이에물 분자 의 침투, 2.강화재의 표면처리제와 수지와의 결합사이에 물 분자의 확산으로 인한 결합력 약화 3.실란부와 강화재섬유의 계면에서의 수분확산으로 인한 기계적 결합력의 저하) 을 설정하고, 이에 따라 수지계와 섬유계를 달리한 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
시편 중 흡습율이 비교적 높은 CE/P\W125℃ 경화용, GE/7781/125P 경화용 두 가지 시편에 대하여 건조 후 전단강도 시험하여 그 회복의 정도를 측정하였고, 이를 Fig. 10과 Fig. 11에 나타내었다.
그리고 흡습시간별로 건조한 시편의 전단강도를 동일한 방식으로 나타내어 건조를 하였을 시, 전단강도의 회복정도를 나타내었다. 이때 원래 전단강도와 비교하여 강도가 회복된 만큼의 구간을가역(reversible)구간, 건조에 의해서도 강도가 회복되지 않은만큼의 구간을 비가역 (irreversible) 구간으로 설정하였다. 가역구간은 건조에 의해 전단강도가 회복되는 구간으로 라미네이트 복합재료 내부의 수분을 제거함으로서 회복이 가능한 Step 1 과 Step 2에 의한 물성저하 구간으로 수분이 수지 및 실란부에 침투한 상태로 침투된 수분에 의하여 수지 및 실란부의 물성저하가 유발 되지만, 강화재 섬유와의 계면에 침투한 수분의 양이 적어 섬유와의 기계적 결합에는 큰 영향을 받지 않은 상태로 사료된다.
대상 데이터
또한 8-168, 8-276 에 등재되어 있는 Toray 사의 Carbon/ Epoxy(CE) Plain weave(PW) 타입에 수지함량이 각각 다른(35%, 42%)프리프레그를 사용하였다. 각각의 재료용 프리프레그는 분자 양 끝단에 에폭시기가 있는 이관능기 에폭시를 사용한 125℃경화용 프리프레그와 4개의 에폭시기를 가진 177P 경화용 프리프레그를 사용하였다. 이때, 본 연구에서 시편으로 사용된 프리프레그에는 정해진 제조규격에 따라 강화제인 섬유의 표면에 수지와의 결합력 향상을 위한 실란트 커플링제가 사용되었다[
220(42%)을 사용하였다. 또한 8-168, 8-276 에 등재되어 있는 Toray 사의 Carbon/ Epoxy(CE) Plain weave(PW) 타입에 수지함량이 각각 다른(35%, 42%)프리프레그를 사용하였다. 각각의 재료용 프리프레그는 분자 양 끝단에 에폭시기가 있는 이관능기 에폭시를 사용한 125℃경화용 프리프레그와 4개의 에폭시기를 가진 177P 경화용 프리프레그를 사용하였다.
시험 재료는 섬유에 에폭시수지를 미리 함침 시킨 프리프레그(prepreg)를 사용하였으며, 본 연구에서는 미국 보잉사의인증규격인 BMS 8-79, 8-139에 등재된 Cytec 사의 Glass/ Epoxy(GE) prepreg 중에서 수지함유량이 다른 제품 7781(36%), 220(42%)을 사용하였다. 또한 8-168, 8-276 에 등재되어 있는 Toray 사의 Carbon/ Epoxy(CE) Plain weave(PW) 타입에 수지함량이 각각 다른(35%, 42%)프리프레그를 사용하였다.
이론/모형
흡습/흡습 - 건조된 라미네이트 복합재료의 계면전단강도 (ILSS, Interlaminar Shear Strength)는 ASTM D2344 시험법인 Short Beam Shear Test를 이용하여 각 조건별로 5개 시편들의 시험값 평균을 측정하였다. 이때, 전단강도시험 시, Cross Head Speed는 1.
성능/효과
(1) 흡습율 측정 결과 고온 경화용 수지일수복 그리고 수지의 함량이 적을수록 재료의 흡습율은 저조한 것으로 판단되었다.
(2) 담수와 해수에서 흡습 후 전단강도 시험결과 저온 경화용시편의 실란부에 더 많은 수분의 침투로 인하여 강화재와의 층간 결합력이 저하한 것으로 판단된다.
(3) 흡습율은 침지 후 최초 2일 까지는 1일에 수회 정도 측정하고, 약 2주 후부터는 1일에 1회 정도 측정하였다.
(4) 전단강도하락은 초기엔 수지부의 흡습과 실란부의 흡습으로 인한 물성저하 그리고 나중에는 실란부와 섬유와의 기계적 결합의 파괴가 주요 원인으로 판단된다.
