유리섬유 강화 플라스틱의 역학적 거동 구현을 위한 Digimat와의 연성해석 연구

김영만,김용환 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.6

유한요소법(finite element method)은 다양한 분야에서 재료의 역학적 거동을 더욱더 현실적으로 해석하고 예측하는 방법으로 다양한 분야의 제품 개발에 적용되고 있다. 하지만 섬유배향과 변형률 속도가 역학적 특성에 영향을 미치는 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료에 관한 수치해석을 이용한 접근 방법은 현재까지 다소 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 고분자, 고무, 금속 등과 같은 다양한 복합재료를 위한 선형, 비선형 다중스케일 재료 모델링 프로그램인 Digimat의 수치해석 재료 모델을 활용하여 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료의 역학적 특성을 정의하고 검증하는 것에 있다. 또한 이를 통해 좀더 현실 적으로 고분자 복합재료의 거동을 예측하고자 한다. 이를 위해 다양한 고분자 중 30wt%의 단섬유 질량 비율을 갖는 폴리부 틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)의 섬유배향과 변형률 속도에 따른 인장 특성을 참고문헌을 통해 조사하였다. 또한 Moldflow 프로그램을 사용한 사출해석을 통해 유리섬유 배향 정보를 계산하였으며 이를 매핑(mapping) 과 정을 통해 유한요소 인장 시편 모델에 전달하였다. 대표적인 유한요소 상용 프로그램 중 하나인 LS-DYNA는 유리섬유 배향과 변형률 속도에 따른 복합재료의 인장 특성을 연구하기 위해 Digimat과의 연성해석(coupled analysis)에 활용되었다. 그리고 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료를 해석하기 위한 LS-DYNA의 다양한 비등방성(anisotropic) 재료 모델들의 장단점을 서로 비교하고 평가하였다. Finite element method (FEM) is utilized in the development of products to realistically analyze and predict the mechanical behavior of materials in various fields. However, the approach based on the numerical analysis of glass fiber reinforced plastic (GFRP) composites, for which the fiber orientation and strain rate affect the mechanical properties, has proven to be challenging. The purpose of this study is to define and evaluate the mechanical properties of glass fiber reinforced plastic composites using the numerical analysis models of Digimat, a linear, nonlinear multi-scale modeling program for various composite materials such as polymers, rubber, metal, etc. In addition, the aim is to predict the behavior of realistic polymeric composites. In this regard, the tensile properties according to the fiber orientation and strain rate of polybutylene terephthalate (PBT) with short fiber weight fractions of 30wt% among various polymers were investigated using references. Information on the fiber orientation was calculated based on injection analysis using Moldflow software, and was utilized in the finite element model for tensile specimens via a mapping process. LS-Dyna, an explicit commercial finite element code, was used for coupled analysis using Digimat to study the tensile properties of composites according to the fiber orientation and strain rate of glass fibers. In addition, the drawbacks and advantages of LS-DYNA's various anisotropic material models were compared and evaluated for the analysis of glass fiber reinforced plastic composites.

유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 복합재료 파괴시 발생하는 음향방출 특성

지현섭(Hyun-Sup Jee),이종오(Jong-O Lee),주노회(No-Hoe Ju),소철호(Cheal Ho So),이종규(Jong-Kyu Lee) 한국비파괴검사학회 2013 한국비파괴검사학회지 Vol.33 No.5

