[논문]화학 반응열을 고려한 탄소 섬유 복합재 온도와 경화도 예측

유재우; 김위대

doi:10.7234/composres.2023.36.5.315

화학 반응열을 고려한 탄소 섬유 복합재 온도와 경화도 예측
Prediction of Temperature and Degree of Cure of Carbon Fiber Composites Considering Thermal Chemical Reaction 원문보기

Composites research = 복합재료, v.36 no.5, 2023년, pp.315 - 320

유재우 (Aircraft Structural Design Lab, Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 김위대 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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오토클레이브를 사용하는 열경화성 탄소 섬유 복합재 성형 공정에서는 설정한 온도 사이클에 따라 내부 온도가 변화한다. 이 온도 변화에 따라 복합재 수지가 경화되며 성형이 진행된다. 이러한 과정에서 수지의 화학 반응으로 열이 발생하며, 이로 인해 오토클레이브 내부 온도와 복합재의 온도가 다를 수 있는 상황이 나타난다. 이전 연구에서는 복합재와 오토클레이브의 온도를 동일하게 가정하고, 성형 후에 발생하는 잔류 응력과 열 변형을 예측하였다. 그러나 잔류 응력과 열 변형은 복합재 온도와 경화도에 따라 영향을 받는 요소이기 때문에, 본 연구는 수지의 화학 반응열을 고려하여 정확한 온도와 경화도 변화를 계산하는 열화학 모델 해석 기법을 검증하였다. 또한, 이 모델이 다른 두께에서도 이와 같은 경향성을 나타내는지 확인하기 위해 두께별 케이스 연구를 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the manufacturing process of thermosetting carbon fiber composite materials using an autoclave, the internal temperature changes according to the set temperature cycle. This temperature change causes the resin in the composite material to cure. Heat is generated through the chemical reaction of the resin, which can result in a difference between the temperature inside the autoclave and the temperature of the composite material. Previous research assumed that the temperatures of the composite material and the autoclave were the same and analyzed to predict the residual stress and thermal deformation after manufacturing. However, these stresses and deformations depend on the temperature and degree of cure of the composite material. Therefore, this study verifies a thermal-chemical model analysis technique that takes into account the heat generated by the chemical reaction of the resin to accurately calculate the temperature and degree of cure. Additionally, case studies were conducted for different thicknesses to investigate whether this model exhibits similar trends across varying thicknesses.

주제어

표/그림 (15)

표 Table 1. Cure kinetic parameters of AS4/3501-6[10]
그림 Fig. 1. Diagram flow of the HETVAL subroutine
그림 Fig. 2. Geometry of AS4/3501-6 composite
그림 Fig. 3. Locations of points A~E in AS4/3501-6 composite
그림 Fig. 4. Temperature cycle of autoclave
표 Table 2. Thermal properties of AS4/3501-6
그림 Fig. 5. Temperature & Degree of cure at center point
그림 Fig. 6. Temperature & Degree of cure with respect to autoclave cycle
그림 Fig. 7. Temperature distribution at each point on 125 min
그림 Fig. 8. Geometry of AS4/3501-6 composite
그림 Fig. 9. Temperature cycle of autoclave
그림 Fig. 10. Temperature distribution at different times for thin & thick composite
그림 Fig. 11. Temperature and Degree of cure at center point for var-ious composite thicknesses
표 Table 3. Temperature difference result by thickness
표 Table 4. Degree of cure results by thickness at 125 min

AI 본문요약
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제안 방법

AS4/3501-6 모델 표면에서 내부로 오토클레이브의 열이 전달되는 상황을 모델링하기 위해 모델 전체의 초기 온도는 298K, 오토클레이브 온도를 복합재 표면에 경계 조건으로 설정했다. 이 온도는 5단계의 사이클을 따라 변하고 Fig.
두께에 대한 화학 반응열과 열전달 경향성 확인을 위해 먼저, 두께 차이가 가장 큰 1.0 mm, 25.4 mm 복합재 단면을 비교했다. 중심과 외부의 온도가 변하는 다섯 구간에서 단면을 확인했고 이는 Fig.
또한, 화학 반응열 생성과 열전달 상황을 확인하기 위해 모델 중심에서 X축을 따라 일정한 간격으로 떨어져 있는 5개 지점 Point A~Point E에서 온도와 경화도 값을 확인하였다. 각 포인트의 위치는 Fig.
열화학 모델을 다른 두께에 적용하였을 때 같은 온도와 경화도 경향성이 나타나는지 확인하기 위해 두께별 케이스 연구를 하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 물성은 기법 검증에 사용된 Table 2와 같이 부여했다. 모든 케이스 해석에는 DC3D8 타입 요소 총 20,000개를 사용했다.
4의 오토클레이브 온도 사이클을 경계 조건으로 설정했다. 비교를 위해 각 케이스 정중앙의 온도와 경화도 데이터를 사용하였다.

