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문제 정의
- 그러나 탄소섬유/에폭시 복합재에 대해 더 극심한 환경으로 고온침수환경을 고려한 연구는 극히 드문 실정으로 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 복합재에 대해 다양한 온도에서의 염수침수시험을 수행하였으며 염수침수환경에 노출시간에 따른 수분흡수 시험과 기계적 특성 시험을 통해 염수환경의 열습조건이 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
- 염수환경의 열습조건이 탄소섬유/에폭시 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 염수침수시험의 노출시간은 1개월, 2개월, 4개월, 6개월, 8개월, 12개월을 고려하였다. 노출온도는 35℃, 55℃, 75℃로서 동역학분석 시험을 통해 얻은 저장탄성계수의 선도로부터 유리상태(Glassy state)의 온도범위에서 실제 해양환경에서 복합재 구조물에 적용될 수 있는 최대온도를 고려하여 노출온도를 결정하였다. 염수침수시험이 진행되는 노출기간 동안 염수용액의 농도는 5%를 유지시켰다.
- 시편의 압축강성을 구하기 위해 시편중앙부에 단축 스트레인게이지 (KFG-1-120-C1-11, KYOWA, Japan)를 부착하였다. 변형률 변화에 대한 시편에 발생된 스트레인게이지의 저항 변화는 변형률 신호증폭기 (2100 system strain gage conditioner and amplifier, Measurements Group, USA)를 사용하여 전압 변화로 변환시킨 다음 A/D 변환기(PCI-MIO-16E-1, National Instruments, USA)를 통해 수집하였다. 압축강성 E 본 연구에 고려된 탄소섬유/에폭시 복합재는 반경화 상태의 프리프레그(CF282, 한국화이바)를 규정된 두께로 적층한 후 오토클레이브 공법을 통해 성형하였다. 경화조건은 압력 270kPa을 가한 상태에서 성형온도 125℃를 180분 유지하였다.
- 이를 위해 수분흡수 시편을 제작하였으며 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 3mm의 시편을 적용하였다. 수분흡수 시험의 노출기간은 1일, 2일, 3일, 5일, 7일, 10일, 15일, 30일을 각각 고려하였다. 수분흡수가 포화에 이를 때까지 매 5일 간격으로 수분흡습량을 측정하기 위해 0.
- 수분흡수 시험의 노출기간은 1일, 2일, 3일, 5일, 7일, 10일, 15일, 30일을 각각 고려하였다. 수분흡수가 포화에 이를 때까지 매 5일 간격으로 수분흡습량을 측정하기 위해 0.1mg까지 측정이 가능한 분석용 정밀전자저울(Adventurer AR2140, OHAUS, USA)을 사용하여 무게를 측정하였다. 이 때 시편 표면에서의 수분은 보푸라기 발생이 없는 고운 천 (KIMTECH Science wipers, Kimberly-Clark, USA)과 건조기로 제거하였다.
- 3mm/min의 변위제어상태로 하중을 가하였다. 시편의 압축강성을 구하기 위해 시편중앙부에 단축 스트레인게이지 (KFG-1-120-C1-11, KYOWA, Japan)를 부착하였다. 변형률 변화에 대한 시편에 발생된 스트레인게이지의 저항 변화는 변형률 신호증폭기 (2100 system strain gage conditioner and amplifier, Measurements Group, USA)를 사용하여 전압 변화로 변환시킨 다음 A/D 변환기(PCI-MIO-16E-1, National Instruments, USA)를 통해 수집하였다.
- 3333px;">C는 식 (4)에 의해, 압축강도 SC는 식 (5)에 의해 구하였다. 압축시험에 적용한 시편의 개수는 각 노출시간과 노출온도에 대해 6개 이상이며 압축강성은 선형성을 나타내는 범위의 응력-변형률 선도를 이용하여 평가하였다.
- 9%의 정제염과 증류수를 혼합하여 제조하였다. 염수침수시험의 노출시간은 1개월, 2개월, 4개월, 6개월, 8개월, 12개월을 고려하였다. 노출온도는 35℃, 55℃, 75℃로서 동역학분석 시험을 통해 얻은 저장탄성계수의 선도로부터 유리상태(Glassy state)의 온도범위에서 실제 해양환경에서 복합재 구조물에 적용될 수 있는 최대온도를 고려하여 노출온도를 결정하였다.
- 0mm/min의 변위제어상태로 하중을 가하였다. 이때 접촉식 익스텐소미터를 통해 길이방향의 변형률을 측정하여 복합재의 인장특성을 평가하였다. 특히 인장강성 E 3333px;">T는 식 (2)에 의해, 인장강도 ST는 식 (3)에 의해 구하였다. 인장시험에 적용한 시편의 개수는 각 노출시간과 노출온도에 대해 6개 이상이며 인장강성은 선형성을 나타내는 범위의 응력-변형률 선도를 이용하여 평가하였다.
- 3에는 복합재의 인장특성과 압축특성을 평가하기 위한 시험장치가 나타나 있다. 인장시험은 ASTM D3039에 근거하여 2.0mm/min의 변위제어상태로 하중을 가하였다. 이때 접촉식 익스텐소미터를 통해 길이방향의 변형률을 측정하여 복합재의 인장특성을 평가하였다.
- 탄소섬유/에폭시 복합재가 염수침수환경에 노출될 경우 열습조건이 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 노출시간에 따라 인장시험과 압축시험을 수행하였다.
