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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 : 32권 5호 (2019)

오토클레이브 진공포장법의 공정 조건에 따른 복합재의 미세기공률 분석

윤현성 ( Hyun-sung Yoon ) , 안우진 ( Woo-jin An ) , 김만성 ( Man-sung Kim ) , 홍성진 ( Sung-jin Hong ) , 송민환 ( Min-hwan Song ) , 최진호 ( Jin-ho Choi )
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복합재는 원하는 방향으로 섬유를 배열하여 일체형으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 복합재는 제작과정에서 층(ply)과 층 사이에 있는 미세 공기, 소재 내부의 수분 또는 경화 중의 부적절한 온도와 압력 등으로 인하여 미세기공이 형성될 수 있으며, 이는 복합재 부품의 기계적 강도저하의 주요 원인으로 평가되고 있다. 본 논문에서는 오토클레이브 진공백 성형법을 이용하여 복합재 두께 별로 공정 조건(경화압력, 압밀시간, 압밀압력, 진공압력)을 변화시켜가며 복합재 패널을 제작하여 미세기공률을 분석하였다. 미세기공률은 이미지 분석법, 용해법, 연소법을 이용하여 평가하였으며, 초음파 감쇠계수와의 연관성을 분석하였다. 실험결과, 미세기공률 분석의 정확도는 용해법이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 경화압력이 낮아질수록 미세기공률이 증가하고 높은 초음파 감쇠계수 값을 가짐을 확인하였다. 또한, 동일한 경화압력이라도 적층두께가 증가할수록 초음파 감쇠계수가 증가하고 기공률이 증가됨을 확인하였다.

직조 복합재료의 구조적 특성을 고려한 모델링 기법 및 물성 예측 기법 개발

최경희 ( Kyung-hee Choi ) , 황연택 ( Yeon-taek Hwang ) , 김희준 ( Hee-june Kim ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )
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직조 구조의 복합재의 쓰임이 자동차, 항공 산업 등 여러 분야로 확장됨에 따라, 직조 복합재의 신뢰성 문제 및 물성예측에 대한 필요성이 대두되었다. 본 연구에서는 직조 구조가 다른 복합재료의 물성 예측을 위한 유한요소해석을 수행하여 실험으로 얻은 정적 물성과의 유사성을 검증하였고, 효과적인 모델링 방법을 개발하였다. 직조 구조의 특성을 반영하기 위하여 모델링은 메소 스케일의 대표 체적 요소(RVE)를 이용하였다. 섬유 다발과 순수 기지를 분리하여 3차원 모델링을 진행하였다. 하신 파괴 기준(Hashin’s failure criteria)을 적용하여 요소의 파괴 유무를 판단하였고, 해석 모델은 복합재에 적합한 점진적 파괴 모델을 사용하였다. 최종적으로, 직조 구조에 따른 복합재의 물성을 성공적으로 예측하여 본 모델링 및 해석 기법에 대한 적합성을 검증하였다.

복합재료 전극을 가진 전기활성고분자 구동기의 설계

김동욱 ( Dong-uk Kim ) , 장승환 ( Seung-hwan Chang )
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정적인 상태인 체외 환경(in vitro)에서의 세포배양 과정은 실제 생체 내 환경에서의 세포발달과정과는 많은 차이가 존재한다. 따라서, 체내 환경의 정밀한 모사를 위해서는, 기계적인 자극을 세포에 전달하여 줄 수 있는 동적 세포배양장치가 필수적이다. 하지만 기존의 동적 세포배양장치에는 튜브, 펌프, 모터 등의 비교적 복잡한 장치들을 필요로 하였으며, 전달되는 기계적 자극도 단순한 형태였다. 본 연구에서는 단순한 장치로 구동되는 동적 세포배양장치를 위하여 전기활성고분자(EAP) 구동기를 동력원으로 하는 소형 동적 세포배양장치를 설계하였다. 이 장치는 다양한 기계적 자극을 세포에 전달하는 것이 가능하다.

