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문제 정의
- 본 연구는 〇〇〇급 수중함 소나 해상 시험평가 중 소나 수신저하 현상을 확인하였으며, 음향창 박리현상의 원인으로 CFRP 수지(UP20)의 배합비의 문제점을 도출하였다. 수지의 접착능력 타당성을 확인하기 위해 배합비에 따른 침전현상, 흐름현상, 반응성, 접착력의 정량적 강도시험 등을 종합적으로 검토하여 최적의 배합비를 적용하였다.
- 본 연구는 접착제 배합 원자재 중 점도제의 비율을 변경하여 개선된 음향창 접착제 배합비를 도출하였다. 침전형상 및 흐름현상 관찰 실험을 통해 배합비의 문제점을 확인하였으며, 시편 강도시험을 통해 개선된 접착제의 적용 타당성을 정량적으로 검증하였다.
- A)을 대조군으로 설정하고 배합비율(변인)을 조절한 실험군과 비교 분석하였다. 접착제와 접합부의 기계적 강도특성은 복합재면재(C-TUX-800)와 심재(제진재) 사이 접합상태를 유지하기 위한 중요한 특성으로 2가지 종류의 시편을 제작하여 접착제의 인장강도, 샌드위치 면방향 인장강도를 확인하기 위한 시험을 수행하였다.
제안 방법
- ‘복합재 면재(C-TUX-800) 3장 적층 - 제진재 1장 적층 - 복합재 면재(C-TUX-800) 3장 적층’ 방법으로 샌드위치 판넬구조를 구현하였다.
- 동일한 원소재를 사용하여도 접착제 배합비에 따라 침전형상, 흐름현상 및 경화시간 차이 등 상이한 특성을 나타내는 것이 확인됨에 따라 변경된 배합비의 적절성 및 타당성을 검토하기 위해 시편을 이용한 정량적 강도시험을 수행하였다. 시편 제작 시 공정 기준서 변경 전(GRP-Catalogue Part C Rev.
- 두 번째로 샌드위치 면방향 인장강도에 대한 비교분석을 수행하였다. Fig.
- 먼저 접착제의 인장강도에 대한 비교 분석을 수행하였다. Fig.
- 음향창 절취 및 항해 시험평가를 통해 CFRP 내부박리현상이 소나 수신성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 샌드위치 판넬구조에서 제진재의 접착을 위해 수지(UP20)가 사용되는데, 자재 목록을 확인한 후 배합비에 대한 영향성에 대해 검토하였다. 기존 CFRP 수지는 주제(100 %), 경화제(2 %), 점도제(10 %)가 배합되는데, 점도제(BYK-D 410) 제작사의 사양서에서는 점도제의 과다 배합이 침전현상(Settling)과 흐름현상(Sagging)을 발생시킬 수 있어 0.
- 파동의 한 종류인 음파는 매질의 변화에 따라 굴절, 회절, 반사 등의 간섭을 받는다. 소나의 수신성능 저하에 대한 원인으로 음향창 내에서 의도하지 않은 음파의 간섭이 발생하여 방위정확도에 영향을 미친 것으로 판단하였다.
- 수지테스트를 통해 점도제의 과다 배합으로 흐름과 미 경화 현상을 확인하였고, 수지의 불균일한 유동으로 접착과정에서 박리현상이 발생함을 확인하였다. 수지 테스트 결과를 토대로 국외 원제작사에게 복합소재 공정기준서(GRP-Catalogue-Part B, C)의 배합비 적절성에 검토를 요청하였고, 원제작사에서 Table 2와 같이 배합비율을 변경하여 통보, 접수하였다.
- 본 연구는 〇〇〇급 수중함 소나 해상 시험평가 중 소나 수신저하 현상을 확인하였으며, 음향창 박리현상의 원인으로 CFRP 수지(UP20)의 배합비의 문제점을 도출하였다. 수지의 접착능력 타당성을 확인하기 위해 배합비에 따른 침전현상, 흐름현상, 반응성, 접착력의 정량적 강도시험 등을 종합적으로 검토하여 최적의 배합비를 적용하였다. 최종적으로 〇〇〇급 수중함 음향창에 개선된 수지 배합비를 적용하여 해상 시험평가를 수행하였으며, 소나 방위 및 거리정확도의 성능이 기존대비 크게 향상된 것을 확인하였다.
- 시편 시험을 통해 도출된 음향창 접착제 최적 배합비에 따라 음향창 전체를 수리한 후 방위정확도, 거리정확도 등 약 10회의 해상 시험평가를 수행하였다. Fig.
- 동일한 원소재를 사용하여도 접착제 배합비에 따라 침전형상, 흐름현상 및 경화시간 차이 등 상이한 특성을 나타내는 것이 확인됨에 따라 변경된 배합비의 적절성 및 타당성을 검토하기 위해 시편을 이용한 정량적 강도시험을 수행하였다. 시편 제작 시 공정 기준서 변경 전(GRP-Catalogue Part C Rev.A)을 대조군으로 설정하고 배합비율(변인)을 조절한 실험군과 비교 분석하였다. 접착제와 접합부의 기계적 강도특성은 복합재면재(C-TUX-800)와 심재(제진재) 사이 접합상태를 유지하기 위한 중요한 특성으로 2가지 종류의 시편을 제작하여 접착제의 인장강도, 샌드위치 면방향 인장강도를 확인하기 위한 시험을 수행하였다.
