[논문]Type III 수소탱크 경화조건에 따른 잔류응력 비교

신용철

doi:10.7234/composres.2024.37.1.015

Type III 수소탱크 경화조건에 따른 잔류응력 비교
Residual Stress Comparison of Type III Hydrogen Tank by Curing Conditions

Composites research = 복합재료, v.37 no.1, 2024년, pp.15 - 20

신용철 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University)

초록
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수소탱크의 잔류응력은 내구도와 직접적인 관련이 있기 때문에 안전을 위해 이를 줄이는 것이 매우 중요하다. Type II~IV 수소탱크는 섬유에 수지를 함침시켜 라이너에 감는 필라멘트 와인딩 공법으로 제작하게 된다. 필라멘트 와인딩에서 잔류응력은 경화조건, 섬유 인장 등에 영향을 받게 되는데, 본 연구에서는 탄소섬유 필라멘트 와인딩 공정을 이용한 Type III 수소탱크 제작 시 경화조건이 잔류응력에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 에폭시 수지의 경화거동을 시차주사열량계를 이용하여 분석하였다. 이를 통해 경화온도를 140℃로 설정하였다. 같은 경화시간 동안 140℃에 먼저 도달하는 2-stage 경화조건과, 보다 늦게 도달하는 4-stage 경화조건으로 각각 시편을 경화시켰다. 경화 후 복합재 부분의 잔류응력을 ring slitting 법으로 측정하였고, 이 실험값을 수치해석적인 값과 비교하였다. 그 결과, 경화조건 최적화에 따른 유의미한 잔류응력의 차이가 발생함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the residual stress of hydrogen tank is directly related to durability, it is very important to reduce it for safety. Type II~IV hydrogen tank are manufactured by the filament winding method, in which the fiber is impregnated with resin and wound around the liner. Residual stress in composite is affected by curing conditions and fiber tension etc. In this study, the effect of curing conditions on residual stress was analyzed when manufacturing a Type III hydrogen tank using carbon fiber filament winding process. First, the curing behavior of the epoxy resin was analyzed using a differential scanning calorimetry. Through this, the curing temperature was set to 140℃. During the same curing time, the specimens were cured under 2-stage curing condition that reached 140℃ earlier and a 4-stage curing condition that reached 140℃ later, respectively. After curing, the residual stress of the composite material was measured by the ring slitting method, and the experimental values were compared with numerical values. It was confirmed that there was a significant difference in residual stress according to the optimization of curing conditions.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. DSC measurements of epoxy resin by temperature (a) 100 °C, (b) 120 °C, (c) 140°C, (d) 160°C
그림 Fig. 2. Filament wound composite vessel
그림 Fig. 3. Temperature profile of 2-stage cure and 4-stage cure
표 Table 1. Heat of reaction and peak time of epoxy resin by curing temperature
그림 Fig. 4. Curing chamber(left), sawing machine(right)
그림 Fig. 5. Strain gauge attachment on composite ring
그림 Fig. 6. Water jet machine
그림 Fig. 7. Residual strain of composite ring
그림 Fig. 8. Experimental and numerical results of residual strain
그림 Fig. 9. Numerical results of time that viscosity is higher than 1 kPa·s

AI 본문요약
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제안 방법

3과 같이 하나는 기존의 2단 경화싸이클, 다른 하나는 열 발산 시간을 확보하여 overheating을 예방하는 4단 경화싸이클로, 400°C까지 제어 가능한 전용 경화 chamber 내에서 mandrel을 회전시키며 경화시켰다.
그 후에 Fig. 4와 같이 와인딩 된 복합재 vessel을 mandrel에서 탈착하여, 대형 band sawing machine으로 ring 형태로 절단하여 잔류변형 측정을 위한 시편을 제작하였다.
5과 같이 복합재 전체 두께의 0.25, 0.5, 0.75 부분에 0°, 90° 위치에 sand paper 로 strain gauge가 부착될 표면을 grinding 하여 접착 및 data 기록이 잘 될 수 있도록 한 후에 strain gauge (KFG-2-120-D-16-11, KYOWA)를 부착했다
두 종류의 경화싸이클로 제작된 복합재 ring 시편에서 strain gauge가 붙어있는 열의 양 옆을 Fig. 6과 같이 wedge 형태로 water jet을 이용해 절단함으로써 strain gauge 부착부의 잔류응력을 이완시키면서 그 과정 중의 변형을 strain gauge 연결되어 있는 데이터로거를 통해 기록했다. 경화싸이클 당 5개의 시편을 측정하였다.
Type III 복합재 수소탱크 제작 시 경화싸이클이 잔류응력에 미치는 영향을 실험과 수치해석을 통해 분석하였다. 실험값은 filament winding 후 복합재를 mandrel에서 분리하여 ring 형태로 자른 시편에 strain gauge를 부착한 후 이를 radial 방향으로 자르며 strain 의 변화를 기록하는 ring slitting 방법을 통해 얻었다.
본 연구에서는 사용된 에폭시 수지의 경화거동을 분석하고 탄소섬유와 에폭시 수지를 이용해 각각의 경화싸이클에 대해 필라멘트 와인딩 시편을 제작하고 ring slitting을 통해 잔류변형을 측정하고 이를 수치해석적인 결과와 비교한다.

