[논문]극저온 환경에서의 섬유강화 복합재료의 열팽창 계수 측정을 위한스트레인 게이지의 보정에 관한 연구

이원오; 이상복; 이진우; 엄문광

doi:10.9714/psac.2010.12.3.001

문제 정의

이를 이용하여 섬유강화 복합재료의 수지로서 널리 쓰이는 에폭시 수지 및 CTBN 고무 변성 에폭시 수지와 탄소섬유 복합재료의 열팽창 계수를 측정하였다. 또한 수직 회전형 게이지 상수 보정 치구를 개발하여 정확도를 검증하고자 하였다.
CTBN 변성 에폭시 수지 및 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 열팽창 계수를 측정하기 위한스트레인 게이지를 이용한 보정법을 제시하였다. 스트레인 게이지는 온도 변화에 따라 겉보기 변형율이 변화하기 때문에 이를 보정해 주어야 하며 본 연구에서는 titanium silicate를 이용한 표준 재료를 통해 재료의 열팽창 계수를 얻고자 하였다. 실험 결과 스트레인 게이지는 시편 끝단의 자유 열변형 거동의 영향을 최소화할 수 있도록 시편의 중앙에 부착하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
이론적으로 constant stress beame 전체적으로 순굽힘 거동을 하여 시편 영역에 동일한 변형율 분포를 나타내어야 하지만 실제 거동은 이와 다르기 때문에 Fig. 6과 같은 유한요소해석을 통하여 균일한 변형율이 나타나는 영역을 알아보고자 하였다. 사용한 재료는 일반 스틸 재료이며 처침 방향에 따른 양쪽 면에서 시편의 중심선을 따른 스트레인 분포를 Fig.
이에 본 연구에서는 섬유강화 복합재료의 열팽창 계수를 극저온 환경에서 스트레인 게이지를 이용하여 측정하는데 필요한 보정법을 제시하고자 하였다. 이를 이용하여 섬유강화 복합재료의 수지로서 널리 쓰이는 에폭시 수지 및 CTBN 고무 변성 에폭시 수지와 탄소섬유 복합재료의 열팽창 계수를 측정하였다.

