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Composites Research(구 한국복합재료학회지)검색


  • - 주제 : 공학분야 > 재료공학
  • - 성격 : 학술지
  • - 간기: 격월
  • - 국내 등재 : KCI 등재
  • - 해외 등재 : -
  • - ISSN : 2288-2103
  • - 간행물명 변경 사항 :
논문제목
수록 범위 : 30권 6호 (2017)

복합재 격자 구조의 강성 평가를 위한 Subelement의 압축, 굽힘 시험

전민혁 ( Min-hyeok Jeon ) , 강민송 ( Min-song Kang ) , 김인걸 ( In-gul Kim ) , 김문국 ( Mun-guk Kim ) , 고은수 ( Eun-su Go ) , 이상우 ( Sang-woo Lee )
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복합재 격자 구조물은 무게가 가볍고 비강성, 비강도가 높다는 장점이 있으며 주로 압축 하중이 작용하는 발사체구조에 적용된다. 그러나 필라멘트 와인딩 기법으로 제작되므로 섬유가 겹쳐지는 부분에서 기공과 결함이 발생하게 된다. 설계 하중 도출을 위한 해석 모델 검증을 위해 구조물의 강성, 강도 확인이 필요하지만 Full scale 시험의 경우 시간, 공간상의 제약이 따르며 구조물의 형상이 복잡하므로 시험에 어려움이 많다. 따라서 강성 확인을 위한 Subelement 단위의 시험법이 필요하다. 본 논문에서는 복합재 격자 구조물을 단위격자구조로 가공하였으며 각각 압축, 굽힘 시험을 수행하여 나선 리브, 원주 리브의 강성을 확인하였다. 휘임, 비틀림 형상을 가진 원통형 복합재 격자 구조물의 강성 평가를 위한 압축, 굽힘 시험법을 제안하였으며 유한요소해석을 수행하여 시험 결과와 비교하였다.

원통형 복합재 격자구조체의 구조안전성 평가 기법 연구

임재문 ( Jae-moon Im ) , 강승구 ( Seung-gu Kang ) , 신광복 ( Kwang-bok Shin ) , 이상우 ( Sang-woo Lee )
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본 논문에서는 원통형 복합재 격자구조체의 구조안전성 평가 기법에 대해 연구를 수행하였다. 구조안전성 평가는 유한요소해석을 통해 수행하였다. 구조안전성 평가를 위한 최적의 유한요소를 확인하기 위해 원통형복합재 격자구조체 유한요소모델은 빔, 쉘 그리고 솔리드 요소를 사용해 생성하였다. 쉘과 솔리드 모델의 유한요소 해석결과는 서로 유사하게 발생되었다. 그러나 빔 모델의 경우, 쉘과 솔리드 모델의 결과와 큰 차이가 발생하였다. 이것은 빔 요소가 원통형 복합재 격자구조체 섬유 비교차부의 기계적 물성저하를 고려하지 못하기 때문이다. 원통형 복합재 격자구조체의 구조안전성 평가를 위한 유한요소해석은 쉘 또는 솔리드 요소를 사용해야 하는 것을 확인하였다.

Multifield Variational Finite Element Sectional Analysis of Composite Beams

( Manoj Kumar Dhadwal ) , ( Sung Nam Jung )
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A multifield variational formulation is developed for the finite element (FE) cross-sectional analysis of composite beams. The cross-sectional warping displacements and sectional stresses are considered to be the primary variables through the application of Reissner’s partially mixed principle. The warping displacements are modeled using generic FE shape functions with nonlinear distribution over the beam section. A generalized Timoshenko level stiffness matrix is derived which incorporates the effects of elastic couplings, transverse shear, and Poisson’s deformations. The accuracy of the present analysis is validated for the stiffness constants and elastostatic responses of composite box beams which correlate well with the experimental data and other state-of-the-art approaches.

Phenylcyclohexyl mesogenic moieties를 함유한 고 열전도성 액정성 에폭시 수지의 개발

정이슬 ( Iseul Jeong ) , 김영수 ( Youngsu Kim ) , 고문주 ( Munju Goh )
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Phenylcyclohexyl (PCH) mesogen을 diglycidyl terephthalate의 2,5 위치에 치환시킨 새로운 액정성 에폭시 수지를 설계하였다. 이 물질의 액정성은 DSC(differential scanning calorimetry)와 POM(polarized optical microscopy)으로 분석하였다. 모든 액정성 에폭시 유도체는 가열 및 냉각 시에 모두 smectic상을 나타내는 enantiotropic한 성질을 나타내었다. 액정성 에폭시의 공융 혼합물을 통하여 액정 온도구간을 확장시켰다. 경화된 신규 액정성 에폭시는 0.4 W·m-1·K-1의 높은 열전도도를 나타냈다. 높은 열전도도를 갖는 신규 액정성 에폭시는 전자 및 디스플레이용 복합소재로 이용될 것으로 기대된다.

