[논문]성형 압력에 따른 T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 평면 내.외 물성 변화에 대한 연구

박명길; 조성겸; 장승환

doi:10.7234/kscm.2010.23.6.061

[국내논문] 성형 압력에 따른 T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 평면 내.외 물성 변화에 대한 연구
A study on the variation of in-plane and out-of-plane properties of T800 carbon/epoxy composites according to the forming pressure 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.23 no.6, 2010년, pp.61 - 66

박명길 (중앙대학교 기계공학부 대학원) , 조성겸 (중앙대학교 기계공학부 대학원) , 장승환 (중앙대학교 기계공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 필라멘트 와인딩 시 장력에 의해 압밀을 유발하는 압력을 선행연구자들의 연구를 참조하여 결정한 후 T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 기본적인 물성과 성형압력 변화에 따른 면 내 외의 물성 변화를 측정하였다. 실험 시편은 오토클레이브 진공백 성형을 통해 압력(절대압력 0.1MPa, 0.3MPa, 0.7MPa)을 조절하여 제조되었다. 모든 시편은 적층판 형태로 정화된 후 워터젯을 이용하여 시편 모양으로 절단되었으며, 층간 전단시편의 V-노치는 밀링가공을 통하여 제작되었다. 평면 내 물성을 위해 다양한 인장실험이 실시되었으며, 평면 외 물성을 측정하기 위해 층간 전단 실험이 수행되었다 성형압력과 물성 변화를 관련시키기 위해 시편의 섬유 부피분율을 측정하였다. 본 연구에서 측정된 물성은 동일한 탄소섬유 (T800 탄소섬유)를 사용하여 필라멘트 와인딩 공정으로 제작되는 차량용 Type III 수소저장용기의 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the variation of mechanical properties of T800 carbon/epoxy composites according to the forming pressure, which was referred to previous studies on a filament winding process, were investigated. The specimens of all the tests were fabricated by an autoclave de-gassing molding process controlling forming pressure (absolute pressures of 0.1MPa, 0.3MPa, 0.7MPa including vacuum) and water jet cutting after fabricating composite laminates. Various tensile tests were performed for in-plane properties and interlaminar properties were also measured by using Iosipescu test jig. Fiber volume fraction was measured to correlate the property variation and the forming pressure. This properties are expected to be utilized in the design of Type III pressure vessel for hydrogen vehicles which uses the same carbon fiber (T800 carbon fiber) for the filament winding process.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 2000개의 섬유 다발로 구성된 하나의 토우(폭 3.3mm, 두께 0.23nun)에 22.25N의 장력을 주어 직경 57.7mm 맨드렐에 와인딩 된 복합재료 구조물의 물성을 예측하기 위해 선행연구자들의 연구 결과[6]를 참고하여 성형압력을 절대압력 0.1, 0.3, 0.7MPa (진공포함)으로 정하였다. 정해진 압력을 적용하여 각 실험에 필요한 시편을 제작한 후 복합재료의 기초물성을 측정하였다.
또한 섬유 부피분율을 측정하여 성형압력에 따른 섬유 부피분율 변화와 ZI에 따른.물성변화의 관계를 실험적으로 규명하였다.

가설 설정

D3518)을 참고하여 실험을 진행하였다. 본 [±45]„s 인장실험에서 종단부 구속조건의 영향은 Pindera 등[8]의 실험 결과에 따라 매우 미소한 것으로 가정하였으며 스트레인 측정을 위해 CAS사의 로우젯 스트레인 게이지 (3-Element Rosette RS-series, KOREA)을 부착하였다.
7MPa까지 섬유 부피분율을 관찰한 결과에서 볼 수 있듯이 수지 층의 두께에 반비례하며 전단력이 증가함을 관찰하였다. 단, 성형온도와 시간은 본 실험에 적용된 값으로 고정되었다고 가정하였다.