- 음향창 내부에서 음향 임피던스를 변화시키는 요인이 식별됨에 따라 오차 패턴의 변화양상을 확인하기 위해 일부 구역을 수리 후 변화를 확인하였다. 음향창 전체 구역을 수리하기에는 많은 시간과 예산이 필요하기 때문에 103°~118° 영역만을 절취한 후 재적층하였다.
- 접착제의 인장강도를 알아보기 위한 시편은 제진재 2장에 접착제를 도포한 후 제조한 평판을 절삭하여 가공하였으며, 샌드위치 면방향 인장강도를 알아보기 위한 시편은 음향창과 동일한 샌드위치 구조를 가지는 평판구조로 시편을 가공하였다. ‘복합재 면재(C-TUX-800) 3장 적층 - 제진재 1장 적층 - 복합재 면재(C-TUX-800) 3장 적층’ 방법으로 샌드위치 판넬구조를 구현하였다.
- 2~2 %의 비율을 사용할 것을 권고하고 있다. 제작사 권고 사항에 따라 점도제의 과도한 배합비가 음향창 내 박리현상의 원인으로 추정하였고, 점도제의 영향성을 판단하기 위해 점도제의 비율만 변화 시키면서 영향성을 확인하였다. Fig.
- 본 연구는 접착제 배합 원자재 중 점도제의 비율을 변경하여 개선된 음향창 접착제 배합비를 도출하였다. 침전형상 및 흐름현상 관찰 실험을 통해 배합비의 문제점을 확인하였으며, 시편 강도시험을 통해 개선된 접착제의 적용 타당성을 정량적으로 검증하였다. 이때, 본 연구를 통해 도출된 수지의 접착제 자체 인장강도는 선강도가 약 10배, 샌드위치 면방향 인장강도는 약 2배 개선되었음을 확인하였다.
- 5와 유사한 것을 확인하였다. 해양환경 등의 변화에도 동일한 오차 패턴을 보임에 따라, 음향창이 소나 수신성능에 미치는 영향성을 판단하기 위해 CFRP를 취외한 상태에서 재측정하였다. CFRP는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구는 CFRP로 제작된 〇〇〇급 수중함 음향창을 대상으로 하였으며, Fig. 1은 문제가 발생된 음향창의 단면도 일부를 나타낸 그림이다.
- 〇〇〇급 수중함 소나는 함수수동배열소나, 수동측거배열소나, 선체부착형소나, 방수소나, 선배열예인소나 등 다양한 음향센서로 구성되어 있다. 본 연구에서는 함수수동배열소나와 수동측거배열소나의 수신저하현상을 대상으로 하였다. 함수수동배열소나의 경우 방위정확도의 성능 기준치를 벗어났으며, 수동측거배열 소나의 경우 거리정확도의 성능 기준치를 벗어났다.
성능/효과
- 해양환경 등의 변화에도 동일한 오차 패턴을 보임에 따라, 음향창이 소나 수신성능에 미치는 영향성을 판단하기 위해 CFRP를 취외한 상태에서 재측정하였다. CFRP는 Fig. 2의 Pos No. 33번을 제거한 상태에서 방위정확도를 측정하였으며, 측정결과 Fig. 7과 같이 오차패턴이 바뀌고 RMS 오차값이 기준에 충족함을 확인하였다.
- 즉, 음향창의 박리현상은 음향재료 내부의 음향 임피던스를 변화시키는 산란체를 만들게 되어 수신성능에 영향을 미치게 된다. 검증을 위해 음향창을 절취하여 기포발생유무, CFRP 접착 상태를 확인하였으며, 확인결과 샌드위치 판넬구조에서 제진재와 카본층 사이(Fig. 1의 A지점)에서 박리현상이 식별되었다. Fig.
- 반면 기존의 점도제 배합비(10 %)를 적용하였을 경우 경화지연이 발생하여 70시간 이후에도 경화가 되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 경화시험을 통해 약 1~2 %의 점도제 배합비가 침전현상 방지 측면에서 적정함을 확인하였다.
- 5 % 배합비의 경우 접착제 내부에서 경화가 발생하여 침전물이 발생하였고, 1 %과 2 % 배합비의 경우 반 경화된 상태를 확인하였다. 반면 기존의 점도제 배합비(10 %)를 적용하였을 경우 경화지연이 발생하여 70시간 이후에도 경화가 되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 경화시험을 통해 약 1~2 %의 점도제 배합비가 침전현상 방지 측면에서 적정함을 확인하였다.
- 수지테스트를 통해 점도제의 과다 배합으로 흐름과 미 경화 현상을 확인하였고, 수지의 불균일한 유동으로 접착과정에서 박리현상이 발생함을 확인하였다. 수지 테스트 결과를 토대로 국외 원제작사에게 복합소재 공정기준서(GRP-Catalogue-Part B, C)의 배합비 적절성에 검토를 요청하였고, 원제작사에서 Table 2와 같이 배합비율을 변경하여 통보, 접수하였다.
