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스프레드 탄소섬유 직물 복합재료의 성형온도에 따른 기계적 특성에 관한 연구
Effect of Fabricating Temperature on the Mechanical Properties of Spread Carbon Fiber Fabric Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.3, 2020년, pp.161 - 168  

은종현 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  곽재원 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  김기정 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  김민성 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  성선민 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  최보경 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  김동현 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) ,  이준석 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University)

초록
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본 연구에서는 스프레드 기술이 적용된 열가소성 탄소섬유 복합재료의 성형 온도에 따른 기계적 특성과 폴리프로필렌 필름의 열적 특성에 대해 조사하였다. 스프레드 기술이 적용된 탄소섬유 직물과 범용 탄소섬유 직물로 탄소섬유 강화 복합재료를 제작하였고, 시차 열량 주사계(DSC), 열 중량 분석법(TGA), 점도계를 사용하여 폴리프로필렌 필름의 열적 특성을 측정하였다. 인장, 굽힘, 층간 전단 실험을 통해 복합재료 성형 온도 조건에 따른 스프레드 탄소섬유 복합재료(SCFC)와 범용 탄소섬유 복합재료(CCFC)의 기계적 특성을 확인하였다. 폴리프로 필렌 수지의 융점 이상인 200~240℃ 구간에서 복합재료를 제작하였으며, 주사 전자 현미경(SEM) 분석을 통해 성형 온도 조건에 따른 열가소성수지의 함침성을 관찰하였다. 그 결과, 성형 온도가 증가함에 따라 폴리프로필렌 수지의 점도가 감소하여 함침성이 향상되었으며, 230℃ 성형 온도 조건에서 기계적 특성이 가장 우수한 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we have studied the mechanical properties of thermoplastic carbon fiber fabric composites with spread technology and compression molding temperature were investigated. Carbon fiber reinforcement composites were fabricated using commercial carbon fiber fabrics and spread carbon fiber f...

주제어

표/그림 (14)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 범용 및 스프레드 탄소섬유 직물을 적용한 열가소성 복합재료의 성형 온도에 따른 기계적 물성을 조사하였다. 적절한 성형 온도를 선정하기 위하여 폴리프로필렌 필름의 열적 특성과 점성을 DSC, TGA, Rheometer를 이용하여 관찰하였고, 그 결과 성형온도를 200℃, 210℃, 220℃, 230℃, 240℃로 하였다.
  • 본 연구에서는 온도에 따른 폴리프로필렌 필름의 유동성을 확인하기 위하여 점도계를 사용하여 필름의 점도를 측정하였고, DSC, TGA 분석을 통해 융점과 열분해온도와 같은 열적 특성을 조사하였다. 또한 열가소성 복합재료를 200℃, 210℃, 220℃, 230℃, 240℃의 다양한 성형 온도 조건으로 제작 한 후 기계적 물성을 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소섬유 강화복합재료란 무엇인가? 탄소섬유 강화복합재료는 우수한 비강도 및 비강성, 경량성, 내피로성 및 내약품성을 가진 전도 유망한 소재이다 [1]. 그 중 열가소성 수지를 사용한 탄소섬유 강화복합재료 (Carbon fiber Reinforced Thermoplastic Plastics)는 열경화성 탄소섬유 강화복합재료(Carbon fiber Reinforced Thermoset Plastics)에 비해 생산 비용이 적고, 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.
열가소성 수지를 사용한 탄소섬유 강화복합재료의 특징은 무엇인가? 탄소섬유 강화복합재료는 우수한 비강도 및 비강성, 경량성, 내피로성 및 내약품성을 가진 전도 유망한 소재이다 [1]. 그 중 열가소성 수지를 사용한 탄소섬유 강화복합재료 (Carbon fiber Reinforced Thermoplastic Plastics)는 열경화성 탄소섬유 강화복합재료(Carbon fiber Reinforced Thermoset Plastics)에 비해 생산 비용이 적고, 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다. 이러한 특징으로 인해 건축, 토목, 선박, 스포츠 용품, 자동차 및 의료기기 등 경량화가 요구되는 산업에 널리 사용되고 있다[2-5].
열가소성 수지의 섬유 함침에 대한 문제점을 해결하기 위한 방법은 어떤 것이 있는가? 하지만 열가소성 수지의 높은 점도로 인해 수지의 흐름 성이 낮아 고온에서 복합재료를 제조해야 하며 섬유 함침이 제한적이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수지와 섬유의 거리를 좁히거나, 섬유 형태의 수지와 강화재인 섬유를 합사하는 코밍글법(Comingled)을 통해 수지의 함침 거리를 최소화하는 방법이 있고, 비교적 점도가 낮은 모노머 상태의 열가소성 수지를 사용하여 성형 도중 모노머를 폴리머로 중합하는 방법, 용매를 사용하여 수지를 용해시키는 방법 등이 있다[6]. Bernet 등은 방사된 Polyamide 12와 탄소섬유를 합사하여 열가소성 탄소섬유 복합재료를 제조하여 기계적 특성, 형상 인자와 고화 속도의 관계에 대해 연구하였다[7].
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참고문헌 (12)