제안 방법

7MPa (진공포함)으로 정하였다. 정해진 압력을 적용하여 각 실험에 필요한 시편을 제작한 후 복합재료의 기초물성을 측정하였다. T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 면내.
T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 면내.외의 인장 강성 및 강도, 푸아송 비, 전단강성 및 강도를 다양한 성형압력에 따라 측정하였다. 또한 섬유 부피분율을 측정하여 성형압력에 따른 섬유 부피분율 변화와 ZI에 따른.
외의 인장 강성 및 강도, 푸아송 비, 전단강성 및 강도를 다양한 성형압력에 따라 측정하였다. 또한 섬유 부피분율을 측정하여 성형압력에 따른 섬유 부피분율 변화와 ZI에 따른.물성변화의 관계를 실험적으로 규명하였다.
사용하였다. T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 성형과정은 판매자의 추천에 근거해 오토클레이브를 이용하여 70분간 135℃로 온도를 상승시킨 후 100분간 유지하고 온도를 떨어뜨리는 방식으로 진공백 성형을 실시하였다. 모든 시편은 성형압력에 따른 물성비교를 위해 각각 절대압력 0.
시편의 형상과 치수는 Fig. 1과 같으며, 각 성형조건에 의해 적층 판을 성형한 후 워터쳇으로 시편의 형상대로 절단하였고, 층간전단 물성 실험을 위해 준비된 아이오시페스쿠 시편의 V- 노치는 밀링가공을 통해 가공하였다. 인장 및 전단실험은 만능시험기(MTS 810, USA)로 실시하였으며, 섬유 부피분율 측정은핫 플레이트(MSH-20D, Wisd)와 히팅챔버를 이용해 실험하였다.
1과 같으며, 각 성형조건에 의해 적층 판을 성형한 후 워터쳇으로 시편의 형상대로 절단하였고, 층간전단 물성 실험을 위해 준비된 아이오시페스쿠 시편의 V- 노치는 밀링가공을 통해 가공하였다. 인장 및 전단실험은 만능시험기(MTS 810, USA)로 실시하였으며, 섬유 부피분율 측정은핫 플레이트(MSH-20D, Wisd)와 히팅챔버를 이용해 실험하였다.
시편은 Fig. 2의 좌표와 같이 1-3방향, 2-3방향 시편에 대해 각각 4개씩 제작하였고, 표준실험규격(ASTM D5379)을 참고하여 전단 실험을 진행하였다. 자유표면 위의 완벽한 변형률 상태를 측정하기 위해서 CAS사의 로우젯 스트레인 게이지 (3-Element Rosette RS-series, KOREA)를 부착하였다.
2의 좌표와 같이 1-3방향, 2-3방향 시편에 대해 각각 4개씩 제작하였고, 표준실험규격(ASTM D5379)을 참고하여 전단 실험을 진행하였다. 자유표면 위의 완벽한 변형률 상태를 측정하기 위해서 CAS사의 로우젯 스트레인 게이지 (3-Element Rosette RS-series, KOREA)를 부착하였다. 로우젯스트레인 게이지를 통해 측정되는 변형률#을 사용하여 식 (1)을 통해 전단 변형률 #을 계산하였고, 식 (2)와 식 (3)을 통해 전단 응.
각 성형압력으로 제작된 시편의 성형 시 나타날 수 있는 국부적인 영향을 최소화 하기 위해 각 시편에서 동일한 부분을 15x40 mm² 크기로 절취하였고, 정밀저울의 측정단위를 고려하여 소수점 3자리까지 측정하였다. 기지용해 (Matrix digestion) 실험 (ASTM D3171)을 실시하기 위해 탄소섬유에 영향이 적은 질산(Nitric acid, Gr.
소수점 3자리까지 측정하였다. 기지용해 (Matrix digestion) 실험 (ASTM D3171)을 실시하기 위해 탄소섬유에 영향이 적은 질산(Nitric acid, Gr. 1.42, 70%, MSN)을 사용하여 실험을 진행하였다[9].
본 연구에서는 2000개의 섬유 다발로 구성된 하나의 토우 (폭 3.3mm, 두께 0.23mm)에 22.25N 의 장력을 주어 직경 57.7mm 맨드렐에 와인딩 된 복합재료의 물성을 측정하기 위해 선행 연구자들의 연구 결과[5]를 참고하여 성형압력을 절대압력 0.1, 0.3, 0.7MPa (진공포함)으로 결정하였다. 정해진 성형압력을 적용하여 쿠폰형의 시편을 제작 후 다양한 실험을 통해 직교이방성 물성을 얻었다.
정해진 성형압력을 적용하여 쿠폰형의 시편을 제작 후 다양한 실험을 통해 직교이방성 물성을 얻었다. 또한 기지 용해법 (Matrix digestion method)을 통하여 섬유 부피분율을 측정하여 성형압력에 의한 물성의 차이를 검증하였다.
본 연구를 통하여 필라멘트 와인딩 된 복합재료의 물성을 간단한 쿠폰형의 적절한 실험을 통해 측정하였다. 결과적으로 실험에 사용한 성형압력에 따른 물성변화는 그리 크지 않음을 확인하였다.
7MPa (진공포함)으로 결정하였다. 정해진 성형압력을 적용하여 쿠폰형의 시편을 제작 후 다양한 실험을 통해 직교이방성 물성을 얻었다. 또한 기지 용해법 (Matrix digestion method)을 통하여 섬유 부피분율을 측정하여 성형압력에 의한 물성의 차이를 검증하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 한국 카본 사의 MCU200ns(일방향 T800 탄소섬유/에폭시)를 사용하였다. T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 성형과정은 판매자의 추천에 근거해 오토클레이브를 이용하여 70분간 135℃로 온도를 상승시킨 후 100분간 유지하고 온도를 떨어뜨리는 방식으로 진공백 성형을 실시하였다.
성형압력에 따라 제작된 [0]«T, [90]nT 인장시편 각각 5개에 CAS사의 로우젯 스트레인 게이지 (Tee Rosette TS-series, Korea) 를 부착해 시편을 준비하였으며, 표준실험규격(ASTM D3039) 을 참고하여 실험을 실시하였다.

