[논문]3D Textile 프리폼 제조 및 복합재료 기계적 특성 연구

조광훈; 김현우; 이정운; 한중원; 변준형; 조치룡

doi:10.7234/composres.2019.32.1.065

3D Textile 프리폼 제조 및 복합재료 기계적 특성 연구
Manufacture of 3D Textile Preform and Study on Mechanical Properties of Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.1, 2019년, pp.65 - 70

조광훈 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 김현우 (R&D Institute, Songwol Technologies) , 이정운 (R&D Institute, Songwol Technologies) , 한중원 (R&D Institute, Songwol Technologies) , 변준형 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 조치룡 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)

초록
AI-Helper

항공기 복합재료 날개 구조는 대부분 접착 혹은 패스너로 체결되어 있는데, 이러한 적층 구조 복합재료는 층간 강도가 취약하여 층간 분리가 일어나기 쉽다. 이러한 적층 복합재료의 단점을 보완하기 위해 두께 방향의 섬유를 보강한 3차원 직조형 복합재료를 통하여 강도, 손상 내구성, 충격 및 피로 하중을 향상시킬 수 있다. 또한, 자동화된 직조 공정에 의하여 단일 구조 near-net-shape의 프리폼 제조가 가능하기 때문에 공정 단축, 체결 부품 감소로 복합재료 전체 가격을 절감할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 직조형 복합재료의 항공기 구조물 적용 가능성을 확인하기 위하여 3차원 프리폼의 기본적인 구조인 orthogonal(ORT), layer-to-layer(LTL), through-the-thickness(TTT) 패턴을 직조하고 이를 복합재료로 성형하여 압축 시험, 인장 시험, Open-hole 인장 시험을 하였다. 이 중 orthogonal 직조 복합재료가 인장 및 압축 탄성계수와 강도 모두 가장 높았으며 노치 민감도에서도 orthogonal 복합재료가 일방향 적층복합재료나 패브릭 적층 복합재료에 비하여 가장 우수한 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aircraft composites wing parts are usually integrated with adhesive or fastener. These laminated composites have weak interlaminar strength, which can lead to delamination. In order to compensate the disadvantages of laminated composites, it is possible to improve the strength, durability, shock and fatigue resistance by reinforcing the fiber in the thickness direction. In addition, using a single structure near-net-shape saves the manufacturing time and the number of fasteners, thus can reduce the overall cost of the composite parts. In this study, compression test, tensile test and open-hole tensile test are carried out for three structural architecture of 3D (three-dimensional) textile preforms: orthogonal(ORT), layer-to-layer(LTL) and through-the-thickness(TTT) patterns. Among these, the orthogonal textile composite shows the highest Young's modulus and strength in tensile and compression. The notch sensitivity of the orthogonal textile composite was the smallest as compared with UD (unidirectional) and 2D (two-dimensional) fabric laminates.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. The basic function and component of a loom
그림 Fig. 2. Shedding, filling insertion, beat-up and take-up of the loom
그림 Fig. 3. Schematic of 3D woven preform: (a) orthogonal; (b)layer-to-layer; (c) through-the-thickness
그림 Fig. 4. Cross section of 3D woven composites: (a) orthogonal;(b) layer-to-layer; (c) through-the-thickness
그림 Fig. 5. Curing cycle of Infusion process
그림 Fig. 6. Schematic diagram of Resin infusion process
그림 Fig. 7. Modulus for Tensile test of ORT, LTL, TTT
그림 Fig. 8. Strength for Tensile test of ORT, LTL, TTT
$Table 1. Volume fraction of pattern (%)$ 표 Table 1. Volume fraction of pattern (%)
그림 Fig. 9. Modulus for Compressive test of ORT, LTL, TTT
그림 Fig. 10. Strength for Compressive test of ORT, LTL, TTT
그림 Fig. 11. Strength for Open-hole test of ORT, LTL, TTT
표 Table 2. Damage tolerance
그림 Fig. 12. Comparison of notch sensitivity between 3D and 2D woven composites

