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필라멘트 와인딩된 카본/에폭시 복합재의 층간파괴인성에 미치는 온도 영향
Effect of Temperature on Interlaminar Fracture Toughness of Filament-Wound Carbon/Epoxy Composites 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.5, 2015년, pp.491 - 497  

임재문 (한밭대학교 기계설계공학과) ,  신광복 (한밭대학교 기계공학과) ,  황태경 (국방과학연구소)

초록
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본 논문은 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 구배 단면을 갖는 돔 분리형 복합재 압력용기 접착체결부의 온도영향에 따른 층간파괴인성 평가를 위해 모드 I, II 그리고 혼합모드의 시험적 평가를 수행하였다. 모드 I과 혼합모드 층간파괴인성은 DCB 시편을 사용하였으며, 모드 II 층간파괴인성은 ENF 시편을 사용하여 평가하였다. 와인딩 각도는 $[{\pm}10^{\circ}]_6$, $[{\pm}27^{\circ}]_6$ 그리고 ($[{\pm}10^{\circ}]_3/FM73/[{\pm}10^{\circ}]_3$)이며 곡면 단면을 고려하였다. 시험 평가에 적용된 온도 환경은 환경 챔버와 전기로를 이용하여 $-30^{\circ}C$에서 $60^{\circ}C$로 조성하였다. 층간파괴인성에 온도가 미치는 영향을 평가한 결과, 층간파괴인성은 저온에서 높게 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 확인하였다. 시편 종류별 결과에서는, 돔부와 헬리컬부가 접착체결된 $[{\pm}10^{\circ}]_3/FM73/[{\pm}10^{\circ}]_3$ 와인딩 시편이 가장 높은 층간파괴인성을 가짐을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper reports an experimental study for evaluating the effect of temperature on the mode I, mode II and mixed-mode interlaminar fracture toughness of adhesive joints with a curved cross-section of filament-wound dome-separated composite pressure vessel. Mode I and mixed-mode interlaminar fractu...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 돔 분리형 복합재 압력용기의 접합체결부에서의 모드 I, II 그리고 혼합 모드에 대한 층간파괴인성 평가를 위해 시편을 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제작하여 압력용기와 동일한 곡률을 갖도록 하였다. 이때, 시편은 압력용기 접합체결부의 모재부와 접합부에 대한 층간파괴인성치를 모두 평가하기 위해, 모재부에 해당하는 헬리컬부의 ([±10°]6)와 돔부의 ([±27°]6) 적층판 시편 그리고 접합부에 해당하는 ([±10°]3/FM73/[±27°]3)시편, 세 종류를 제작하였다.
  • 본 논문에서는 돔 분리형 복합재 압력용기의 접착 체결부에 대한 층간파괴인성치를 평가하기 위해 필라멘트 와인딩 공법으로 곡률(ρ=1/1700)을 갖는 시편을 헬리컬부, 돔부 그리고 헬리컬부와 돔부의 접합부 시편을 제작하여 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드의 파괴인성치 평가를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
돔과 실린더를 따로 제작한 후 접착체결에 의해 압력용기를 접합시킬 경우에 어떠한 장점이 있는가? 그러나, 최근의 개발동향은 돔과 실린더를 따로 제작한 후 접착체결방식에 의해 제작하는 방법이 적용되고 있다. 돔과 실린 더를 따로 제작한 후 접착체결에 의해 압력용기를 접합시킬 경우 불필요한 내부 접합부분이 일체성형 방법에 비해 줄일 수 있어 추가 경량화 및 내부의 추진제 탑재량을 증가시킬 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다. (4)
방산 및 항공우주분야에 복합재료 적용을 많이 하는 이유는 무엇인가? 복합재료(Composite materials)는 금속재보다 비강도 및 비강성이 높은 재료로써 기계구조물의 경량화 및 성능향상을 위해 다양한 분야에 적용 되고 있다. 특히 방산 및 항공우주분야의 적용이 활발해지고 있는데 이는 항공기, 로켓, 미사일 등의 경량화로 인해 비거리 향상에 유리하기 때문이다. (1) 이런 복합재 구조물의 경우 원하는 형상은 일체성형을 통해 제작하는 방법이 구조적으로 가장 유리하나 구조물의 크기와 사용용도 등에 따라 구조물들을 각각 성형한 후 접착체결에 의해 제작하는 방법도 사용되게 된다.
복합재 구조물에 접착체결방법을 사용함으로 얻을 수 있는 장점은 무엇인가? (1) 이런 복합재 구조물의 경우 원하는 형상은 일체성형을 통해 제작하는 방법이 구조적으로 가장 유리하나 구조물의 크기와 사용용도 등에 따라 구조물들을 각각 성형한 후 접착체결에 의해 제작하는 방법도 사용되게 된다. 이때, 접착체결방법은 리벳 등을 활용한 기계적 체결 방식에 비해 경량화 설계에 유리하고, 하중을 접착면적 전체에 분포시킬 수 있는 장점이 있어 최근 많이 활용되고 있는 추세이다. 또한 피접착물 사이의 완전한 접착으로 유체로부터 밀봉이 가능하고, (2)추가적인 가공이 필요하지 않아 섬유의 불연속이 발생하지 않는 장점도 가지고 있다. (3)
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참고문헌 (14)

