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문제 정의
- 본 연구에서는 단위구조해석을 통해 소나무와 뉴송을 재료로 하여 만든 바이오모프 C/SiC 복합재료의 기계적 물성을 계산하였다. 소나무와 뉴송의 미세구조를 각각 사각배열과 육각배열로 이상화한 뒤 일축인장하중시험과 순수전단시험을 모사하는 해석을 통하여 복합재료의 등가물성치를 계산하였다.
- 본 연구에서는 소나무와 뉴송을 재료로 한 바이오모프 C/SiC 복합재료의 기계적 물성을 계산하였다. 불규칙적으로 배열되어 있는 복합재료의 미세구조를 일정하게 이상화해 단위구조를 정의하고, 정의된 단위구조에 적절한 경계조건을 가해 선형 해석을 수행하였다[16~17].
- 오차의 원인으로는 실험 시에 재료축과 구조축이 일치하지 않았을 가능성이 있고, 미세구조의 가로세로의 비율이 달라지거나 기공의 크기와 분포가 변화할 수 있는 것 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 이들에 의해 물성치가 얼마나 변화하는지 알아보기 위하여 미세구조의 가로세로비를 매개변수로 하여 별도의 해석을 수행하였다. 또한 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 기공의 분포가 물성치에 미치는 영향을 조사하였다.
- 실리콘 함침을 끝낸 후 복합재료의 미세구조를 살펴보면 기공의 위치가 불규칙하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 이처럼 미세구조에서 공극이 균일하게 분포하지 않을 수 있기 때문에 본 연구에서는 이에 따른 물성치의 변화를 알아보기 위해 소나무 모델을 기준으로 몬테카를로 시뮬레이션에 의한 통계적 해석을 수행하였다.
가설 설정
- 이며 세 모델 모두 L은 단위구조의 가로길이이며 H는 단위구조의 높이이다. SiC의 가로와 세로 두께가 동일하고 6%의 내부공극은 정사각형 형태로 정 가운데에 위치해 있다고 가정하고 단위구조 모델을 정의하였다. 이 치수들을 이용하여 재료 각각의 면적을 나타낼 수 있고 치수는 각 재료의 부피분율을 통해 계산할 수 있다.
- 5로 보고 Model-I의 사이사이에 높이가 16 ㎛인 육각형이 한 층씩 분포되어 있는 형태로 모델링하였다. 단위구조 정의 시 탄소벽은 크고 작은 두 육각형에 동일한 두께로 분포하며 작은 육각형의 실리콘과 공극의 경계는 육각형의 가로 세로의 비에 맞춰 장축과 단축의 비가 1:0.8인 타원으로 가정하였다. Fig.
- 3의 (b)는 크기가 동일한 단위구조로만 이루어진 뉴송 Model-I의 개략도이고 (c)는 크기가 서로 다른 단위구조로 이루어진 뉴송 Model-II의 개략도이다. 단위구조 정의 시 하나의 단위구조는 한 변의 길이가 12 ㎛인 정육각형이며, 탄소는 육각형의 형태로 외벽에 동일한 두께로 분포되어 있다고 가정하였다. 안쪽의 Si와 공극의 경계는 원형으로 가정하였다.
- 소나무 탄소프리폼의 미세구조를 보면 미세조직의 형태가 사각형으로 되어 있고 크기가 거의 비슷한 것으로 보이는 반면 뉴송은 하나하나의 기공이 원의 형태로 되어 있으며 위 아랫줄에서 원형이 엇갈리게 겹쳐있는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 소나무의 단위구조는 사각형으로, 뉴송의 단위구조는 육각형으로 가정하였다.
- 각 모델의 물성치를 평균과 비교해 보면 Ex는 평균에 비해 높게 10 GPa 가까이 높게 나온 반면 Ey는 평균값에 크게 미치지 못하는 것을 알 수 있다. 발생확률은 낮지만 공극이 완전히 길게 모여 있으면 각 방향의 물성치가 더 크게 차이날 것이라고 가정하고 Fig. 9처럼 공극을 길게 배치한 모델을 제작하여 해석을 수행하였다.
- 복합재료는 C, Si, SiC의 세 가지 재료로 이루어져 있으며 Table 1은 미세구조의 각 구성성분별 물성치를, 그리고 Table 2는 실험[2]으로 구한 부피분율을 나타낸다. 본 연구에서 구성성분재료들은 등방성(Isotropic)으로 가정하였다.
- 단위구조 정의 시 하나의 단위구조는 한 변의 길이가 12 ㎛인 정육각형이며, 탄소는 육각형의 형태로 외벽에 동일한 두께로 분포되어 있다고 가정하였다. 안쪽의 Si와 공극의 경계는 원형으로 가정하였다. 위 아랫줄의 크기를 다르게 정의한 모델에서는 높이비를 1:1.
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