상온 및 저온에서의 탄소와 유리섬유/에폭시 복합재료의 계면특성 비교 Comparison of Interfacial Aspects of Carbon and Glass Fibers/Epoxy Composites by Microdroplet Tests at Low and Room Temperatures원문보기
극저온 온도에서 최적복합재료물성치의 사전 연구로서, 실온과 저온, 즉 $25^{\circ}C$와 $-10^{\circ}C$에서 카본 혹은 유리섬유가 함침된 에폭시 복합재료의 계면 물성치가 미세역학인 시험법을 사용하여 평가되었다. 인장과 압축하중 조건에서 저온에서의 기계적인 강성도가 상온에서의 강성도보다 증대하였다. 실온과 저온에서의 계면전단강도가 에폭시 기지의 인성과 겉보기 강성도를 사용하여 상호 비교하였다. 기지의 강성도 향상으로 인해 계면전단강도가 실온보다 저온에서 높게 나타났다. 유리와 카본 섬유의 인장 강도들의 통계적인 분포가 다른 온도의 범위 평가되었고, 이것들은 섬유의 고유결함과 견고함에 의해서 결정된다.
극저온 온도에서 최적복합재료물성치의 사전 연구로서, 실온과 저온, 즉 $25^{\circ}C$와 $-10^{\circ}C$에서 카본 혹은 유리섬유가 함침된 에폭시 복합재료의 계면 물성치가 미세역학인 시험법을 사용하여 평가되었다. 인장과 압축하중 조건에서 저온에서의 기계적인 강성도가 상온에서의 강성도보다 증대하였다. 실온과 저온에서의 계면전단강도가 에폭시 기지의 인성과 겉보기 강성도를 사용하여 상호 비교하였다. 기지의 강성도 향상으로 인해 계면전단강도가 실온보다 저온에서 높게 나타났다. 유리와 카본 섬유의 인장 강도들의 통계적인 분포가 다른 온도의 범위 평가되었고, 이것들은 섬유의 고유결함과 견고함에 의해서 결정된다.
As a preliminary study of optimum composite properties under cryogenic temperature, the comparison of interfacial properties of carbon or glass fibers reinforced epoxy composites was evaluated at ambient and intermediate low temperature, i.e., 25 and $-10^{\circ}C$ by using micromechanica...
As a preliminary study of optimum composite properties under cryogenic temperature, the comparison of interfacial properties of carbon or glass fibers reinforced epoxy composites was evaluated at ambient and intermediate low temperature, i.e., 25 and $-10^{\circ}C$ by using micromechanical techniques. Under tensile and compressive loading conditions, their mechanical modulus at low temperature was higher than that atambient temperature. Interfacial shear strength (IFSS) at ambient and low temperatures was compared to each other, depending on epoxy matrix toughness and apparent modulus at the interface. The IFSS was much higher at low temperature than that at room temperature because of the increased epoxy matrix modulus. Statistical distributions of tensile strengths of glass and carbon fibers were evaluated for different temperature ranges, which is dependent upon fiber's inherent flaws and rigidity.
As a preliminary study of optimum composite properties under cryogenic temperature, the comparison of interfacial properties of carbon or glass fibers reinforced epoxy composites was evaluated at ambient and intermediate low temperature, i.e., 25 and $-10^{\circ}C$ by using micromechanical techniques. Under tensile and compressive loading conditions, their mechanical modulus at low temperature was higher than that atambient temperature. Interfacial shear strength (IFSS) at ambient and low temperatures was compared to each other, depending on epoxy matrix toughness and apparent modulus at the interface. The IFSS was much higher at low temperature than that at room temperature because of the increased epoxy matrix modulus. Statistical distributions of tensile strengths of glass and carbon fibers were evaluated for different temperature ranges, which is dependent upon fiber's inherent flaws and rigidity.
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가설 설정
and glass fiber embedded in epoxy YDF-175, (b) glass fiber embedded in epoxy YDF-175 at different temperature.
두 에폭시 수지의 경화 후 광학적인 특성은 다르다. 에폭시 YD-114 는 수지와 같은 노란색을 보이며 투명한 반면, 에폭시 YDF-175는 엷은 노란색과 반투명이다.
제안 방법
이중벽의 챔버는 차폐되었으며 균일한 온도 조건을 시험을 하는 동안 제공하고, 저온 챔버는 항온 냉동 시스템과 연결되어 있다. 비교를 위해 두 온도, 즉 25°C의 실온과 -10°C의 저온을 선택하였다.
Figure 2(b)에서는 횡 방향 인장응력 하에서 섬유-모재의 계면 디본딩 (de bonding) 현상을 연구하기 위한 하나의 섬유 브루토만시험 시편들보이고 있다. 시편의 중앙부에 최대 축 응력을 주어 좌굴 (buckling) 과 꺽임 (kicking) 이 일어나게 하기 위해, 가운데가 오목한 형상이 제안되었다. 이형 상의 두 번째 장점은 시편의 대칭이 중간에 전단 응력을 0으로 만든다.
그런데 섬유가 함침된 복합재료의 계면전단강도는 섬유와 기지의 특성뿐만 아니라 섬유와 기지의 계면 특성에 의해 좌우된다[15]. 이 연구에서는 미세역학 시험법을 이용해서 실온과 저온에서의 카본 혹은 유리섬유가함침된 에폭시 복합재료의 고유의, 그리고 계면 물성들을 평가 . 비교하였다[16-18].
