Recently, Application of composite materials are increased in transport area for weight reduction. Also, Related technical developments have been implemented actively at domestic and abroad. In particular, The carbon fiber has high strength and ultra light property higher than stainless steel, alumi...
Recently, Application of composite materials are increased in transport area for weight reduction. Also, Related technical developments have been implemented actively at domestic and abroad. In particular, The carbon fiber has high strength and ultra light property higher than stainless steel, aluminum, GFRP as Eco-friendly material. Carbon fiber contribute to improving the environmental effect such as fuel saving, expansion of loadage, reducing the exhaustion of carbon dioxide through the weight reduction of transport area. In addition, The carbon fiber is applied to the ship in the area of race yacht, luxury cruise boat as weight reduction and high added-value materials, but there is limited application for general boat because price of carbon fiber is very expensive. For the weight reduction of general boat hull, being used as structure materials, glass fiber and carbon fiber are applied to hull with form of hybrid composite materials, but application of domestic and research for development are incomlete. In this study, An evaluations of mechanical strength property and fatigue strength are performed on composite materials by hybrid weaving of glass fiber and carbon fiber and composite materials forming method by hybrid forming.
Recently, Application of composite materials are increased in transport area for weight reduction. Also, Related technical developments have been implemented actively at domestic and abroad. In particular, The carbon fiber has high strength and ultra light property higher than stainless steel, aluminum, GFRP as Eco-friendly material. Carbon fiber contribute to improving the environmental effect such as fuel saving, expansion of loadage, reducing the exhaustion of carbon dioxide through the weight reduction of transport area. In addition, The carbon fiber is applied to the ship in the area of race yacht, luxury cruise boat as weight reduction and high added-value materials, but there is limited application for general boat because price of carbon fiber is very expensive. For the weight reduction of general boat hull, being used as structure materials, glass fiber and carbon fiber are applied to hull with form of hybrid composite materials, but application of domestic and research for development are incomlete. In this study, An evaluations of mechanical strength property and fatigue strength are performed on composite materials by hybrid weaving of glass fiber and carbon fiber and composite materials forming method by hybrid forming.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 기존 일반 소형보트에 많이 적용되고 있는 유리섬유 복합소재와 경주용 요트 등에 많이 적용 되고 있는 탄소섬유 복합소재와의 하이브리드 복합재의 성형 방법에 따른 기계적 강도특성을 평가하여 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
이에 본 연구에서는 유리섬유와 탄소섬유의 하이브리드 직조에 의한 복합재와 하이브리드 성형을 위한 복합재 성형 방법에 따른 기계적 강도특성 및 피로강도의 평가를 수행하였다. 이를 통해 각 섬유의 함유량에 따른 복합재의 기계적 특성을 비교해 보고 보트에 적용되기 위해 가장 적합한 형태의 하이브리드 소재를 알아보고자 한다.
이에 본 연구에서는 유리섬유와 탄소섬유의 하이브리드 직조에 의한 복합재와 하이브리드 성형을 위한 복합재 성형 방법에 따른 기계적 강도특성 및 피로강도의 평가를 수행하였다. 이를 통해 각 섬유의 함유량에 따른 복합재의 기계적 특성을 비교해 보고 보트에 적용되기 위해 가장 적합한 형태의 하이브리드 소재를 알아보고자 한다.
제안 방법
본 실험에 사용된 인장시험 장비는 Universal Testing Machine (50T) UH-F500KNI (SHIMADZU)를 사용하였고, SHIMADZU 프로그램을 통하여 2mm/min의 준 직정 속도로 인장시험과 굽힘시험을 진행하였다. 각 시험편당 5개의 시편으로 시험을 실시하였다.
3에 나타낸바와 같이 일방향형, 수직교차형, 다축방향형, 기타 무방향형으로 구분할 수 있다. 수직교차형에는 평직 (Plain), 능직(Twill), 견직(Satin) 등이 있으며, 본 연구에서는 평직형태의 하이브리드 섬유 강화재를 직조하여 기계적 특성 등을 비교하였다6) .
위 조사 결과에 따른 탄소섬유 함유량의 물성 저하 여부를 명확하게 확인해보기 위해 Fig. 10에서 나타낸 바와 같이 조사된 자료를 재 비교 분석해 보았다. 두 비교 군의 물성 차이를 확인 해보면 탄소섬유가 75%일 때는 큰 차이를 확인할 수 없었다.
유리/탄소섬유 하이브리드 복합재의 적층 순서를 달리하여 피로 강도 실험을 진행하였다. Fig.
