[논문]CFRP/Al하니콤 샌드위치 복합재 T-Joint 구조물의 기계적 물성에 대한 실험적 연구

조기대; 하성록; 강광희; 김지억; 양성철

doi:10.7736/kspe.2012.29.3.313

CFRP/Al하니콤 샌드위치 복합재 T-Joint 구조물의 기계적 물성에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on the Mechanical Properties of T-Joints Structure using CFRP/Al Honeycomb Sandwich Composite 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.3, 2012년, pp.313 - 318

조기대 (국방과학연구소) , 하성록 (LIG넥스원(주)) , 강광희 (LIG넥스원(주)) , 김지억 (LIG넥스원(주)) , 양성철 (LIG넥스원(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Application of composite structures on naval ships strongly depends on the mechanical strength and collapse behavior of the T-joints of the whole structure. Because of the weight advantages over single skin composite and bolt fastening joining, three types of T-joints using both honeycomb sandwich composite and adhesive bonding were suggested to determine the effect of T-joint configuration. It was found that joining with a urethane foam block and overlaminates using the secondary co-bonding technique improves T-joint strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 샌드위치 복합재로 제작된 구조물에 대하여 T-Joint 형상 변화가 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이를 위해 샌드위치 복합재는 CFRP 와 알루미늄 하니콤 코어를 이용하여 제작되었으며, T-Joint 시편의 형상을 3 가지로 변화시켜 인장 및 굽힘시험을 수행함으로써, 샌드위치 복합재 구조물에 있어 T-Joint 형상에 따른 기계적 거동을 검토하였다.
따라서 T-Joint 에 있어 접착부 형상은 T-Joint 구조물의 굽힘 특성에 중요한 요인으로 작용하기 때문에 T-Joint 형상에 따른 굽힘 특성 변화에 관한 연구는 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 T-Joint 형상이 굽힘 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해, 3 가지 형상을 갖는 T-Joint 를 이용하여 굽힘시험을 수행하여 굽힘 모멘트 변화를 측정하였다.
일반적으로 샌드위치 복합재는 비강성 및 비강도가 우수하기 때문에 샌드위치 복합재 구조물에서 외력에 의한 초기 파손은 다른 부위와 비교하여 기계적 강도가 상대적으로 취약한 T-Joint 에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 샌드위치 복합재 구조물에 하중이 가해질 경우 TJoint 형상 변화에 따른 기계적 특성 변화를 규명하였다. 본 논문에서 제시한 Type 1 은 일반적으로 알려진 T-Joint 형상으로 응력집중에 의해 파손이 쉽게 일어날 수 있는 단점을 가지고 있다.