7은 탄소섬유 강화 복합재료 시편에 대하여 침지기간 별 전단강도 시험을 실시하였고, 그 결과를 본래 강도 값과의 비율로서 나타내었다. 그 결과 125℃ 경화용 시편이 상대적으로 침지 주기별 전단강도 하락이 월등히 커지는 현상을 보였다. 이는 층간 결합력을 판단하는 전단강도 시험에서 125-C 경화용 시편은 침투한 수분에 의하여 강화재와 수지의 층간결합부에 영향을 받아 물성이 저하한 것으로 판단된다.
0으로 하여 흡습시간에 따른 전단강도시험을 실시하였고, 이때의 전단강도를 원래 전단강도에 비교하여 비율로 나타내었다. 그리고 흡습시간별로 건조한 시편의 전단강도를 동일한 방식으로 나타내어 건조를 하였을 시, 전단강도의 회복정도를 나타내었다. 이때 원래 전단강도와 비교하여 강도가 회복된 만큼의 구간을가역(reversible)구간, 건조에 의해서도 강도가 회복되지 않은만큼의 구간을 비가역 (irreversible) 구간으로 설정하였다.
실란트 커플링제는 강화재로 사용되는 섬유와 수지를 화학적으로 결합시키는 역할을 하여 경화시에 화학적으로 안정한 복합재료를 형성시키는 역할을 한다. 앞선 실험 결과 복합재료내 흡습은 대부분 수지의 영향을 받으므로, 전단강도 시험에서 강화재와 수지의 계면결합력 약화는 경화시, 수지와 실란트 커플링제가 화학적으로 결합을 이루고 있는 실란부의 흡습에 영향을 받는 것으로 판단된다. 이때 형성된 실란부의 구조는 기본적으로 사용된 수지의 경화시의 고분자 망상구조에 영향을 받아, 125P 경화용 시편의 실란부가 177℃ 경화용 시편의 실란부보다 수분의 침투가 더 용이한 것으로 판단된다.
전체적으로 침지 후 약 10일 까지는 급격한 흡습율의 증가, 10일 이후에는 완만한 증가를 보이지만, 이때 각 시편별포화 흡습율은 차이를 보이고 있다. 즉 177℃ 경화용 시편은 1-2%, 125℃ 경화용 시편은 약 2.
받는 것이라 판단된다. 즉 고온 경화용 수지일수록 그리고 재료 내 수분이 침투 가능한 수지의 함량이 적을수록 흡습율은 저조한 것으로 판단된다.
후속연구
특히 섬유강화 복합재료는 수분/습기 환경에 노출되는 시간 및 반복 정도에 따라서 재료의 기계적 성질 및 물성저하가 심각한 수준에 이를 수 있다 그러므로 이러한 섬유강화 복합재료를 실제 산업에 사용하기 위해서는 실제 사용 환경 조건에서의 복합재료거동에 대한 충분한 이해가 선행되어야 한다. 특히 이러한 섬유강화 복합재료의 기계적 특성은 매트릭스 수지와 강화재 사이의 계면결합력에 크게 의존할 수 있으므로[4, 5], 섬유강화복합재료 라미네이트의 흡습에 의한 물성저하를 관찰하기 위해선 라미네이트 층과 층 사이의 층간 결합력을 판단하기 위한 전단강도 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이러한 섬유강화 복합재료의 흡습 시, 전단강도가 저하되는 원인에 대한 메커니즘을 명확히 하고, 이를 토대로 수분에 의한 복합재료 전단강도 저하의 본질을 규명하고자 하였다.
참고문헌 (11)
Y.H.Kim, S.H.Eum, B.K.Choi, J.C.Kim, S.C.Kwon, and Dutta, 'A Study on the Dimensional Stability of Interior Composite Panel Made by Vacuum Bagging and Han,' Key Engineering Materials, Pt2, 2004, pp. 1493-1498
Y.H.Kim, J.D.Kim, V.A.Shuripa, C.M.Yim, and T.G.Park, 'Rational Reinforcing of the Honeycomb Facets Variable Tickness for Wind Turbin,' Key Engineering Materials, Vol. 26, 2004, pp. 777-782
Shen, C.H. and Springer, G. S., 'Effect fo Moisture and Temperature on the Tensile Strength of Composite Materials,' Journal of Composite Materials, Vol. 11, 1997, pp. 2-16
Y.H.Kim, J.H.Son, B.K.Choi, Y.D.Jo, and K.J.Kim, 'Evaluation of Mechanical Properties of CFRP by VARTM and Its Application,' International Journal of Modern Physics B, Vol. 20, 2006, pp. 3896-3901
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