- 음향창 절취 및 항해 시험평가를 통해 CFRP 내부박리현상이 소나 수신성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 샌드위치 판넬구조에서 제진재의 접착을 위해 수지(UP20)가 사용되는데, 자재 목록을 확인한 후 배합비에 대한 영향성에 대해 검토하였다.
- 침전형상 및 흐름현상 관찰 실험을 통해 배합비의 문제점을 확인하였으며, 시편 강도시험을 통해 개선된 접착제의 적용 타당성을 정량적으로 검증하였다. 이때, 본 연구를 통해 도출된 수지의 접착제 자체 인장강도는 선강도가 약 10배, 샌드위치 면방향 인장강도는 약 2배 개선되었음을 확인하였다.
- 11은 점도제 배합비를 변경한 상태에서 시편을 비닐소재에 부착, 3시간 이후에 수지의 흐름현상을 확인한 것이다. 점도제 배합비 0.5 %와 1 %의 경우 액상물질이 흘러내린 것을 확인하였고, 점도제 배합비 2%의 경우 흐름현상이 관찰되지 않았다.
- 12는 점도제 배합비를 변경한 상태에서 제진재를 적용하여 카본층과 반응성을 확인한 결과이다. 점도제 배합비 0~0.5 %를 적용한 접착제는 7시간 이후 내부경화와 표면 끈적거림이 발생하였고, 점도제 배합비 1~2 %를 적용한 접착제는 12시간 후 내부경화와 표면 끈적거림이 관찰되었다. 그러나 점도제 배합비 10 %를 적용한 접착제는 1주일이 지나도 경화가 이루어지지 않았다.
- 20은 음향창 수리 후 측정된 함수수동배열소나의 방위정확도와 수동측거배열소나의 거리정확도 결과이다. 접착제에 배합되는 점도제 비율을 변경함으로써 음향센서의 성능저하 없이 소나 수신성능이 향상되었으며, Fig. 5 및 Fig. 6과 비교해 볼 때, 소나 방위 및 거리정확도 오차가 확연하게 감소하고 오차 패턴 또한 사라진 것을 확인할 수 있다.
- A의 ‘Cohesive failure of Core-facing adhesive’ 모드 파손은, 접착제 체결부에서 접착제의 물성이 접착물(adherend)의 물성보다 약하기 때문에 접착제 측에서 균열이 진전하여 파손되는 모드[8,9]로, 파단면 확인 결과 면재와 심재의 양쪽면에 접착제가 모두 묻어있는 상태였다. 즉 Rev.A의 배합비로 제조된 접착제의 성능은 샌드위치 구조의 구조물 적용에 적합하지 않음이 확인되었으며, 접착제용으로는 적절하지 않은 배합비로 확인되었다.
- 수지의 접착능력 타당성을 확인하기 위해 배합비에 따른 침전현상, 흐름현상, 반응성, 접착력의 정량적 강도시험 등을 종합적으로 검토하여 최적의 배합비를 적용하였다. 최종적으로 〇〇〇급 수중함 음향창에 개선된 수지 배합비를 적용하여 해상 시험평가를 수행하였으며, 소나 방위 및 거리정확도의 성능이 기존대비 크게 향상된 것을 확인하였다.
- 최종적으로 개선된 접착제를 〇〇〇급 수중함 음향창에 적용한 후 해상 시험평가를 수행하여 함수수동배열소나의 방위정확도 및 수동측거배열소나의 거리정확도가 크게 개선되어 소나 수신성능 기준치를 만족하는 것을 확인하였다.
- 6은 수동측거배열소나 거리정확도 시험평가 결과이다. 측정값과 GPS 값의 오차를 RMS(Root-mean square) 방법으로 비교 분석한 결과 방위 및 거리정확도 오차가 허용 오차범위를 벗어나는 것을 확인하였다.
- 33번 CFRP의 일부 영역을 수리한 후 해상에서 측정한 방위정확도 결과이다. 측정결과 기존과 마찬가지로 허용 오차범위를 벗어났으나, 기존 오차패턴과 달라진 것을 확인하였고, 음향창의 박리현상이 소나의 수신성능에 미치는 영향성을 확인하였다.
- 수지의 흐름과 침전현상은 수지의 불균일한 유동을 야기하여 전체 구조물에 균일하게 도포되지 못한다. 침전현상, 흐름현상, 접착제 반응성 시험을 종합적으로 고려할 때, 점도제 배합비 1~2 %가 적용된 접착제가 카본층과 제진재 접착에 가장 효율적임을 확인하였다.
- 본 연구에서는 함수수동배열소나와 수동측거배열소나의 수신저하현상을 대상으로 하였다. 함수수동배열소나의 경우 방위정확도의 성능 기준치를 벗어났으며, 수동측거배열 소나의 경우 거리정확도의 성능 기준치를 벗어났다. Fig.
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