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

3D 복합재료의 노치가 없는 기계적 특성에 관한 연구가 진행되고 있으나 노치가 있는 특성에 초점을 맞춘 연구가 활발하지 않다[7]. 따라서 본 연구에서는 3D 프리폼의 가장 기본적인 3 가지 패턴에 대한 프리폼 설계 및 제조를 하고 수지충진법에 의해 복합재료를 성형하여 시험평판을 제조하고, 각 패턴의 복합재료 시험편에 대하여 인장시험, 압축시험, Open-hole 인장시험을 하고, 구멍이 없는 인장 강도 값에 대한 구멍이 있는 인장 강도 값의 비율인 노치 감도를 구하여 문헌에 나와 있는 일방향 적 층 복합재료 및 2D 패브릭 복합재료의 노치 감도와 비교하고자 한다.
3D 위빙 기계는 상업적으로 시장에 나와 있지 않지만 2D 위빙 기계는 일반적으로 2D 룸(loom)이라고 알려진 기계로서 상업적으로 나와 있는 장비이다. 따라서, 본 연구에서는 룸장비를 사용하고 직조 설계를 통하여 3D 프리폼 제조를 함으로써 이 프리폼의 복합재료로서의 유용성과 응용성을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 위빙 직조기를 사용하여 각 패턴별 직조형 프리폼을 제조하고 복합재료 물성 평가를 하였다. 인장 시험과 압축시험 모두 ORT 구조가 위사 방향의 탄성계수및 강도 값이 가장 높았다.

제안 방법

Open-hole 인장시험 중 파손될 만큼의 응력이 구멍 주위에 충분히 전달되기 때문에 탭은 필요하지 않다. 그러나 슬립 현상을 최소화하기 위하여 ASTM D3039를 참조하여사포(Emery cloth) 220 메쉬를 부착하였고 시험 속도는 파단까지 걸리는 시간을 단축하고자 시험규격이 허용하는 범위내의 값 중 비교적 빠른 3 mm/min로 행하였다.
기계적 체결과 우수한 피로 특성이 많은 항공 분야에서 필요로 하는 응력 집중, 체결구 부위 손상, 노치 허용 강도를 알아 보기 위하여 Open-hole 인장 시험을 수행하였다. 노치 효과로 인해 복합재료는 매우 낮은 응력에서 층간 분리현상 및 파단이 되는 경향이 있다.
앞서 언급한 섬유체적률은 LTL 패턴이 가장 높은 값을 가지고 있지만, 압축, 인장, Open-hole 시험 결과를 보면 ORT 패턴의 물성 값이 가장 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 세 가지 패턴중 가장 높은 물성 값을 가지는 ORT 패턴의 노치 감도와 문헌에서 구한 일방향 적층 복합재료 및 2D 패브릭 적층 복합재료의 notch 감도를 비교하였다[9,10]. Fig.
세 종류 복합재료에 대한 기계적 물성을 평가하기 위해 인장시험, 압축시험, Open-hole 시험을 진행하였다. 본 연구에서 직조한 프리폼은 경사 방향과 위사 방향의 섬유의 포함량이 다르기 때문에 두 방향에 대한 시편을 가공하여 시험하였다. 최대 인장 강도, 탄성계수를 측정하기 위한 시험으로 인장시험을 수행하였고, 규격은 ASTM D3039를 참고하였다.
세 종류 복합재료에 대한 기계적 물성을 평가하기 위해 인장시험, 압축시험, Open-hole 시험을 진행하였다. 본 연구에서 직조한 프리폼은 경사 방향과 위사 방향의 섬유의 포함량이 다르기 때문에 두 방향에 대한 시편을 가공하여 시험하였다.
시편의 개수는 각 방향별로 7개씩, 폭 36 mm, 길이 300 mm로 가공하였고, 시편 중앙의 원공 가공은 손상의 최소화와 강도의 영향을 줄이기 위해 초경 엔드밀을 사용하여 직경 6Ø로 가공하였다.
7, 8은 ORT, LTL, TTT 시편에 대한 인장시험의 탄성 계수 및 인장강도 결과 그래프이다. 인장 탄성계수는 0.1~0.3(%) 변형률에서 계산하였고 파단이 일어나지 않는 초기 구간에서 구하였다. 세 가지 패턴의 탄성계수 및 강도 결과 값을 보았을 때, 위사 방향의 값이 경사 방향의 값보다 높게 나오는 것을 볼 수 있다.
인퓨전 공정을 통한 패널 제작을 하였고 수지의 탈포를위해 순환식 수조에서 온도 100^oC에 도달한 다음 탈포하였다. 젖음성을 좋게하기위하여 프리폼은 90^oC로 예열하여 몰드안에 넣었다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 섬유는 AKSACA 社의 12K-A-49 T700 Grade 12K 탄소 섬유이며 세 가지 패턴에 해당하는 lifting diagram을 작성하여 직기의 컨트롤 박스에 입력하고 제직하였다. 기지재료로는 항공용 수지인 Cytec 社의 PRISM EP-2400을 사용하였다.
본 실험에서 사용된 섬유는 AKSACA 社의 12K-A-49 T700 Grade 12K 탄소 섬유이며 세 가지 패턴에 해당하는 lifting diagram을 작성하여 직기의 컨트롤 박스에 입력하고 제직하였다. 기지재료로는 항공용 수지인 Cytec 社의 PRISM EP-2400을 사용하였다.
따라서 기지재의 건전함 평가를 위해 압축시험을 수행하였고, 규격 ASTM D6641을 참고하였다. 시편의 개수는 각 방향별로 10개씩, 폭 25 mm, 길이 140 mm로 가공 후 스트레인 게이지를 부착하였다. 실험시간의 절약을 위하여 시험 규격 허용 범위 내에서 압축 시험의 시험 속도는 1 mm/min 인장 시험의 시험 속도는 2 mm/min으로 하였다.
최대 인장 강도, 탄성계수를 측정하기 위한 시험으로 인장시험을 수행하였고, 규격은 ASTM D3039를 참고하였다. 시편의 개수는 각 방향별로 7개씩, 폭 25 mm, 길이 230 mm로 가공 후 스트레인 게이지를 부착하였다. 복합재료에 압축하중을 가할 때 기지재의 역할은 섬유의 파단을 더디게 하는 역할을 한다.