본 연구에서는 유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출신호의 특성을 살펴보기 위하여 실린더의 외부를 감싸고 있는 복합재료를 유리섬유묶음과 시편으로 가공하여 파괴시험을 실시하였다. 유리섬유묶음에 칼날을 압입하여 유리섬유가 파괴될 때 발생한 음향방출 신호의 진폭은 칼날의 절단각도가 커짐에 따라 유리섬유의 절단면이 증가되어 음향방출신호의 진폭이 증가되는 것으로 판단된다. 또한 복합재료 시편파괴시 감긴방향 파괴는 수직방향 파괴에 비해 hit 수는 적지만 섬유 절단각이 커짐에 따라 진폭은 높게 나타났다. 섬유감긴방향으로 시편파괴시 신호문턱값을 32 dB로 설정했을 경우는 40 dB로 설정했을 때는 나타나지 않았던 기지파괴 신호가 급격하게 나타나는 것으로 보아 기지파괴시 신호진폭은 40 dB 이하이고 유리섬유 파괴신호의 진폭은 40 dB이상 임을 알 수 있었다. 음향방출 신호의 진폭기울기는 음향방출원과 관련이 있으며, 섬유감긴방향으로 칼날을 압입했을 때 그 기울기는 0.08이고 수직방향일 때는 0.16로 구분되었다. 특히 수직방향 파괴의 경우 유리섬유묶음의 절단시 나타나는 진폭 기울기와 유사하여 시편의 수직방향파괴시 발생하는 신호의 주 음향방출원은 유리섬유파괴로 추정할 수 있다. This study is investigation of the characteristics for acoustic emission signal generated by destruction on glass fiber bundles and specimen that was machined composite materials surrounding the outside of GFRP cylinder. The Amplitude of acoustic emission signal gets bigger as the cutting angle of knife increases. Accordingly, the number of hits in destruction of composite materials specimen have more in longitudinal direction (longitudinal direction to the glass fiber) than in hoop direction (horizontal direction to the glass fiber) while the amplitude of signals were bigger in hoop direction than longitudinal direction. It was found out that the amplitude of the glass fiber breakage is more than 40 dB and that the amplitude of signal for matrix crack was less than 40 dB because matrix crack signal was not observed when threshold value is 40 dB and matrix crack signal suddenly appered when threshold value is 32 dB. The slope of the amplitude is related to the acoustic emission source and the slope of the amplitude of the horizontal and vertical directions are 0.16 and 0.08. In particular, The slope of the amplitude of longitudinal direction breakage appear similar to the glass fiber breakage and therefore Acoustic emission source of longitudinal direction breakage is estimated the glass fiber breakage.

콘크리트 보강용 유리섬유/마섬유 복합재료 보강재료의 인장특성 평가

오리온 ( Ri-on Oh ),전지홍 ( Ji-hong Jeon ),박찬기 ( Chan-gi Park ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

본 연구의 유리섬유/마섬유 복합재료 보강재의 인장특성을 평가하여 콘크리트 구조물의 적용가능성을 평가하는 것이다. 본 연구에서는 천연마섬유는 실란으로 표면을 코팅하지 않았을 때와 실란으로 처리하였을 때를 비교하여 실험을 진행하였다. 천연마섬유의 실란처리 방법은 다음과 같다. 1) 메탄올 : 증류수 = 95:5(무게비) 공용매를 제조한다. 2) 실란커플링제를 0.8wt%희석하고, 2) 아세트산을 사용하여 PH 4.0에 고정시키고 1시간 가수분해하여, 3) 상온에서 완전 건조시켰다. 유리섬유와 천연마섬유, 비닐에스터수지의 비율은 각각 70:0:30, 49:21:30, 35:35:30, 21:49:30, 0:70:30으로 결정하였다. 그러나 실란처리를 하지 않은 보강재의 경우 천연마섬유 70%로 들어가고 30%로가 비닐에스터 수지로 구성되는 경우 수지함침에 문제가 발생하여 제조가 불가능하였다. 보강재료의 생산은 압출성형과 블레이딩공정을 결합한 형태의 생산시스템을 이용하여 제조하였다. 인장특성은 ACI 440K에 의한 인장시험을 실시하였다. 유리섬유/천연마섬유 복합재료 보강재 인장시험 결과 천연마섬유 혼입률이 감소할수록, 유리섬유의의 혼입률이 증가할수록 인장강도는 증가하는 경향을 보였다. 또한 실란처리가 된 바이오 복합재료 보강재의 인장강도가 실란처리를 하지 않은 복합재료와 비교하여 인장강도가 크게 나타났다. 이와 같은 이유는 실란처리를 매트릭스 수지의 섬유의 함침을 도와 바이오 복합재료 보강재 제조시 수지와 섬유와의 사이의 부착계면을 강화하는 효과가 있기 때문이다.

GFRP 관로의 재료 특성에 관한 실험적 연구

한택희,김성남,강영종,윤기용,Han, Taek-Hee,Kim, Sung-Nam,Kang, Young-Jong,Yoon, Ki-Yong 한국방재학회 2004 한국방재학회논문집 Vol.4 No.2

