[논문]탄소섬유강화 직조복합재의 탄성 거동의 이론적 예측 및 검증

황연택; 임재영; 남병군; 김학성

doi:10.7234/composres.2018.31.5.276

탄소섬유강화 직조복합재의 탄성 거동의 이론적 예측 및 검증
Analytical Prediction and Validation of Elastic Behavior of Carbon-Fiber-Reinforced Woven Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.5, 2018년, pp.276 - 281

황연택 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 임재영 (Vehicle Safety CAE team 1, Hyundai Motor Company) , 남병군 (Vehicle Safety CAE team 1, Hyundai Motor Company) , 김학성 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University)

초록
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본 논문에서는 이론적인 계산 모델을 이용하여 다양한 섬유 다발 구조를 갖는 직조섬유강화 복합재의 탄성 거동을 예측하였다. 직조 복합재의 기계적 물성을 대표할 수 있는 대표체적요소 (RVE)을 설정하였으며, 직조 다발의 굴곡을 다양한 정현파 함수로 정의하였다. 고전적층이론 (CLPT)를 이용하여 영률, 전단 탄성계수, 포아송비와 같은 직조복합재의 유효물성을 예측하였다. 섬유 다발의 구조와 형태 (평직, 능직)에 따라 섬유 부피 분율을 계산하였으며 각각의 탄성 거동을 이론적인 계산 모델을 통해 예측하였다. 또한, 이론적 예측 결과의 검증을 위해 진공수지주입(VARTM) 공정을 사용하여 평직 및 능직 형태의 복합재 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하여 실험 결과를 이론적 예측 결과와 비교하였다. 결과적으로 직조 복합재의 탄성 거동에 대한 이론적 결과와 실험 결과 간에 매우 높은 정확도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, elastic behavior of woven fabric composites with various fiber yarn structure were predicted through a theoretical calculation model. A representative volume elements (RVE) that can represent the mechanical properties of the woven composites were selected and crimp angle of the weave yarn was defined by several sinusoidal functions. The effective material properties of the woven composite such as young's modulus, shear modulus and poisson's ratio was predicted by classical laminate theory (CLT). The fiber volume fractions were calculated according to the shape and pattern (plain, twill weave) of the fiber yarn, and the elastic behavior of each woven composite was obtained through a theoretical calculation model. Also, to verify the theoretical predictions, woven composite specimens of plain and twill weave were fabricated by vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) process and then mechanical test was conducted. As a results, a good correlation between theoretical and experimental results for the elastic behavior of woven composites could be achieved.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Photographs of woven fabric (Plain and Twill weave)
그림 Fig. 2. Local crimp angle of fiber yarn
그림 Fig. 3. Geometry of woven fabric RVE
그림 Fig. 4. Geometric functions and 3D weave structure
그림 Fig. 5. 3D weave structure and crimp angle distribution of plain and twill weave
$Table 1. Mechanical properties of carbon fiber yarn assuming a fiber volume fraction of 0.7$ 표 Table 1. Mechanical properties of carbon fiber yarn assuming a fiber volume fraction of 0.7
표 Table 2. Geometry parameters for the woven fabric
$Fig. 6. Effect of horizontal length on the elastic modulus and fiber volume fraction$ 그림 Fig. 6. Effect of horizontal length on the elastic modulus and fiber volume fraction
표 Table 3. Geometry parameters for the woven fabric

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 섬유 다발의 수평 영역 비가 변화함에 따라 섬유 부피 분율을 계산 해 주었으며 이에 따른 대표 체적탄성 거동을 예측하였다. 또한, 굴곡 각도가 바뀌는 대표체적 모델의 탄성 거동을 확인하였다.