이론/모형

복합재료의 기계적 성질에 있어 섬유 체적율은 큰 영향을 미칠 수 있다. ASTM D3171의 소각법에 따라 각 패턴별로 섬유 체적율을 구하였다. 각 섬유 체적율은 Table 1에 나 타내었다.
높은 노치 감도는 많은분야에서 복합재료의 적용을 제한하는 주된 이유가 될 수있고 Open-hole 시험의 결과는 손상 허용치의 기준이 될 수 있다. 규격은 ASTM D5766[8]을 참고하였다. 시편의 개수는 각 방향별로 7개씩, 폭 36 mm, 길이 300 mm로 가공하였고, 시편 중앙의 원공 가공은 손상의 최소화와 강도의 영향을 줄이기 위해 초경 엔드밀을 사용하여 직경 6Ø로 가공하였다.
복합재료에 압축하중을 가할 때 기지재의 역할은 섬유의 파단을 더디게 하는 역할을 한다. 따라서 기지재의 건전함 평가를 위해 압축시험을 수행하였고, 규격 ASTM D6641을 참고하였다. 시편의 개수는 각 방향별로 10개씩, 폭 25 mm, 길이 140 mm로 가공 후 스트레인 게이지를 부착하였다.
본 연구에서 직조한 프리폼은 경사 방향과 위사 방향의 섬유의 포함량이 다르기 때문에 두 방향에 대한 시편을 가공하여 시험하였다. 최대 인장 강도, 탄성계수를 측정하기 위한 시험으로 인장시험을 수행하였고, 규격은 ASTM D3039를 참고하였다. 시편의 개수는 각 방향별로 7개씩, 폭 25 mm, 길이 230 mm로 가공 후 스트레인 게이지를 부착하였다.

