[논문]마이크로미터 크기 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료의 열팽창계수 측정 및 평가

조휴상; 강희용; 이교우

doi:10.3795/KSME-A.2015.39.2.129

마이크로미터 크기 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료의 열팽창계수 측정 및 평가

Measurement and Evaluation of Thermal Expansion Coefficients of Micrometer-Sized SiO2 Particle-Reinforced Epoxy Composites

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.2, 2015년, pp.129 - 135

조휴상 (전북대학교 기계설계공학부) , 강희용 (전북대학교 기계설계공학부) , 이교우 (전북대학교 기계설계공학부)

초록
AI-Helper

본 연구는 마이크로미터 크기의 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료 시편의 실리카 함량에 따른 열안정성을 기계적 물성인 영률 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 평가하였다. 실험한 범위인 에폭시 중량 대비 실리카 함량 70 wt% 시편까지 실리카 함량에 따라 열팽창계수는 지속적으로 감소하여 약 25%까지 감소하여 열안정성이 개선되었으며, 영률 역시 점진적으로 증가하여 약 51%까지 증가하였다. 또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 경험식 모델을 통한 해석결과를 실험결과와 비교하였는데, 열팽창계수 측정결과는 체적탄성계수와 전단탄성계수를 고려한 Kerner 모델의 결과와 잘 맞았으며, 영률 결과는 마이크로 크기 충전제에 대한 수치모델인 Mori-Tanaka 모델과 잘 부합하였다. 이를 통해 복합재료의 열팽창 및 영률 예측을 위한 모델에서는 체적분률 외에 충전제 함유량에 따른 추가적인 물성 변화를 고려해야 함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this experimental study, the thermal stability values of micrometer-sized silica particle-reinforced epoxy composite specimens were evaluated by measuring their thermal expansion coefficients and Young's moduli. For all specimens used in this study (from the baseline specimen to that containing 70 wt% silica filler), the thermal expansion coefficients and Young's moduli were gradually reduced down to 25% and increased up to 51%, respectively. The results of the experiment were compared with those of certain empirical models. The experimental results of the measurement of thermal expansion coefficients corresponded well with those of Kerner's model, which considers the bulk and shear moduli of the matrix and silica filler. However, the results of the measurement of Young's moduli using the empirical Mori-Tanaka model were observed to match better with those of the experiment. The comparison of the results of the experiment with those of the empirical models demonstrated that a reliable model for measuring the thermal expansion coefficients and Young's moduli of composite specimens needs to consider certain property variations in the composites in addition to volume fraction changes in the filler and matrix.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

서론에서 언급한 바와 같이 복합재료의 물성치를 예측하기 위한 다양한 경험식 모델이 발표되었다. 그 중에서 대표적인 몇 가지를 이용하여 본 연구의 열팽창계수 측정이 적절했는지를 알아 보고자 하였다. 경험식에 사용하는 실리카의 체적분률과 에폭시의 체적분률은 각 재료의 중량과 밀도를 이용해서 아래의 식 (1)과 같이 구한다.
일반적으로 복합재료는 물성치를 알고 있는 수지, 경화제 및 충전제를 적절히 섞어서 사용하지만 결과적으로 만들어지는 복합재료의 물성치를 정확히 예상할 수는 없다는 단점이 있다. 그러한 문제 때문에 다양한 경험식 모델들이 제시되어 복합재료의 물성치를 예측하고자 하고 있다. 대표적인 열팽창계수에 대한 경험식 모델로는 혼합법칙(rule of mixture, ROM) 모델,⁽⁴⁾ Thomas 모델,⁽⁴⁾ Turner 모델,⁽⁵⁾ Kerner 모델⁽⁶⁾ 등이 있다.
이상의 기존 연구를 바탕으로 본 연구에서는 에폭시 복합재료의 열안정성을 높이기 위하여 열팽창이 매우 작은 충전제인 실리카 입자를 에폭시 수지에 첨가하여 강화된 복합재료 시편을 제작하였으며, 제작된 시편을 대상으로 분산의 적절성을 확인하고 관련 물성을 측정하고 평가하였다. 기계적 물성인 인장강성 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 평가하고자 하였다. 또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 경험식 모델을 통한 해석결과를 실험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 마이크로미터 크기의 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료 시편을 제조하고 실리카 함량에 따른 복합재료 시편의 물성을 평가하였다. 기계적 물성인 영률 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 고찰하였다.
이상의 기존 연구를 바탕으로 본 연구에서는 에폭시 복합재료의 열안정성을 높이기 위하여 열팽창이 매우 작은 충전제인 실리카 입자를 에폭시 수지에 첨가하여 강화된 복합재료 시편을 제작하였으며, 제작된 시편을 대상으로 분산의 적절성을 확인하고 관련 물성을 측정하고 평가하였다. 기계적 물성인 인장강성 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 평가하고자 하였다.