대상 데이터

3 bar의 bandwidth 당 winding tension, 88°의 와인딩 각도로 Aluminum mandrel 위로 수지를 함침시킨 탄소섬유를 와인딩하여 Fig. 2과 같이 내경 90 mm, 두께 40 mm의 탄소섬유 복합재 vessel을 제작하였다. 수소탱크 양산용 장비를 이용했기 때문에 실험에 사용된 작은 mandrel의 경우, 길이방향으로 두께 편차가 있어서 mandrel의 중심부의 복합재 만을 사용하였다.
6과 같이 wedge 형태로 water jet을 이용해 절단함으로써 strain gauge 부착부의 잔류응력을 이완시키면서 그 과정 중의 변형을 strain gauge 연결되어 있는 데이터로거를 통해 기록했다. 경화싸이클 당 5개의 시편을 측정하였다.
탄소섬유는 T700(Toray)을 사용하였고, 에폭시 수지는 SE-8503(국도화학), 경화제는 SH-709(국도화학)를 사용하였다. SE-8503은 Bisphenol-A Type으로서 점도가 적당하고 강도가 높아 복합재의 적용에 적합하며, SH-709는 산무수물계 경화제로서 고온경화성이 우수하여 Filament winding 공정에서의 작업성이 양호하다.

이론/모형

경화 온도에 따른 수지의 경화도를 구하기 위해 시차주사열량계(Differential scanning calorimetry, DSC)를 이용하여 경화 메커니즘을 분석하였다. 시편의 온도와 시간에 따른 heat flow 데이터를 이용하여 전체 발열량(Total heat of reaction)을 다음과 같이 구한다.
Type III 복합재 수소탱크 제작 시 경화싸이클이 잔류응력에 미치는 영향을 실험과 수치해석을 통해 분석하였다. 실험값은 filament winding 후 복합재를 mandrel에서 분리하여 ring 형태로 자른 시편에 strain gauge를 부착한 후 이를 radial 방향으로 자르며 strain 의 변화를 기록하는 ring slitting 방법을 통해 얻었다. 그 결과 2단 경화싸이클에 비해 최소 9.
위 식에 의해 복합재 vessel의 가장 안쪽 layer의 r* 값이 약 0.11이기 때문에 r* > 0.11 (복합재 vessel 부분)에서의 radial strain 값을 WINDTHICK code[17-19]를 이용하여 Fig

