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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 6호 (2021)

인장하중을 받는 복합재료 도브테일 요소의 점진적인 파손해석

박신무 ( Shin-mu Park ) , 노홍균 ( Hong-kyun Noh ) , 임재혁 ( Jae Hyuk Lim ) , 최윤혁 ( Yun-hyuk Choi )
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본 연구에서는 복합재료 팬 블레이드 도브테일 요소의 인장하중에 따른 점진적 파손거동을 유한요소 시뮬레이션을 통한 수치적 연구를 수행하고, 인장시험을 통하여 정확도를 검증한다. 도브테일 요소는 터보 팬 엔진의 팬 블레이드를 디스크와 결합시키는 조인트의 하나로, 통상 티타늄 등의 금속 재료로 제작되나 경량화 등의 이유로 복합재료의 적용이 연구되고 있다. 하지만 복합재료를 이용한 팬 블레이드 제조과정에서 드롭오프 플라이 (Drop-off ply), 수지 포켓(resin pocket) 등의 제조 결함이 필연적으로 발생한다. 이러한 제조 결함이 복합재료 팬 블레이드 도브테일 요소에 미치는 영향을 확인하기 위해 유한요소모델을 이용한 수치해석을 수행하여 예측 결과와 인장시험 결과를 비교 분석한다. 이때 층간분리(delamination) 거동을 모사 가능한 응집영역 모델을 적용하였다. 결론적으로, 열 잔류응력 및 두께방향 압축하중에 의한 계면 물성 강화 효과를 고려하여 유한요소 해석결과와 시험결과 간의 높은 상사성을 얻을 수 있었다.

Facile Electrodeposition Technique for the Fabrication of MoP Cathode for Supercapacitor Application

( Prakas Samanta ) , ( Souvik Ghosh ) , ( Naresh Chandra Murmu ) , ( Joong Hee Lee ) , ( Tapas Kuila )
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The continued environmental pollution caused by fossil fuel consumption has prompted researchers around the world to develop environmentally friendly energy technologies. Electrochemical energy storage is the significant area of research in this development process, and the research significance of supercapacitors in this field is increasing. Herein, a simple electrodeposition synthetic route was explored to develop the MoP layered cathode material. The layered structure provided a highly ion-accessible surface for smooth and faster ion adsorption/ desorption. After Fe was doped into MoP, the morphology of MoP changes and the electrochemical performance was significantly improved. Specific capacitance value of the binder-free FeMoP electrode was found to be 269 F g-1 at 2 A g-1 current density in 6 M aqueous KOH electrolyte. After adding Fe to MoP, an additional redox contribution was observed in the redox conversion from Fe3+ to Fe2+ redox pair, and the charge transfer kinetics of MoP was effectively improved. This research can provide guidance for the development of supercapacitor electrode materials through simple electrodeposition technology.

탄소복합소재를 적용한 18ft급 레저보트의 수선하부 저항성능에 관한 연구

신국환 ( Guk Hwan Shin ) , 송준희 ( Jun Hee Song )
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활주 선형의 선박은 직선으로 운항하거나 선회할 때, 그 속도에 따라 위치와 트림이 변화하며, 선체에 큰 저항이 발생한다. 본 논문에서는 탄소복합소재를 선체에 적용하여 선체무게와 내구성이 향상된 레저보트의 전산유체역학을 통해 선형에 대한 저항을 추정하였다. 18ft급 레저보트의 선수부와 선미부의 저항 성능을 확인하고 선형 전체의 유동장을 추정하였으며, 수치해석을 통해 각 트림의 저항을 비교하여 선형에 대한 안정성을 확인하였다. 또한, 선체에 걸리는 힘이 크지 않아 설계된 선형이 충분히 견딜 수 있을 것을 확인하였고, 파도의 파장과 배의 길이를 관성력에 대한 중력의 비로 계산하여 롤링이 얼마의 힘으로 발생하는지 확인하여 보트의 안정성을 분석하였다.