이론/모형

성형압력에 따라 제작된 [±45]*s인장시편 5개를 표준실험규격(ASTM D3518)을 참고하여 실험을 진행하였다. 본 [±45]„s 인장실험에서 종단부 구속조건의 영향은 Pindera 등[8]의 실험 결과에 따라 매우 미소한 것으로 가정하였으며 스트레인 측정을 위해 CAS사의 로우젯 스트레인 게이지 (3-Element Rosette RS-series, KOREA)을 부착하였다.

성능/효과

T800 탄소섬유/에폭시 복합재료의 성형과정은 판매자의 추천에 근거해 오토클레이브를 이용하여 70분간 135℃로 온도를 상승시킨 후 100분간 유지하고 온도를 떨어뜨리는 방식으로 진공백 성형을 실시하였다. 모든 시편은 성형압력에 따른 물성비교를 위해 각각 절대압력 0.1, 0.3, 0.7MPa(진공포함)에서 성형되었다.
오차를 확인하였다. 따라서 실험결과의 타당성을 판단하기 위해 직교이방성 물질의 탄성계수 제한에 대한 식(5)에 대입하여 계산을 실시한 결과 실험결과가 본 재료의 물성값으로서 타당한 값을 가지는 것을 확인하였다[1].
13과 같다. 성형압력이 증가할수록 약간의 증가추세를 보였고 푸아송 비 또한 동일한 경향을 보였다.
섬유 부피분율은 Fig. 15와 Fig. 16에서 보이는 바와 같이 성형압력 이 높아짐에 따라 증가하는데, 이와 같은 성형압력에 따른 미세 구조의 차이는 재료의 층간 전단강도의 차이를 유발하는 것으로 확인되었으며, 특히 1-3 방향의 층간 전단 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
1) 재료의 섬유 부피분율을 증가시켰으나, 인장강성과 인장강도 및 전단강성에 미치는 영향은 미미하였다.
2) 반면, 전단강도는 성형압력의 증가에 따라 증가하였으며, 특히 1-3방향 층간 전단강성은 성형압력의 증가에 비교적 민감하게 변화하였다.
결과적으로 실험에 사용한 성형압력에 따른 물성변화는 그리 크지 않음을 확인하였다. 따라서 적당한 장력으로 와인딩 된 구조의각 층의 평면 내 물성은 장력의 변화에 크게 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다.
결과적으로 실험에 사용한 성형압력에 따른 물성변화는 그리 크지 않음을 확인하였다. 따라서 적당한 장력으로 와인딩 된 구조의각 층의 평면 내 물성은 장력의 변화에 크게 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다. 특히 필라멘트 와인딩 공정을 통해 성형된 압력용기가 주로 섬유방향으로 하중을 지지하는 특성을 고려하면, 이러한 결과는 제품의 설계에 중요한 정보를 제공할 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 적당한 장력으로 와인딩 된 구조의각 층의 평면 내 물성은 장력의 변화에 크게 영향을 받지 않는 것을 알 수 있었다. 특히 필라멘트 와인딩 공정을 통해 성형된 압력용기가 주로 섬유방향으로 하중을 지지하는 특성을 고려하면, 이러한 결과는 제품의 설계에 중요한 정보를 제공할 것으로 판단된다.
또한 섬유의 와인딩 시 수지의 갇힘현상과 같은 필라멘트 와인딩 공정 상 발생하는 현상에 의한 재료물성 변화는 고려할 수 없다. 따라서 이러한 재료 및 공정상의 차이는 본 연구의 한계점이라고 판단된다.