참조점의 불규칙적 배치를 통한 PIC보의 하중 충실도 향상에 관한 연구

함석우 ( Seok Woo Ham ) , 조재웅 ( Jae Ung Cho ) , 전성식 ( Seong S. Cheon )
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Piecewise Integrated Composite (PIC) 보는 하중 유형에 따라 구간을 나누어, 각 구간마다 하중 유형에 강한 복합재료의 적층 순서를 배열한 보이다. 본 연구에서는 보의 거동을 고려하여 PIC 보의 구간을 머신 러닝을 통해 나누어 기존에 제시되었던 PIC 보에 비해 우수한 굽힘 특성을 갖게 하는 것이 목적이다. 머신 러닝의 학습 데이터는 FE 모델에 규칙적으로 분포된 참조점에서의 3축 특성 값(Triaxiality)이며 총 240개의 요소가 선택되었고 선행 유한요소해석을 통해 생성되었다. 3축 특성 값은 인장, 압축 그리고 전단의 하중유형을 나타낸다. 머신 러닝 모델은 하이퍼파라미터(Hyperparameter)와 학습데이터로 구성되었으며, 하이퍼파라미터 튜닝을 통해 적절한 하중충실도를 도출하였지만, 거동이 큰 보의 옆면에서는 적절하지 않은 하중 충실도가 도출되었다. 이를 해결하기 위하여 고르게 배치한 참조점을 보의 거동에 따라 배치하여 학습 데이터를 얻었고, 머신 러닝 모델이 생성되었다. 앞서 생성된 머신 러닝 모델을 통하여 보가 매핑되었고, PIC 보에 대하여 유한요소 해석을 진행한 결과, 기존에 제시되었던 PIC 보에 비해 최대하중과 흡수 에너지가 커지는 특성이 나타났다.

양성자 교환막 연료전지용 탄소 복합재료 분리판 개발

임준우 ( Jun Woo Lim )
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양성자 교환막 연료전지 (PEMFC) 시스템은 환경 친화적인 전력 공급원으로 많은 잠재적 용도를 가지고 있다. 탄소섬유 복합재료 분리판은 산성환경에서 내부식성이 우수하며 높은 비강도와 비강성을 갖지만, 상대적으로 낮은 전기전도도로 인하여 PEMFC의 효율을 떨어뜨린다. 본 연구에서는 분리판의 전기 저항을 감소시키기 위하여 전기 전도성 입자(흑연 분말과 카본 블랙)를 탄소-에폭시 복합재료 프리프레그에 도포하였다. 전기 저항과 기계적 특성을 기존의 시험 방법을 사용하여 측정하였으며, 개발된 탄소 복합재료 분리판의 단위 셀 성능평가를 실시하여 기존의 분리판과 비교하였다.

자동 섬유 적층(AFP)을 활용한 열가소성 복합재의 공정 변수에 따른 기계적 물성 평가

성정원 ( Jung-won Sung ) , 최현석 ( Hyeon-seok Choe ) , 권보성 ( Bo-seong Kwon ) , 오세운 ( Se-woon Oh ) , 이상민 ( Sang-min Lee ) , 남영우 ( Young-woo Nam ) , 권진회 ( Jin-hwe Kweon )
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본 연구에서는 자동 섬유 적층(AFP) 장비로 제작한 열가소성 복합재에 대하여 추가 공정을 수행한 후 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 제작을 위한 기초 연구로써 AFP의 공정 변수를 통해 열가소성 복합재를 제작하였으며 제작된 열가소성 복합재에 어닐링(Annealing) 및 진공백(Vacuum bag only) 공정을 수행하였다. 추가 공정 후 검증을 위해 결정화도 및 기공률 측정을 수행하였다. 결정화도는 시차 주사 열량 측정법(Differential scanning calorimetry)을 통해 측정하였으며 반 결정 구조인 열가소성 복합재의 공정 조건에 따른 결정화도 변화를 확인하였다. 기공률 측정을 위해 수지 용해를 수행하였으며 현미경 촬영을 통해 기공 분포를 확인하고 수지 용해법을 통해 기공률을 계산하여 공정 조건에 따른 기공률 변화를 관찰하였다. 검증 후 수행한 층간 전단 강도 시험 결과 AFP로 제작한 열가소성 복합재의 경우 결정화도 보다 기공률 값이 기계적 물성에 더 많은 영향을 미쳤다. 또한 진공백 공정을 통해 열가소성 복합재를 녹는점까지 도달시켰으며 진공상태에서 지속적으로 열가소성 복합재 내의 기공을 제거함에 따라 층간 전단 강도가 증가하는 것을 확인하였다.

