[논문]CF&GF Hybrid Prepreg 적층 패턴에 따른 Z-Spring의 기계적 물성 향상에 관한 연구

김정근; 최선호; 김영근; 김홍건; 곽이구

doi:10.14775/ksmpe.2021.20.03.053

CF&GF Hybrid Prepreg 적층 패턴에 따른 Z-Spring의 기계적 물성 향상에 관한 연구
Enhancing the Mechanical Properties of Z-Spring by Implementing CF&GF Hybrid Prepreg Lamination Patterns 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.20 no.3, 2021년, pp.53 - 59

김정근 (전주대학교 탄소융합공학과) , 최선호 (전주대학교 탄소융합공학과) , 김영근 ((주) 에스모터스) , 김홍건 (전주대학교 탄소융합공학과) , 곽이구 (전주대학교 탄소융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In vibration-free vehicles such as limousine buses, the vibration is minimized by installing an air spring instead of the leaf spring used in the existing freight cars to prevent the damage to the loaded cargo from shocks generated during movement. In the existing vehicles, steel structures support the air spring system. This study was aimed at replacing the steel structures used in the Z-spring by carbon fiber and glass fiber reinforced plastics. In addition, the mechanical properties (elastic modulus, tensile strength, and shear strength) of carbon fiber and glass fiber prepreg were derived using specimens molded with the corresponding prepreg. The final goal was to develop a material lighter than the conventional steel material but with enhanced mechanical properties. Although the CF prepreg exhibited excellent mechanical properties, the production cost was extremely high. To overcome this limitation, hybrid composites with GF prepreg were examined, which are expected to be promising future materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최종적으로 Z-Spring 에 기존의 강철 소재에 비해 더 경량화율을 높이고 기계적 물성이 향상된 Hybrid 복합소재를 개발하고자 하였다 . 또한 본 연구에서는 생산단가가 높은 CF Prepreg 소재의 단점을 보완하기 위하여 GF Prepreg 를 함께 적용한 하이브리드 복합소재 (Hybrid Composites) 에 대한 개발을 착수하고 이에 대한 결과를 고찰하였다.
또한 이러한 연구를 수행하기 위하여 CF(Carbon Fiber) 및 GF(Glass Fiber) Prepreg 의 기계적 물성치 ( 탄성계수 , 인장강도 , 전단강도) 를 해당 Prepreg 로 성형한 시편으로 물성을 확보하고자 하였다^[5-8] . 최종적으로 Z-Spring 에 기존의 강철 소재에 비해 더 경량화율을 높이고 기계적 물성이 향상된 Hybrid 복합소재를 개발하고자 하였다 .
또한 좌우 Leveling으로 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 하며 , Lateral Load 가 적용되어 옆 방향으로의 치우침하고 , Shockabsorber 적용으로 굴곡이 심한 도로에서 에어스프링을 보호 , 탑승자의 승차감과 운전의 안정화를 이루어주는 차량이라고 할 수 있다. 이런 차량에 사용되는 에어스프링 시스템을 지지해주는 역할을 현재 강철 구조재가 하고 있으며 따라서 본 연구에서는 Z-Spring 에 사용되는 강철 구조재를 Carbon Fiber 와 Glass Fiber 강화 플라스틱으로 복합재료화하고자 하는 연구를 수행하였다^[1-4].
최종적으로 Z-Spring 에 기존의 강철 소재에 비해 더 경량화율을 높이고 기계적 물성이 향상된 Hybrid 복합소재를 개발하고자 하였다 . 또한 본 연구에서는 생산단가가 높은 CF Prepreg 소재의 단점을 보완하기 위하여 GF Prepreg 를 함께 적용한 하이브리드 복합소재 (Hybrid Composites) 에 대한 개발을 착수하고 이에 대한 결과를 고찰하였다.