최근 항공기, 자동차 등에 사용되어왔던 복합재료가 그 사용 영역을 넓혀 교량 상판, 상하수도용 관로 등에 적용되고 있다. 이러한 복합재료의 주요 장점은 고강도, 경량성, 그리고 뛰어난 내부식성으로 기존의 재료에 비해 많은 장점을 갖고 있으나, 이러한 재료의 정확한 특성 파악 및 이를 사용한 구족물의 거동의 정확한 분석의 어려움으로 복합재료의 적용이 활발히 이루어지지 못하고 있는 실정이며, 이러한 요인이 복합재료를 토목구조물에 적용하는데 가장 큰 제한요소로 작용해 왔다. 본 연구에서는 복합재료 구조물의 해석을 위한 사전 연구로서, 현재 국내에서 사용되고 있는 GFRP 관로에 대한 재료특성 실험을 수행하여, 각각의 구성 적층재료별 재료 특성 및 전체 적층판에 대한 재료특성을 제공한다. Recently, the composite material becomes more popular and its usage is kept expanding from aerospace to civil structures such as bridge decks and irrigation and drainage pipes. The major cause for the popularity can be found in its high strength, light, and excellent anticorrosive properties. Nevertheless the methods to accurately predict and analyze its structural behavior are extremely limited. This has been the major reason circumventing more prevalent use of the composite materials in civil structures. This study is a pre-study to develop the analyzing models for accurate prediction of the composite material structures. Thus, various tests were performed for GFRP pipes to estimate material characteristics of GFRP in this study. And stress-strain relation of GFRP was suggested as a bilinear relation.

기지재의 가교밀도에 따른 유리섬유 복합재료의 염수노화 후 계면 및 기계적 물성

신평수 ( Pyeong-su Shin ),김종현 ( Jong-hyun Kim ),백영민 ( Yeong-min Baek ),박하승 ( Ha-seung Park ),권동준 ( Dong-jun Kwon ),박종만 ( Joung-man Park ) 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.5

복합재료 기지재의 화학적 조성을 다르게 했을 때 염수처리 후 복합재료의 상태 및 물성을 파악하였다. 기지재는 2가지 종류의 에폭시 기지재와 3가지 종류의 경화제(아민계, 산 무수물계, 그리고 아마이드계) 이용하여 기지재의 유연성을 조절하였다. 각 복합재료에 염수 가속화 실험을 위해 염화나트륨 6 wt% 조건에 60℃ 가하여 0, 15, 30일 처리하였다. 처리 후에 복합재료의 단면적을 관찰하였고, 기계 및 계면 평가를 실시하였다. 아민계를 이용한 복합재료의 가교밀도, 기계 및 계면 물성이 가장 좋은데 반해, 수분흡수율은 가장 작은 것을 확인하였다. 이는 물분자가 유리섬유와 다른 가교밀도의 에폭시 기지재간의 계면으로 침투가 어렵기 때문이다. 이는 복합재료가 염수에 잘 견딜 수 있는 요인으로 작용할 수 있다. Condition and properties of composites with different chemical structure of epoxy matrix were observed after saline solution treatment. Epoxy was used as matrix and the flexibility was controlled by using 2 typed-epoxies and 3 types hardeners (amine, acid anhydride and amide). Saline water treatment was conducted with 6 wt% NaCl solution at 60℃ for 0, 15, and 30 days. Cross section was observed and interfacial and mechanical and properties was evaluated. Amine type exhibited the highest crosslinking density and mechanical and interfacial properties whereas water absorbance was lowest. It is because that the water molecules can be hardly penetrate into the epoxy matrix or the interface between epoxy and glass fiber and it leads to saline water resistance of composites.

Capillary 특성을 활용한 섬유 조건에 따른 유리섬유강화 복합재료의 함침성 및 계면강도 평가

김종현 ( Jong-hyun Kim ),권동준 ( Dong-jun Kwon ),박종만 ( Joung-man Park ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.5

섬유강화복합재료의 기계적물성은 섬유의 체적분율 및 사이징제 조건에 의한 계면강도에 영향을 받는다. 최적의 계면은 기지층에서 강화재로의 기계적 응력을 효과적으로 전달하여 응력 집중을 완화하고 결과적으로 복합재료의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 사이징제 조건 및 섬유체적분율에 따른 에폭시 수지와 유리섬유 간의 젖음성 및 계면강도를 평가하였다. 정적 및 동적접촉각을 이용하여 사이징제가 다른 유리섬유와 에폭시 수지의 표면에너지를 계산하였고, 이를 활용하여 접착일을 계산하였다. 유리섬유 토우 캐필러리 시험법을 이용하여 젖음성을 평가하였고, 마이크로드롭렛 인발시험을 통해 계산된 계면전단강도를 이용하여 계면강도를 평가하였다. 최종적으로 젖음성과 계면강도를 활용하여 최적의 유리섬유강화 복합재료 제작 조건을 확인하였다. Mechanical properties of fiber reinforced composites were affected to fiber volume fractions (FVF) and interfacial property by sizing agent conditions. An optimum interface can relieve stress concentration by transferring the mechanical stress from the matrix resin to the reinforcements effectively, and thus can result in the performance of the composites. The interfacial properties and wettability between the epoxy resin and glass fiber (GF) were evaluated for different sizing agent conditions and FVFs. The surface energies of epoxy resin and different sizing agent treated GFs were calculated using dynamic and static contact angle measurements. The work of adhesion, W_α was calculated by using surface energies of epoxy matrix and GFs. The wettability was evaluated via the GF tow capillary test. The interfacial shear strength (IFSS) was evaluated by microdroplet pull-out test. Finally, the optimized GFRP manufacturing conditions could be obtained by using wettability and interfacial property.