유리/탄소섬유의 함유율, 적층 순서, 직조 방법을 달리하여 굽힘 실험을 진행하였다. Fig 13은 유리섬유와 탄소섬유의 적층 수의 비율에 따른 굽힘 강도를 나타낸 것이다.
유리/탄소섬유의 함유율, 적층 순서, 직조 방법을 달리하여 인장 실험을 진행하였다. Fig.
4, 5와 같이 섬유 강화재를 직조하였다. 이 섬유 강화재를 바탕으로 유리섬유, 탄소섬유 하이브리드 복합재를 Table 7에서 보는 바와 같이 하이브리드 직조된 복합재와 탄소섬유, 유리섬유를 하이브리드 적층한 복합재의 시험편을 제작하였다. 적용한 성형 공법은 진공적층공법으로 시혐펀을 제작하였으며, 적용한 수지는 에폭시 수지를 사용하였다.
이 섬유 강화재를 바탕으로 유리섬유, 탄소섬유 하이브리드 복합재를 Table 7에서 보는 바와 같이 하이브리드 직조된 복합재와 탄소섬유, 유리섬유를 하이브리드 적층한 복합재의 시험편을 제작하였다. 적용한 성형 공법은 진공적층공법으로 시혐펀을 제작하였으며, 적용한 수지는 에폭시 수지를 사용하였다.
피로시험 장비는 SAGINOMIYA를 사용하였으며, 표점 거리 145mm인 피로시험용 판재 시편을 Load control에서 정현파형(sinusoidal wave)으로 진동수(frequency) 는 3Hz, 응력비(stress ratio)는 0.1로 피로 시험을 하였고 최종 파단을 시편이 20mm이상 변위가 생겼을 때로 정의하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 인장시험 장비는 Universal Testing Machine (50T) UH-F500KNI (SHIMADZU)를 사용하였고, SHIMADZU 프로그램을 통하여 2mm/min의 준 직정 속도로 인장시험과 굽힘시험을 진행하였다. 각 시험편당 5개의 시편으로 시험을 실시하였다.
성능/효과
1) 유리/탄소섬유 하이브리드 복합재에 있어서 탄소섬유의 함량 비율에 따라 인장강도 값이 거의 선형적으로 높아짐을 알 수 있다.
2) 유리/탄소섬유 라미네이트 하이브리드 복합재와 직조 하이브리드 복합재 인장강도 특성은 라미네이트 하이브리드 복합재가 직조 하이브리드 복합재 보다 약 8% 정도 더 높은 값을 나타낸다.
3) 유리/탄소섬유 하이브리드 섬유 패턴별 인장강도 특성은 물성이 높은 강화재 섬유가 한곳에 집중되어 있는 패턴이 5% 정도 더 높은 값을 나타낸다.
5) 유리/탄소섬유 하이브리드 복합재에 있어서 탄소섬유의 함량 비율에 따른 피로강도는 탄소섬유의 비율이 많은 복합재가 높은 것으로 나타난다.
섬유 강화재의 특성을 살펴보면, Table 1에 나타낸 바와 같이 탄소섬유가 충격강도를 제외한 기계적 강도가 모두 타재료에 비해 우수한 것을 알 수 있으며, 난연성, 단열성, 전기절연성, 비용 측면에서는 C등급으로 상대적으로 낮은 수치를 보이고 있다.
소형보트의 선체 재료로 가장 많이 적용되고 있는 유리섬유는 가격이 가장 저렴하고, 전단강도, 난연성, 전기절연성 등은 우수하지만, 압축강도, 피로강도 등이 부적절한 것으로 나타났으며, 아라미드 섬유는 충격강도, 난연성, 단열성이 우수한 것을 알 수 있다.
실험 결과를 확인해 보면, 탄소섬유25%와 유리섬유 75%의 같은 함유량으로 적층을 하였을 때와 탄소섬유 75%와 유리섬유 25%로 각각 적층을 하였을 경우 모두 상대적으로 강한 강도를 가진 탄소섬유가 중심으로 모여 있을수록 높은 인장강도 값을 나타내는 경향을 보였다. 이는 강도가 강한 탄소섬유가 집적이 되어 있을수록 응력 전달에 유리함을 나타낸다고 볼 수 있다.
실험 결과를 확인해보면, 두 경우 모두 Row carbon 상태에서 탄소의 함유량이 줄어드는 단계에 따라 물성이 선형적으로 낮아지면서 최종적으로 Row glass일 때가 가장 낮은 물성을 보였다. Fig.