참고문헌 (15)

Lee D.G., Seo N.P., Axiomatic design and fabrication of composite structures, Oxford, 2006.
윤성오, 김준영, 황태경, "필라멘트 와인딩 복합재의 기계적 특성과 와인딩 시 공정변수와의 관계에 대한 실험적 고찰," 한국추진공학회지, 제3권, 제2호, 1999, pp. 56-65.

원문보기 상세보기
Cai Z., Gutowski T., Allen S., "Winding and Consolidation Analysis for Cylindrical Composite Structures," Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 9, 1992, pp. 1374-1399.

상세보기
Cohen D., "Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength," Composites Part A, Vol. 28, No. 12, 1997, pp. 1035-1037.

상세보기
Banerjee A., Sun L., Mantell S.C., Cohen D., "Model and experimental study of fiber motion in wet filament winding," Composites Part A, Vol. 29, No. 3, 1998, pp. 251-263.

상세보기
Hahn H.T., Kempner E.A. Lee S.S., "The stress development during filament winding of thick cylinders," Composites Manufacturing, Vol. 4, No. 3, 1993, pp. 147-156.

상세보기
이호성, "복합재료의 인증, 동등성 및 수락시험," 한국복합재료학회지, 제19권, 제2호, 2006, pp. 1-6.
Pindera M.J., Herakovichs C.T., "Shear characterization of unidirectional composites with the off-axis tension test," Experimental mechanics, Vol. 26, No. 1, 1986, pp. 103-112.

상세보기
Lee D.G., Kim S.S., "Failure analysis of asbestos-phenolic composite journal bearing," Composite Structures, Vol. 65, No. 1, 2004, pp. 37-46.

상세보기
Jensen D.W., Koharchik M.J., "Calibration of composite-embedded fiber-optic strain sensors," Spring Conference on Experimental Mechanics, 1990, pp. 234-240.
Chai H., "Bond thickness effect in adhesive joints and its significance for mode I interlaminar fracture of composites," Composite materials: testing and design (7th conference), 1986, pp. 209-231.
Ojalvo I.U., Eidinoff H.L., "Bond thickness effects upon stresses in single lap adhesive joints," AIAA Journal, Vol.16, No. 3, 1977, pp. 204-211.
Sela N., Ishai O., Banks-Sills L., "The effect of adhesive thickness on interlaminar fracture toughness of interleaved CFRP specimens," Composites, Vol. 20, No. 3, 1989, pp. 257-264.

상세보기
Bradley L.R., Bowen C.R., McEnaney B, Johnson DC, "Shear properties of a carbon/carbon composite with non-woven felt and continuous fibre reinforcement layers," Carbon, Vol. 45, No. 11, 2007, pp. 2178-2187.

상세보기
Zhou G., Green E.R., Morrison C., "In-plane and interlaminar shear properties of carbon/epoxy laminates," Composites science and technology, Vol. 55, No. 2, 1995, pp. 187-193.

상세보기

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증