연속 유리섬유 강화 폴리유산 복합재료의 제조 및 물성

노정우 ( Jeong U Roh ),이우일 ( Woo Il Lee ) 한국복합재료학회 2013 Composites research Vol.26 No.4

본 연구에서는 연속 유리섬유 강화 폴리유산 복합재료를 직접함침방법을 이용하여 제조하였고, 이의 기계적 열적 물성이 고찰되었다. 프리프레그의 물성은 기존의 알려진 폴리유산의 물성과 사출 성형으로 제조된 유리섬유 강화 폴리유산 복합소재와 비교 평가되었으며, 섬유체적분율 27.7% 를 갖는 연속 유리섬유 강화 폴리유산 복합재료의 인장응력, 굽힘응력, 굴곡탄성율은 각각 331.1 MPa, 528.6 MPa, 24.0 GPa의 향상된 값을 보였다. 또한 향상된 열변형 온도와 결정화도가 확인되었다. 생산속도에 따른 함침도가 고찰되었고, 그 결과 본 연구에 사용된 공정조건에서는 분당 5 m의 섬유당김속도에서 함침도 90% 이상의 연속 유리섬유 강화 폴리유산 복합재료를 제조가능하였다. The continuous glass fiber reinforced poly-lactic acid (PLA) composite was manufactured by direct melt impregnation. The mechanical and thermal properties of continuous glass fiber reinforced PLA composite were observed. Measured properties were compared with the reference values of neat PLA and the injection molded glass fiber/ PLA composite. The continuous glass fiber reinforced PLA composite having a fiber volume fraction of 27.7% shows enhanced tensile strength of 331.1 MPa, flexural strength of 528.6 MPa, and flexural modulus of 24.0 GPa. The enhanced heat deflection temperature (HDT) and the increased cystallinity were also observed. The degree of impregnation as a function of pulling speed was also assessed. The degree of impregnation at the pulling speed of 5 m/min was over 90% in this research.

유리섬유/폴리카보네이트 복합재료의 기지 분자량에 따른 함침 및 기계적 물성 평가

김늘새롬 ( Neul-sae-rom Kim ),장영진 ( Yeong-jin Jang ),이은수 ( Eun-soo Lee ),권동준 ( Dong-jun Kwon ),양성백 ( Seong Baek Yang ),이정언 ( Jungeon Lee ),염정현 ( Jeong Hyun Yeum ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.1

열가소성 섬유강화 복합재료는 수송용 기기의 경량화 소재로써 적용 분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 분자량이 다른 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 연속섬유 강화 유리섬유(GF)/폴리카보네이트(PC) 복합소재의 함침성 및 기계적 물성에 대한 평가를 진행하였다. GF 직물과 PC 필름을 제조한 후, 이를 이용하여 연속가압성형법으로 연속섬유 강화 GF/PC 복합재 평판을 제조하였다. PC 분자량에 따른 용융지수를 측정 및 평가하였고, GF제직물 강화 GF/PC 복합재료의 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 및 기공체적률을 평가하였다. 전계방사형 주사전자 현미경을 이용하여 인장파괴된 GF/PC 복합재료의 형태를 분석하여 파괴거동을 확인하였다. 분자량이 20,000일 때 최적의 기계적 특성이 발현되는 것을 확인하였다. Fiber-reinforced thermoplastic composites are applied to transport industries to lightweight of body, and applications will be expanded gradually. In this study, the impregnation and mechanical properties of continuous glass fiber (GF) reinforced polycarbonate (PC) composites were evaluated with different molecular weights of PC. The continuous GF reinforced PC composite were prepared by using GF fabric and PC film via continuous compression molding method. The melting flow index and tensile strength of PC matrix were evaluated with different molecular weights. Mechanical properties (tensile, flexural, and compressive) and pore rate of GF/PC composite were evaluated with different molecular weights of PC. The fracture behavior was analyzed to fracture surface of GF/PC composite using FE-SEM images. As these results, it was condition of representing the best mechanical property that the GF/PC composite was prepared by using PC of 20,000 g/mol as matrix.

