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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 : 34권 2호 (2021)

섬유 방향에 따른 복합재 피로특성에 관한 연구

강태영 ( Tae-young Kang ) , 안효성 ( Hyo-seong An ) , 전흥재 ( Heoung-jae Chun ) , 박종찬 ( Jong-chan Park )
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복합재료의 높은 비강도와 비강성으로 인해 복합재료는 다양한 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 탄소 섬유 강화 복합재는 많은 기계적인 구조물에 널리 사용된다. 또한 이방성 특성을 갖는 탄소 섬유 강화 복합재는 금속 재료와 달리 섬유 방향에 따라 피로 거동을 이해하는 것은 구조 설계에 있어서 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 비낌 축(off-axis) 시편에 따라 복합재료의 피로 수명에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 복합재료의 비낌 축 시편(0°, 10°, 30°, 45°, 60°, 90°)에 대해 인장 및 피로 시험을 수행하였다. 피로 시험 결과, 복합재의 피로 강도는 섬유 방향이 0도로부터 조금 벗어날수록 피로 강도가 크게 감소하였으며 많이 벗어날수록 적게 감소하였다. 이는 적층 각이 커질수록 섬유의 하중을 지지하는 역할이 감소했기 때문이다. 또한 복합재의 피로 선도에 비낌 축 각도를 평준화하는 피로 강도 비율을 도입하여 피로 수명의 경향을 분석하였다. 피로 강도 비율(Ψ)-피로 수명 선도를 이용하여 적층 각도와 관계없이 피로 수명을 단일선으로 표현하였다. 피로 강도 비율을 통해 평준화된 피로 선도를 이용하면 2개 이상의 비낌 축 각도를 가지는 복합재의 피로 선도만으로도 임의의 다른 비낌 축 각을 가진 동일한 복합재의 피로 수명 곡선의 도출이 가능하다.
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The mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy composites (CFRPs) are greatly dependent on the interfacial adhesion between the carbon fibers and the epoxy matrix. Introducing nanomaterial reinforcements into the interface is an effective approach to enhance the interfacial adhesion of CFRPs. The main purpose of this work was to introduce graphitic nanofiber (GNFs) between an epoxy matrix and carbon fibers to enhance interfacial properties. The composites were reinforced with various concentrations of GNFs. For all of the fabricated composites, the optimum GNF content was found to be 0.6 wt%, which enhanced the interlaminar shear strength (ILSS) and fracture toughness (KIC) by 101.9% and 33.2%, respectively, compared with those of neat composites. In particular, we observed a direct linear relationship between ILSS and KIC through surface free energy. The related reinforcing mechanisms were also analyzed and the enhancements in mechanical properties are mainly attributed to the interfacial interlocking effect. Such an effort could accelerate the conversion of composites into high performance materials and provide fundamental understanding toward realizing the theoretical limits of interfacial adhesion and mechanical properties.

섬유부피분율 증가와 공극 감소를 위한 VARTM 공정의 대기압 제어에 관한 연구

곽성훈 ( Seong-hun Kwak ) , 김태준 ( Tae-jun Kim ) , 탁윤학 ( Yun-hak Tak ) , 권성일 ( Sung-il Kwon ) , 이재현 ( Jea-hyun Lee ) , 김상용 ( Sang-yong Kim ) , 이종천 ( Jong-cheon Lee )
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VARTM(Vacuum-assisted resin transfer molding) 공정은 OoA(Out of Autoclave)에 속하는 저가형 공정기술로 다양한 분야에 널리 사용되어 왔다. 그러나 오토클레이브 공정보다 품질이 낮아 고신뢰성이 요구되는 항공산업에는 적용하기 어려웠다. VARTM 공정의 주요 문제는 오토클레이브 대비 낮은 섬유부피분율과 높은 Void 함량에 의한 기계적 물성의 손실이었다. 따라서 많은 연구자들이 Void를 줄이고 섬유부피분율을 높일 수 있는 연구를 수행해 왔다. 이러한 연구의 흐름에 따라 본 연구에서는 수지 주입 과정 중 대기압을 제어하는 방법이 섬유부피분율을 높이고 Void를 감소시킬 수 있는지 검토하였다. 신뢰성 평가는 Void와 연관성이 있는 압축강도시험, 섬유부피분율 분석, 광학현미경 촬영을 통해 확인하였다. 결과적으로 VARTM 공정에서 수지 주입과정 중 대기압을 단계별로 높이는 방법이 섬유부피분율 증가와 Void 감소에 직접적인 효과가 있음을 확인하였다.

