고온 다습한 환경에 장기간 노출된 CFRP 복합재료의 특성 분석 Analysis of Characteristics of CFRP Composites Exposed Under High-Temperature and High-Humidity Environment for a Long Period원문보기
탄소섬유강화(CFRP) 복합재료는 높은 비강성과 비강도 특성을 갖고 있기 때문에 항공기, 자동차 등의 경량화가 요구되는 분야에서 금속재를 대체하여 사용 빈도가 급격히 증가하고 있다. 그 중 항공기의 경우, 동체가 고온 다습한 환경 조건에 노출되는 경우가 많기 때문에 CFRP를 이용한 항공기의 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 강도 특성을 연구할 필요가 있다. 본 논문에서는 CFRP시험편을 $75^{\circ}C$의 물에 장기간 침지하였으며. 이 시험편을 이용해 침지 기간별로 인장강도를 평가하였다. 또한, SEM을 이용하여 흡습 기간에 따른 파단면의 파괴양상을 분석하였으며 300일간 침지된 시험편에 대해 응력비 R=0.1 조건으로 피로시험을 수행하여, 침지하지 않은 시험편에 비해 피로수명이 크게 저하되는 것을 확인하였다.
탄소섬유강화(CFRP) 복합재료는 높은 비강성과 비강도 특성을 갖고 있기 때문에 항공기, 자동차 등의 경량화가 요구되는 분야에서 금속재를 대체하여 사용 빈도가 급격히 증가하고 있다. 그 중 항공기의 경우, 동체가 고온 다습한 환경 조건에 노출되는 경우가 많기 때문에 CFRP를 이용한 항공기의 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 강도 특성을 연구할 필요가 있다. 본 논문에서는 CFRP시험편을 $75^{\circ}C$의 물에 장기간 침지하였으며. 이 시험편을 이용해 침지 기간별로 인장강도를 평가하였다. 또한, SEM을 이용하여 흡습 기간에 따른 파단면의 파괴양상을 분석하였으며 300일간 침지된 시험편에 대해 응력비 R=0.1 조건으로 피로시험을 수행하여, 침지하지 않은 시험편에 비해 피로수명이 크게 저하되는 것을 확인하였다.
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites have high specific stiffness and high specific strength. Therefore, they are increasingly being use, instead of conventional metallic materials in the aviation and automobile industries, where there is a strong demand for lightweight materials. In ai...
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites have high specific stiffness and high specific strength. Therefore, they are increasingly being use, instead of conventional metallic materials in the aviation and automobile industries, where there is a strong demand for lightweight materials. In aircraft, the fuselage is exposed to severe conditions of high temperatures and high humidity. Therefore, it is necessary to estimate the strength of CFRP composites under real conditions from the viewpoint of aircraft safety. In this study, CFRP specimens were immersed in distilled water at $75^{\circ}C$ for a long time. Then, tensile tests were performed on these specimens, and the fracture characteristics of the fractured surfaces were analyzed using SEM. A fatigue test was performed on specimens immersed for 300 days with R=0.1, and it was confirmed that the fatigue life deteriorated in immersed specimens compared to specimens that were not immersed.
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites have high specific stiffness and high specific strength. Therefore, they are increasingly being use, instead of conventional metallic materials in the aviation and automobile industries, where there is a strong demand for lightweight materials. In aircraft, the fuselage is exposed to severe conditions of high temperatures and high humidity. Therefore, it is necessary to estimate the strength of CFRP composites under real conditions from the viewpoint of aircraft safety. In this study, CFRP specimens were immersed in distilled water at $75^{\circ}C$ for a long time. Then, tensile tests were performed on these specimens, and the fracture characteristics of the fractured surfaces were analyzed using SEM. A fatigue test was performed on specimens immersed for 300 days with R=0.1, and it was confirmed that the fatigue life deteriorated in immersed specimens compared to specimens that were not immersed.
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문제 정의
본 연구에서는 평판 구조물 CFRP 복합재료의 온도별 수분 흡수율을 비교하였다. 또한 침지 기간에 따라 정적 강도의 거동을 평가하고, 침지 기간별로 파면 분석을 수행하였다.
