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공기결합 초음파탐상에 의한 CFRP 복합재의 흡습 특성 평가
Characterization of Water Absorption by CFRP Using Air-Coupled Ultrasonic Testing 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.34 no.2, 2014년, pp.155 - 164  

이주민 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) ,  이주성 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ,  김용권 ((주)한전KPS 기술연구원) ,  박익근 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
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탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 공기결합 초음파탐상검사(air coupled ultrasonic testing; 이하 ACUT) 시스템을 이용하여 흡습된 CFRP의 비파괴적 특성을 평가하고자 하였다. CFRP 시험편을 직접 제작한 후 고온다습한 환경을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 $75^{\circ}C$의 증류수에 30일, 60일, 120일간 침지하였고, ACUT를 이용하여 흡습에 의한 CFRP 시험편의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지와 흡습 전과 후의 신호의 전파시간 변화를 통해 초음파 신호 특성 변화를 고찰하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) composites are increasingly being used in a variety of industry applications, such as aircraft, automobiles, and ships because of their high specific stiffness and high specific strength. Aircraft are exposed to high temperatures and high humidity for a long du...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고온다습한 환경에서의 노출을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 75℃의 증류수에 CFRP를 장기간 잠기게 하였다. 그리고 이런 환경에 CFRP가 장기간 노출되었을 때, 기계적 성질의 변화로 인해 발생하는 초음파신호 특성 변화에 중점을 두고 연구를 진행하였다. ACUT를 이용하여 침지 기간별로 흡습 전과 후의 CFRP의 특성 변화를 이미지화 하고, 흡습에 따른 초음파 신호의 변화를 전파시간 변화를 통해 확인하였다.
  • ACUT를 이용하여 침지 기간별로 흡습 전과 후의 CFRP의 특성 변화를 이미지화 하고, 흡습에 따른 초음파 신호의 변화를 전파시간 변화를 통해 확인하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 검증하고자 하였다.

가설 설정

  • V : 재료의 음속 (m/s)이다.
  • 서론에 언급하였듯이 CFRP는 고온다습한 환경에서 매우 취약함을 보이는바, 이러한 환경에서 장시간 사용되는 것을 가정하여 항온수조를 사용하였다. 김명호 등[14]에 의하면 항공기가 실제 운항 시, 외부 온도가 약 80℃까지 올라가는 것으로 보고하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 복합재료의 적용이 증가하는 이유는? 탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다.
CFRP의 단점은? 탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다.
CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위한 특성 변화 연구가 필요한 이유는? CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다.
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참고문헌 (16)

  1. S. W. Choi, K. C. Seo, J. H. Lee, J. H. Byeon and Y. H. Cho, "A study on lasergenerated ultrasonic wave for inspecting delamination in CFRP," Proceedings of Spring Conference of KSNT, pp. 211-218 (2005) 

  2. H. S. Park, J. H. Choi, J. M. Koo and C. S. Seok, "Fatigue damage evaluation of woven carbon-fiber-reinforced composite materials by using fatigue damage model," Trans. of the KSME, Vol. 34, No. 6, pp. 757-762 (2010) 

  3. S. J. Lee, J. H. Lee and J. H. Byeon, "Study on delamination for on-line monitoring on manufacturing CFRP," Proceedings of Fall Conference of KSNT, pp. 168-173 (2006) 

  4. C. H. Shen and G. S. Springer, "Effects of moisture and temperature on the tensile strength of composite materials," Journal of Composite Materials, Vol. 11, pp. 2-16 (1977) 

  5. B. G. Kim and C. K. Moon, "Influence of moisture absorption on the mechanical properties in the laminated composites," Korean Society for Power System Engineering, pp. 91-97 (1997) 

  6. C. K. Moon and J. S. Goo, "Study on the durability of fiber reinforced plastics by moisture absorption," Korean Society of Ocean Engineers, Vol. 11, pp. 48-56 (1997) 

  7. H. S. Choi and Y. H. Cho, "Structural health monitoring techiniques for composite aircraft," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 30, No. 1, pp. 54-59 (2010) 

  8. S. H. Choi, J. Y. Kim, N. S. Kwak. S. H. Ki and S. You, "NDE of brake pad bonded area defect that apply non contact air coupled ultrasonic testing," KSTLE, Vol. 54, pp. 71-72 (2012) 

  9. A. Poudel, J. Strycek and T. P. Chu, "Air-coupled ultrasonic testing of carbon-carbon composite aircraft brake disks," Materials Evaluation, Vol. 71, No. 8, pp. 987-994 (2013) 

  10. M. Takahashi, H. Hoshino and Y. Ogura, "Development of non contact air coupled ultrasonic testing," Proceedings of JSAE, pp. 320-321 (2009) 

  11. S. Y. Na and J. Y. Kim "The research on NAUT characteristics evaluation by defection image," KSTLE, Vol. 26, No. 6, pp. 341-345 (2010) 

  12. N. R. Jung, J. Y. Kim, S. H. Choi and S. H. Kim, "A study for selecting spot welding zone fault detection optimum frequency using NAUT," Proceedings of KSAE, pp. 55-56 (2010) 

  13. ASTM D 3039-39M-07., "Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials" 

  14. M. H. Kim and S. W. Park, "Estimation of thermal environment of T-50 aircraft in extreme high temperature condition," The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 2, pp. 1180-1183 (2008) 

  15. S. W. Hong, S. S. Ahn, J. M. Koo and C. S. Seok, "Analysis of characteristics of CFRP composites exposed under high-temperature and high-humidity environment for a long period," Trans. Korean Soc. Mech., Eng. B., Vol. 36, No. 8, pp. 889-895 (2012) 

  16. ASTM D 3518-3518M-94., "Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ${\pm}45^{\circ}$ laminate" 

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