  1. Oh, J. O., Yoon, S. H., Lee, S. W., Ahn, C. W. and Hwang, T. K., 2012, "Prediction of High Temperature Tensile Strengths for Carbon Fiber/Epoxy Composite," Fall Conference of The Korean Society of Propulsion Engineers, pp. 665-667. 

  2. Kim, W. S. and Lee, J. J., 2010, "Composite/Metal Interfacial Toughness Measurement and Improvement," Conference of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, pp. 191-194. 

  3. Kim, J. H., Shin, K. B. and Hwang, T, K., 2013, "Study on Mode I, II Interlaminar Fracture Toughness for Filament Wound Composite," Spring Conference of The Korean Society of Propulsion Engineers, pp. 323-327. 

  4. F. Mard, 1993, "Design, Manufacture and Test of the Composite Case for ERINT-1 Solid Rocket Motor," 29th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, pp. 93-2462. 

  5. Kim, H. J., Park, M. I., Gwark, D. W., Kim, J. D. and Koh, S. W., 2002, "A Study on Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Hybrid Composites," The Korean Society of Ocean Engineers, Vol. 16, No. 4, pp. 42-47. 

  6. Yoon, S. H., Heo, K. S. and Kim, J, S., 2005, "Evaluation of Mode I Interlaminar Fracture Toughness for Carbon Fabric/Epoxy Composite for Tilting Train Carbody," The Korean Society for Railway, Vol. 8, No. 6, pp. 573-580. 

  7. Yoon, S. H., Lee, E. D., Heo, K. S., Jung, J. C. and Shin, K, B., 2005, "Evaluation of Mode II Interlaminar Fracture Toughness for Carbon Fabric/Epoxy Composites for Tilting Train Carbody," The Korean Society for Railway, Vol. 8, No. 2, pp. 195-201. 

  8. Lee, T. S and Choi, Y. G., 1995, "A Study on the Influence of Fiber Orientation on the Mode I Interlaminar Fracture Behavior of Carbon/Epoxy Composite Materials," Trans. Korean Soc. Mech. Eng., Vol. 19, No. 2, pp. 391-401. 

  9. Pereira, A. B., de Morais, A. B., Marques, A. T. and de Castro, P.T., 2004, "Mode II Interlaminar Fracture of Carbon/Epoxy Multidirectional Laminates," Composites Science and Technology, Vol. 64, pp. 1653-1659. 

  10. ASTM International, 2007, "Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites," ASTM D5528. 

  11. ASTM International, 2006, "Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites," ASTM D6671/D6671M. 

  12. James, R. R. and John. Jr, C. R., 1990, "Mixed-Mode Bending Method for Delamination Testing," AIAA Journal, Vol. 28, No. 7, pp. 1270-1276. 

  13. Im, J. M., Shin, K. B. and Hwang, T. K., 2013, "Evaluation of Mechanical Properties of Carbon/Epoxy Composites under Low and High Temperature," Spring Conference of The Korean Society for Composite Materials, pp. 112-113. 

  14. Ozdil, F., Carlsson, L. A. and Davies, P., 1998, "Beam Analysis of Angle-Ply Laminate End-Notched Flexure Specimens," Composites Science and Technology, Vol. 58, pp. 1929-1938. 

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