특수목적용 고성능 복합소재 적층구성에 따른 기계적 물성평가 연구 = A study on the evaluation of mechanical properties according to the laminated composition of high-performance composite materials for special purposes|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 산업 전반에 걸쳐 사용 빈도가 높아지고 있는 복합재료의 물성연구를 실시하여 최적의 복합재료 제작을 하고자 한다. 최근 산업의 전 분야에서 기계적인 강도를 충분히 가지면서 가벼운 구조물에 대한 요구가 증대됨에 따라 복합재료로 대체하려는 경향이 크게 나타나고 있다. 그에 대한 이점과 신뢰성이 충분히 제시되고 있으며, 특히 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)은 구조재로서 자동차, 항공기, 선박, 에너지(풍력, 태양광), 각종 국방사업 기타 등 여러 분야에서 금속 대체 재료로 상당히 주목받고 있다. 이러한 CFRP는 일반적으로 단일방향 섬유(UD), 직물형 섬유(Fabric)로 크게 구성되며, 제조공법은 프리프레그를 적층한 라미네이트(Laminate)에 Autoclave(고온/ 고압) 장비를 사용하여 성형하는 방법으로 간단한 성형 방법과 높은 생산성으로 인해 향후 복합소재 다양한 제조공정에 적용 가능할 것으로 판단된다. 하지만 금속과 달리 섬유와 기지재의 물성 값 차이로 기계적 이방성이 크기 때문에 적층순서, 방향, 두께와 같은 제조 및 구조변수가 많아 정확한 물성 측정과 예측이 어려워 설계에 많은 제한을 받고 있다. 따라서 설계자의 요구조건에 따라 적합한 특성을 갖도록 재료의 선정부터 설계 및 제작, 시험평가 과정에서 상당한 연구가 필요한 분야이다.
이러한 목적으로 ASTM 복합재료 규격에 의거하여 탄소섬유를 사용한 특수 목적용 고성능 복합소재의 기계적 물성 변화를 알아보기 위해 인장강도(ASTM D 3039), 압축강도 (ASTM D 6641), 전단강도(ASTM D 5379) 기타 등 필요한 시험을 수행하여 물성연구를 실시하였다. 또한 구조 설계에서 응력이 집중되는 가공 홀 및 홀 간 조인트 물성 변화에 미치는 영향을 살펴보기 위해 No Hole, Open Hole 2항목 및 환경적인 요인 변화에 따른 기계적 강도시험(ASTM D 5229) 고온 63℃, 흡습율 0.05％, 저온 ?56℃ 여러 가지 조건들을 비교 분석하고 고찰하여 실제 복합소재 제작 현장에서 필요한 성능을 확인하기 위해 이를 다루었다. 현 시장에서 고성능 복합소재로 활용도가 가장 높은 탄소섬유 일방향(UD) 과 직물형(Fabric)에 열경화성 에폭시 레진을 함침시킨 프리프레그 2종류를 선정하여 섬유의 순서, 방향, 서로 배치한 적층판 등을 적용한 물성시험 평가연구를 실시하였다. 그 결과 탄소섬유 일방향(UD) 복합재료는 섬유배열 방향[0]와 비교 시 [90]의 최대 강도차이는 현저히 낮은 수준으로 나타났다. 일방향(UD) 강도에 대한 특성을 보면 섬유의 배열방향 [0]에서 최대의 강도를 갖지만, [90]에서는 최소 강도의 값을 보였다. 이로 인해 탄소섬유 일방향(UD) 복합소재를 제품 적용 시 섬유배열 방향을 [0] [90]로 번갈아 적층하면 양쪽방향에 [0]도가 존재하기 때문에 다양한 방향에서 거의 유사한 특성을 보일 것이다. 탄소섬유 직물형(FB)과 적층판 복합재료는 단방향으로 배치한 직물형에 비해 섬유 배열 방향을 [45/0/0/45/0/0/45] 교차한 적층판이 기계적인 강도가 높은 것을 확인 할 수 있었다. 복합재료 동일한 제작방식에서의 물성 값을 증가시키기 위해서는 섬유의 순서와 배양각의 변화로 큰 영향을 준다. 또한 이방성을 띠고 있기 때문에 적절한 섬유 배치를 통해 다양한 물성 값을 구현 할 수 있어 산업 전반에 걸쳐 활용이 가능할 것으로 확인된다. 적층판에서의 No Hole과 Open Hole 비교 실험에서는 중간 Ø6Hole로 인해 응력이 집중되는 Open Hole에서 기계적인 강도가 낮게 형성되는 것을 볼 수 있었고, 적층판 환경시험 ETW, CTD 또한 온도와 습도 변화의 영향으로 인해 물성 값에 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 연구개발 및 시제 제작 시 사용온도 및 응력집중 등이 감안된 설계가 되어야 할 것이다.

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본 연구에서는 산업 전반에 걸쳐 사용 빈도가 높아지고 있는 복합재료의 물성연구를 실시하여 최적의 복합재료 제작을 하고자 한다. 최근 산업의 전 분야에서 기계적인 강도를 충분히 가지...

목차 (Table of Contents)

국문요약
Ⅰ. 서론 = 1
제1절 연구배경 = 1
제2절 연구목적 = 2
Ⅱ. 이론적 배경 = 3

국문요약
Ⅰ. 서론 = 1
제1절 연구배경 = 1
제2절 연구목적 = 2
Ⅱ. 이론적 배경 = 3
제1절 복합재료(Composite Materials) = 3
1. 복합재료의 정의 = 3
2. 원자재 종류 및 취급 = 3
3. 복합재료의 일반적인 특성 = 7
제2절. 복합소재 응용분야 = 8
Ⅲ. 적층구조에 따른 물성시험 = 9
제1절 시험계획 및 설계 = 9
제2절 시험편 제작 = 11
1. 시험재료 = 11
2. 제작공정 = 13
제3절 물성시험 = 18
1. 인장시험 = 21
2. 압축시험 = 26
3. 전단시험 = 30
Ⅳ. 시험결과 및 고찰 = 32
제1절 인장시험 결과 = 33
1. 일방향(UD) 0도 RTD 물성시험 값 = 33
2. 일방향(UD) 90도 RTD 물성시험 값 = 34
3. 직물형(Fabric) 0/90도 RTD 물성시험 값 = 36
4. 적층판(No Hole) 축방향(X) RTD 물성시험 값 = 37
5. 적층판(No Hole) 축방향(X) ETW 물성시험 값 = 38
6. 적층판(Open Hole) 축방향(X) RTD 물성시험 값 = 40
7. 적층판(Open Hole) 축방향(X) CTD 물성시험 값 = 41
제2절 압축시험 결과 = 42
1. 일방향(UD) 0도 RTD 물성시험 값 = 43
2. 일방향(UD) 90도 RTD 물성시험 값 = 44
3. 직물형(Fabric) 0/90도 RTD 물성시험 값 = 45
4. 적층판(No Hole) 축방향(X) RTD 물성시험 값 = 47
5. 적층판(No Hole) 축방향(X) ETW 물성시험 값 = 48
6. 적층판(Open Hole) 축방향(X) RTD 물성시험 값 = 49
7. 적층판(Open Hole) 축방향(X) CTD 물성시험 값 = 51
제3절 전단시험 결과 = 52
1. 일방향(UD) 0도 RTD 물성시험 값 = 52
2. 직물형(Fabric) 0/90도 RTD 물성시험 값 = 54
Ⅴ. 결론 = 55
참고문헌 = 58

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