제안 방법

T-Joint 시편은 수직용과 수평용 샌드위치 복합재를 T 자 형태로 접합하여 기본적인 T-Joint 시편을 제작하고(Fig. 1(a)), 접합부 양측에 구조보강용 블록을 추가로 접합하는 방식으로 제작하였다. 이 때, 블록의 종류에 따라 TJoint 시편의 형상을 3 가지(Type 1, Type 2, Type 3)로 구분하였다.
(b))은 T-Joint 구조물에서 적용하고 있는 가장 일반적인 형태로 제작하였는데, 구체적으로 탄소섬유/에폭시 프리프레그 10 ply 를 0° 단일방향/L 자 형상으로 적층하여 블록을 제작하였다.
(c))은 Type 2 시편의 접합부에 추가로 탄소섬유/에폭시 프리프레그 5 ply 를 0° 단일 방향으로 적층한 후 오토클레이브에서 샌드위치 복합재와 동일한 경화조건으로 2 차 성형(Co-bonding)하여 제작하였다.
따라서 Type 2 에 사용되는 블록은 탄소섬유/에폭시 프리프레그 5 ply 를 0° 단일방향/삼각형상으로 적층한 후 내부에 우레탄 폼을 주입하는 방식으로 삼각형 블록을 제작하였다.
샌드위치 복합재와 같이 접착제를 이용한 접합 구조물의 경우 최대하중을 인장 강도로 취하는 것이 일반적이다. 따라서 인장 강도는 하중-변위 선도에서 하중이 증가하다가 감소하기 시작하는 점의 하중, 즉 최대 하중 값을 T-Joint 접합부의 폭(w)으로 나눠서 결정하였다. Fig.
샌드위치 복합재 T-Joint 형상이 인장특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 T-Joint 형상에 따른 인장강도 변화를 측정하였다. 샌드위치 복합재와 같이 접착제를 이용한 접합 구조물의 경우 최대하중을 인장 강도로 취하는 것이 일반적이다.
샌드위치 복합재를 이용한 T-Joint 에 있어 형상이 변화함에 따라 인장 및 굽힘 특성이 변화하는 이유를 규명하기 위해 인장 및 굽힘 하중에 의해 파손된 3 가지 종류의 T-Joint 시편을 분석하였다. Fig.
실제 구조물에서 발생할 수 있는 하중, 즉 면재 방향으로 인장/압축/전단 하중, 코어의 수직방향으로 좌굴 하중 등에 대하여 설계 필요 강도를 견딜 수 있도록 적층각도, 면재 및 코어의 두께를 결정하였다. 설계가 확정된 샌드위치 복합재는 면재 플라이 수 및 코어의 두께에 해당하는 탄소섬유/에폭시 프리프레그와 알루미늄 하니콤 코어를 적층한 후 오토클레이브 내에서 열 및 압력을 가는 방법으로 제조되었다. 이 때, 샌드위치 복합재는 수직용(Vertical member)과 수평용(Horizontal member)으로 분류하였으며, 자세한 사항은 Table 1 에 표시하였다.
실제 구조물에서 발생할 수 있는 하중, 즉 면재 방향으로 인장/압축/전단 하중, 코어의 수직방향으로 좌굴 하중 등에 대하여 설계 필요 강도를 견딜 수 있도록 적층각도, 면재 및 코어의 두께를 결정하였다. 설계가 확정된 샌드위치 복합재는 면재 플라이 수 및 코어의 두께에 해당하는 탄소섬유/에폭시 프리프레그와 알루미늄 하니콤 코어를 적층한 후 오토클레이브 내에서 열 및 압력을 가는 방법으로 제조되었다.
1(a)), 접합부 양측에 구조보강용 블록을 추가로 접합하는 방식으로 제작하였다. 이 때, 블록의 종류에 따라 TJoint 시편의 형상을 3 가지(Type 1, Type 2, Type 3)로 구분하였다. 여기서, Type 1 (Fig.
따라서 본 논문에서는 샌드위치 복합재로 제작된 구조물에 대하여 T-Joint 형상 변화가 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이를 위해 샌드위치 복합재는 CFRP 와 알루미늄 하니콤 코어를 이용하여 제작되었으며, T-Joint 시편의 형상을 3 가지로 변화시켜 인장 및 굽힘시험을 수행함으로써, 샌드위치 복합재 구조물에 있어 T-Joint 형상에 따른 기계적 거동을 검토하였다.
본 논문에서 제시한 Type 1 은 일반적으로 알려진 T-Joint 형상으로 응력집중에 의해 파손이 쉽게 일어날 수 있는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Type 2 의 형상과 같이 응력집중을 분산시킬 수 있는 형상으로 설계하였다. 또한 Type 1 과 Type 2 는 블록 끝단에 응력집중으로 인한 접착부 파손(debonding)이 발생하기 때문에 이를 해결하기 위하여 Type 3 과 같이 추가로 CFRP를 적층하여 블록 끝단의 접착부 파손을 억제하였다.
우선 인장 및 굽힘 시험을 위하여 시험 치구는 시편을 Moment free/Pin support 상태로 고정할 수 있도록 제작하였다. 인장 시험은 제작된 시험치구에 T-Joint 시편을 고정한 후 만능 시험기(INSTRON 5882)를 사용하여 Cross head 의 이송속도를 2 mm/min 의 정속도 제어 방식으로 적용하여 인장 하중을 가하였다. 굽힘 시험은 제작된 시험 치구에 T-Joint 시편을 고정한 후 시편의 수직면에 Cross head 의 이송속도를 2 mm/min 의 정속도 제어방식으로 굽힘 하중을 가하였다.
탄소섬유강화 복합재와 알루미늄 하니콤 코어를 이용하여 제작한 샌드위치 복합재 구조물에 있어 T-Joint 의 형상이 인장 및 굽힘 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 T-Joint 의 형상을 3 가지로 변화시켜 인장 및 굽힘시험을 수행하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

또한 접착제는 상온에서 경화가 가능하고, 고온에서도 전단강도가 우수한 Henkel 사의 Hysol® EA9392 를 사용하였다.
본 연구에서는 샌드위치 복합재 구조물에 하중이 가해질 경우 TJoint 형상 변화에 따른 기계적 특성 변화를 규명하였다. 본 논문에서 제시한 Type 1 은 일반적으로 알려진 T-Joint 형상으로 응력집중에 의해 파손이 쉽게 일어날 수 있는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Type 2 의 형상과 같이 응력집중을 분산시킬 수 있는 형상으로 설계하였다.
본 연구에 사용된 샌드위치 복합재의 면재는 항공기용 복합 소재로 검증된 T-300 계열 탄소섬유를 사용한 ㈜한국화이바의 탄소섬유/에폭시 직조형태 프리프레그 HPW193/RS122 이다. 샌드위치 코어는 알루미늄 재질인 ALCORE 사의 PAACORETM 5056 8.
본 연구에 사용된 세 가지 종류의 T-Joint 시편을 Fig. 1 에 표시하였다. T-Joint 시편은 수직용과 수평용 샌드위치 복합재를 T 자 형태로 접합하여 기본적인 T-Joint 시편을 제작하고(Fig.
1(c))은 Type 2 시편의 접합부에 추가로 탄소섬유/에폭시 프리프레그 5 ply 를 0° 단일 방향으로 적층한 후 오토클레이브에서 샌드위치 복합재와 동일한 경화조건으로 2 차 성형(Co-bonding)하여 제작하였다. 본 연구에서 Type 에 따른 시편의 수량은 각각 5 개 이상 적용하였으며, 각각의 블록 크기는 동일한 접착면적을 위해 동일한 크기로 제작하였다.
본 연구에 사용된 샌드위치 복합재의 면재는 항공기용 복합 소재로 검증된 T-300 계열 탄소섬유를 사용한 ㈜한국화이바의 탄소섬유/에폭시 직조형태 프리프레그 HPW193/RS122 이다. 샌드위치 코어는 알루미늄 재질인 ALCORE 사의 PAACORETM 5056 8.1-1/8-.0020 를 사용하였다. 또한 접착제는 상온에서 경화가 가능하고, 고온에서도 전단강도가 우수한 Henkel 사의 Hysol® EA9392 를 사용하였다.