제안 방법
Instron사의 유압식 시험기(Model 8802) 및 유압식 그립을 사용하여(Fig. 2) ASTM D3039에 따라 2mm/min의 속도로 상온에서 인장시험을 수행하였다. Beckry 등(7)은 유리섬유 복합재료를 상온과 65℃의 증류수에 침지하여 흡습량을 비교하였는데, 상온의 경우 흡습량이 미비한 것으로 나타났으며, 강도의 변화 또한 65℃의 경우에 더 크게 나타났다.
1mg인 AND사의 정밀 Balance를 이용하여 측정하였다. 그리고 모든 시편을 75℃의 증류수가 담겨있는 항온수조에 넣은 후 1일, 3일, 5일, 10일, 20일, 50일, 80일, 100일, 300일 기간으로 구분하여 식 (1)을 사용하여 흡습률을 계산하였다. 흡습량 측정시에는 오차를 줄이기 위해 수조에서 꺼낸 후 가능한 빠른 시간 내에 측정하였으며 시험편 표면의 같은 방법으로 수분을 제거한 후에 측정하였다.
Beckry 등(7)은 유리섬유 복합재료를 상온과 65℃의 증류수에 침지하여 흡습량을 비교하였는데, 상온의 경우 흡습량이 미비한 것으로 나타났으며, 강도의 변화 또한 65℃의 경우에 더 크게 나타났다. 따라서 본 연구에서는 75℃의 증류수에 침지한 시험편에 대해서만 인장시험을 수행하였고, 상온의 증류수에 침지한 시험편에 대해서는 인장시험을 수행하지 않았다. 인장시험은 정해진 기간별로 4개의 데이터를 얻어 평균값으로 나타내었다.
에 의하면, 항공기가 실제 운항 시, 외부 온도가 약 80℃까지 올라가는 것으로 보고하였다. 따라서, 고온의 외부온도에 더하여 습도가 높은 상태를 모사하기 위해 탄소섬유 복합재료를 75℃의 증류수 속에 침지시켰다. 하지만, 항공기의 복잡한 하중조건을 모사하는 것은 어려우므로, CFRP 복합재료의 인장방향 특성에 대해 평가하였다.
또한 침지 기간에 따라 정적 강도의 거동을 평가하고, 침지 기간별로 파면 분석을 수행하였다. 또 300일 침지된 시험편에 대하여 피로시험을 진행하여 S-N선도를 획득하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
흡습량 측정시에는 오차를 줄이기 위해 수조에서 꺼낸 후 가능한 빠른 시간 내에 측정하였으며 시험편 표면의 같은 방법으로 수분을 제거한 후에 측정하였다. 또한 상온의 증류수에도 시험편을 침지하여, 온도에 따른 흡습량을 비교하였다.
본 연구에서는 평판 구조물 CFRP 복합재료의 온도별 수분 흡수율을 비교하였다. 또한 침지 기간에 따라 정적 강도의 거동을 평가하고, 침지 기간별로 파면 분석을 수행하였다. 또 300일 침지된 시험편에 대하여 피로시험을 진행하여 S-N선도를 획득하였다.
하지만, 항공기의 복잡한 하중조건을 모사하는 것은 어려우므로, CFRP 복합재료의 인장방향 특성에 대해 평가하였다. 또한, 수분 흡수율에 따른 열화 및 기계적 물성의 변화에 대해 평가하기 위하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였고, SEM을 이용해 파면을 분석하였다.
인장시험은 정해진 기간별로 4개의 데이터를 얻어 평균값으로 나타내었다. 또한, 침지시키지 않은 시편과 흡습 곡선이 안정화 단계에 접어든 300일 침지 시편에 대해서 5Hz 의 속도로 상온에서 일정진폭 피로시험을 진행하였다.
섬유의 층과 층 사이에 분포되어 있는 수지를 관찰하기 위해 직물로 이루어진 층을 Fig. 8과 같이 10mm×10mm 크기로 채취하여 SEM 분석을 실시하였다.
