[논문]굴곡된 탄소나노튜브로 보강된 적층 복합재 판구조의 고유진동 특성

출템수렌천트; 최형배; 이상열

doi:10.7234/composres.2021.34.2.123

[국내논문] 굴곡된 탄소나노튜브로 보강된 적층 복합재 판구조의 고유진동 특성
Natural Frequency Characteristics of Laminated Composite Structures Reinforced by a Wavy CNT 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.2, 2021년, pp.123 - 128

출템수렌천트 (Department of Civil Engineering, Andong National University) , 최형배 (Department of Civil Engineering, Andong National University) , 이상열 (Department of Civil Engineering, Andong National University)

초록
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본 논문은 Mori-Tanaka법, 혼합법칙 및 Halpin-Tsai 이론식을 적용하여 굴곡진 탄소나노튜브(CNT)로 보강된 복합재의 멀티스케일 고유진동 특성을 규명하였다. Eshelby 텐서를 이용하여 곡률을 갖는 CNT가 함유된 폴리머의 하중 전달 특성값이론을 유도하였다. 도출된 수치해석 결과는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제시한 새로운 결과는 적층 복합재의 CNT 함유량, 굴곡성 및 적층배열의 상호작용 특성을 규명하였다. 주요 결과에 대하여 분석하였으며, CNT 보강 복합재의 실용적 설계를 위한 중요 고려사항을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper dealt with multi-scale natural frequency characteristics of wavy CNT (carbon nanotube) reinforced composites by applying the Mori-Tanaka method, rule of mixture, and Halpin-Tsai equation. By compelling benefit of an ad-hoc Eshelby tensor, the load-transfer characteristics of CNT with a waviness implanted in the polymer matrix was determined. The numerical results obtained are in good agreement with those reported by other investigators. Furthermore, the new results reported in this paper show the interactions between CNT weight, waviness ratios and layup sequences of laminated composites. Key observation points are discussed and significant considerations are given in practical designing of CNT reinforced composites.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Representation of CNT waviness [10]
그림 Fig. 2. Induced effective elastic modulus with increased CNT waviness ratio [11]
표 Table 1. Comparison of induced frequencies (Hz) for all clamped composite plates
그림 Fig. 3. Induced natural frequencies of flat panels for different weight and waviness ratio ([0/0/0/0])
그림 Fig. 4. Induced natural frequencies of flat panels for different weight and waviness ratio ([0/90/90/0])
그림 Fig. 5. Induced natural frequencies of flat panels for different weight and waviness ratio ([0/90/0/90])
표 Table 2. Comparisons of material properties for FPC with straight CNT and wavy CNT
그림 Fig. 6. Induced natural frequencies of flat panels for different weight and waviness ratio ([45/-45/-45/45])
그림 Fig. 7. Mode shapes of laminated plates with CNT ratios of 2.0% and λ = 0.3

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 탄소나노튜브의 굴곡성을 고려하여 보강된 복합재 적층판구조의 고유진동 특성을 규명하였다. Mori- Tanaka 모델을 기반으로 파형 CNT의 물성을 계산하였으며 Halpin-Tsai 이론식을 적용하여 적층판구조의 멀티스케일 강성 및 강도값을 추정하였다.

가설 설정

본 연구에서 다루는 굴곡진 CNT의 가정된 형상은 Fig. 1 과 같다. Mori-Tanaka 모델을 기반한 굴곡진 CNT 분산 복합재의 유효강성행렬은 다음과 같이 표현된다[10, 11].
는 행렬의 푸아송 비이다. 상기식에서 굴곡진 CNT 는 다음과 같이 정현파 형상(sinusoidal shape)을 갖으며, 나란하게 배열되었다고 가정한다.

제안 방법

CNT 굴곡 비율 변화에 따른 복합재 판구조의 각 물성과 강도를 추정하였으며, 직선 CNT의 결과와 비교하였다. 해석에 사용한 CNT의 탄성계수는 953 GPa, 질량은 1, 300 kg/ m³, 프아송 비는 0.
다음으로 적층판 구조를 대상으로 다양한 매개변수에 대한 고유진동 특성을 분석한다. 기본해석 결과는 기존 문헌과 비교하여 검증하며, CNT의 굴곡성, 함유량 및 보강섬유의 배열 변화가 적층판의 고유진 동특성에 미치는 영향을 상세 규명한다.
따라서, 본 연구에서는 Mori-Tanaka 모델으로부터 평균 체적 법을 기반으로 CNT의 굴곡 특성을 고려하였으며, 복합재에 대하여 직선의 경우와 비교하여 물리적 변화를 추정하도록 모델링하였다. 다음으로 적층판 구조를 대상으로 다양한 매개변수에 대한 고유진동 특성을 분석한다. 기본해석 결과는 기존 문헌과 비교하여 검증하며, CNT의 굴곡성, 함유량 및 보강섬유의 배열 변화가 적층판의 고유진 동특성에 미치는 영향을 상세 규명한다.
대부분이었다[13-16]. 따라서, 본 연구에서는 Mori-Tanaka 모델으로부터 평균 체적 법을 기반으로 CNT의 굴곡 특성을 고려하였으며, 복합재에 대하여 직선의 경우와 비교하여 물리적 변화를 추정하도록 모델링하였다. 다음으로 적층판 구조를 대상으로 다양한 매개변수에 대한 고유진동 특성을 분석한다.
먼저, 전술한 이론을 기반으로 굴곡진 CNT 보강 복합재의 유효강성을 추정하였으며, 기존 문헌과 비교 검증하였다. Fig.
이 절에서는 CNT의 굴곡비율, 함유량 및 복합재 적층 배열 변화에 따른 고유진동 특성을 비교 분석하였다. 해석에 사용된 에폭시의 탄성계수는 5.

대상 데이터

해석에 사용된 에폭시의 탄성계수는 5.13 GPa, 질량은 1, 030 kg/m³, 프아송 비는 0.33이다. 또한, 평판의 두께는 2 mm, 양변 길이는 1,000 mm이며, 4변 고정지지로 설정하였다.
해석에 사용한 CNT의 탄성계수는 953 GPa, 질량은 1, 300 kg/ m³, 프아송 비는 0.33이다. 또한 CNT의 두께는 20 nm, 직경은 30 nm, 그리고 길이는 2 nm 이다.

데이터처리

Mori- Tanaka 모델을 기반으로 파형 CNT의 물성을 계산하였으며 Halpin-Tsai 이론식을 적용하여 적층판구조의 멀티스케일 강성 및 강도값을 추정하였다. 본 해석결과는 기존 연구 문헌과 비교 검증하였다. 수치해석 예로부터 도출한 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

Mori- Tanaka 모델을 기반으로 파형 CNT의 물성을 계산하였으며 Halpin-Tsai 이론식을 적용하여 적층판구조의 멀티스케일 강성 및 강도값을 추정하였다. 본 해석결과는 기존 연구 문헌과 비교 검증하였다.

성능/효과

(1) CNT의 곡률이 증가할수록 추정된 일방향 탄성계수는 가파르게 감소하였다. 이후 λ=0.
(2) CNT의 함유량이 증가함에 따라 재료적 물성은 직선형에 비하여 굴곡진 CNT의 경우가 증가하였으며, 특히, E₁₁ 경우에는 직선형보다 증가 비율이 작은 경향을 보였다. 반를 제외한 재료 물성 및 인장강도의 경우는 직선 또 면, E₁₁는 굴곡진 경우보다 유사하였으며, CNT 함유량 증가에 따라 큰 영향을 받지 않았다.
(3) CNT의 함유량이 증가할수록 판의 강성은 증가하여 고유진동수는 일정하게 증가하였다. 반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하였다.
3은 CNT 함유량 비율 및 곡률 영향에 따른 [0/0/0/0] 으로 적층된 복합재 평판의 고유진동 결과를 비교한 것이다. CNT의 함유량이 증가할수록 판의 강성은 증가하여 고유진동수는 일정하게 증가하는 것으로 나타났다. 반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하는 것으로 나타났다.
3부터 다소 완만하게 감소하였다. 도출된 결과는 기존문헌과 잘 일치하였다.
CNT의 함유량이 증가할수록 판의 강성은 증가하여 고유진동수는 일정하게 증가하는 것으로 나타났다. 반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하는 것으로 나타났다. 직선형과 λ=0.
일정하게 증가하였다. 반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하였다. 직선형과 λ=0.
본 연구결과로부터 CNT의 굴곡성이 구조체 전체의 동적 특성에 영향을 미치고 있으며, 이는 CNT 함유량 및 섬유 적층 배열 변화와 연동하여 민감한 특성을 보이는 것을 알 수 있었다. 따라서, CNT의 실제적 분산 형태를 반영하는 본 연구결과는 CNT 보강 멀티스케일 복합재의 동적 거동 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하는 것으로 나타났다. 직선형과 λ=0.1 경우를 비교하면 고유진동수가 감소하는 비율은 크지 않으나, 약 4% CNT 함유량에 대하여 약 4-6%의 감소를 보였다. 이러한 차이는 λ=0.
반면, CNT 곡률이 증가하는 경우, 고유진동수는 감소하며, 함유량이 증가할수록 감소 비율로 증가하였다. 직선형과 λ=0.1 경우를 비교하였을 때, 고유진동수가 감소하는 비율은 크지 않으나, 약 4% CNT 함유량에 대하여 약 4~6%의 감소하였다. 이러한 차이는 λ=0.
해석결과를 기존 문헌과 비교한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 본 CNT 보강 폴리머 복합재 평평한 판의 1~4 번 모드의 고유 진동에 대한 본 해석 결과와 기존문헌의 결과는 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

후속연구

수 있었다. 따라서, CNT의 실제적 분산 형태를 반영하는 본 연구결과는 CNT 보강 멀티스케일 복합재의 동적 거동 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 랜덤한 방향으로 배열된 CNT의 보다 실제적인 분산 특성을 고려한 연구가 필요하다.
따라서, CNT의 실제적 분산 형태를 반영하는 본 연구결과는 CNT 보강 멀티스케일 복합재의 동적 거동 규명에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 랜덤한 방향으로 배열된 CNT의 보다 실제적인 분산 특성을 고려한 연구가 필요하다.

참고문헌 (17)

Iijima, S., "Helical Microtubules of Graphitic Carbon, "Journal of Nature Publishing Group, Vol. 354, 1991, pp. 56-58.

상세보기
Jonathan, C., Umar, K., and Werner, B.J., "Small But Strong: A Review of the Mechanical Properties of Carbon Nanotube-polymer Composites," Journal of Carbon, Vol. 44, 2006, pp. 1624-1652.

상세보기
Yeh, M.K., Tai, N.H., and Liu, J.H., "Mechanical Behavior of Phenolic-based Composites Reinforced with Multi-walled Carbon Nanotubes," Journal of Carbon, Vol. 44, 2006, pp. 1-9.

상세보기
Huanga, Z.M., Zhang, Y.Z., Kotakic, M., and Ramakrishna, S., "A Review on Polymer Nanofibers by Electrospinning and Their Applications in Nanocomposites," Journal of Composite Science of Technology, Vol. 63, 2003, pp. 2223-2253.

상세보기
Erik, T.T., Ren, Z., and Choua, T.W., "Advances in the Science and Technology of Carbon Nanotubes and Their Composites: A Review," Journal of Composite Science of Technology, Vol. 61, 2001, pp. 1899-1912.

상세보기
Zhang, L.C., Zarudi, I., and Xiao, K.Q., "Novel Behaviour of Friction and Wear of Epoxy Composites Reinforced by Carbon Nanotubes," Journal of Wear, Vol. 261, 2006, pp. 806-811.

상세보기
Choi, H.B., and Lee, S.Y., "High-energy Impact Behaviors of Concrete Structures Strengthened with Multi-walled Carbon Nanotube Composites," Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 20, No. 2 (Apr. 2020), pp. 169-175.

상세보기
Harris, P.J.F., "Carbon Nanotube Composites," Journal of International Materials Reviews, Vol. 49, No. 1, 2004, pp. 31-43.

상세보기
Fisher, F.T., Bradshaw, R.D., and Brinsona, L.C., "Effects of Nanotube Waviness on the Modulus of Nanotube-reinforced Polymers," Journal of American Institute of Physics, Vol. 80, 2002, pp. 4647-4649.
Shi, D.L., Feng, X.Q., Huang, Y.Y., Hwang, K.C., and Gao, H., "The Effect of Nanotube Waviness and Agglomeration on the Elastic Property of Carbon Nanotube Reinforced Composites", Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 126, 2004, pp. 250-257.

상세보기
Yanase, K., Moriyama, S., and Ju, J.W., "Effects of CNT Waviness on the Effective Elastic Responses of CNT-reinforced Polymer Composites," Journal of Acta Mech, Vol. 224, 2013, pp. 1351-1364.

상세보기
Enrique, G.M., and Rafael, C.T., "Coupled Effect of CNT Waviness and Agglomeration: A Case Study of Vibrational Analysis of CNT/polymer Skew Plates," Journal of Composite Structures, Vol. 193, 2018, pp. 87-102.

상세보기
Hossein, G., and Hamedi, M., "Fracture Analysis of Ainusoidal CNT-based Nanocomposites with Uniform and Nonuniform CNT Distributions," Journal of NANO: Brief Reports and Reiews, Vol. 10, 2015, pp. 550058-1-1550058-8.
Ahmeda, S., Karnaa, N., Zhoua, J., Chua, H.W., Placette, M., Fana, X., and Chena, L., "Investigation of Affecting Parameters on the Effective Modulus and Natural Frequency of Wavy Carbon Nanotubes," Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 121, 2018, pp. 121-127.

상세보기
Noiser, A., and Reddy, J.N., "Vibration and Stability Analysis of Cross-ply Laminated Circular Cylindrical Shells," Journal of Sound and Vibration, Vol. 157, No. 1, 1992, pp. 139-159.

상세보기
Sahu, S.K., and Datta, P.K., "Dynamic Stability of Curved Panels with Cutouts," Journal of Sound and Vibration, Vol. 251, No. 4, 2002, pp. 683-696.

상세보기
Lee, S.Y., "Dynamic Instability Assessment of Carbon Nanotube/fiber/polymer Multiscale Composite Skew Plates with Delamination Based on HSDT", Journal of Composite Structures, Vol. 200, 2018, pp. 757-770.

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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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