가설 설정

우선, 가장 단순하고 기초적인 수치 모델인 혼합법칙 모델은 수지와 충전제 실리카를 개별적으로 존재하는 것으로 가정하여 둘 사이의 기계적인 상호작용이 전혀 없으며 모두 동일한 응력을 받는다고 가정한다. 아래의 식 (2)와 같이 나타낼 수 있는데, α는 열팽창계수이고 V는 체적분률이며, 아래 첨자로 사용한 c, f, m은 각각 복합재료, 충전제, 매트릭스를 의미한다.

제안 방법

본 연구에서는 마이크로미터 크기의 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료 시편을 제조하고 실리카 함량에 따른 복합재료 시편의 물성을 평가하였다. 기계적 물성인 영률 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 고찰하였다. 또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 수치모델과 실험결과를 비교 고찰하였다.
기계적 물성인 영률 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 고찰하였다. 또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 수치모델과 실험결과를 비교 고찰하였다. 실험한 범위 안에서는 실리카 입자의 강화 효과로 인해 약 25%의 열팽창 감소와 51%의 영률 증가를 달성할 수 있었다.
이후 30 분 동안 진공 데시케이터를 사용하여 전단혼합 중에 포함되었을 기포를 제거한다. 수지 내의 실리카 함유량은 0, 10, 20, 30, 40, 50, 그리고 70 wt%로 설정하였다. 계속해서, 경화제를 에폭시 수지와 중량비로 3:1에 맞추어 첨가하고, 전단혼합기에서 500, 1000 rpm으로 각각 10분 동안 전단혼합 하고, 역시 30분 동안 기포를 제거한다.
3은 열팽창계수 측정에 대한 개략도이다. 열변형률을 측정하기 위해 변형률 게이지(N2A-13 -T004N-350, Micro-Measurements)를 시편에 부착한 후 변형률 측정기에 반브릿지(half bridge) 형으로 연결하여 측정하였다. 측정 온도범위는 70 ^oC 근처인 에폭시 자체의 유리전이온도(glass transition temperature)를 고려하여 상온에서부터 60 ^oC까지 승온 하였으며, 3분당 1 ^oC의 속도로 온도를 상승시켰다.
열팽창계수 및 영률 측정은 각각 최소 5개 이상의 시편에 대해서 이루어졌다.
열변형률을 측정하기 위해 변형률 게이지(N2A-13 -T004N-350, Micro-Measurements)를 시편에 부착한 후 변형률 측정기에 반브릿지(half bridge) 형으로 연결하여 측정하였다. 측정 온도범위는 70 ^oC 근처인 에폭시 자체의 유리전이온도(glass transition temperature)를 고려하여 상온에서부터 60 ^oC까지 승온 하였으며, 3분당 1 ^oC의 속도로 온도를 상승시켰다.

대상 데이터

경화제로는 아민계인 Jeffamine D-230(Huntsman Co.)을 사용하였는데, 밀도는 0.948 g/cm3이고 점도는 0.009 Pa·s으로 알려져 있다.
시편 제조에 사용한 에폭시 수지는 Bisphenol- F형인 YDF-161(Kukdo Chemical Co.)로서, 제조사에서 제공한 물성치 자료에서 밀도는 1.17 g/cm3, 점도는 5~7 Pa·s로 알려져 있다.
55 10^-6/K을 사용하였다. 에폭시 수지의 영률은 본 측정에서 구한 1.23 GPa을 사용했다.
영률 시험용 시편은 ASTM D638-10 Type IV의 규격대로 전체길이(overall length) 115 mm, 시험부(narrow section)의 폭 6 mm, 두께 4 mm의 도그본(dog-bone) 형태로 제작하였다. 영률은 만능재료시험기(Unitech-T, R&B Inc.

데이터처리

기계적 물성인 인장강성 측정과 열적 물성인 열팽창계수 측정을 통해 시편의 열안정성을 평가하고자 하였다. 또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 경험식 모델을 통한 해석결과를 실험결과와 비교하였다.