가설 설정

물성 예측 모델에서 계산이 가능한 가장 작은 반복 구조의 대표체적을 평직 및 능직 직조 섬유에서 지정해 주었다. 또한, 지정된 대표체적 모델은 완전히 규칙적이며 반복적인 섬유 구조로 가정하였다. Fig.
본 연구에서 개발한 이론 모델에 사용된 섬유 다발 및 기지재의 물성은 Table 1과 같으며, 섬유 다발에서 차지하는 섬유의 부피분율이 0.7이라고 가정하였다.
여기서 V는 각각 섬유가 복합재에서 차지하는 부피 분율, 섬유가 섬유 다발에서 차지하는 부피 분율 그리고 섬유 다발이 복합재에서 차지하는 부피 분율이다. 섬유가 다발에서 차지하는 부피 분율을 0.7로 가정하여 계산하였다.
수평인 영역을 제외한 섬유 다발의 굴곡을 사인, 코사인 함수 등의 정현파 형태로 정의하였으며 날실(fill)과 씨실(warp)의 영역을 구분하였다. 평직 모델의 경우 날실과 씨실이 완전히 붙어있다는 가정 하에 굴곡 함수를 정의 하였으며 능직 모델의 경우에는 섬유 다발이 수평인 영역에서만 서로 붙어 있다고 가정 하였다. Fig.

