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열수노화 조건에서 레저선박용 탄소섬유강화플라스틱의 강도변화에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Hygrothermal Ageing Effect to the Strength of CFRP Materials for Marine Leisure Boat 원문보기

大韓造船學會 論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.3, 2018년, pp.205 - 214  

정한구 (군산대학교 조선해양공학과) ,  노재규 (군산대학교 조선해양공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with the experimental study on the hygrothermal ageing effect to the strength of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) materials for marine leisure boat manufactured by vacuum assisted resin infusion method. The experiments performed consist of tensile, flexural and shear tests ac...

주제어

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문제 정의

  • CFRP 적층판은 ASTM 및 KS에서 규정하고 있는 인장, 굽힘 그리고 전단 시험 규정을 바탕으로 시편 제작을 목적으로 제작하였다. 이때 각 규정에서 정의하는 시편 두께를 만족하는 탄소섬유 플라이(ply) 수를 파악하기 위해 Fig.
  • 이는 탄소강화섬유플라스틱 레저선박의, 직접 해석법에 근거한, 구조강도 평가를 위한 유한요소모델 개발에 필수적인 재료 물성치에 대해 열수노화의 해양환경이 미치는 영향을 정량적으로 이해하기 위한 실험적 연구가 필요함을 말해주고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 부족한 내용을 보완하여 보다 신뢰도가 향상된 레저선박의 구조 설계 능력을 확보하고자 열수노화의 해양환경에 노출된 탄소섬유강화플라스틱의 실험적 구조 강도 평가에 관한 연구를 진행하였다.
  • 본 연구에서는 상온과 고온 다습한 염수 환경에서의 CFRP 적층 구조물의 재료 물성치를 확보하기 위한 선행으로 레저선박에 적합한 탄소섬유와 수지 조합에 대해서 조사를 수행하였다. 그 결과, 복잡한 선형과 곡면에 대해 우수한 적층 및 수지 함침 능력을 갖는 0°의 일방향으로 직조된 섬유(uni-directional fabric), 0°/90°의 양방향으로 직조된 섬유(bi-directional fabric) 그리고 ±45°방향으로 직조된 섬유(double-Bias fabric)에 레저선박의 선체 두께를 고려하여 200~400 g/m2의 중량을 갖는 탄소섬유를 선정하였다.
  • 본 연구에서는 탄소섬유강화플라스틱을 건조 재료로 선택하는 고부가가치 레저선박의 신뢰도 있는 구조강도 평가를 위해 필수 적인 유한요소해석 기반의 직접해석법에 요구되는 재료 물성치에 대해 염분 흡습 환경인 열수노화 효과가 미치는 영향을 시험 평가를 통해 정량적으로 분석하였다. 이는 기존의 선행 연구들 중 산업계에서 사용되고 있는 해양레저용 탄소섬유강화플라스틱을 진공수지주입식 성형공법으로 시편을 제작하고 염분 흡습 환경의 열수노화 조건을 적용한 후 인장, 굽힘 및 전단강도 시험을 통해 재료 강도에 관한 실험적 연구가 수행된 문헌 확보에 많은 어려움이 있어 본 연구를 수행하였다.
  • 실온과 열수노화 환경에서의 CFRP 적층 구조물의 재료 물성치를 이해하기 위한 강도 시험 평가를 진행하였다. 두 가지 환경에 대해 공통적으로 인장, 굽힘 그리고 전단 강도 시험을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 탄소섬유강화플라스틱을 건조 재료로 선택하는 고부가가치 레저선박의 신뢰도 있는 구조강도 평가를 위해 필수 적인 유한요소해석 기반의 직접해석법에 요구되는 재료 물성치에 대해 염분 흡습 환경인 열수노화 효과가 미치는 영향을 시험 평가를 통해 정량적으로 분석하였다. 이는 기존의 선행 연구들 중 산업계에서 사용되고 있는 해양레저용 탄소섬유강화플라스틱을 진공수지주입식 성형공법으로 시편을 제작하고 염분 흡습 환경의 열수노화 조건을 적용한 후 인장, 굽힘 및 전단강도 시험을 통해 재료 강도에 관한 실험적 연구가 수행된 문헌 확보에 많은 어려움이 있어 본 연구를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소섬유가 레저선박에서 건조 재료로 사용해온 유리섬유에 비해 우수한 점? 탄소섬유는 대부분의 레저선박에서 건조 재료로 사용해온 유리섬유와 비교했을 때, 경량, 강도 및 강성 측면에서 재료의 기계적 물성치를 혁신적으로 발전시켰다. 이와 같은 우수한 재료 특성으로 인해, 기존의 E-glass 혹은 S-glass 등의 유리섬유를 탄소섬유로 대체하여 레저선박을 건조 및 운항 시 선체 강도 및 강성의 증가, 건조 재료의 절감, 선속의 증가 혹은 연료 효율의 증대 등의 여러 가지 측면으로 성능 향상을 기대할 수 있다.
레저선박에 탄소섬유를 적용한 사례가 꾸준히 늘어날 것으로 예측되는 이유? 아울러 탄소섬유는 강 기반의 건조 재료와 비교했을 때에도, 우수한 강도, 월등한 경량성, 충격 흡수성 그리고 뛰어난 내식성과 내마모성 등을 가지고 있어 앞으로 레저선박에 탄소섬유를 적용한 사례는 꾸준히 늘어날 것으로 예측된다.
레저선박의 운항이 해양에서 레저 목적으로 많이 운항되기 때문에 필요한 연구는? 레저선박의 운항은 내수면과 해양에서 모두 가능하나 대부분은 해양에서 레저 목적으로 운항되고 있다. 따라서, 염분과 변동 하는 해수 온도의 다습한 환경 하에서 섬유강화플라스틱을 구성 하는 섬유와 수지가 받는 영향이 재료 강도와 같은 물성치에 미치는 효과를 이해하기 위한 연구가 필요하다.
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참고문헌 (15)