성능/효과

12는 2D 복합 재료와 3D 복합재료의 노치 감도를 비교한 그래프이다. 3D 복합재료의 ORT 패턴, 일방향 적층 복합재료, 2D 패브릭 적층 복합재료의 순서로 노치 감도가 가장 민감하지 않음을 볼 수 있다. 이는 3D 복합재료의 두께 방향 섬유의 보강으로 인하여 손상허용치가 향상되었음을 보여주고 있다.
ORT, TTT 시편은 위사 방향의 강성이 경사 방향의 강성 보다 높은데 반해 LTL 시편은 경사 방향의 강성이 더 높게 나타났다. 이는 직조시 ORT와 TTT에서는 layer 간의 보강을 위한 3차원 직조 섬유가 전체 layer를 관통하며 들어가 있는데 반해 LTL에서는 인접 layer 간에만 얽혀 있고 또 위사 입장에서는 교대로 좌우로 잡아 당기는 방향으로 배치되어 있으므로 위사 방향으로 압축시 위사에 좌굴을 야기시키는 방향으로 힘이 전달되어 강성이 떨어 지는 곳으로 사료된다.
인장 시험과 압축시험 모두 ORT 구조가 위사 방향의 탄성계수및 강도 값이 가장 높았다. Open-hole 시험의 경우에도, 위사 방향의 ORT 패턴이 LTL, TTT 패턴에 비해 29%, 18% 더높게 나왔다. 이는 ORT 패턴이 다른 패턴보다 위사 방향의 섬유가 더 많이 포함되었기 때문이다.
3(%) 변형률에서 구하였다. 가지 패턴의 복합재료 중 ORT 구조의 위사방향 압축 강성이 가장 높은 값을 보였다. 이는 ORT의 경우 층간을 보강하는 두께방향의 섬유가 수직으로 배치되어 층간을 견고하게 잡고 있기 때문으로 사료된다.
10은 세 가지 패턴의 복합재료에 대한 압축시험 강도를 나타낸 그래프이다. 각 패턴의 탄성계수 및 강도의 결과 값을 보면 위사 방향의 값이 대체로 높게 나타났다. 이는 위사 섬유 포함량이 경사 섬유 포함량보다 높기 때문이다.
이는 ORT 패턴이 다른 패턴보다 위사 방향의 섬유가 더 많이 포함되었기 때문이다. 노치 감도를 비교한 결과 3D 복합재료의 ORT 패턴이 일방향 적층 복합재료 및 2D 패브릭 적층 복합재료보다 노치 감도가 가장 낮았다. 이는 3D 복합재에 두께 방향 섬유의 보강으로 두께 방향 특성이 향상되어 손상 허용치가 증가하였다는 것을 알 수 있다.
3(%) 변형률에서 계산하였고 파단이 일어나지 않는 초기 구간에서 구하였다. 세 가지 패턴의 탄성계수 및 강도 결과 값을 보았을 때, 위사 방향의 값이 경사 방향의 값보다 높게 나오는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 위사 섬유 포함량이 경사 섬유 포함량보다 더 높기 때문이다.
본 연구에서는 위빙 직조기를 사용하여 각 패턴별 직조형 프리폼을 제조하고 복합재료 물성 평가를 하였다. 인장 시험과 압축시험 모두 ORT 구조가 위사 방향의 탄성계수및 강도 값이 가장 높았다. Open-hole 시험의 경우에도, 위사 방향의 ORT 패턴이 LTL, TTT 패턴에 비해 29%, 18% 더높게 나왔다.

참고문헌 (10)

Nguyen, V.P., Kerfriden, P., and Boardas, S.P.A., "Two- and Three-dimensional Isogeometric Cohesive Elements for Composite Delamination Analysis," Journal of Composite: Part B, Vol. 60, 2014, pp. 193-212.

상세보기
Kim, S.J., and Hwang, I.H., "Study on Through the Thickness Stresses in the Corner Radius of a Laminated Composite Structure," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 8, 2013, pp. 665-672.

원문보기 상세보기
Byun, J.H., Song, S.W., Lee, C.H., Um M.K., and Hwang B.S., "Impact Properties of Laminated Composites with Stitching with Stitching Fibers," Journal of Composite Structures, Vol. 76, 2006, pp. 21-27.

상세보기
Visrolia, A., and Meo, M., "Multiscale Damage Modelling of 3D Weave Compsite by Asymptotic Homogenization," Journal of Composite Structures, Vol. 95, 2013, pp. 105-113.

상세보기
Byun, J.H., Lee, S.K., and Um, M.K., "Fabrication of 3D Textile Preforms by Multi-layer Weaving," Proceedings of Korea Society for Composite Materials, 1997, pp. 212-217.
Mouritz, A.P., and Cox, B.N., "A Mechanistic Interpretation of the Comparative in-plane Mechanical Properties of 3D Woven, Stitched and Pinned Composites," Journal of Composites: Part A, Vol. 41, 2010, pp. 709-728.

상세보기
Dai, S., Cunningham, P.R., Marshall, S., and Silva, C., "Open Hole Quasi-static and Fatigue Characterization of 3D Woven Composites," Journal of Composite Structure, Vol. 131, 2015, pp. 765-774.

상세보기
A. International, ASTM D5766 Standard Test Method for Open-hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates, 2018.
O'Higgins, R.M., McCarthy, M.A., and McCarthy, C.T., "Comparison of Open Hole Tension Characteristics of High Strength Glass and Carbon Fibre-reinforced Composite Materials," Journal of Composites Science and Technology, Vol. 68, 2008, pp. 2770-2778.

상세보기
Arief Yudhanto, Naoyuki Watanabe, Yukata Iwahori, and Hikaru Hoshi, "The Effects of Stitch Orientation on the Tensile and Open Hole Tension Properties of Carbon/epoxy Plain Weave Laminates," Journal of Material and Design, Vol. 35, 2012, pp. 563-571.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증