제안 방법

또한, 지정된 대표체적 모델은 완전히 규칙적이며 반복적인 섬유 구조로 가정하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 직조 섬유 복합재를 구성하는 날실 (fill), 씨실(warp) 및 기지재(matrix)로 경계를 분리하여 물성 예측계산을 수행하였다. 상이한 물성을 갖는 소재들로 이루어진 직조 복합재료의 탄성 거동을 고전 적층 이론(CLT)를 응용하여 계산하였다.
대표체적 모델에서 섬유 다발이 차지하는 부피 분율 계산 및 미소 영역에서의 국소 굴곡 각도를 계산하기 위해서 섬유 굴곡 함수화를 수행하였다. 수평인 영역을 제외한 섬유 다발의 굴곡을 사인, 코사인 함수 등의 정현파 형태로 정의하였으며 날실(fill)과 씨실(warp)의 영역을 구분하였다.
본 연구에서는 섬유 다발의 수평 영역 비가 변화함에 따라 섬유 부피 분율을 계산 해 주었으며 이에 따른 대표 체적탄성 거동을 예측하였다. 또한, 굴곡 각도가 바뀌는 대표체적 모델의 탄성 거동을 확인하였다.
섬유 다발간의 간격이 좁아지고 다발 두께가 증가할수록 최대 굴곡각도가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 굴곡 정도에 따라 변화되는 미소 단위의 물성을 고전 적층 이론을 통해 계산해 주었으며, 이를 통해 섬유 다발의 형상에 따라 변화되는 섬유 부피 분율 및 기계적 물성을 예측할 수 있었다.예측된 물성 값은 실제 실험을 통해 구한 값과 매우 유사한 것을 확인 할 수 있었다.
앞서 계산한 국소 굴곡 각도 값들을 이용하여 미소 영역별 고전 적층 이론 계산을 수행 하였으며 이를 통해 직조 섬유강화 복합재 대표체적의 유효 물성을 구할 수 있었다. 또한, 날실(fill)과 씨실(warp) 섬유 다발의 면적을 각각 적분하여 전체 섬유 다발의 부피를 계산 하였으며 이를 통해 섬유 다발이 복합재에서 차지하는 부피 분율을 계산 하였다.아래 식 (22)를 통해 섬유가 복합재에서 차지하는 섬유 부피 분율을 계산하였다.
평직 및 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 진행하였으며 굴곡 정도에 따라 변화되는 섬유방향 물성을 미소 단위로 분리하여 계산해 주었다. 또한, 진공수지주입(VARTM) 공정을 통해 직조 섬유강화 복합재 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하였으며 개발된 이론적 계산 모델의 검증을 수행하였다. 최종적으로, 직조 섬유강화 복합재의 물성에 크게 영향을 주는 변수인 섬유 부피 분율에 따라 변화되는 기계적 물성을 예측하였다.
본 논문에서는 직조 섬유강화 복합재료의 탄성거동을 고전 적층 이론(Classical laminate theory, CLT)을 응용하여 예측하였다. 평직 및 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 진행하였으며 굴곡 정도에 따라 변화되는 섬유방향 물성을 미소 단위로 분리하여 계산해 주었다.
본 연구를 통해 개발한 굴곡 함수화를 통해 국소 굴곡 각도를 계산 하였으며, 날실(fill), 씨실(warp) 섬유 다발별로굴곡 각도 분포를 확인하였다. 본 연구에서는 동일한 날실과 씨실 구조를 사용하였으며 최대 굴곡 각도는 평직 160 gsm에서 5.
본 연구에서 개발한 직조 섬유강화 복합재의 탄성 물성예측 이론 모델의 검증을 위해 직조 복합재의 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하였다. 프랑스 Chomarat 사의 평직 직조(Plain 150 gsm, 200 gsm)와 능직 직조(Twill 160 gsm, 245gsm, 285 gsm) 섬유를 사용하였으며, 국내 국도화학 사의 에폭시 수지(KFR-120V, KFH-163)를 진공수지주입 공정(VARTM)을 통해 주입 후 시편을 제작 하였다.
본 연구에서는 직조 섬유강화 복합재료의 탄성거동을 고전 적층 이론(CLT)을 응용하여 예측하였다. 평직, 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 통해 3D 직조 구조와 굴곡 각도 분포를 나타내는 그래프를 도출하였다.
2에 나타낸 바와 같이 직조 섬유 복합재를 구성하는 날실 (fill), 씨실(warp) 및 기지재(matrix)로 경계를 분리하여 물성 예측계산을 수행하였다. 상이한 물성을 갖는 소재들로 이루어진 직조 복합재료의 탄성 거동을 고전 적층 이론(CLT)를 응용하여 계산하였다.