  1. Morgan, P., Carbon Fibers and Their Composites, Boca Raton: Taylor and Francis, New York, U.S, pp. 121-184, 2005. 

  2. Chang, I.Y., and Lees, J.K., "Recent Development in Thermoplastic Composites: A Review of Matrix Systems and Processing Methods," Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol. 1, Iss. 3, 1988, pp. 277-296. 

  3. Lee, S.M., Thermoplastic Matrix Composites, International Encyclopaedia of Composites, VCH Pub., New York, USA, 1991, pp. 10-34. 

  4. Shin, S.W., Kim, R.Y., Kawabe, K., and Tsai, S., "Experimental Studies of Thin-ply Laminated Composites," Composites Science and Technology, Vol. 67, 2007, pp. 996-1008. 

  5. Roh, J., and Lee, W., "Review : Continuous Fiber Tow Spreading Technologies and Its Applications," Composites Research, Vol. 26, Iss. 3, 2013, pp. 155-159. 

  6. Gibson, A.G., and Manson, J.A., "Impregnation Technology for Thermoplastic Matrix Composites," Composites Manufacturing, Vol. 3, Iss. 4, 1992, pp. 223-233. 

  7. Bernet, N., Michaud, V., Bourban, P.E., and Manson, J.A.E., "An Impregnation Model for the Consolidation of Thermoplastic Composites Made from Commingled Yarns," Journal of Composite Materials, Vol. 33, Iss. 8, 1999, pp. 751-772. 

  8. El-Dessouky, H.M., and Lawrence, C.A., "Ultra-lightweight Carbon Fibre/Thermoplastic Composite Material Using Spread Tow Technology," Composites Part B: Engineering, Vol. 50, 2013, pp. 91-97. 

  9. Kawabe, K., Sasayama, H., and Tomoda, S., "New Carbon Fiber Tow-Spread Technology and Applications to Advanced Composite Material," Sampe Journal, Vol. 45, No. 2, 2009, pp. 6-17. 

  10. Kim, R.Y., and Soni, S.R., "Experimental and Analytical Studies On the Onset of Delamination in Laminated Composites," Journal of Composite Materials, Vol. 18, No. 1, 1984, pp. 70-80. 

  11. Park, S.M., Kim, M.S., Choi Y.S., Lee, E.S., Yoo, H.W., and Chon, J.S., "Carbon Fiber Tow Spreading Technology and Mechanical Properties of Laminate Composites," Composites Research, Vol. 28, No. 5, 2015, pp. 249-253. 

  12. Rodini, B.T., and Eisenmann, J.R., An Analytical and Experimental Investigation of Edge Delamination in Composites Laminates, Fibrous Composites in Structural Design, Plenum Press, NY, 1980, pp. 441-457. 

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