복합재 격자 구조 비파괴평가를 위한 초음파전파 영상화 시스템 활용 연구

박재윤 ( Jae-yoon Park ) , 신혜진 ( Hye-jin Shin ) , 이정률 ( Jung-ryul Lee )
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복합재 격자 구조는 동일한 무게를 갖는 다른 구조에 비해 더 큰 하중을 견딜 수 있다는 장점으로 인해 다양한 분야에 적용이 시도되고 있다. 최근, 국내에서도 복합재 격자 구조 제작을 위한 기술 개발이 이루어지고 있으며 이에 복합재 격자 구조를 빠르고 정밀하게 검사할 수 있는 비파괴검사 기술의 개발 역시 필요하게 되었다. 본 논문에서는 초음파전파 영상화 시스템들을 활용하여 복합재 격자 구조에 빠르고 정밀한 비파괴검사를 하기 위한 연구를 수행하였다. 레이저 펄스에코 초음파전파 영상화 시스템을 통해 스킨에 쌓여 있는 복합재 격자 구조의 내부 리브 구조를 관찰할 수 있었고 접착분리를 검출할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 검사시간을 줄이기 위해 주파수 영역을 최적화 하기 위한 밴드 디바이더를 개발 적용하였으며, 검사 결과의 질을 향상시키기 위해 곡률 보상 알고리즘을 개발하였다. 유도파 초음파전파 영상화 시스템으로는 리브 구조에 있는 층간분리 결함을 확인할 수 있었으며, 다중 소스 초음파전파영상을 통해 검사 영역을 확대시켰고 가변시간창 진폭 이미지 알고리즘을 통해 결함을 강조시킬 수 있도록 했다. 이와 같은 결과들을 통해 격자구조에 최적화 된 초음파전파 영상화 시스템의 지속적인 개발이 이뤄지면 복합재 격자 구조의 대량생산에 이은 고속 정밀 비파괴검사가 이뤄질 수 있을 것으로 판단된다.

탄소섬유/폴리아마이드 6,6 복합재료의 기계적 물성 향상

송승아 ( Seung A Song ) , 온승윤 ( Seung Yoon On ) , 박고은 ( Go Eun Park ) , 김성수 ( Seong Su Kim )
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탄소섬유 강화 열가소성 수지 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 물성은 다양한 요인들에 영향을 받는다. 그 중에서도 탄소섬유 표면에 Sizing되어 있는 에폭시(Epoxy) 층은 열가소성 수지와 상호 작용(Interaction)이 없어 매우 취약한 계면을 형성하며, 열가소성 수지의 높은 용융 점도(Melting viscosity)는 탄소섬유 다발(Bundle) 사이로 함침(Impregnation)이 어려워 탄소섬유 강화 복합재료 내부에 기공(Void)를 형성한다. 이와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지 간의 낮은 계면전단강도(Interfacial shear strength)은 탄소섬유강화 열가소성 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 기계적 물성을 저하시키는 가장 중요한 요인 중 하나이다. 따라서, 본 연구에서는 열가소성 수지와의 상호작용이 없는 탄소섬유 표면의 에폭시 층을 열풍을 통해 제거하고, 열가소성 수지의 점도를 낮춰 함침도를 향상시키기 위해서 용액형 열가소성 수지를 제조하여 탄소섬유 표면에 Sizing 처리 함으로써 CFRTPs의 물성을 향상시켰다. CFRTPs의 층간전단강도(Interlaminar shear strength; ILSS) 및 굽힘 강도(Flexural strength)를 통해 이를 검증하였으며, 수지의 함침도는 기공률(Void content)의 계산을 통해 분석하였다.

열경화성 에폭시 기지의 흡습탄성 거동에 관한 분자동역학 전산모사

권선영 ( Sunyong Kwon ) , 이만영 ( Man Young Lee ) , 양승화 ( Seunghwa Yang )
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본 연구에서는 대표적인 열경화성 재료인 에폭시 기지의 흡습탄성 거동을 예측하기 위해 분자동역학 전산모사를수행하였다. 고분자 복합재가 오랜 시간 동안 흡습환경에 지속적으로 노출될 경우, 거시적 물성의 저하가 발생하기 때문에 복합재의 내구설계 측면에 있어 흡습노화 현상에 대해 분자스케일적으로 접근하는 방법은 매우 중요하다. 본 연구에서는 EPON862® 수지와 아민계 Triethylenetetramine (TETA) 경화제로 비정질 에폭시 분자모델을 구성하였으며, 각각 30과 90%의 가교 상태에서 수분 흡수 유무에 따른 물성변화를 관찰하였다. 건조상태의 에폭시와 수분이 4 wt% 포함된 에폭시 단위셀에 대한 평형 및 비평형 앙상블 전산모사 과정을 통해, 에폭시의 수분팽창계수, 응력-변형률 선도 및 탄성계수 그리고 침투된 수분의 수지 내 확산계수를 예측하였다. 또한 흡습된 구조와 그에 따른 물성변화의 상관관계를 규명하기 위해, 자유체적 변화 및 흡습에 따른 에폭시 수지의 비결합 포텐셜 에너지 변화를 관찰하였다.