섬유 다발의 기하학적인 변수는 Table 2에 나타난 바와 같으며 이를 이론 모델에 적용하여 직조 섬유강화 복합재의3D 굴곡 계산 및 물성 계산을 수행하였다. 평직 및 능직 직조 구조의 gsm의 값에 따라 상이한 섬유 다발 폭, 간격 그리고 두께 값이 나타나며 이에 따른 이론적 모델 적용을 Fig.
대표체적 모델에서 섬유 다발이 차지하는 부피 분율 계산 및 미소 영역에서의 국소 굴곡 각도를 계산하기 위해서 섬유 굴곡 함수화를 수행하였다. 수평인 영역을 제외한 섬유 다발의 굴곡을 사인, 코사인 함수 등의 정현파 형태로 정의하였으며 날실(fill)과 씨실(warp)의 영역을 구분하였다. 평직 모델의 경우 날실과 씨실이 완전히 붙어있다는 가정 하에 굴곡 함수를 정의 하였으며 능직 모델의 경우에는 섬유 다발이 수평인 영역에서만 서로 붙어 있다고 가정 하였다.
앞서 계산한 국소 굴곡 각도 값들을 이용하여 미소 영역별 고전 적층 이론 계산을 수행 하였으며 이를 통해 직조 섬유강화 복합재 대표체적의 유효 물성을 구할 수 있었다. 또한, 날실(fill)과 씨실(warp) 섬유 다발의 면적을 각각 적분하여 전체 섬유 다발의 부피를 계산 하였으며 이를 통해 섬유 다발이 복합재에서 차지하는 부피 분율을 계산 하였다.
이론적 모델을 통해 예측한 평직, 능직 구조의 직조섬유강화 복합재의 물성 값을 검증하기 위해 기계적 물성 시험결과와 비교하였다. 여기서, 이론적 모델의 섬유 부피 분율및 영률의 경우 실험값에 가까운 섬유 부피분율의 H 값을 선택해서 비교 하였다. 결과적으로, Table 3에 나타난 바와 같이 실험을 통해 측정한 섬유 방향 영률 및 섬유 부피분율이 이론적 모델을 통해 예측한 값들과 매우 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
프랑스 Chomarat 사의 평직 직조(Plain 150 gsm, 200 gsm)와 능직 직조(Twill 160 gsm, 245gsm, 285 gsm) 섬유를 사용하였으며, 국내 국도화학 사의 에폭시 수지(KFR-120V, KFH-163)를 진공수지주입 공정(VARTM)을 통해 주입 후 시편을 제작 하였다. 제작된 시편의 무게/부피를 측정하여 섬유 부피 분율을 계산 해 주었다. 기계적 시험의 경우 ASTM D3039 기준에 맞춰 정적 인장 시험을 수행하였다.
또한, 진공수지주입(VARTM) 공정을 통해 직조 섬유강화 복합재 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하였으며 개발된 이론적 계산 모델의 검증을 수행하였다. 최종적으로, 직조 섬유강화 복합재의 물성에 크게 영향을 주는 변수인 섬유 부피 분율에 따라 변화되는 기계적 물성을 예측하였다.
본 논문에서는 직조 섬유강화 복합재료의 탄성거동을 고전 적층 이론(Classical laminate theory, CLT)을 응용하여 예측하였다. 평직 및 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 진행하였으며 굴곡 정도에 따라 변화되는 섬유방향 물성을 미소 단위로 분리하여 계산해 주었다. 또한, 진공수지주입(VARTM) 공정을 통해 직조 섬유강화 복합재 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하였으며 개발된 이론적 계산 모델의 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 직조 섬유강화 복합재료의 탄성거동을 고전 적층 이론(CLT)을 응용하여 예측하였다. 평직, 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 통해 3D 직조 구조와 굴곡 각도 분포를 나타내는 그래프를 도출하였다. 섬유 다발간의 간격이 좁아지고 다발 두께가 증가할수록 최대 굴곡각도가 커지는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서 개발한 직조 섬유강화 복합재의 탄성 물성예측 이론 모델의 검증을 위해 직조 복합재의 시편을 제작 후 물성 시험을 진행하였다. 프랑스 Chomarat 사의 평직 직조(Plain 150 gsm, 200 gsm)와 능직 직조(Twill 160 gsm, 245gsm, 285 gsm) 섬유를 사용하였으며, 국내 국도화학 사의 에폭시 수지(KFR-120V, KFH-163)를 진공수지주입 공정(VARTM)을 통해 주입 후 시편을 제작 하였다. 제작된 시편의 무게/부피를 측정하여 섬유 부피 분율을 계산 해 주었다.

