[논문]표면접착필름이 복합재 일체형 구조물에서의 기공 거동에 미치는 영향

박동철; 김윤해

doi:10.7234/composres.2020.33.3.147

[국내논문] 표면접착필름이 복합재 일체형 구조물에서의 기공 거동에 미치는 영향
Effect of Surface Film on Void Behavior in Composite Integrated Structure 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.3, 2020년, pp.147 - 152

박동철 (Tech Center, Korean Air) , 김윤해 (Department of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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본 연구에서는 스파/스킨 복합재 일체형 구조물 시편 제작을 통해 구조물 형상에 의한 국부적인 내부압력 구배 및 표면접착필름 적용 조건에 따른 복합재 내부 기공의 거동에 대하여 실험적으로 평가하였다. 표면접착 필름과 탄소섬유 프리프레그 소재의 점도특성 및 열분석 비교를 통해 경화특성 및 속도 차이를 확인하였다. 그리고 스파/스킨 일체형 구조물 시편을 표면접착필름 적용 조건에 따라 2가지 유형으로 성형 제작하여 표면상태검사, 비파괴 검사 및 파괴 검사를 통하여 검증하였다. 표면접착필름이 전체 표면에 적용된 시편#1의 경우 내부구조에 의한 압력 구배가 발생하고 이로 인해 낮은 압력이 적용되는 부위에서 형성된 기공들이 먼저 경화된 표면접착필름에 막혀 배출되지 못함을 확인할 수 있었으며, 표면접착필름이 적용되지 않아 탄소섬유 프리프레그가 전면 노출된 시편#2에서는 내부 기공이 완전히 배출됨을 볼 수 있었으며 미리 경화된 표면접착필름이 내부 기공 이동 및 배출에 있어서 차단막(Barrier film)으로 작용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, void behavior of composite laminate by local internal pressure gradient due to structural geometry and surface film application condition was experimentally evaluated through fabrication of spar/skin integrated structure specimens. Viscosity comparison and thermal analysis for both carbon fiber prepreg and surface film were conducted and cure characteristic and rate difference were analyzed. 2 types of spar/skin integrated structural specimens were prepared based on different application condition of surface film. Subsequently, those specimens were evaluated through visual surface inspection, non-destructive and destructive inspection. In a specimen #1 with full application of surface film, low pressurized area of composite laminate created by pressure gradient of structural geometry had voids. It exhibited that voids could not be evacuated and were locked in cured laminate by the influence of pre-cured surface film with relatively faster cure rate. In a specimen #2 without surface film, it revealed that all internal voids disappeared in the cured laminate. Therefore, it is verified that surface film acts as barrier film preventing void movement and evacuation during autoclave cure.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Voids in the laminate
그림 Fig. 2. Principle of internal bag pressurization [10]
그림 Fig. 3. Common composite stiffening approaches [11]
그림 Fig. 4. Function of surface film [14]
그림 Fig. 5. Integrated Structure Laminate
그림 Fig. 6. Schematic of Compacting Pressure Gradient
그림 Fig. 7. Uncured Specimens (a) specimen #1 with full application of surface film (b) specimen #2 without surface film
그림 Fig. 8. Autoclave Cure Cycle
표 Table 1. Materials for Specimen
그림 Fig. 9. Viscosity profile for both carbon fiber prepreg (Cycom 970) and surface film (SM905)
그림 Fig. 10. DSC data for both carbon fiber prepreg (Cycom 970) and surface film (SM905)
그림 Fig. 11. Surface condition for Cured specimens (a) Specimen #1 with full application of surface film (b) Specimen #2 without surface film
그림 Fig. 12. Non-destructive inspection images (a) specimen #1 (b) specimen #2
그림 Fig. 13. Destructive inspection results (a) specimen #1 (b) specimen #2