수분 흡수 실험은 흡수율을 측정하기 위해 인장 시험용 시험편을 오차범위가 0.1mg인 AND사의 정밀 Balance를 이용하여 측정하였다. 그리고 모든 시편을 75℃의 증류수가 담겨있는 항온수조에 넣은 후 1일, 3일, 5일, 10일, 20일, 50일, 80일, 100일, 300일 기간으로 구분하여 식 (1)을 사용하여 흡습률을 계산하였다.
제조된 복합재료 plate로부터 0°/90°방향으로 ASTM D3039(6) 기준에 맞추어 시험편을 제작하였다(Fig. 1).
따라서, 고온의 외부온도에 더하여 습도가 높은 상태를 모사하기 위해 탄소섬유 복합재료를 75℃의 증류수 속에 침지시켰다. 하지만, 항공기의 복잡한 하중조건을 모사하는 것은 어려우므로, CFRP 복합재료의 인장방향 특성에 대해 평가하였다. 또한, 수분 흡수율에 따른 열화 및 기계적 물성의 변화에 대해 평가하기 위하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였고, SEM을 이용해 파면을 분석하였다.
그리고 모든 시편을 75℃의 증류수가 담겨있는 항온수조에 넣은 후 1일, 3일, 5일, 10일, 20일, 50일, 80일, 100일, 300일 기간으로 구분하여 식 (1)을 사용하여 흡습률을 계산하였다. 흡습량 측정시에는 오차를 줄이기 위해 수조에서 꺼낸 후 가능한 빠른 시간 내에 측정하였으며 시험편 표면의 같은 방법으로 수분을 제거한 후에 측정하였다. 또한 상온의 증류수에도 시험편을 침지하여, 온도에 따른 흡습량을 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 복합재료는 직물형 탄소섬유 Prepreg인 WSN3K를 실험재료로 사용하였으며, 이 Prepreg를 16plies로 적층하여 Autoclave 방식으로 140℃, 5.89MPa의 온도와 압력에서 60분간 성형하여 두께 3.5mm로 제작하였다. 제조된 복합재료 plate로부터 0°/90°방향으로 ASTM D3039(6) 기준에 맞추어 시험편을 제작하였다(Fig.
성능/효과
(1) 고온 환경의 수분일수록 복합재료 내부로 침투 및 확산이 용이하여 흡수율이 높게 나타났다.
(1) 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질의 열화는 장기간의 하중 부가뿐만 아니라 온도와 습도, 자외선 등 여러 가지 환경 조건들에 의해서 일어나는데, 특히 복합재료에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부응력 상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 저하시키기도 한다.(2,3) 복합재료에 사용되는 탄소섬유 자체는 주변환경으로부터 수분을 거의 흡수하지 않고, 흡수하더라도 무시할 수 있을 정도로 매우 적은 미량이지만(4) 복합재료의 기지로 사용되는 Epoxy는 수분을 흡수 또는 탈수가 잘 되는데, 높은 온도에서는 그와 같은 현상이 더욱 증가하게 된다.
(2) 상온에서 침지시킨 경우 10일 이후에는 거의 변화가 없는데 비하여 75℃에서 침지시킨 경우 20일까지 크게 증가하였다.
(1) 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질의 열화는 장기간의 하중 부가뿐만 아니라 온도와 습도, 자외선 등 여러 가지 환경 조건들에 의해서 일어나는데, 특히 복합재료에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부응력 상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 저하시키기도 한다.(2,3) 복합재료에 사용되는 탄소섬유 자체는 주변환경으로부터 수분을 거의 흡수하지 않고, 흡수하더라도 무시할 수 있을 정도로 매우 적은 미량이지만(4) 복합재료의 기지로 사용되는 Epoxy는 수분을 흡수 또는 탈수가 잘 되는데, 높은 온도에서는 그와 같은 현상이 더욱 증가하게 된다. 이러한 고온 다습한 조건에서 복합재료가 장시간 노출되면, 섬유와 기지의 열화가 일어날 뿐만 아니라 그 계면 사이에 박리가 일어나게 된다.