3D Weaving Process : Development of Near Net Shape Preforms and Verification of Mechanical Properties

( Vinzenz Klapper ) , ( Kwang-hoon Jo ) , ( Joon-hyung Byun ) , ( Jung-il Song ) , ( Chee-ryong Joe )
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The lightweight industry continuously demands reliable near-net-shape fabrication where the preform just out-of-machine is close to the final shape. In this study, different half-finished preforms are made π-beams. Then the preforms are unfolded to make a 3D shape with integrated structure of fibers, providing easier handling in the further processing of composites. Several 3D textile preforms are made using weaving technique and are examined after resin infusion for mechanical properties such as inter-laminar shear strength, compressive strength and tensile strength. Considering that the time and labor are important parameters in modern production, 3D weaving technique reduces the manufacturing steps and therefore the costs, such as hand-lay up of textile layers, cutting, and converting into preform shape. Hence this 3D weaving technique offers many possibilities for new applications with efficient composite production.

점진적 파손해석을 이용한 탄소섬유강화 복합재료 볼트 조인트의 파손거동 예측

윤동현 ( Donghyun Yoon ) , 김상덕 ( Sangdeok Kim ) , 김재훈 ( Jaehoon Kim ) , 도영대 ( Youngdae Doh )
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복합재료를 활용하여 설계되는 구조물은 각 부품들의 조립, 체결부를 갖게 된다. 이러한 연결 또는 조인트는 구조에서 잠재적으로 취약 부분이 될 수 있다. 복합재료 볼트 조인트의 파손모드는 구조 안전성을 위해 베어링 파손모드로 설계된다. 베어링 파손모드로 파괴되는 복합재료 볼트 조인트의 하중-변위 관계는 초기 파손 발생 후 비선형 거동을 보이며, 점진적인 파손을 보인다. 이러한 비선형적이고 점진적인 복합재료 볼트 조인트의 파손거동을 정확히 예측하기 위해 본 연구에서는 기존의 파손해석 모델에서 전단 손상변수 계산 과정에 수정을 수행하였다. 수정된 파손해석 모델을 이용하여 복합재료 볼트 조인트의 베어링 응력-베어링 변형률 결과를 예측하였으며, 기존 수정되지 않은 해석모델과 비교를 통해 수정된 모델의 유효성을 입증하였다.

신축성 접착 필름 위에 놓인 그래핀 종이의 주름 생성

김상윤 ( Sang-yun Kim ) , 정명희 ( Myeong Hee Jeong ) , 석지원 ( Ji Won Suk )
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일반적으로 그래핀 플레이크는 산화그래핀을 화학적 또는 열적 환원 공정을 통해 환원그래핀으로 변환하여 대량 생산하고 있다. 그래핀 플레이크는 다양한 형태로 응용되는데, 그 중 진공여과를 이용한 적층 공정을 통해 종이형 필름으로 제작이 가능하다. 그래핀 종이는 신축성이 부족한 단점이 있어 신축성 소자 응용에 제약이 있다. 본 연구에서는 신축성이 있는 그래핀 종이를 제작하기 위하여, 그래핀 종이에 주름을 만들었다. 신축성이 뛰어난 접착 필름을 미리 늘린 후, 그 위에 그래핀 종이를 붙이고, 접착 필름을 원래 상태로 놓아 주어 그래핀 종이에 주름을 만들었다. 이 때, 접착 필름에 가하는 당김 정도 및 젖은 상태에 따라 주름의 형상이 변하는 것을 실험적으로 관찰하였다. 특히, 그래핀 종이와 접착 필름의 전단 탄성 계수 차에 의하여 주름의 주기가 바뀌는 현상을 관찰하였다.