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일체형 동시경화 구조물에서 경화속도 차이를 가진 표면접착필름이 복합재 부품 내부 기공의 거동에 미치는 영향을 실험을 통해 평가하였다.
본 연구에서는 최근 항공산업분야에서 빠른 속도로 적용이 확대되고 있는 스파/스킨 복합재 일체형 구조물 시편 제작을 통해 구조물 형상에 따른 국부적인 내부 압력 구배 및 표면접착필름 적용 조건에 의한 복합재 내부 기공의 거동에 대하여 실험적으로 확인하였다. 아울러 표면접착필름과 탄소섬유 프리프레그 소재 간의 경화특성 및 속도차이를 점도특성 비교 및 DSC 장비를 이용한 열분석 수행을 통해 확인할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

(1) 복합재 구조물 표면 상태 개선을 위해 널리 사용되는 표면접착필름은 탄소섬유 프리프레그에 비하여 상대적으로 빠른 속도로 수지의 경화 및 겔화가 이루어짐을 자재별 점도특성 비교 및 DSC 열분석을 통하여 확인하였다.
각 재료(프리프레그 및 표면접착필름)의 점도 특성 비교 및 열 분석(DSC)을 통한 열 특성을 비교/확인하였고 경화 제작 완료된 각 시편들에 대한 육안검사, 비파괴 및 파괴 검사를 수행하여 내부 기공 유무 및 상태를 확인 검증하였다.
경화 완료된 2종류 시편의 표면 상태에 대하여 육안으로 확인하였다.
다음으로 2 종류 시편에 대하여 비파괴검사를 수행하였다. Pulse Echo 방식의 C-scan (GE IT – Phased Array Type,5 MHz Frequency 적용)을 수행하였는데 시편#1에서는 스 킨 표면 가까이 0.
마지막으로 시편들에 대하여 파괴시험을 수행하였는데 해당 부위를 절단가공하여 단면을 확인하였다. 육안 검사 및 비파괴 검사를 통해 기공 결함이 확인된 시편#1에서는 결함이 확인된 위치를 절단하였으며, 결함이 확인되지 않은 시편#2에서도 동일한 위치를 절단하여 단면 확인을 통해 복합재 내부 상태 및 품질을 검증하였다.
스파 구성품은 (45/0/452/0/452/0/45/0)S의 적층순서를 가진프리프레그를 2개의 “C” 형 부분품으로 적층한 뒤 충진재(Filler)를 추가/조립하여 제작하고 스킨은 별도의 몰드 위에서 (45/0/45/0/45/0/45/0/45/0)2S 플라이를 적층하여 제작한 뒤 스파 구성품들과 합쳐서 일체화시켰다.
시편은 2가지 형태로 제작되는데 기본적인 스킨 및 스파 구조 및 적용자재는 동일하지만 스킨 외부 마지막 플라이로 스킨 전체를 감싸고 있는 표면 접착필름 적용에 있어서 차이를 두었다.
본 연구에서는 최근 항공산업분야에서 빠른 속도로 적용이 확대되고 있는 스파/스킨 복합재 일체형 구조물 시편 제작을 통해 구조물 형상에 따른 국부적인 내부 압력 구배 및 표면접착필름 적용 조건에 의한 복합재 내부 기공의 거동에 대하여 실험적으로 확인하였다. 아울러 표면접착필름과 탄소섬유 프리프레그 소재 간의 경화특성 및 속도차이를 점도특성 비교 및 DSC 장비를 이용한 열분석 수행을 통해 확인할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
열분석시험은 ASTM D3418 [14]을기준으로 DSC(Dynamic Scanning Calorimetry)장비를 사용하여 두 자재의 발열량(Exothermal Enthalpy)을 스캔하여 비교함으로서 각 자재의 반응시작/완료시점을 비교 평가하였다.
마지막으로 시편들에 대하여 파괴시험을 수행하였는데 해당 부위를 절단가공하여 단면을 확인하였다. 육안 검사 및 비파괴 검사를 통해 기공 결함이 확인된 시편#1에서는 결함이 확인된 위치를 절단하였으며, 결함이 확인되지 않은 시편#2에서도 동일한 위치를 절단하여 단면 확인을 통해 복합재 내부 상태 및 품질을 검증하였다.
파괴검사는 비파괴검사를 통해 확인된 결함부위를 채취하여 내부단면을 400, 600 및 1000번의 연마지를 이용하여 연마한뒤 광학스캐너(Scanjet G3110, HP)를 사용하여 관찰 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 탄소섬유 강화 프리프레그(Cycom 970/T300 3K-70-PW, Solvay 사)와 표면접착필름(SM 905, Solvay사)을 사용하였는데 Table 1에 개략적인 내용을 정리하였다. 시편 구조는 Fig.