  1. ASTM Standards D790, 2017. Standard test method for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM International, PA 19428-2959, US. 

  2. ASTM Standards D3039, 2014. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. ASTM International, PA 19428-2959, US. 

  3. ASTM Standards D3518, 2013. Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ${\pm}45^{\circ}$ laminate. ASTM International, PA 19428-2959, US. 

  4. Choi, J.H., Kang, M.S., Koo, J.M. & Seok, C.S., 2012. Evaluation of residual strength under impact damage in woven CFRP composites. Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 29(6), pp.654-663. 

  5. Gibson, A.G., 1993. Composites in offshore structures. Composite materials in maritime structures edited by Shenoi, R.A. & Wellicome, J.F., Cambridge University Press: Cambridge. 

  6. Hong, S.W., Ahn, S.S., Koo, J.M. & Seok, C.S., 2012. Analysis of characteristics of CFRP composites exposed under high-temperature and high-humidity environment for a long period. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, 36(8), pp.889-895. 

  7. Jang, J.W., Cho, J.H., Oh, D.J. & Kim, M.H., 2015. Fatigue life prediction of CFRP using fatigue progressive damage model. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(3), pp.248-254. 

  8. Kang, M.S., Park, H.S., Choi, J.H., Koo, J.M. & Seok, C.S., 2012. Prediction of fracture strength of woven CFRP laminates according to fiber orientation. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, 36(8), pp.881-887. 

  9. Kim, D., Hennigan, D.J. & Beavers, K.D., 2010. Effect of fabrication processes on mechanical properties of glass fiber reinforced polymer composites for 49 Meter (160 foot) recreational yachts. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2, pp.45-56. 

  10. Kim, S.Y., Shim, C.S., Sturtevant, C., Kim, D. & Song, H.C., 2014. Mechanical properties and production quality of hand-Layup and vacuum infusion processed hybrid composite materials for GFRP marine structures. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 6, pp.723-736. 

  11. Kim, Y.H., Park, C.W., Jung, G.S. & Shin, S.J., 2016. Environment deterioration characteristics of polypropylene / glass fiber composites under moisture absorption environment. Journal of Ocean Engineering and Technology, 30(6), pp.520-525. 

  12. KS D9502, 2014. Methods of Neutral Salt Spray Testing. Korean Standards and Certifications. 

  13. Oh, D.K., Lee, D.K., Kang, G.M., Ryu, C.H. & Noh, J.K., 2014. Comparative study of rules of ISO 12215 and international classification society for structural design of CFRP cruise boat. Journal of Ocean Engineering and Technology, 28(1), pp.77-84. 

  14. Park, S.C., Kang, S.S., Kim, G.Y. & Choi, J.H., 2013. Evaluation of tensile strengths and fracture toughness of plain weave composites. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 37(8), pp.862-868. 

  15. Tan, S.C. & Cheng, S., 1997. Failure criteria for fibrous anisotropic materials. International Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, 5(2), pp.198-211. 

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