(4) SEM에 의한 파단면 분석으로부터 침지 초기에는 수직방향 섬유에 붙은 수지가 고르게 잘 분포되어 있을 뿐만 아니라, 섬유의 인발정도가 매우 적었으나, Coupling 효과가 나타나 강도가 증가한 침지 후 50일 시험편의 경우, 섬유들이 다량 뽑혀 나와 있으며 파면에 붙어있는 수지가 고르지 못하였다.
(5) 300일 침지시편이 침지하지 않은 시편에 비하여 사이클 수의 증가에 따라 피로수명이 현저하게 저하되었는데, 침지하지 않은 시편의 경우 박리현상이 나타나지 않는데 비하여, 300일간 수분이 흡습된 시편의 경우 박리가 일어났다.
8(a)에서 보는 바와 같이 섬유의 층과 층 사이에 박리현상이 나타나지 않았으며, 이는 단수명 영역과 장수명 영역 모두에서 균일하게 나타났다. 그러나 300일간 수분이 흡습된 CFRP 복합재료는 피로 Cycle이 증가함에 따라 층과 층사이의 박리가 점차 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 가장 장수명 영역에서 파단된 Fig. 8(e)의 경우, 섬유의 층과 층 사이에서 가장 심하게 박리가 일어나서 파단되는 현상을 볼 수 있었다. 이는 수분이 섬유의 층과 층 사이에 침투하였음을 보여주는 것이며, 기지가 수분에 의해 열화되어 접착 성능이 저하된 것으로 생각된다.
3에 나타내었다. 이 결과로부터 고온 환경에서 침지시킨 시험편의 흡습률이 상온에 침지시킨 시험편의 흡습률에 비해 높게 나타나는 것을 알 수 있었는데, CFRP 복합재료의 경우 저온 환경에 비해 고온 환경에서 수분 분자의 침투 및 확산이 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한, 상온에서 침지시킨 경우 10일 이후에는 거의 변화가 없는데 비하여 고온에서 침지시킨 경우 20일까지 크게 증가하다가 이후 변화가 완만해지지만 300일 이후에도 수분 흡수가 지속적으로 이루어질 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 복합재료은 어디에 사용되는가?
탄소섬유강화 복합재료(CFRP)는 금속재료에 비하여 우수한 비강도 및 비강성으로 인하여 항공기, 자동차, 선박 등의 분야까지 널리 쓰이고 있으나, 이러한 폭넓은 사용에도 불구하고 아직까지 산업용 구조재료로서 환경에 의한 기계적 특성변화에 대한 연구가 부족하다.(1) 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질의 열화는 장기간의 하중 부가뿐만 아니라 온도와 습도, 자외선 등 여러 가지 환경 조건들에 의해서 일어나는데, 특히 복합재료에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부응력 상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 저하시키기도 한다.
탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질의 열화는 어떤 문제를 야기하는가?
탄소섬유강화 복합재료(CFRP)는 금속재료에 비하여 우수한 비강도 및 비강성으로 인하여 항공기, 자동차, 선박 등의 분야까지 널리 쓰이고 있으나, 이러한 폭넓은 사용에도 불구하고 아직까지 산업용 구조재료로서 환경에 의한 기계적 특성변화에 대한 연구가 부족하다.(1) 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 성질의 열화는 장기간의 하중 부가뿐만 아니라 온도와 습도, 자외선 등 여러 가지 환경 조건들에 의해서 일어나는데, 특히 복합재료에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부응력 상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 저하시키기도 한다.(2,3) 복합재료에 사용되는 탄소섬유 자체는 주변환경으로부터 수분을 거의 흡수하지 않고, 흡수하더라도 무시할 수 있을 정도로 매우 적은 미량이지만(4) 복합재료의 기지로 사용되는 Epoxy는 수분을 흡수 또는 탈수가 잘 되는데, 높은 온도에서는 그와 같은 현상이 더욱 증가하게 된다.
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