OG POSS의 첨가가 DGEBA/DDM의 열적, 기계적 물성에 미치는 영향

최충현 ( Chunghyeon Choi ) , 김윤호 ( Yunho Kim ) , 사라스쿠마사티시쿠마 ( Sarath Kumar Sathish Kumar ) , 김천곤 ( Chun-gon Kim )
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복합재료의 우주환경에서의 사용이 증가하면서 복합재료의 우주환경저항성에 대한 연구가 수행되어 왔다. 우주환경 중에서도 원자 산소는 복합재료의 기지재료와 반응하고 표면을 침식하여 이에 대한 보호는 필수적이다. 본 연구에서는 원자 산소 저항성 향상을 위해 연구되고 있는 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 하나인 OG POSS(Octaglycidyldimethylsilyl POSS)를 DGEBA/DDM 에폭시에 첨가하여 OG POSS/에폭시 나노복합재료를 제작하였고 OG POSS로 인하여 발생하는 열적, 기계적 물성의 변화를 확인하였다. FT-IR 분광기를 통하여 경화도와 나노복합재료 내의 OG POSS를 확인하였다. 나노복합재료의 열물성을 측정하기 위하여 열중량분석과 시차주사열량분석을 수행한 결과, 초기 질량감소온도가 향상되었고 char yield가 증가하였다. OG POSS의 함량이 증가하면서 Tg는 OG POSS 5 wt.%까지 증가하는 추세를 보였지만, 10 wt.%에서 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. OG POSS 나노복합재료에 대하여 수행된 인장시험에서는 OG POSS가 10 wt.% 함유되었을 때까지 에폭시의 인장물성을 유지함을 확인하였다.

새로운 개념의 복합재 샌드위치 체결부 구조의 설계와 검증

곽병수 ( Byeong-su Kwak ) , 주현우 ( Hyun-woo Ju ) , 김홍일 ( Hong-il Kim ) , 동승진 ( Seung-jin Dong ) , 권진회 ( Jin-hwe Kweon )
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인장과 압축하중 모두를 효과적으로 지지할 수 있는 새로운 샌드위치 체결부 구조의 설계를 위해, 체결부 형상이 다른 3가지 샌드위치 판넬에 대한 인장 및 압축 시험을 수행하였다. 샌드위치 판넬의 코어는 주로 알루미늄 플렉스 허니콤이지만, 타 구조물과의 체결을 위해 두께가 얇아지면서 단순 적층판으로 변하는 램프 영역에서는 PMI 폼 코어를 사용하였고, 면재에는 탄소섬유 복합재를 사용하였다. 형상 1에서는 복합재 플랜지와 샌드위치 구조가 일체형으로 연결된다. 형상 2와 3에서는 별도로 제작된 알루미늄 플랜지가 복합재 적층판에 하이록핀과 접착제로 체결된다. 시험 결과 형상 1, 2, 3의 평균 압축파손하중은 각각 295 kN, 226 kN, 291 kN으로 나타났고, 평균 인장파손하중은 각각 47.3(층간분리), 83.7 kN(볼트파손), 291 kN(치구손상)으로 나타났다. 압축 파손하중만을 고려할 경우 플랜지와 샌드위치 판넬을 복합재 일체형으로 제작한 형상 1과 3이 우수한 특성을 보였다. 그러나 형상 1의 경우 인장하중을 받을 때 낮은 하중에서 플랜지 모서리 부분에서 층간분리가 발생하였다. 따라서 인장과 압축하중을 동시에 효과적으로 지지할 수 있는 구조는 모서리에서 층간분리의 위험이 없게 별도의 알루미늄 플랜지를 사용하여 볼트로 체결한 형상 3임을 확인하였다.

디지털 이미지 상관법을 이용한 치과용 복합레진의 수복 시 중합수축분포 관찰

박정훈 ( Jung-hoon Park ) , 최낙삼 ( Nak-sam Choi )
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손상된 치아의 복구에 사용되는 재료인 치과용 복합레진 Clearfil AP-X (Kuraray, Japan)을 대상으로 디지털 이미지 상관법을 이용하여 광중합 시 발생하는 수축분포를 관찰하였다. 디지털 이미지 상관분석법을 위해, CCD 카메라를 이용하여 광조사 중과 광조사 이후의 촬영 조건을 달리하여 사진을 획득하였다. 광조사중의 최적의 촬영 조건을 설정하기 위하여 노출시간을 0.15 ms부터 0.55 ms까지 0.05 ms 간격으로 촬영한 사전 실험을 통해 촬영조건을 획득하였다. DIC 분석 결과 복합레진의 비균일한 수축 분포를 관찰하였으며 복합레진의 중심 부분에서 시편의 계면부보다 좀 더 자유로운 유동성으로 더 큰 수축이 발생하였다. 복합레진의 중합수축은 초기 20 s 의 광조사에서 최종경화수축률의 50~60% 수준까지 발생하였다. 이러한 치과용 복합레진의 큰 수축량은 레진/기질계면 근처에서 인장응력이 집중하도록 영향을 주었다.
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