인장과 압축 브로트만 시험을 사용하여 카본섬유, 유리섬유가 함침된 두 종류의 에폭시 수지의 기계적 성질을 연구하였다. YDF-175의 인장과 압축 물성치가 저온에서 모두 향상되었지만, W-114의 기계적 성질은 취성 구조 때문에 저온에서 감소되었다.
5 mm/min의 속도로 시험 되었다. 통계적으로 의미있는 자료를 얻기 위해, 대략 50개의 샘플을 시험하였고, 단일분포과 이중와이블분포를 사용하여 분석하여 유리섬유의 인장강도 분포를 구했다[19]. 결함의 종류에 근거한 섬유의 파손과정은 단일누적 와이블 분포함수를 사용하여 다음과 같이 표현된다.
섬유의 끝은 에폭시 접착제를 사용하여 종이에 붙였고, 하나의 섬유 인장 테스트를 위해 종이 프레임의 모서리를 잘랐다. 하나의 섬유 인장 시험은 만능시험기(LR 10K, 로이드(주), 영국)를 사용해서 0.5 mm/min의 속도로 시험 되었다. 통계적으로 의미있는 자료를 얻기 위해, 대략 50개의 샘플을 시험하였고, 단일분포과 이중와이블분포를 사용하여 분석하여 유리섬유의 인장강도 분포를 구했다[19].
대상 데이터
강화섬유로서 평균지름 8 ㎛의 카본섬유(T700S, 토레이, 일본)와 평균지름 16 ㎛의 유리섬유(RS2200KT- 111A, 오웬스 코딩, 미국)가 사용되었다. 기지로 비스페놀A 에 희석된 디글리시딜 에테르를 기반으로 한 에폭시 수지(YD-114, 국도화학), 그리고 비스페놀 F에 희석된 디글리시딜 에테르를 기반으로 한 에폭시 수지 (YDF-175, 국도화학)가 사용되었으며 메틸 테트라히드로프탈린 무수물(KBH-1089, 국도화학)와 폴리아미드(G-0331, 국도화학)가 에폭시 수지의 경화제로 사용되었다.
오웬스 코딩, 미국)가 사용되었다. 기지로 비스페놀A 에 희석된 디글리시딜 에테르를 기반으로 한 에폭시 수지(YD-114, 국도화학), 그리고 비스페놀 F에 희석된 디글리시딜 에테르를 기반으로 한 에폭시 수지 (YDF-175, 국도화학)가 사용되었으며 메틸 테트라히드로프탈린 무수물(KBH-1089, 국도화학)와 폴리아미드(G-0331, 국도화학)가 에폭시 수지의 경화제로 사용되었다.
결과를 보여준다. 시험 시편들은 축소된 사이즈의브루토만 시편들로 중간이 오목하게 제작되었다. 상온에서는 YD-114 에폭시에 가한 하중이 YDF-175 보다 큰 반면, 저온에서는 같은 경향을 보였고, 압축 강도는 상온의 경우보다 크다.
시험 시편들은 카본과 유리 섬유가 함침된 WF- 175수지로 제작되었다. 더 강화된 섬유와 기지의 강화 효과 때문에, 시편들이 상온보다 저온에서 높은 겉보기 강성도를 보였다.
Figure 11은 다른 온도조건에서 microdroplet 시험의 pull-out 형태를 보여주고 있다. 시험 시편은 유리섬유가 들어있는 YDF- 175이다. 첫번째 미끄럼 후의 커브에 근거해서, 저온에서의 계면 조건이 실온에서보다 더 단단하다.
성능/효과
더 강화된 섬유와 기지의 강화 효과 때문에, 시편들이 상온보다 저온에서 높은 겉보기 강성도를 보였다. 또한, 커브에서 hysteresis가 없었고, 그것은 시험도중 미끄러짐 현상이 없다는 것을 의미한다.
각 섬유들을 위해 최소 5 개의 시편들이 측정되었고 그 결과들이 같은 경향을 보였다. 실온과 저온에서의 결과를 비교해볼 경우, 강성도 는 증가하였으나 연신율은 감소하였다. 이것은 아마도 저온의 환경에서 섬유들이 더욱 견고하여 부서지기 쉬운 성질로 기계적 성질이 변한 것에서 기인한 것으로 생각된다.
Figure 7(b)은 같은 시편의 다른 온도에서의 결과를 비교한 것이다. 저온에서의 계면 전단 강도가 82.4 MPa로 상온의 56.9 MPa보다 현저하게 증가되었다.
YDF-175의 인장과 압축 물성치가 저온에서 모두 향상되었지만, W-114의 기계적 성질은 취성 구조 때문에 저온에서 감소되었다. 카본과 유리섬유가 함침된 YDF-175 에폭시 복합재료가 실온보다 저온에서 더 높은 계면 접착력과 겉보기 강성도를 보였다. 저온에서 섬유와 YDF-175의 계면 전단 강도가 현저하게 증가하였다.
하지만 예상했던 바와 같이 YDF-175 에폭시의 인장강도와 강성도는 저온에서 현저하게 증가되었고, 이것은 YDF-175 의 기계적 성질이 저온에서 더 크다는 것을 의미한다.
후속연구
저온에서 섬유와 YDF-175의 계면 전단 강도가 현저하게 증가하였다. 또한, 일반적인 에폭시 접착제와 비교해볼 때, YDF-175가 저온 에폭시 기지제로서 좀 더 용이하게 사용되어질 수 있을 것이다.
참고문헌 (19)
K. Sanada and Y. Shindo, J. Reinf. Plast. Comp., 26(14), 1429 (2007).
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