대상 데이터
- (7,8) 이러한 영향은 복합재의 기계적 특성 저하와 밀접한 관련이 있기 때문에 복합재 내의 염수흡수 거동을 정확히 조사할 필요가 있다. 이를 위해 수분흡수 시편을 제작하였으며 가로 40mm, 세로 40mm, 두께 3mm의 시편을 적용하였다. 수분흡수 시험의 노출기간은 1일, 2일, 3일, 5일, 7일, 10일, 15일, 30일을 각각 고려하였다.
- 2에는 탄소섬유/에폭시 복합재의 인장시편과 압축시편들의 형상이 나타나 있다. 인장시편은 전체 길이가 250mm, 폭이 25mm, 두께가 2.5mm이고 압축시편은 전체 길이가 79.4mm, 폭이 12.7mm, 두께가 1.5mm이다. 인장시편의 경우 하중이 작용할 때 시험장치 장착부에 접촉되는 시편 부위에 손상을 주지 않도록 시편의 양단에 두께 1.
이론/모형
- 복합재의 압축시험은 ASTM D695에 근거하여 1.3mm/min의 변위제어상태로 하중을 가하였다. 시편의 압축강성을 구하기 위해 시편중앙부에 단축 스트레인게이지 (KFG-1-120-C1-11, KYOWA, Japan)를 부착하였다.
성능/효과
- (1) 염수침수환경에 적용된 노출온도는 복합재의 팽윤을 유발시키며 이러한 팽윤은 온도가 증가할수록 더 심화되어 복합재 내의 수분흡수율이 더 높아진다.
- (2) 인장강성과 인장강도는 노출온도와 노출시간이 증가하더라도 노출 전의 경우에 비해 감소 정도는 크지 않았지만 압축강성과 압축강도는 수지의 열화에 더 큰 영향을 받기 때문에 감소 정도가 크게 나타난다. 특히 노출온도가 증가할수록 염수침투가 가속화되어 압축강도는 인장강도의 경우에 비해 감소 정도는 훨씬 높아진다.
- 노출시간이 12개월 경과하면 복합재 내의 수분흡수율은 노출온도가 35℃인 경우 0.82%, 55℃인 경우 1.28%, 75℃인 경우 1.51%로 나타나 노출온도가 높을수록 복합재 내의 수분흡수율은 높게 나타남을 알 수 있다.
- 각 노출온도에 따른 수분흡수 선도의 양상을 보면 노출 초기에는 복합재 내에 수분흡수가 급격하게 진행되며 일정한 시간이 지난 후에는 흡수가 비교적 완만하게 진행되는 양상을 나타낸다. 또한 노출 초기에는 노출온도가 증가할수록 수분흡수 선도의 기울기가 높게 나타나며 노출온도가 높을수록 복합재 내수분흡수가 가속되는 것을 알 수 있다. 노출온도가 75℃인 경우 노출시간이 100일 이상 경과하면 수분흡수가 평형에 도달하지만 노출온도가 55℃와 35℃인 경우에는 평형에 도달하지 않고 흡수가 계속 진행되는 양상을 나타낸다.
- 4% 감소하였다. 또한 최대 12개월 노출된 복합재의 인장강도는 인장강성의 경우와 마찬가지로 노출온도가 35℃에서는 1.5%, 노출온도가 55℃에서는 3.3%, 노출온도가 75℃에서는 7.0% 감소하였다. 이로 미루어 볼 때 노출온도가 35℃와 55℃인 경우 인장강성과 인장강도는 최대 12개월 노출되면 노출 전의 경우에 비해 감소하지만 감소 정도는 5% 미만으로 고려한 환경조건이 복합재의 인장특성에 미치는 영향은 크지 않다.
- 6에는 염수침수환경에서 노출온도와 노출시간에 따른 탄소섬유/에폭시 복합재의 압축강성과 압축강도의 변화가 나타나 있다. 여기에서 보면 복합재의 압축강성은 각 노출온도에서의 노출시간이 길수록 점차 감소하는 양상을 나타내며 최대 12개월 노출된 경우의 압축강성은 노출 전의 경우에 비해 노출온도가 35℃에서는 4.7%, 55℃에서는 9.4%, 75℃에서는 10.9% 감소한다. 복합재의 압축강도는 각 노출온도에서 노출시간 4개월까지 급격하게 감소하다가 이후 12개월 노출될 때까지는 완만하게 감소하는 양상을 나타낸다.
- 5에는 염수침수환경에서 노출온도와 노출시간에 따른 탄소섬유/에폭시 복합재의 인장강성과 인장강도의 변화가 나타나 있다. 여기에서 보면 최대 12개월 노출된 복합재의 인장강성은 노출 전의 경우에 비해 노출온도가 35℃에서는 1.9%, 노출온도가 55℃에서는 4.3%, 노출온도가 75℃에서는 7.4% 감소하였다. 또한 최대 12개월 노출된 복합재의 인장강도는 인장강성의 경우와 마찬가지로 노출온도가 35℃에서는 1.
- 복합재의 압축강도는 각 노출온도에서 노출시간 4개월까지 급격하게 감소하다가 이후 12개월 노출될 때까지는 완만하게 감소하는 양상을 나타낸다. 최대 12개월 노출된 경우의 압축강도는 노출온도가 35℃에서는 29.8%, 55℃에서는 37.5%, 75℃에서는 42.7% 감소하며 인장강도에 비해 노출온도와 노출시간이 증가할수록 감소 정도는 더욱 커짐을 알 수 있었다. 일반적으로 인장시편의 경우는 강화섬유가 하중지지에 지배적인 역할을 하지만 압축시편의 경우는 강화섬유 뿐만 아니라 수지도 하중지지를 하게 된다.
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