제안 방법

에폭시 . CTBN 변성 에폭시 수지 및 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 열팽창 계수를 측정하기 위한스트레인 게이지를 이용한 보정법을 제시하였다. 스트레인 게이지는 온도 변화에 따라 겉보기 변형율이 변화하기 때문에 이를 보정해 주어야 하며 본 연구에서는 titanium silicate를 이용한 표준 재료를 통해 재료의 열팽창 계수를 얻고자 하였다.
또한 새로운 게이지 상수 보정 치구로서 회전식 원형 스텝 블록을 고안하였다. 개발된 보정 치구의 검증을 통해 액체 질소 온도까지 게이지 상수 보정의 정확도를 확보하였다.
개발된 회전 블록형 게이지 상수 보정 치구의 검증을 위해 20, 0, -50, -100, -196℃에서 굽힘 시험을 수행하였다. 온도 환경은 3.
스트레인 게이지의 접착은 동일 회사의 EA-2A를 사용하였다. 겉보기 변형률과 게이지 상수 측정의 경우 온도가 주요 변수가 되기 때문에 극저온 환경에서 정확한 온도 측정이 가능한 Lakeshore사의 331S 온도 콘트롤러와 DT-670 silicon diode 온도 센서를 사용하였다.
극저온에서의 게이지 상수 보정을 위해 순굽힘 치구에 대한 유한요소해석을 통해 constant stress beam의 변형율 분포를 확인하여 게이지 상수 보정 시 부착되는 스트레인 게이지의 위치를 결정할 수 있었다. 또한 새로운 게이지 상수 보정 치구로서 회전식 원형 스텝 블록을 고안하였다.
두 가지의 수지에 대해서 Table 2와 같은 조성을 고려하였다. 기본 에폭시 수지는 에폭시와 경화제의 비율을 10:9로 하였고, CTBN 고무 변성 에폭시 수지는 에폭시 :CTBN:경화제의 비율을 7:3:9로 하였다.
기준 온도는 상온인 20℃로 설정하였고 매 20℃의 온도간격에 대해 시편의 온도가 충분히 균일하도록 안정화시키기 위하여 약 15분간 동일 온도를 유지시킨 후 열변형율을 반복하여 측정하였다.
이는 시편의 외곽으로 갈수록 자유 경계면에서의 큰 열변형에 의해 균일한 변형 분포를 주지 못한다는 것을 알 수 있다. 따라서 경계면의 영향이 적은 center-top 위치에 스트레인 게이지를 부착하여 온도에 따른 변형 시험을 수행해야 하며 본 연구의 나머지 시험에 대해서도 이를 고려하여 실험하였다.
환경 챔버는 액체 질소를 분사시켜 이를 기화하여 온도를 낮추는 방식으로 온도 조절은 비례주기를 2초로 짧게 설정하여 챔버 내부의 온도변화를 최소화 하였다. 또한 T96℃에 대한 열팽창 계수는 시편을 직접 액체 질소에 담가 시험하였으며 갑작스런 열충격을 막기 위하여 인장 시험기에 수직강하치구를 제작하여 시편을 매달아 느린 속도로 서서히 내려가면서 측정하였다.
또한 새로운 게이지 상수 보정 치구로서 회전식 원형 스텝 블록을 고안하였다. 개발된 보정 치구의 검증을 통해 액체 질소 온도까지 게이지 상수 보정의 정확도를 확보하였다.
먼저 시편에 부착된 스트레인 게이지의 위치에 따른 겉보기 변형률 값을 알아보기 위해 Fig. 1과 같이 Center-top, Center-bottom, Off-center-top의 세 위치에 열변형이 큰 CTBN변성 에폭시 수지 시편에 스트레인 게이지를 부착하여 T20℃까지 실험하였다. Fig.
스트레인 게이지가 부착될 시편으로는 섬유강화 복합재료 제작에 가장 일반적으로 사용되는 에폭시 수지맟 열변형이 큰 CTBN 변성 에폭시 수지 그리고 탄소섬유 강화 복합재료를 제작하여 실험하였다. 두 가지의 수지에 대해서 Table 2와 같은 조성을 고려하였다.
온도 환경은 3.3절에서의 방법과 동일하게 -100℃ 까지는 환경 챔버를 이용하였고, -196℃에서는 수직 강하 치구를 이용하여 시편을 서서히 액체 질소에 담근 뒤 시험을 수행하였다.
이를 이용하여 섬유강화 복합재료의 수지로서 널리 쓰이는 에폭시 수지 및 CTBN 고무 변성 에폭시 수지와 탄소섬유 복합재료의 열팽창 계수를 측정하였다. 또한 수직 회전형 게이지 상수 보정 치구를 개발하여 정확도를 검증하고자 하였다.