성능/효과

특히, T-Joint 의 형상이 Type 2 인 경우 Type 1 과 비교하여 인장 강도 값이 크게 증가한 것을 알 수 있다. 구체적으로 Type 1, Type 2 및 Type 3 의 인장강도는 각각 362.0 N/mm, 468.64 N/mm 및 491.75 N/mm 로 Type 2 와 Type 3 의 인장강도는 Type 1 에 비해 각각 29.4%와 35.8% 증가하였음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드위치 복합재 T-Join을 제작할 때 접착제를 이용한 방법의 문제점은?	샌드위치 복합재 T-Joint 의 제작은 일반적으로 접착제를 이용한 방법이 널리 활용되고 있는데, 그 이유는 나사 등의 기계적 체결법과 비교하여 체결을 위한 구멍가공이 필요 없고, 구조물의 무게를 거의 증가시키지 않으며, 넓은 면적에 하중을 분포시킬 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있기 때문이다. 그러나 접착제를 이용하여 제작된 T-Joint 는 외력에 의한 기계적 거동 예측이 용이하지 않기 때문에 이에 관한 연구가 일부 연구자들에 의해 이루어지고 있다.7-12 예를 들어, Gielen 등 7 은 GRP/PVC-Foam 샌드위치 복합재를 이용하여 제작된 T-Joint 에 인장, 전단 및 굽힘 하중에 의한 파괴 거동 변화에 대하여 발표하였으며, Li 등 8은 유리섬유 강화 샌드위치 복합재로 제작된 T-Joint 의 파괴특성 모델을 연구하였다.
	샌드위치 복합재란?	샌드위치 복합재(sandwich composite)는 허니컴 심재(honeycomb core)의 양면에 얇은 면재(thin facesheet)를 접합시켜 중립축에 대한 관성모멘트를 높게 하여 굽힘 강성을 증가시킨 복합재로서, 금속재 구조물에 비해 무게를 50% 이상 줄일 수 있고, 하중 환경에 따라 심재 및 면재를 적절히 조합하여 파괴저항성 및 피로특성을 상당히 향상시킬 수 있다.1-4 또한 탄소섬유 강화 복합재(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)는 해수에 의한 내부식성이 금속에 비해 우수해 최근 석유 시추관, 심층수 취수관, 함정용 레이더와 같은 해양산업용 소재로 각광받고 있다.
	탄소섬유 강화 복합재의 장점은?	샌드위치 복합재(sandwich composite)는 허니컴 심재(honeycomb core)의 양면에 얇은 면재(thin facesheet)를 접합시켜 중립축에 대한 관성모멘트를 높게 하여 굽힘 강성을 증가시킨 복합재로서, 금속재 구조물에 비해 무게를 50% 이상 줄일 수 있고, 하중 환경에 따라 심재 및 면재를 적절히 조합하여 파괴저항성 및 피로특성을 상당히 향상시킬 수 있다.1-4 또한 탄소섬유 강화 복합재(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)는 해수에 의한 내부식성이 금속에 비해 우수해 최근 석유 시추관, 심층수 취수관, 함정용 레이더와 같은 해양산업용 소재로 각광받고 있다.5,6 그러나 샌드위치 복합재의 이와 같은 우수한 특성에도 불구하고 해양산업용 구조재로 제한을 받고 있는 이유는 작업자의 숙련도에 따라 품질변화가 크고, 주변 환경에 의한 물성변화 예측이 어려우며, 구조물 간 결합이 용이하지 않기 때문이다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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Dharmawan, F., Li, H. C. H., Herszberg, I. and John, S., "Applicability of the crack tip element analysis for damage prediction of composite T-joints," Composite Structures, Vol. 86, No. 1-3, pp. 61-68, 2008.

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저자의 다른 논문 :

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].

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