인공신경망 기반 SMC 복합재료의 충돌 손상 해석을 위한 파라메터 획득

이상철 ( Sang-cheol Lee ) , 김정 ( Jeong Kim )
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복합재료 중에서 SMC(sheet molding compound) 복합재료는 자동차의 차체 성형에 주로 쓰이고 있다. 자동차 산업에서는 차량 사고를 고려하여야 하므로 재료의 충돌 거동 및 특성에 관한 연구는 필수적이다. 충돌은 짧은 시간에 일어나기 때문에 육안으로 확인이 어렵다. 따라서 충돌 거동을 확인하기 위해서는 유한요소 모델을 이용한 충돌 손상 해석이 필요하다. 충돌 손상 해석을 위해서는 SMC 복합재료의 손상 모델에 대한 파라메터가 요구된다. 본 연구에서는 SMC 복합재료의 손상 모델에 대한 파라메터를 획득하기 위해 인공신경망 기법을 적용하였다. LS-DYNA에서 파라메터에 따른 결과를 이용하여 대체 모델을 구성하였다. 자유 낙하 충돌 실험에서 얻은 흡수 에너지와 인공신경망 모델을 이용한 흡수 에너지를 비교하여 최적화된 파라메터를 획득하였다. 획득한 파라메터를 유한요소 모델에 적용해 결과를 비교하여 파라메터의 신뢰성을 검증하였다.

굴곡된 탄소나노튜브로 보강된 적층 복합재 판구조의 고유진동 특성

출템수렌천트 ( Chunt Chultemsuren ) , 최형배 ( Hyung Bae Choi ) , 이상열 ( Sang-youl Lee )
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본 논문은 Mori-Tanaka법, 혼합법칙 및 Halpin-Tsai 이론식을 적용하여 굴곡진 탄소나노튜브(CNT)로 보강된 복합재의 멀티스케일 고유진동 특성을 규명하였다. Eshelby 텐서를 이용하여 곡률을 갖는 CNT가 함유된 폴리머의 하중 전달 특성값이론을 유도하였다. 도출된 수치해석 결과는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제시한 새로운 결과는 적층 복합재의 CNT 함유량, 굴곡성 및 적층배열의 상호작용 특성을 규명하였다. 주요 결과에 대하여 분석하였으며, CNT 보강 복합재의 실용적 설계를 위한 중요 고려사항을 제시하였다.

두께 방향 섬유체적비 불균일이 원통형 복합재 격자 구조 좌굴하중에 미치는 영향

공승택 ( Seung-taek Kong ) , 전민혁 ( Min-hyeok Jeon ) , 김인걸 ( In-gul Kim ) , 이상우 ( Sang-woo Lee )
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본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공정에서 발생하는 두께 방향 섬유체적비 불균일이 원통형 복합재 격자 구조의 좌굴하중에 미치는 영향을 확인하기 위해서 Vasiliev가 제안한 원통형 복합재 격자 구조 좌굴하중 이론식을 변형하여 섬유체적비에 따른 좌굴하중 저하를 확인하였다. 섬유체적비에 따라 격자 구조 리브의 각 층의 두께를 달리하였으며, 혼합법칙을 사용하여 각 층별로 물성치를 다르게 적용하였다. 구조물 크기, 두께, 섬유체적비 평균값을 달리한 유한요소모델에 대한 선형좌굴해석을 수행하였다. 최종적으로 이론식을 사용한 등가모델의 좌굴하중 계산 결과와 유한요소해석 결과를 비교하여 두께 방향 섬유체적비 불균일이 원통형 복합재 격자 구조의 좌굴하중 저하의 원인이 될 수 있음을 확인하였다.

열경화성 연속섬유 복합재를 이용해 외측 보강된 3D 프린팅 열가소성 복합재 구조물의 굽힘 특성 향상에 대한 연구

백운경 ( Un-gyeong Baek ) , 남기법 ( Gibeop Nam ) , 노재승 ( Jae-seung Roh ) , 박성은 ( Sung-eun Park ) , 노정우 ( Jeong-u Roh )
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3D 프린팅 기술은 금형이 없이 다양한 형태의 제품을 만들기 쉬운 장점이 있지만, 기존 보편화된 성형법에 비해 기계적 물성이 낮고, 소재 및 제작 조건 등에 따라 기계적 물성이 크게 달라지는 문제가 있다. 한편, 높은 물성을 구현하기 위해서는 제조비용이 높아지는 문제가 있어, 이에 대한 연구 필요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 단섬유 탄소섬유 보강 나일론 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅 열가소성 구조물을 제작하였다. 또한 인발 성형된 연속섬유 형태의 탄소섬유 혹은 유리섬유 강화 열경화성 복합재를 이용해 외측면을 보강하여 기계적 물성 향상 방법을 제시하였다. 보강재의 보강 위치와 섬유의 종류에 따른 굽힘물성 향상을 확인하였다.
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