이론/모형

비파괴시험은 복합재 구조물에서 가장 널리 사용하는 Pulseecho 방식의 초음파 검사법을 사용하는데 ASTM E317 [15]시험 규격을 적용하였다.

성능/효과

(2) 스파/스킨 일체형 구조물에서 중간에 위치한 스파 구조물의 영향으로 내부로부터 가해지는 오토클레이브 압력이 스킨을 통해서 상하형 몰드로 전달되는 과정에서 스킨에 가해지는 압밀압력의 차이가 발생되었다.
(3) 일체형 구조물에서 국부적인 압밀압력의 차이로 인해 내부 기공들은 상대적으로 낮은 압력이 적용되는 스킨 외부 표면을 향해 두께 방향으로 움직여 배출되는 경향을 가짐을 확인할 수 있었다.
(4) 일체형 구조물 스킨 외부 표면에 적용된 표면접착필름이 주 자재인 탄소섬유 프리프레그보다 빨리 경화되어 겔화에 도달함에 따라 일종의 차단막 역할을 함으로서 복합재 내부 기공들이 스킨 표면을 통해 완전히 배출되지 못하고 갇혀서 기공 결함의 형태로 잔류함을 시편에 대한 육안검사 및 비파괴/파괴 검사를 통하여 확인/검증할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재 성형 부품에 존재하는 치명적인 결함은 무엇인가?	복합재료는 항공기 기체 구조에 있어서 가장 중요한 소재 중 하나로서 그 중요성을 높여가고 있는데, 가장 최근에 개발된 보잉 787과 에어버스 A350 항공기의 경우 전체 기체 중량의 50% 이상을 복합재료가 차지하고 있다[1,2]. 복합재 성형 부품의 경우 제조과정에서 다양한 결함들이 야기될 수 있는데 그 중에서도 특히 기공(Void) 결함은 관련 이해 당사자들의 골칫거리로 존재하고 있다 [3]. 복합재 부품 내에서 기공은 주로 수지 지배적 특성(Matrix dominated properties)인 Compression Strength, ILSS (Inter Laminar Shear Strength) 및 Transverse Tensile Strength 등에 크게 영향을 미치므로 단기적으로 국부적 파손 및 장기적으로는 내구성 문제를 초래할 수 있다[4-6].
	복합재 부품 내에서 기공은 무엇에 영향을 미치는가?	복합재 성형 부품의 경우 제조과정에서 다양한 결함들이 야기될 수 있는데 그 중에서도 특히 기공(Void) 결함은 관련 이해 당사자들의 골칫거리로 존재하고 있다 [3]. 복합재 부품 내에서 기공은 주로 수지 지배적 특성(Matrix dominated properties)인 Compression Strength, ILSS (Inter Laminar Shear Strength) 및 Transverse Tensile Strength 등에 크게 영향을 미치므로 단기적으로 국부적 파손 및 장기적으로는 내구성 문제를 초래할 수 있다[4-6].

참고문헌 (17)

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상세보기
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상세보기
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ASTM D3418 Standard Test Method for Transition Temperatures and Enthalpies of Fusion and Crystallization of Polymers by Differential Scanning Calorimetry.
ASTM E317 Standard Practice for Evaluation Performance Characteristics of Ultrasonic Pulse Echo Testing Instruments and Systems without the use of Electronic Measurement Instruments.
Solvay-Cytec Technical Data Sheet, Surface Master 905 Surfacing Film, 2010.
Solvay-Cytec Technical Data Sheet, Cycom 970 Epoxy Resin, 2013.

저자의 다른 논문 :

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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