탄소분말이 함유된 마이크로 그리드패턴 전기용량형 압력센서

마성용 ( Sung-young Ma ) , 장승환 ( Seung-hwan Chang )
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이 연구에서는 마이크로 그리드 패턴 표면을 갖는 탄소 분말이 첨가된 Poly-dimethylsiloxane (PDMS)를 사용하여 전기용량형 압력센서(Piezocapacitive Sensor)를 제작하였다. 탄소 분말과 그리드 패턴이 센서의 성능에 미치는 효과를 알아보기 위해 탄소 분말의 농도와 그리드 패턴의 밀도를 달리하여 여러 개의 센서를 제작하였다. 센서의 작동 범위와 민감도를 척도로 센서의 성능을 비교하였다.

Topology Optimization of a Lightweight Multi-material Cowl Cross Member Using Matrix Input with the Craig Bampton Nodal Method

( Dong Il Son ) , ( Sangwoo So ) , ( Dong Hyuk Choi ) , ( Daeil Kim )
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As demand of light weight in the automotive industry has increased, the cowl cross member has been investigated using various methods to change the material. Conventionally, a cowl cross member has been made of steel and aluminum, but recently researchers tested multi-material such as aluminum and plastic. We studied a new model of the cowl cross member made of composite and non ferrous materials. For products with a high degree of freedom in design, generally, the method of topology optimization is advantageous and for the partial bracket part of the cowl cross member had a degree of freedom in the design, a topology optimization is appropriate. Considering the characteristics of the cowl cross members, we need research to minimize the weight while having the performance of noise, vibration and harshness(NVH). Taking the mounting status of the product into consideration, we used an assembly model to optimize the cowl cross member. But this method took too much time so we considered simple cowl cross member assemble conditions using the direct matrix input method(DMI) with the Craig-Bampton Nodal Method. This method is capable of considering the status of the assembly without assembling the model, which reduced the solving time and increased the accuracy comparison with a cowl cross member without DMI.

Test and Analysis of Triaxially Braided Composite Circular Arch under Three-Point Bending

( Biruk F. Nega ) , ( Kyeongsik Woo ) , ( Hansol Lee )
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In this paper, the buckling behavior of triaxially braided circular arch with monosymmetric open section subjected to three-point bending was studied experimentally and numerically. First, test specimens were manufactured using vacuum assisted resin transfer molding (VARTM). Then the specimen was tested under three-point bending to determine the ultimate buckling strength. Before performing the numerical analysis, effective material properties of the braided composite were obtained through micro-meso scale analysis virtual testing validated with available test results. Then linear buckling analysis and geometrically non-linear post buckling analysis, established to simulate the test setup, were performed to study the buckling behavior of the composite frame. Analysis results were compared with experimentally obtained ones for verification. The effect of manufacturing defects of tow misalignment, irregular surface and resin rich region, and uncertainties during test setup were studied using numerical models. From the numerical analyses performed it was observed that both manufacturing defect and uncertainties had effect on the buckling behavior and strength.

Crack Band Model 기반 손상변수를 이용한 탄소섬유강화 복합재료 적층판의 점진적 파손 거동 예측 및 검증

윤동현 ( Donghyun Yoon ) , 김상덕 ( Sangdeok Kim ) , 김재훈 ( Jaehoon Kim ) , 도영대 ( Youngdae Doh )
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본 논문에서는 Hashin 파손 기준식과 crack band 모델이 접목된 손상변수를 이용하여 점진적파손해석 방법이 개발되었다. 파손기준식을 이용하여 파손의 개시 유무가 판단된다. 파손이 개시된 경우에는 각 파손모드(섬유 인장/압축, 기지 인장/압축)에서 손상변수가 선형 열화 거동에 따라 계산되고, 손상강성행렬을 계산하는데 사용된다. 손상강성행렬은 손상된 재료에 반영되고, 계산된 손상강성행렬을 이용하여 재료의 완전한 파괴를 의미하는 손상변수가 1인 시점이 되기까지 점진적 파손해석이 계속해서 반복적으로 수행된다. 일련의 과정들은 상용해석프로그램인 ABAQUS에 사용자 정의 부프로그램을 이용하여 수행되었다. 제안된 점진적파손해석 도구의 검증을 위하여, 원공을 가진 복합재료 적층판의 시험 결과와 비교를 수행하였으며, 시험 중 디지털 이미지 상관법을 이용하여 획득한 변형률 거동과 해석을 통해 획득한 변형률 거동을 비교하였다. 제안된 해석결과는 시험 결과와 비교하여 유효한 일치를 보였다.
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