나노버블수를 사용한 섬유보강복합재료의 역학성능 = Mechanical Properties of Fiber Reinforced Composites Using Nanobubble water

국문 초록 (Abstract)

이 연구에서는 배합수로 나노버블수를 사용한 섬유보강복합재료의 역학 성능 을 평가하고, 성능변화의 원인을 파악하고자 한다. 이를 위하여, PE 섬유 (Polyethylene), PBO 섬유(Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole))를 각각 1.75%, 1% 부피비로 혼입한 배합을 제작하였다. 압축강도는 나노버블수를 적용 한 배합인 G30-B-PE에서 27.4 MPa, C30-B-PBO에서 72.9 MPa로, 매트릭스 및 섬유 종류와 무관하게 각각 19 %, 1 % 증가하는 결과가 나타났다. 반면, 인장 성능은 각 배합에 따라 상이한 결과가 나타났다. G30-B-PE의 인장강도는 7.34 MPa, 인장변형률은 5.48 %로 G30-N-PE 대비 각각 6.4 %, 13.4% 감소한 반면, C30-B-PBO의 인장강도는 9.35 MPa, 인장변형률은 1.18%로, C30-N-PBO과 비교하여 각각 18.9%, 45.7% 증가한 결과가 나타났다. 이는 매트릭스 및 섬유 종류에 따른 상이한 결과이다. 이러한 현상의 원인을 파악하기 위하여, 수은압입 법을 실시하였다. C30-B-PBO에서는 C30-N-PBO 대비 총 침투부피 및 총 기 공면적이 감소하고, 겉보기밀도 및 골격밀도가 증가했다. 반면, 중간 기공 직경 및 평균 기공 직경은 증가했다. 이러한 지표들은 매트릭스의 치밀화를 나타낸다. 나노버블수는 섬유-매트릭스 계면을 치밀화시키며, 섬유 및 매트릭스의 특성에 따라 인장 거동에 차이를 보인다. 따라서 섬유보강복합재료 설계 시 재료의 특성 을 고려하여 섬유 – 매트릭스 계면을 최적화하는 것이 연성 능력 확보의 핵심임 을 확인할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study evaluates the mechanical properties of fiber-reinforced composites produced with nanobubble water as the mixing water and investigates the mechanisms governing the associated changes in behavior. PE fibers and PBO fibers were incorporated at volume fractions of 1.75% and 1.0%, respectively. The compressive strengths of the nanobubble water mixtures G30-B-PE and C30-B-PBO were 27.4 MPa and 72.9 MPa, representing increases of 19% and 1%, respectively, relative to the corresponding reference mixtures prepared with normal water, for both matrix and fiber types investigated. In contrast, the tensile behavior was mixture dependent. For G30-B-PE, the tensile strength and tensile strain capacity were 7.34 MPa and 5.48%, corresponding to reductions of 6.4% and 13.4%, respectively, compared with G30-N-PE, whereas for C30-B-PBO, the tensile strength and tensile strain capacity reached 9.35 MPa and 1.18%, indicating increases of 18.9% and 45.7%, respectively, relative to C30-N-PBO. To elucidate the origin of these contrasting behaviors, mercury intrusion porosimetry was performed. In C30-B-PBO, the total intruded volume and total pore area decreased, while the bulk density and skeletal density increased compared with C30-N-PBO; simultaneously, the median and average pore diameters increased. These microstructural indicators are collectively consistent with matrix densification and modification of the fiber–matrix interfacial transition zone. The results suggest that nanobubble water promotes densification at the fiber–matrix interface and that the resultant tensile behavior is strongly influenced by the intrinsic characteristics of both the fibers and the matrix. Consequently, in the design of FRC, tailoring the fiber–matrix interface with due consideration of constituent material properties is an effective strategy for achieving adequate tensile ductility.

목차 (Table of Contents)

• List of figures iii
• List of tables iv
• (국문초록) v
• 1. 서 론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 목적 3
• 2. 문헌 고찰 4
• 가. 섬유 보강 복합재료 4
• 1) 섬유보강 시멘트 복합재료(FRCC) 4
• 2) 고연성 섬유보강 복합재료(ECC) 6
• 나. 나노버블수 12
• 1) 나노버블수 정의 12
• 2) 나노버블 생성 원리 및 방법 13
• 다. 나노버블수 특징 14
• 1) 표면전하(제타전위) 14
• 3. 실험재료 및 방법 15
• 가. 재료 및 배합 15
• 1) 실험재료 15
• 2) 배합 및 실험체 제작 17
• 나. 실험방법 19
• 1) 압축강도 시험 19
• 2) 일축인장 실험 19
• 3) 수은 압입법 20
• 4. 실험 결과 및 분석 21
• 가. 압축강도 21
• 나. 일축 인장 거동 22
• 1) 인장 응력-변형률 곡선 22
• 2) 균열패턴 분석 25
• 다. 공극 분석 29
• 5. 결론 30
• 가. 결론 30
• 참고문헌 32
• (Abstract) 36