대상 데이터

극저온 환경에서 시험을 수행하기 위하여 스트레인 게이지는 TML사의 CF Series를 선정하였으며, 기본적인 데이터는 Table 3에 정리하였다. 스트레인 게이지의 접착은 동일 회사의 EA-2A를 사용하였다.
탄소 섬유는 Mitsubishi 사에서 제조한 TR-30S (밀도 = L79g/cm³)를 사용하였고 이로 이루어진 평직(plain weave) 을 가지고 수지충진공정 (Resin Transfer Molding, RTM)을 통해 섬유의 부피비가 50%인 복합재료를 제조하였다. 모든 시편의 크기는 NASA에서 시행한 방법〔5〕에 따라 가로 50mm, 세로 50mm로 제작하였고, 두께는 수지의 경우 3mm, 복합재료의 경우 1.12mm로 제작하였다.
로서 시편의 열팽창 계수를 얻을 수 있다. 본 연구에서 사용되는 표준 재료는 열팽창 계수가 매우 작은 Titanium Silicate이며 -100℃~ +100℃의 환경에서 약 0.02X10VC2] 값을 갖는다. 본 연구에서 사용된 Titanium Silicate는 PGO사의 ULEe를 선정하였으며 열팽창 계수는 다음과 같은 4차 다항식으로 표현되며 Table 1에 계수들을 정리하였다.
02X10VC2] 값을 갖는다. 본 연구에서 사용된 Titanium Silicate는 PGO사의 ULEe를 선정하였으며 열팽창 계수는 다음과 같은 4차 다항식으로 표현되며 Table 1에 계수들을 정리하였다.
본 연구에서는 극저온 환경 하에서 열변형이 큰 소재인 에폭시 . CTBN 변성 에폭시 수지 및 탄소섬유 강화 고분자 복합재료의 열팽창 계수를 측정하기 위한스트레인 게이지를 이용한 보정법을 제시하였다.
6과 같은 유한요소해석을 통하여 균일한 변형율이 나타나는 영역을 알아보고자 하였다. 사용한 재료는 일반 스틸 재료이며 처침 방향에 따른 양쪽 면에서 시편의 중심선을 따른 스트레인 분포를 Fig. 7에 나타내었다. Fig.
120℃, 2시간 동안 경화하여 제작하였다. 탄소 섬유는 Mitsubishi 사에서 제조한 TR-30S (밀도 = L79g/cm³)를 사용하였고 이로 이루어진 평직(plain weave) 을 가지고 수지충진공정 (Resin Transfer Molding, RTM)을 통해 섬유의 부피비가 50%인 복합재료를 제조하였다. 모든 시편의 크기는 NASA에서 시행한 방법〔5〕에 따라 가로 50mm, 세로 50mm로 제작하였고, 두께는 수지의 경우 3mm, 복합재료의 경우 1.

성능/효과

Fig. 8(a)의 상온 시험 결과를 보면 실험 결과가 인가한 설계치보다 다소 낮게 측정되었으며 FEM에 의한 해석 결과는 높게 나타났다. 이러한 오차는 constant stress beam의 실제 거동이 순굽힘 거동이 아니며 Fig.
2(b)와 같은 열변형율 분포를 살펴보면 동일 온도에서. center-top 과 center-bottom 위치에서는 거의 유사한 열변형률을 나타내었으나, off-center-top 위치에서는 다른 두 위치보다 큰 값을 보였다. 이는 시편의 외곽으로 갈수록 자유 경계면에서의 큰 열변형에 의해 균일한 변형 분포를 주지 못한다는 것을 알 수 있다.
실험 결과 스트레인 게이지는 시편 끝단의 자유 열변형 거동의 영향을 최소화할 수 있도록 시편의 중앙에 부착하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 제작사에서 제공하는 값과 달리 재료에 따라 매우 큰 겉보기 변형률이 측정되었고 이는 고분자 재료와 같이 열팽창 계수가 큰 소재에 대해 필수적으로 겉보기 변형률을 보정하여야 한다는 것을 의미한다.
7에 나타난 바와 같이 위/아랫면의 변형율 분포가 다르며 아랫면에서는 인가변형율이 증가할수록 균일한 변형율을 나타내는 영역이 줄어들고 있다. 또한 클램핑 영역에 가까울수록 변형율의 불균일성이 매우 크게 나타났다.
스트레인 게이지는 온도 변화에 따라 겉보기 변형율이 변화하기 때문에 이를 보정해 주어야 하며 본 연구에서는 titanium silicate를 이용한 표준 재료를 통해 재료의 열팽창 계수를 얻고자 하였다. 실험 결과 스트레인 게이지는 시편 끝단의 자유 열변형 거동의 영향을 최소화할 수 있도록 시편의 중앙에 부착하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 제작사에서 제공하는 값과 달리 재료에 따라 매우 큰 겉보기 변형률이 측정되었고 이는 고분자 재료와 같이 열팽창 계수가 큰 소재에 대해 필수적으로 겉보기 변형률을 보정하여야 한다는 것을 의미한다.
3에 나타내었다. 이와 함께, 스트레인 게이지 제작사에 제공하는 보정값을 함께 그려보았는데 측정한 데이터와 많은 차이를 보이고 있다는 것을 확인할 수 있다. 이는 겉보기 변형률은 특히 극저온 환경일 경우 재료에 따라 실험적으로 보정되어져야 한다는 것을 의미한다.

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