압전 에너지 수확기의 성능 향상을 위한 복합재료 기반 소재 및 공정 기술 검토

김건수 ( Geon Su Kim ) , 장지운 ( Ji-un Jang ) , 김성륜 ( Seong Yun Kim )
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에너지 수확장치는 석유자원의 고갈로 인한 자원난을 해결할 수 있는 대안으로 유망하다고 알려져 있다. 기계적 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있는 압전 소자들의 한계(환경오염 및 낮은 기계적 특성)를 극복하기 위하여, 고분자 기지재 기반 복합재료 압전 에너지 수확장치에 대한 많은 연구들이 수행되었다. 본 논문에서는 사용된 재료 및 공정에 기초하여, 보고된 압전 복합재료의 출력 성능 및 관련된 응용 분야를 검토하였다. 압전 필러는 티탄산 지르콘산 연 및 티탄산바륨 기반의 세라믹 필러뿐만 아니라, 친환경, 생체적합성 및 유연성 측면에서 유리한 산화아연을 검토하였다. 기지재는 폴리비닐리덴플로오라이드 및 공중합체로 구성된 압전 고분자 및 에폭시 및 폴리디메틸실록산 기반의 유연한 고분자로 분류하여 복합재료의 압전 시너지 및 높은 외력 적용에 의한 압전 출력 향상을 논의하였다. 또한, 금속 혹은 탄소 소재 기반 2차 필러의 적용에 의한 복합재료의 전도성 혹은 기계적 특성의 향상이 압전 수확장치의 출력 성능에 미치는 영향을 복합재료의 구조 측면에서 검토하였다. 향상된 성능으로 소형 전자기기, 스마트 센서, 의학 분야 등에 응용 가능한 복합재료 기반 압전 수확장치는 미래의 일상에서 접할 수 있는 무선 전자 장치의 전원으로써 잠재적인 통찰을 제공할 수 있다.

Structural and Thermal Analysis and Membrane Characteristics of Phosphoric Acid-doped Polybenzimidazole/Strontium Titanate Composite Membranes for HT-PEMFC Applications

( Kanakaraj Selvakumar ) , ( Ae Rhan Kim ) , ( Manimuthu Ramesh Prabhu ) , ( Dong Jin Yoo )
4,500
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A series of novel PBI/SrTiO3 nanocomposite membranes composed of polybenzimidazole (PBI) and strontium titanate (SrTiO3) with a perovskite structure were fabricated with various concentrations of SrTiO3 through a solution casting method. Various characterization techniques such as proton nuclear magnetic resonance, thermogravimetric analysis, atomic force microscopy (AFM) and AC impedance spectroscopy were used to investigate the chemical structure, thermal, phosphate absorption and morphological properties, and proton conductivity of the fabricated nanocomposite membranes. The optimized PBI/SrTiO3-8 polymer nanocomposite membrane containing 8wt% of SrTiO3 showed a higher proton conductivity of 7.95 × 10-2 S/cm at 160℃ compared to other nanocomposite membranes. The PBI/SrTiO3-8 composite membrane also showed higher thermal stability compared to pristine PBI. In addition, the roughness change of the polymer composite membrane was also investigated by AFM. Based on these results, nanocomposite membranes based on perovskite structures are expected to be considered as potential candidates for high-temperature PEM fuel cell applications.

탄소섬유 강화 복합재료의 항공기용 PTO 샤프트 적용에 관한 연구

정광일 ( Kwang Il Jeong ) , 김원기 ( Wonki Kim ) , 정재문 ( Jae-moon Jeong ) , 오재형 ( Jaehyung Oh ) , 방윤혁 ( Yun Hyuk Bang ) , 김성수 ( Seong Su Kim )
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본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료를 적용하여 PTO 샤프트의 임계 속도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 탄소섬유 강화 복합재료의 경우 전단 강도가 낮은 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 티타늄-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 구조로 설계하는 것을 제안하였다. PTO 샤프트에서 요구하는 최대 허용 토크, 임계 속도, 비틀림 고유진동수 기준을 충족시키는 최적의 구조를 설계하고 제작하였다. 제작한 PTO 샤프트의 성능 평가를 위해 진동 시험, 정적 비틀림 시험, 비틀림 내구성 시험이 수행되었고, 진동 시험에서 PTO 샤프트의 임계 속도는 20570 rpm로 티타늄 샤프트 대비하여 7.5% 향상된 것을 확인하였다. 또한 정적 비틀림 시험을 통해 PTO 샤프트의 최대 허용 토크가 2300 N·m로 해당 기준을 충족시키는 것을 확인하였다. 최종적으로 11.3~113 N·m 범위의 하중을 반복하는 비틀림 내구성 시험에서도 106 사이클 동안 피로파괴가 발생하지 않는 것으로 평가되었다.