제안 방법

5 mm) 를 사용하였다 . Autoclave 성형은 Fig. 1의 조건으로 적층된 Prepreg 를 30 분 동안 상온에서 80 ℃ 까지 승온 후 60 분 동안 온도를 유지하고 30 분 동안 140 ℃ 까지 승온 후 60 분 동안 온도를 유지하는 방법을 선택하였다 . Fig.
CF Prepreg 17 ply(t = 3.4 mm) 를 UD 0° 패턴으로 적층하여 각각 인장 (ASTM D 3039) 및 전단 시편 (ASTM D 5379) 으로 가공하였으며 해당 결과를 Fig. 3, 4 및 Table 1, 2 에서 확인할 수 있다. UD 0° CFRP 인장시험 결과 인장강도 평균 976.
2 는 Prepreg 를 적층하는 과정과 Autoclave 에 적층된 Prepreg 를 넣어 성형하는 과정을 사진으로 나타낸 것이다 . CFRP 는 17 ply(t = 3.4 mm), GFRP 는 8 ply(t = 4.0 mm) 를 UD 0° 패턴으로 적층하여 인장강도 (ASTM D 3039), 전단 강도 (ASTM D 5379) 를측정 및 분석하였으며 , Hybrid 판상 또한 CF 1 ply & GF 7 ply(t = 3.7 mm) 와 CF 1 ply & GF 7 ply& CF 1 ply (t = 3.9 mm) 를 UD 0° 방향으로 적층하여 인장 강도 (ASTM D 3039), 압축 강도 (ASTM D 6641), 굴곡강도 (ASTM D 790) 를 측정하여 물성을측정하여 Hybrid 복합재의 기계적 특성에 대하여 분석하고자 하였다^[9-12].
CFRP 와 GFRP 를 각각 Prepreg 를 이용한 Autoclave 에 의한 성형 공법으로 시편을 가공하여 기계적 물성( 인장 , 전단강도) 을 데이터화하였다 . 이후 CF Prepreg 와 GF Prepreg 를 Hybrid 화하여 적층시킨 시편에 대하여 추가적으로 기계적 물성( 인장 , 압축 , 굴곡강도) 을 도출하였으며 해당 결과를 통해 다음과 같은 결론을 확인하였다.
GF Prepreg 8 ply(t = 4.0 mm) 를 UD 0° 패턴으로 적층하여 CFRP 시편과 동등한 규격에 의거하여 인장 및 전단 시험을 실시하였다 . 그 결과 Fig.
Hybrid 복합재의 경우 각각 CF 1 ply&GF 7ply(t=3.7mm, 1-7 Hybrid) 와 CF 1 ply&GF 7 ply&CF 1 ply(t=3.9mm, 1-7-1 Hybrid) 를 UD 0° 방향으로 적층하여 Autoclave 로 성형하여 가공하였고 인장 강도 (ASTM D 3039), 압축 강도 (ASTM D 6641), 굴곡강도 (ASTM D 790) 를 측정하여 데이터를 비교 , 분석하였다 . Fig.
8% 향상된 물성을 나타내어 CF Prepreg 의 함량이 높으면 해당 소재의 기계적 물성이 향상됨을 확인하였다 . 그러나 생산 단가 면에서 경쟁력을 확보하기가 어렵다고 판단하여 GF Prepreg 를 추가 적층시킨 1-7 Hybrid 와 1-7-1 Hybrid 복합재에 대한 연구에서 추가적인 연구를 진행하였다.
인장 , 전단강도) 을 데이터화하였다 . 이후 CF Prepreg 와 GF Prepreg 를 Hybrid 화하여 적층시킨 시편에 대하여 추가적으로 기계적 물성( 인장 , 압축 , 굴곡강도) 을 도출하였으며 해당 결과를 통해 다음과 같은 결론을 확인하였다.

대상 데이터

Hybrid 복합재의 제작은 Autoclave 에 의해 수행되었으며 CF Prepreg 는 T-300 소재 (1 ply 두께 = 0.2 mm) 를 사용하였고 GF Prepreg 는 UD 570 소재 (H 사 , 1 ply 두께 = 0.5 mm) 를 사용하였다 . Autoclave 성형은 Fig.