성능/효과

8 10^-6/K으로 측정되었다. Table 1에서 보는 바와 같이 에폭시 수지에 비해 약 1/100 수준인 매우 낮은 열팽창계수를 가지는 실리카의 함유량이 증가함에 따라 복합재료 시편의 열안정성은 개선되어 열팽창계수는 감소함을 볼 수 있는데, 가장 작게 나타난 70 wt% 시편의 열팽창계수는 0 wt% 시편(baseline) 대비 약 25 % 감소하였다. 또한, 전반적으로 크지 않은 시편 간의 표준편차로 미루어 판단하면 본 실험에서 사용한 충전제 혼합방법이 양호하였음을 간접적으로 알 수 있다.
에폭시 수지에 비해 충전제 실리카의 강성이 50배 이상 크기 때문에 실험한 범위 안에서는 실리카 함유량이 증가함에 따라 영률이 지속적으로 증가하였다. 가장 높게 측정된 70 wt% 시편의 영률은 기준 시편 대비 약 51% 증가하였다. 시편 종류에 따라 표준편차가 다소 큰 경우도 있지만 실리카 함량이 증가됨에 따라 영률이 증가하는 경향에는 이견이 없다고 판단되었다.
Table 1에서 보는 바와 같이 에폭시 수지에 비해 약 1/100 수준인 매우 낮은 열팽창계수를 가지는 실리카의 함유량이 증가함에 따라 복합재료 시편의 열안정성은 개선되어 열팽창계수는 감소함을 볼 수 있는데, 가장 작게 나타난 70 wt% 시편의 열팽창계수는 0 wt% 시편(baseline) 대비 약 25 % 감소하였다. 또한, 전반적으로 크지 않은 시편 간의 표준편차로 미루어 판단하면 본 실험에서 사용한 충전제 혼합방법이 양호하였음을 간접적으로 알 수 있다.
또한, 기존 연구에서 제시된 몇 가지 수치모델과 실험결과를 비교 고찰하였다. 실험한 범위 안에서는 실리카 입자의 강화 효과로 인해 약 25%의 열팽창 감소와 51%의 영률 증가를 달성할 수 있었다. 열팽창계수 측정결과는 체적탄성계수와 전단탄성계수를 고려한 Kerner 모델⁽⁶⁾의 결과와 잘 부합했으며, 영률의 결과는 마이크로 크기 충전제에 대한 수치모델인 Mori-Tanaka 모델⁽⁷⁾과 잘 부합하였다.
5의 그래프에서 보는 것과 같이 실험 결과는 Kerner 모델⁽⁶⁾ 혹은 Thomas 모델⁽⁴⁾과 구분하기 힘들 정도로 매우 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 안정적인 시편 제조는 실리카 함유량 70 wt%까지 할 수 있었지만 수치모델의 결과로 미루어 보면 충전제 함량 100 wt%에서는 열팽창계수가 거의 2110-6/K에 접근함을 알 수 있다. 이는 충전제 함유량 0 wt% 시편을 기준으로 열팽창계수가 약 34%감소한 것으로서 그만큼 열안정성이 좋아질 수 있음을 보여준다.
실험한 범위 안에서는 실리카 입자의 강화 효과로 인해 약 25%의 열팽창 감소와 51%의 영률 증가를 달성할 수 있었다. 열팽창계수 측정결과는 체적탄성계수와 전단탄성계수를 고려한 Kerner 모델⁽⁶⁾의 결과와 잘 부합했으며, 영률의 결과는 마이크로 크기 충전제에 대한 수치모델인 Mori-Tanaka 모델⁽⁷⁾과 잘 부합하였다. 복합재료의 열팽창 및 영률 예측을 위한 모델에서는 체적분률 외에 충전제 함유량에 따른 추가적인 물성 변화를 고려해야 함을 알 수 있었다.
최소 5회 이상 측정한 평균 평균값과 오차막대로 표시된 표준편차를 나타냈다. 영률은 실리카 함유량 0, 10, 20, 30, 40, 50, 70 wt% 시편에서 각각 1.23, 1.37, 1.49, 1.55, 1.61, 1.73, 1.91 GPa로 측정되었다. 에폭시 수지에 비해 충전제 실리카의 강성이 50배 이상 크기 때문에 실험한 범위 안에서는 실리카 함유량이 증가함에 따라 영률이 지속적으로 증가하였다.