성능/효과

2-stage 시편에서의 수지의 점도가 1 kPa·s를 넘는 시점이 각 Layer number에서 4-stage 보다 약 1시간 이상 빠른 것을 알 수 있다
탄소섬유는 T700(Toray)을 사용하였고, 에폭시 수지는 SE-8503(국도화학), 경화제는 SH-709(국도화학)를 사용하였다. SE-8503은 Bisphenol-A Type으로서 점도가 적당하고 강도가 높아 복합재의 적용에 적합하며, SH-709는 산무수물계 경화제로서 고온경화성이 우수하여 Filament winding 공정에서의 작업성이 양호하다. 배합비는 SE-8503 : SH-709 = 100 : 70이다.
7은 각 strain gauge에서 측정된 radial strain을 나타낸 그래프이다. r* 값이 0.28, 0.56, 0.83의 위치에서 2단 경화싸이클로 복합재를 제작했을 때에 비해 4단 경화싸이클로 경화 시 residual strain이 각각 9.1%, 11.0%, 17.6% 감소하였다. 여기서 r*는 무차원 반지름으로서 아래의 식과 같다.
이러한 잔류변형은 고분자 수지의 경화의 결과로 화학적 반응에 의한 수축과 인접한 복합재 층 사이에서 발생하는 열 수축 정도의 차이에서 발생한다. 경화반응에 의한 열이 잘 발산되지 못하면 복합재 내부의 온도에 불균형이 생겨서 좋지 않은 consolidation 등의 문제가 발생하여 복합재 vessel의 품질에 안 좋은 영향을 미치게 되므로, 적절한 경화싸이클을 통한 잔류변형 감소를 통해 복합재 vessel의 완성도를 높일 수 있다.
경화온도가 올라갈수록 peak time이 줄어들고, 140°C 부터는 발열량에 큰 차이가 없었다
실험값은 filament winding 후 복합재를 mandrel에서 분리하여 ring 형태로 자른 시편에 strain gauge를 부착한 후 이를 radial 방향으로 자르며 strain 의 변화를 기록하는 ring slitting 방법을 통해 얻었다. 그 결과 2단 경화싸이클에 비해 최소 9.1%에서 17.6%까지 4단 경화싸이클 시 residual strain이 줄어드는 것을 확인하였다. 그리고 이를 수치해석 결과와 비교했을 때 그 경향성이 유사하게 나왔다.
수소연료전지 자동차(FCEV), 전기차(EV), 하이브리드차(HEV) 등이 대표적인 친환경 자동차이다. 이 중 FCEV는 고압의 수소 탱크를 자동차에 설치하여 수소 에너지를 전기 에너지로 변환하여 자동차를 움직일 수 있게 하는데, 긴 충전시간 및 배터리 용량에 의한 짧은 주행거리를 가진 EV와 달리 3분 이내의 수소충전에 의해 약 500 km 주행이 가능하다. 서울시는 2030년까지 인천공항에서 서울로 진입하는 경유 공항버스 450여대를 전부 수소버스로 전환한다고 밝혔고, SK, 현대자동차 등 국내 대기업 역시 2050 탄소중립을 위해 한국판 수소위원회, 한국H2비즈니스서밋을 토대로 수소모빌리티 생태계 구축을 추진하고 있다.
이는 4-stage 경화싸이클이 overheating과 온도의 불균형을 낮추기 위해 최종경화온도인 140°C에 도달을 천천히 하면서, 경화가 시작되는 온도인 120°C에 도달하는 시간이 2-stage 경화 싸이클보다 120°C에 도달하는 시간이 그만큼 늦기 때문에 발생하는 결과이며, 경화조건의 차이에 따른 수치해석적 결과가 타당함을 뒷받침한다.
이는 경화가 완전히 일어나지 않았음을 의미하며, 따라서 본 수지를 이용하여 Type III 복합재 수소탱크를 제작할 때는 발열량과 경화 시간을 고려하여 140°C 이상의 경화 온도를 설정해야 한다는 것을 알 수 있다.
그리고 절대적인 값에 조금 차이가 있지만 경향성 측면에서 실험값과 수치해석적인 값이 매우 유사하게 나타난다. 이로서 실험과 수치해석을 통해 4-stage 경화싸이클을 통한 수소탱크 제작이 2-stage 경화싸이클을 이용하는 것 보다 잔류변형을 유효하게 낮춘다는 것을 알 수 있다.

후속연구

5% strain 값이 튀는 부분 등에서 수치해석 모델의 fine tuning이 필요하다. 따라서 이후의 연구에서는 수치해석 모델의 고도화와 더불어 다양한 경화조건, winding 각도, 수지 등과 더불어 Type IV 복합재 수소탱크에서의 경화싸이클에 따른 잔류응력 평가를 진행할 계획이다.
이러한 Type III 수소탱크의 안전 등과 관련된 연구에서 잔류응력과 관련된 연구는 부족한 상황이다. 수소탱크의 잔류응력은 구조물의 안전성과 수명을 저하시키기 때문에 이를 보완하기 위해서 잔류응력의 평가와 해석이 필요하다. 이러한 잔류변형은 고분자 수지의 경화의 결과로 화학적 반응에 의한 수축과 인접한 복합재 층 사이에서 발생하는 열 수축 정도의 차이에서 발생한다.
그리고 이를 수치해석 결과와 비교했을 때 그 경향성이 유사하게 나왔다. 하지만 수치해석적인 값과 실제 실험값의 차이가 있는 점과, layer 별 계산에 따른 layer와 layer 간 최대 1.5% strain 값이 튀는 부분 등에서 수치해석 모델의 fine tuning이 필요하다. 따라서 이후의 연구에서는 수치해석 모델의 고도화와 더불어 다양한 경화조건, winding 각도, 수지 등과 더불어 Type IV 복합재 수소탱크에서의 경화싸이클에 따른 잔류응력 평가를 진행할 계획이다.

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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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