성능/효과

1) CFRP 의 경우 GFRP 에 비해 인장강도 7.3%, 전단 강도 13.8% 향상된 물성을 나타내어 CF Prepreg 의 함량이 높으면 해당 소재의 기계적 물성이 향상됨을 확인하였다 . 그러나 생산 단가 면에서 경쟁력을 확보하기가 어렵다고 판단하여 GF Prepreg 를 추가 적층시킨 1-7 Hybrid 와 1-7-1 Hybrid 복합재에 대한 연구에서 추가적인 연구를 진행하였다.
2) Hybrid 화 하여 기계적 물성을 도출한 결과 인장강도 값을 비교하였을 때 1-7 Hybrid 의 경우 CFRP 보다 19.83 %, GFRP 보다 12.44 % 정도 감소하였고 1-7-1 Hybrid 의 경우 CFRP 보다 17.98 %, GFRP 보다 11.44 % 감소된 결과를 나타내었다 . 이는 Hybrid 화 되었을 경우 같은 소재의 Prepreg 로만 구성이 되었을 경우보다 계면 간의 네트워크가 상대적으로 약하게 형성되는 것으로 판단된다.
3 ) Z-Spring 을 CF Prepreg 으로만 제작하게 되는 경우 생산 단가 상승이라는 단점을 갖고 있다. 그.
54 GPa 을 나타내었다 . 3.1의 CFRP 의 결과와 비교하였을 때 CFRP 가 GFRP 보다 인장강도 7.3 % 증가 , 전단강도 13.8 % 증가하는 결과를 나타내었으며 CFRP 시편이 기계적 강도면에서 GFRP 보다 우수함을 확인할 수 있었다 . 이는 Prepreg 내의 강화 재인 Carbon Fiber 강도가 Glass Fiber 강도보다 우수하며 Prepreg 를 통한 시편 가공에도 적용됨을 확인할 수 있다.
3, 4 및 Table 1, 2 에서 확인할 수 있다. UD 0° CFRP 인장시험 결과 인장강도 평균 976.96 MPa, 인장탄성률 평균 69.45 GPa 을 나타내었으며 전단시험의 경우 전단강도가 평균 72.38 MPa, 전단탄성률 2.96 GPa 로 나타났다 .
8 % 정도 증가하였다 . 굴곡강도의 경우에도 Fig. 11, 12와 Table 7 에서 보듯이 1-7 Hybrid 보다 1-7-1 Hybrid 시편이 9.3 % 정도 굴곡강도가 증가함을 확인하였다 . 그러나 GFRP 의 경우 (GF Prepreg 100%) 보다 11.
0 mm) 를 UD 0° 패턴으로 적층하여 CFRP 시편과 동등한 규격에 의거하여 인장 및 전단 시험을 실시하였다 . 그 결과 Fig. 5, 6 과 Table 3, 4 를 통해 확인할 수 있듯이 , 인장강도 평균 904.88 MPa, 인장탄성률 평균 28.64 GPa 을 나타내었고 , 전단강도 평균 62.33 MPa, 전단탄성률 평균 3.54 GPa 을 나타내었다 . 3.
이 구간에서 1 ply 가 적층되어 있는 CF Prepreg 부분이 단층되며 이후 GF Prepreg 가 적층된부분이 단층되는 현상을 나타내었다 . 그리고 1-7 Hybrid 보다 1-7-1 Hybrid 시편이 1 ply 의 CF Prepreg 의 영향에 의해 인장강도가 2.2 % 정도 증가하는 경향을 나타내었다 . 또한 압축 강도의 결과는 Fig.
8 % 증가하는 결과를 나타내었으며 CFRP 시편이 기계적 강도면에서 GFRP 보다 우수함을 확인할 수 있었다 . 이는 Prepreg 내의 강화 재인 Carbon Fiber 강도가 Glass Fiber 강도보다 우수하며 Prepreg 를 통한 시편 가공에도 적용됨을 확인할 수 있다.

후속연구

. 결론적으로 이를 적용한 Z-Spring 역시 추가적인 연구를 통한 Hybrid 제품으로써 개발이 기대된다.
그. 러나 우수한 기계적 물성도 확보하고 생산 단가도 낮출 수 있는 GF Prepreg 를 사용한다면 차후 미래의 소재로써의 Hybrid Composite 이 될 것으로 판단된다. .

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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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