형상이 다른 나노입자 스프레이 코팅에 따른 탄소계 강화 유리섬유와 에폭시 수지간 계면강도 관찰

권동준 ( Dong Jun Kwon ),왕작가 ( Zuo Jia Wang ),최진영 ( Jin Young Choi ),신평수 ( Pyeong Su Shin ),이은선 ( En Seon Lee ),박종만 ( Joung Man Park ) 한국복합재료학회 2014 Composites research Vol.27 No.3

나노입자에 대한 복합재료 수요가 증가되면서 효과적인 나노입자 보강재를 이용한 나노복합재료 제조공정 단순화를 추구하고 있다. 본 연구에서는 나노입자를 활용하여 전도성과 계면 강도를 향상시킨 나노입자 강화유리섬유 소재에 대한 연구를 진행하였다. 탄소계 나노입자의 형상에 따른 유리섬유 표면에 흡착된 나노입자 상태를 FE-SEM으로 분석하였다. 나노입자 코팅층의 내구성을 평가하기 위한 방법으로 초음파 세척과정에 따른 나노입자의 세척 정도를 분석하여 탄소계 나노입자의 형상에 따른 나노입자 코팅층의 내구성을 분석하였다. 동적피로 실험을 통하여 나노입자 강화 유리섬유/에폭시의 계면강도를 나노입자 형상에 따른 차이에 따라 비교하였다. 나노입자 코팅층의 내구성은 단섬유 강화 복합재료시편을 이용하여 분석하였다. 겉보기 강성도 결과와 나노입자 코팅층의 전도성 변화를 분석하여 코팅층의 다기능성을 분석할 수 있었다. 판상형의 나노입자 보다는 섬유 형태의 나노입자가 유리섬유 표면에 흡착성이 용이하였다. 계면 내구성 및 안정성에 효과가 있음을 확인하였다. Manufacture of nancomposites has simple process for developing nanocomposites due to the increasing applications using nanofillers. This work studied nanofiller coated glass fiber for reinforcing material with good wetting and conductivity and the morphology of nanofiller coated glass fiber was analyzed by FE-SEM. The durability of reinforced glass fiber was investigated with different shapes of nanofillers using sonication rinsing method. Fatigue test was performed to evaluate the adhesion of reinforcing interface and stability of nanofiller coating layer for single fiber reinforced composites. Apparent modulus and conductivity of nanofiller coating layer were evaluated to realize multifunctional of nanocomposites. Fiber type of nanofiller was better than plate type due to better cohesion between fiber and nanofillers. At last, the stability of fiber type nanofiller of coating layer has better durability and conductivity than plate type case.

천연섬유 열가소성 복합재료 제조 및 특성 연구

박민구(Min-Gu Park),여서영(Seo-Yeong Yeo) 한국산업기술융합학회(구. 산업기술교육훈련학회) 2024 산업기술연구논문지 (JITR) Vol.29 No.2

본 연구에서는 보강재로 천연섬유인 황마(Jute)와 케나프(Kenaf)를 적용하고 기지재로 열가소성 수지인 폴리프로 필렌(PP)과 고밀도폴리에틸렌(HDPE)를 적용하여 천연섬유 열가소성 복합재료를 제조하였다. 천연섬유와 열가소성 수지의 계면활성화를 위해 천연섬유의 표면처리를 진행하였다. 핫프레스 공정을 적용하고자 열가소성 수지의 시차 주사 열량계(DSC)분석을 실시하였고 핫프레스 공정 조건에 따른 변화를 관찰하였다. Jute를 적용한 복합재료와 Kenaf를 적용한 복합재료의 인장강도, 굽힘강도, 수분 흡수율을 비교 분석하여 소형 선박 소재로 사용되는 유리섬유 복합재료의 대체가능성을 확인하였다. 또한 선박의 데크(Deck)에도 적용하기 위해 천연섬유 복합재료에 폴리염화비닐 폼(PVC foam)을 적용하여 샌드위치 구조 복합재료를 제조 및 분석하였다. In this study, a natural fiber thermoplastic composite material was prepared by applying the natural fibers jute and kenaf as reinforcement materials and polypropylene (PP) and high-density polyethylene (HDPE), which are thermoplastic resins, as matrix materials. The natural fibers were surface-treated to activate the interface between them and the thermoplastic resins. Differential scanning calorimetry analysis of the thermoplastic resins was performed to apply the hot-pressing process, and changes in hot-pressing process conditions were observed. The tensile and bending strengths as well as moisture absorption rate of the composite materials to which jute and kenaf were applied were compared and analyzed to confirm the possibility of replacing the glass fiber composite with the natural fiber composite for use as a small-ship material. In addition, for application to ship decks, a sandwich-structured composite material was manufactured and analyzed by applying polyvinyl chloride foam to the natural fiber composite material.