데이터처리

X방향의 날실(fill) 섬유 다발 및 Y방향의 씨실(warp) 섬유 다발의 국소 영역에 해당하는 유효물성을 위와 같은 식(5)~(14)를 통해 구할 수 있다. 또한, 대표체적 모델에 대한 A, B, D 전역 강성 매트릭스 값들은 미소 영역의 강성매트릭스 값들의 x 방향 평균 및 y 방향 평균을 통해 계산하였다.
이론적 모델을 통해 예측한 평직, 능직 구조의 직조섬유강화 복합재의 물성 값을 검증하기 위해 기계적 물성 시험결과와 비교하였다. 여기서, 이론적 모델의 섬유 부피 분율및 영률의 경우 실험값에 가까운 섬유 부피분율의 H 값을 선택해서 비교 하였다.

이론/모형

제작된 시편의 무게/부피를 측정하여 섬유 부피 분율을 계산 해 주었다. 기계적 시험의 경우 ASTM D3039 기준에 맞춰 정적 인장 시험을 수행하였다.

성능/효과

여기서, 이론적 모델의 섬유 부피 분율및 영률의 경우 실험값에 가까운 섬유 부피분율의 H 값을 선택해서 비교 하였다. 결과적으로, Table 3에 나타난 바와 같이 실험을 통해 측정한 섬유 방향 영률 및 섬유 부피분율이 이론적 모델을 통해 예측한 값들과 매우 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 개발된 이론적 모델을 이용하면 직조섬유 강화복합재의 영률 이외에 전단 탄성 계수 및 포아송비와 같은 유효물성 예측이 가능할 것으로 판단된다.
이는 200 gsm 직조 복합재의 경우 굴곡 각도가 160 gsm 복합재보다 크게 나타났고 이에 따른 결과로 판단된다. 능직(twill) 직조 구조의 경우 gsm 값에 따라 부피 분율이 크게 증가하였으며 섬유 방향 영률도 비슷하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 능직 직조 구조의 경우 상대적으로 평직 직조 구조 보다 수평인 구조가 많기 때문에 섬유 굴곡의 영향보다 섬유 부피 분율의 영향이 복합재의 섬유방향 영률에 크게 나타난 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 개발한 굴곡 함수화를 통해 국소 굴곡 각도를 계산 하였으며, 날실(fill), 씨실(warp) 섬유 다발별로굴곡 각도 분포를 확인하였다. 본 연구에서는 동일한 날실과 씨실 구조를 사용하였으며 최대 굴곡 각도는 평직 160 gsm에서 5.38^o 값이 나타났고, 200 gsm에서는 8.93^o 값으로 굴곡각도가 커지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 능직의 경우에도 160 gsm에서 6.
평직, 능직 형태의 직조 섬유의 굴곡 함수화를 통해 3D 직조 구조와 굴곡 각도 분포를 나타내는 그래프를 도출하였다. 섬유 다발간의 간격이 좁아지고 다발 두께가 증가할수록 최대 굴곡각도가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 굴곡 정도에 따라 변화되는 미소 단위의 물성을 고전 적층 이론을 통해 계산해 주었으며, 이를 통해 섬유 다발의 형상에 따라 변화되는 섬유 부피 분율 및 기계적 물성을 예측할 수 있었다.
44^o로 굴곡 각도가 크게 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과를 통해 섬유 다발간의 간격이 좁아지고 섬유 다발의 두께가 커지면 최대 굴곡 각도 값 또한 커지는 것을 확인 할 수 있었다.
6은 이론적 모델을 통해 계산한 값들이며, 섬유 다발의 수평 영역 퍼센트에 따라 변화하는 섬유 방향 영률 및 섬유 부피 분율을 비교한 그래프이다. 전체적으로 수평 영역비율이 증가할수록 섬유 부피 분율이 증가하는 공통된 경향을 확인 할 수 있었다. 평직(plain) 직조 구조의 경우 160gsm 경우 보다 200 gsm 직조 복합재의 섬유 부피 분율이 0.

후속연구

결과적으로, Table 3에 나타난 바와 같이 실험을 통해 측정한 섬유 방향 영률 및 섬유 부피분율이 이론적 모델을 통해 예측한 값들과 매우 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 개발된 이론적 모델을 이용하면 직조섬유 강화복합재의 영률 이외에 전단 탄성 계수 및 포아송비와 같은 유효물성 예측이 가능할 것으로 판단된다.
예측된 물성 값은 실제 실험을 통해 구한 값과 매우 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 이론적 모델은 복잡한 기하학적 형상의 직조 섬유강화 복합재의 물성예측에 유용하게 적용 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직조 복합재료의 특징은 무엇인가?	하지만, 이러한 직조 복합재료는 매우 복잡한 기하학적형상을 가지고 있으며 직조 형태와 섬유 다발 간 상호작용으로 인해 섬유 부피 분율 및 기계적 거동이 크게 변화하는 특성이 있다. 때문에, 직조 복합재료의 부품 적용 및 부품단위의 구조해석에 어려움이 있는 실정이다.
	섬유강화 복합재료가 갖고 있는 특징은?	세계적으로 연비 및 배기가스 규제에 따른 고 하중 자동차 부품을 섬유강화 복합재료와 같은 경량화 소재로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 섬유강화 복합재료는 높은 비강성, 비강도 등의 우수한 기계적 성질로 인해 기계, 항공우주, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 일 방향 섬유복합재료의 경우 우수한 면내 특성을 가지고 있지만 상대적으로 낮은 면 외 두께방향 물성으로 인해 층간 분리 등의 문제가 있다.
	섬유강화 복합재료가 성형성 측면에서 장점을 갖는 이유는?	이에 따른 해결 방안으로 사용되는 직조 형태의 섬유강화 복합재료의 경우 일 방향 복합재료에 비하여 우수한 면 외 방향 기계적 특성을 가지고 있으며 이에 따라 충격에 따른 파괴 저항 특성이 뛰어난 장점이 있다. 또한, 면내직각 방향으로 보다 균형된 물성을 가지고 있기 때문에 성형성 측면에서도 매우 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 복잡한 형상 과 안정성이 요구되는 자동차 분야에서 비필러(B-pliar), 배터리 트레이, 트렁크 바닥재 등에 직조 섬유강화 복합재를 적용하고자 연구 개발이 진행되고 있다[1-3].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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