습식 식각을 이용한 MWCNT-PMDS 변형율 센서 전극 생성에 관한 연구

정라희 ( La-hee Jung ) , 황희윤 ( Hui-yun Hwang )
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본 논문에서는 습식 식각으로 제작된 구리 전극을 가진 다중벽 탄소나노튜브 PDMS 복합재료 변형율 센서의 전기적 특성을 고찰하였다. MWCNT의 질량분율에 따라 MWCNT-PDMS 변형율 센서를 제작한 후, 전극 부착 표면을 습식 식각한 후 은-에폭시 전도성 접착제를 이용하여 구리 박판을 부착하였다. 2-프로브 방법으로 변형율 센서의 전기 전도성을 측정한 결과, 초기 저항은 MWCNT 함량과 식각 시간에 반비례하였지만 30% 변형율에 대한 저항 변화율은 MWCNT 함량과 식각 시간에 비례하였다. 100회 반복 하중 시험 후 저항 변형율 감소는 MWCNT 함량이 증가할수록 식각 시간이 짧아질수록 상대적으로 작게 나타났다. 이는 식각에 의해 MWCNT-PDMS 변형율 센서의 초기 저항 감소에 기인한 것으로 판단된다.

3차원 학습 데이터를 이용한 PIC 보의 강성 향상에 대한 연구

지승민 ( Seungmin Ji ) , 함석우 ( Seok Woo Ham ) , 최진경 ( Jin Kyung Choi ) , 전성식 ( Seong S. Cheon )
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Piecewise Integrated Composite(PIC) 보는 구간 조합 복합재 보로 구간 마다 적층 각도 및 순서를 다르게 적용하여 보의 강성과 강도를 향상시킬 수 있는 복합재료 보의 새로운 개념이다. 본 연구에서는 보의 거동을 고려하기 어려운 2차원 학습 데이터를 대신하여 3차원 학습 데이터가 적용된 머신 러닝 모델을 이용한 PIC 보가 제안되었다. 학습 데이터 및 훈련 데이터 셋(Training Data Set)은 지정된 참조 요소에서 3축 특성 값(Stress Triaxiality Factor)을 추출하여 세 가지 하중 유형(인장, 압축 그리고 전단)으로 분류되어 구성되었고, 이에 따른 하이퍼파라미터(Hyperparameter)가 제안되었다. 이를 통하여 예측된 PIC 보로 유한 요소 해석이 진행되었고 3차원 학습 데이터로 예측된 모델이 처짐 변형량이 감소된 것이 확인되었다. 이를 통해 3차원 학습 데이터를 이용하는 것이 경쟁력있는 것으로 판단되었고 처짐 변형량의 감소로 타당성이 검증되었다.

스마트 슈즈의 에너지 하베스팅 기능향상을 위한 복합재료 프레임 특성평가

이호석 ( Ho-seok Lee ) , 정인준 ( In-jun Jung ) , 장승환 ( Seung-hwan Chang )
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본 연구에서는 인장 시 에너지 하베스팅을 하는 Polyvinylidene Fluoride(PVDF) 리본 하베스터를 신발에 접목한 스마트 슈즈의 에너지 하베스팅 효율을 증가시키기 위한 복합재료 프레임을 설계하였다. 프레임의 하중방향 변형량을 최소화하기 위해 이방성 재료인 탄소 연속 섬유를 사용하여 설계하고 3D 프린터를 이용하여 복잡한 형상을 제작하였다. 보행 시 발생하는 하중에 의한 안창과 중창의 변형량을 계산하기 위해 스프링 요소를 이용하여 안창과 중창을 모델링 하였다. 유한요소 해석을 사용하여 보행 시 스마트 슈즈에 장착된 리본형 하베스터의 인장량을 계산하였다. 예측된 하베스터의 최종 인장 길이 정보는 스마트 슈즈의 에너지 하베스팅 효율 증대에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

PEM 연료전지용 가스확산층-탄소 복합재료 분리판 조합체 개발

임준우 ( Jun Woo Lim )
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PEM(양성자 교환막) 연료 전지는 부산물로 물 만을 생성하여 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 연료전지의 스택을 이루는 여러 부품들 중 연료전지의 효율을 결정짓는 분리판에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 복합재료 분리판은 높은 강도와 강성 및 내식성을 갖지만 상대적으로 낮은 전기 전도도를 갖는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하고자 가스확산층(GDL)-복합재료 분리판 조합체를 개발하고 그 성능을 실험적으로 확인하였다. 선행 연구에서 개발된 흑연 포일 코팅법을 분리판과 GDL 간의 접촉 저항을 줄이기 위해 적용하였다. 또한, 스택 내의 전자 이동경로를 향상시키고 GDL과 분리판 사이의 접촉저항을 최소화하기 위하여 금속 박막을 이용하여 GDL-분리판 조합체를 제작하였다. 실험 결과 개발된 GDL-분리판 조합체는 기존의 복합재료 분리판과 비교하여 98% 낮은 전기저항을 갖는 것을 확인하였다.
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