데이터처리

먼저, 상용프로그램 ‘ABAQUS’에 HETVAL Subroutine을 활용한 열화학 모델 해석 기법으로 온도, 경화도를 획득하고 참고 논문과 비교했다

이론/모형

기존 연구에서는 오토클레이브 온도와 복합재 전체 온도를 동일하게 가정하고 성형 예측을 하였지만 본 연구에서는 실제 성형 과정과 가까운 온도와 경화도 계산을 위해 열화학 모델을 이용하였다.

성능/효과

1.0 mm 복합재는 외부와 내부의 열평형이 빠르게 일어나고 화학 반응열의 영향이 작기 때문에 온도 분포가 거의 나타나지 않았고, 25.4 mm 복합재는 열전달과 화학 반응열에 의해 중심 온도가 외부보다 낮았다가 높아지는 분포가 확실히 나타났다.
내부 최대 온도와 외부 온도의 차이는 Table 3에 정리를 했다. 가장 두꺼운 케이스인 25.4 mm에서 23 K 온도차가 발생하고 두께가 줄어들수록 온도차도 줄어들었지만 마찬가지로 화학 반응열에 의한 내부 온도 상승이 나타났다.
두께가 두꺼울수록 최대 온도 높아지며 외부 온도와의 차이가 커지는 것을 확인했다. 내부 최대 온도와 외부 온도의 차이는 Table 3에 정리를 했다.
열화학 모델의 적용을 통해 화학 반응열에 의해 내부 온도 상승이 나타났고 이 온도를 통해 두께별로 경화 속도도 달라지는 것을 확인했다. 두께에 따라 발열량과 열평형에 의해 온도 상승과 경화도 변화 크기가 다르지만 경향성은 일치하는 것을 확인했다.
또한 화학 반응열에 의해 최대 온도가 높아지면서 경화 속도 또한 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 속도 비교를 위해 경화도 차이가 가장 큰 125분에서 두께별 경화도를 Table 4에 정리했다.
6에 각 지점별 온도와 경화도를 나타내었고 왼쪽 Y축은 온도, 오른쪽 Y축은 경화도를 의미한다. 복합재 중심인 Point A에 가까울수록 화학 반응열에 의해 피크 온도가 크게 나타났고, 온도가 높기 때문에 경화 속도 또한 빨라지는 것을 확인했다.
열화학 모델의 적용을 통해 화학 반응열에 의해 내부 온도 상승이 나타났고 이 온도를 통해 두께별로 경화 속도도 달라지는 것을 확인했다. 두께에 따라 발열량과 열평형에 의해 온도 상승과 경화도 변화 크기가 다르지만 경향성은 일치하는 것을 확인했다.
열화학 모델이 다른 두께에서도 이와 같은 경향성을 나타내는지 확인하기 위해 두께별 케이스 연구를 한 결과, 두께에 따라 온도 상승과 경화도 변화 크기는 다르지만 경향성이 일치하는 것을 확인했다. 두께가 두꺼울수록 복합재 내부 최대 온도가 높게 상승하고 이로 인해 경화 속도가 빨라졌다.
또한 해석한 복합재 단면과 내부 5개의 포인트에서 시간에 따른 온도와 경화도 차이가 발생했다. 이를 통해 HETVAL Subroutine을 활용한 열화학 모델 해석 기법이 타당함을 검증했다.
먼저, 상용프로그램 ‘ABAQUS’에 HETVAL Subroutine을 활용한 열화학 모델 해석 기법으로 온도, 경화도를 획득하고 참고 논문과 비교했다. 화학 반응열에 의한 복합재 내부 최대 온도가 125분에서 473 K까지 증가하는 것을 확인했고 온도와 경화도 변화가 참조 점과 일치했다. 또한 해석한 복합재 단면과 내부 5개의 포인트에서 시간에 따른 온도와 경화도 차이가 발생했다.

후속연구

추후 연구에서 열화학 모델을 적용하여 획득한 온도와 경화도를 통해 복합재 성형 시 발생하는 잔류 응력과 열 변형 예측 해석을 할 예정이다. 또한, 실제와 가까운 해석을 위해 몰드를 적용하고 오토클레이브 열이 대류에 의해 복합재로 전달되는 연구도 필요하다.
추후 연구에서 열화학 모델을 적용하여 획득한 온도와 경화도를 통해 복합재 성형 시 발생하는 잔류 응력과 열 변형 예측 해석을 할 예정이다. 또한, 실제와 가까운 해석을 위해 몰드를 적용하고 오토클레이브 열이 대류에 의해 복합재로 전달되는 연구도 필요하다.

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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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