후속연구

5 mm/min이다. 시편의 영률은 인장응력과 변형률 관계 그래프의 기울기를 계산하여 나타낼 수 있는데, Table 1에서 보는 것과 같이 충전제 실리카의 탄성계수는 수지에 비해 매우 크기 때문에 실리카 함유량에 따라 복합재료의 영률은 개선될 것으로 기대할 수 있다.
이상의 결과를 바탕으로 향후에는 충전제와 수지의 계면 면적 변화를 고려할 수 있는 충전제 크기 변화에 대한 연구를 진행하고 다양한 경험식 모델을 추가하여 그 영향을 고찰할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에폭시의 활용분야 예시로 무엇이 있는가?	에폭시는 복합재료에 사용되는 대표적인 열경화성 수지로서 경화가 용이하며, 접착력이 강하고, 다른 수지와 비교해서 기계적 강도가 좋은 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 에폭시는 접착제, 강화 플라스틱, 몰드 제품, 적층판, 복합재료 등의 다양한 산업 응용성을 가진다. 에폭시 수지는 자체적인 장점 외에 탄소섬유, 탄소나노튜브
	에폭시 복합재료의 열안정성을 개선하기 위한 연구가 진행되는 이유는?	에폭시 복합재료를 금속 등과 같이 열팽창 계수가 다른 재료와 결합하여 함께 사용하는 경우에 열 변형 차이 때문에 부품의 박리나 부분 손상 등이 일어날 수 있다. 이러한 이유로 에폭시 복합재료의 열안정성을 개선하기 위한 다수의 연구가 진행되고 있다.
	에폭시의 정의와 장점은 무엇인가?	에폭시는 복합재료에 사용되는 대표적인 열경화성 수지로서 경화가 용이하며, 접착력이 강하고, 다른 수지와 비교해서 기계적 강도가 좋은 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 에폭시는 접착제, 강화 플라스틱, 몰드 제품, 적층판, 복합재료 등의 다양한 산업 응용성을 가진다.

참고문헌 (14)

Choi, Y. S., Chae, I. S., Kang, Y. S., Won, J. G., Kim, J. J. and Kim, S. D., 2011, "Tuning Thermal Expansion Coefficient of Composites Containing Epoxy Resin/Inorganic Additives for Stone Conservation," Journal of Conservation Science, Vol. 27, No. 4, pp. 431-440.
Ku, M. Y., Kim, J. H., Kang, H. Y. and Lee, G. W., 2013, "Measurement of Mechanical Property and Thermal Expansion Coefficient of Carbon-Nanotube-Reinforced Epoxy Composites," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol 37, No 5, pp. 657-664.

원문보기 상세보기
Dittanet, P. and Pearson, R. A., 2012, "Effect of Silica Nanoparticle Size on Toughening Mechanisms of Filled Epoxy," Polymer, Vol 53, No 9, pp. 1890-1905.

상세보기
Ehrenstien, G. W., Riedel G. and Trawiel P., 2004, "Thermal Analysis of Plastic: Theory and Practice," Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG.
Turner, P. S., 1946, "Thermal-Expansion Stresses in Reinforced Plastics," Research of the National Bureau of Standards, Vol 37, No 4, pp. 239-250.

상세보기
Kerner, E. H., 1956, "The Elastic and Thermo-Elastic Properties of Composite Media," Proc. Phys. Soc. B, Vol. 69, pp. 808-813.
Mori, T. and Tanaka, K., 1973, "Average Stress in the Matrix and Average Elastic Energy of Materials with Misfitting Inclusions," Acta metall. Vol. 21, pp. 571-574.

상세보기
Halpin, J. C., 1969, "Stiffness and Expansion Estimates for Oriented Short Fiber Composites," Composite Materials, Vol 3, pp. 732-734.

상세보기
http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0197_cte/
http://plastics.ides.com/generics/13/c/t/epoxy-properties-processing
http://www.tech.plym.ac.uk/sme/MATS324/MATS324A2%20E-G-nu.htm
http://accuratus.com/fused.html
Lardner, T. J. and Archer, J. J., 1994, "Mechanics of Solids : An Introduction 736," McGraw-Hill, pp. 563-568.
Lardner, T. J. and Archer, J. J., 1994, "Mechanics of Solids : An Introduction 736," McGraw-Hill, pp. 10-13.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

마이크로미터 크기 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료의 열팽창계수 측정 및 평가

Measurement and Evaluation of Thermal Expansion Coefficients of Micrometer-Sized SiO2 Particle-Reinforced Epoxy Composites

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 보고서와 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

마이크로미터 크기 실리카 입자로 강화된 에폭시 복합재료의 열팽창계수 측정 및 평가

Measurement and Evaluation of Thermal Expansion Coefficients of Micrometer-Sized SiO2 Particle-Reinforced Epoxy Composites

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

강희용 (22)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 보고서와 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper