[논문]탄소섬유/아마섬유 하이브리드 복합재료의 기계적 물성 향상 기구에 관한 연구

아부자르 자밀; 이동우; 송정일

doi:10.7234/composres.2023.36.4.281

초록
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대량의 폐기물에 의한 환경오염, 세계 평균기온 상승에 의한 기후위기가 인류의 생존을 위협하는 수준에 이르고 있다. 이를 해결하기 위하여 다양한 분야에서 관련 연구가 이루어지고 있으며 재료분야에서도 친환경적이며 탄소중립적인 소재를 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 탄소섬유에 천연섬유를 조합함으로써 천연섬유의 장점인 친환경성과 탄소배출 저감을 달성하고자 하였다. 일반적으로 고강도와 저강도 소재를 조합할 경우 그 중간의 물성을 가지는 것으로 알려져 있지만, 본 연구에서는 일부 물성이 탄소섬유 복합재료의 물성을 초과하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 검증하기 위하여 탄소섬유복합재료와 탄소섬유/천연섬유 하이브리드 복합재료를 제조하고 다양한 기계적시험을 통하여 기계적 물성을 비교하고 우수한 물성을 보이는 시험에 대하여 강도향상 기구를 분석하였다. 시험결과 하이브리드 복합재료의 굽힘강도와 파괴인성치가 탄소섬유 복합재료에 비하여 우수하게 나타났으며 강도향상 기구를 규명하였다. 하이브리드 복합재료를 활용할 경우 더욱 우수한 강도의 구조물을 제작할 수 있을 뿐만아니라 환경오염 및 기후위기에도 도움이 될 것으로 예상된다.

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Environmental pollution from waste and the climate crisis, due to rising global average temperatures, are reaching critical levels threatening human survival. Research is ongoing across various fields to solve this problem, with a key focus on developing eco-friendly, carbon-neutral materials. Our s...

Environmental pollution from waste and the climate crisis, due to rising global average temperatures, are reaching critical levels threatening human survival. Research is ongoing across various fields to solve this problem, with a key focus on developing eco-friendly, carbon-neutral materials. Our study aimed to integrate natural fibers, known for their environmentally friendly properties and lower carbon emissions, with carbon fibers. In general, combining high-strength and low-strength materials results in intermediate properties. However, we found that certain properties in our study exceeded those of typical carbon fiber composite materials. To validate this, we produced both carbon fiber composite materials and carbon fiber/natural fiber hybrid composite materials. We then compared their mechanical properties using a range of specific tests. Our results revealed that the hybrid composite material exhibited superior bending strength and fracture toughness compared to the carbon fiber composite material. We also identified the underlying mechanisms contributing to this strength enhancement. This breakthrough suggests that the use of hybrid composite materials may allow the production of stronger structures. Moreover, this can play a significant role in mitigating environmental pollution and the climate crisis by reducing carbon emissions, a major contributing factor to these global challenges.

주제어

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그림 Fig. 1. Schematic of vacuum assisted resin infusion process
표 Table 1. Specification of materials
그림 Fig. 2. Cross section of hybrid composites and used stacking sequence for 3-point bending test
$Fig. 3. Stacking sequence for fracture toughness test specimen$ 그림 Fig. 3. Stacking sequence for fracture toughness test specimen
그림 Fig. 4. Schematic of experimental setup for 3-point bending test
$Fig. 5. Dimension of fracture toughness test specimen$ 그림 Fig. 5. Dimension of fracture toughness test specimen
$Fig. 6. Experimental setup for fracture toughness test$ 그림 Fig. 6. Experimental setup for fracture toughness test
그림 Fig. 7. Change in flexural strength according to the variation in laminate structure
그림 Fig. 8. Load-Displacement curve of hybrid composites with applied S4 stacking sequence
그림 Fig. 9. Comparison of the flexural strength between optimized hybrid composites and CFRP
그림 Fig. 10. Stress-Strain curve of hybrid composites with optimized stacking sequence
$Fig. 11. Load-Displacement curve of mode I fracture toughness test specimen$ 그림 Fig. 11. Load-Displacement curve of mode I fracture toughness test specimen
그림 Fig. 12. Comparison of the strain energy release rate of CFRP, flax fiber composites and hybrid composites
$Fig. 13. Cross section view of the separated part of fracture toughness test sample after separation$ 그림 Fig. 13. Cross section view of the separated part of fracture toughness test sample after separation
그림 Fig. 14. Assumption of interfacial behavior during the VARI process
그림 Fig. 15. Observed imprinting behavior through SEM image

참고문헌 (9)

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