피로에 의한 파괴는 응력집중 부위에서 소성변형이 생긴 이후 미세균열이 만들어 지고, 이 미세균열이 반복하중에 의해 진전이 되어 파괴에 도달하는 것이 보통의 피로파괴의 경우이다. 이를 바탕으로 Fig 18을 보았을 때, 탄소섬유의 함유량이 높을수록 피로에 의한 파괴에 유리하다는 것을 알 수 있었고, 임계 사이클에서의 파로 강도가 높다는 것을 알아낼 수 있었다. 이는 탄소섬유의 고탄성율 특성에 의해 응력집중부위에서 발생하는 소성변형을 최소화 시켜 미세균열에 의한 잔류응력에 유리한 작용을 했기 때문으로 생각된다.
실험 결과를 확인해 보면 인장 실험과 같은 경향을 나타낸다는 것을 볼 수가 있다. 인장 실험과 마찬가지로 두 경우 모두 Row carbon 상태에서 높은 굽힘 강도를 나타내다가, 유리섬유의 비율이 높아질수록 감소 하는 경향을 나타내었다.
실험 결과를 확인해 보면, 인장시험 결과와 같은 경향을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 탄소섬유 25%와 유리섬유 75%의 같은 함유량으로 적층을 하였을 때와 탄소섬유 75%와 유리섬유 25%로 각각 적층을 하였을 경우 모두 상대적으로 강한 강도를 가진 탄소섬유가 중심으로 모여 있을수록 높은 굽힘 강도 값을 나타내는 경향을 보였다. 이는 인장강도 때와 마찬가지로 강도가강한 탄소섬유가 집적이 되어 있을수록 응력 전달에 유리함을 나타낸다고 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유 복합재는 어떤 선박 제조에 사용되는가?
또한, 선박분야에서는 경주용요트, 고급크루즈보트 등에 경량화 및 고부가가치 소재로써 탄소섬유 복합재가 적용되고 있지만, 탄소섬유의 가격이 매우 높기 때문에 일반 보트에 적용하기에는 한계가 있다. 일반 보트 선체를 경량화하기 위해 구조재료로 주로 많이 사용 되고 있는 유리섬유와 탄소섬유는 하이브리드 복합재 형태로 선체에 널리 적용되고 있지만, 이에 대한 국내 적용사례 및 기술개발 연구는 미비한 실정이다4 ) .
탄소섬유 복합재의 장점은?
최근 수송기기 분야의 경량화를 위한 복합재의 적용량이 급증하고 있으며, 국내외 관련산업 기술개발도 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 탄소섬유 복합재는 강, 알루미늄, GFRP 대비 고강도, 초경량 특성을 갖는 친환경 그린 소재로써 수송기기 분야의 경량화를 통한 연료절감, 적재량 확대 및 이산화탄소 배출 저감의 환경 개선 효과에 크게 기여하고 있다1-3). Fig.
섬유 강화재의 방향은 어떤 종류가 있는가?
섬유의 방향에 의한 구분은 Fig. 3에 나타낸바와 같이 일방향형, 수직교차형, 다축방향형, 기타 무방향형으로 구분할 수 있다. 수직교차형에는 평직 (Plain), 능직(Twill), 견직(Satin) 등이 있으며, 본 연구에서는 평직형태의 하이브리드 섬유 강화재를 직조하여 기계적 특성 등을 비교하였다6) .
참고문헌 (7)
Byoung-Yoon Kang, Je-Hyoung Cho, Consideration for Structure and Fabrication Procedure of Alminum Boat, Journal of KWJS, 22(3) (2004), 39-44 (in Korean)
Je-Hyoung Cho, Myung-Hyun Kim and Jun- Woong Choi, Application of Friction Stir Welding Processes for Aluminum alloy Boat, Journal of KWJS, 30(2) (2012), 31-36 (in Korean)
Jun-Woong Choi, Kyeung-Chae Park, Young-Bong Ko, Joining Ability and Mechanical Properties of Friction Stir Lap Welded A5052-H112 Alloy, Journal of KWJS, 28(1) (2010), 34-40 (in Korean)
Manders, P. W., M. G. Bader. The strength of hybrid glass/carbon fibre composites. Journal of Materials Science 16(8) (1981), 2233-2245
Han, I. S., Kim, S. Y., Woo, S. K., Hong, K. S., Soe, D. W. (2006). Characteristics of Glass/Carbon Fiber Hybrid Composite Using by VARTM. Journal of the Korean Ceramic Society, 43(10), 607-612
Dhakal, H. N., Zhang, Z. Y., Guthrie, R., MacMullen, J., Bennett, N. (2013). Development of flax/carbon fibre hybrid composites for enhanced properties, Carbohydrate polymers, 96(1), 1-8
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.