젖음성 제어를 이용한 탄소섬유/알루미늄 복합재료 제조

이용범 ( Yongbeom Lee ),박상진 ( Sangjin Park ),한준현 ( Junhyun Han ) 한국복합재료학회 2015 Composites research Vol.28 No.5

탄소섬유에 대한 액상 알루미늄의 젖음성이 매우 좋지 않기 때문에 통상적인 주조방법으로는 기공이 없는 건전한 탄소섬유/알루미늄 복합재료 제조가 어려워 이를 극복하기 위해서는 복합재료 주조 시 고온, 고압이 요구된다. 본 연구에서는 탄소섬유 표면에 무전해 도금에 의해 구리를 코팅함으로써 탄소섬유에 대한 알루미늄의 젖음성을 향상시켜 고온, 고압을 가하지 않고 액상의 알루미늄이 탄소섬유들 사이를 자발적으로 침투하여 내부기공이 매우 적은 건전한 탄소섬유/알루미늄 복합재료를 제조할 수 있었다. 제조된 탄소섬유/알루미늄 복합재료내 일부 탄소섬유 다발 안에서 미세기공이 발생하였으나 이 미세기공은 압연과 같은 후 가공에 의해 탄소섬유와 알루미늄 사이의 계면분리나 탄소섬유의 파괴 없이 효과적으로 제거될 수 있었다. 복합재료 제조 시 발생한 미세기공은 탄소섬유와 알루미늄의 젖음성 문제는 아니며 탄소섬유들 사이 공간을 효과적으로 채웠던 액상 알루미늄이 냉각되는 동안 수축으로 인해 일부 탄소섬유들 사이로부터 빠져 나가 수축공 형태의 기공이 발생한 것으로 판단된다. Carbon fiber/aluminum (CF/Al) composites were successfully fabricated without pressure casting using wettability modification of carbon fiber. The wettability of liquid aluminum on carbon fibers was enhanced through electroless plating of copper on carbon fibers. Liquid aluminum was well infiltrated into carbon fiber bundles with Cu coating layer due to low wetting angle, and a lot of pores that existed in CF/Al composite without Cu coating on CF were greatly removed. However, a few tiny pores existed in carbon fiber bundles, which is due to not bad wettability between CF and Al but shrinkage cavity that was generated during cooling of CF/Al composite. The tiny pores could be effectively removed by a subsequent rolling.

탄소섬유 점착방법을 통한 모아레 파빌리온

성우제 한국공간디자인학회 2022 한국공간디자인학회논문집 Vol.17 No.3

(연구배경 및 목적) 구축물은 사용하는 재료와 시공방법에 의해 고유한 시각적인 특성을 가진다. 이러한 시각적인 특징은 시간이 흐름에 따라 재료와 시공방법이 가지는 고유한 특성으로 자리잡는다. 최근 통섭이란 새로운 흐름 아래, 새로운 건축 재료와 시공방법이 도입되어 오고 있다. 그중 탄소섬유는 강한 인장력과 특유의 가벼움으로 인하여 운송기기 뿐 아니라 건축에도 많은 영향을 주고 있다. 이러한 새로운 재료와 시공방법을 도입함에 있어서, 과거와 같이 수동적인 자세로 재료와 시공방법이 만들어내는 시각적 증표를 받아들일 것이 아니라, 그러한 시각적인 현상 이면의 물리적 역학관계를 고찰하고, 이를 디자인적인 요소로 활용할 필요성이 있다고 생각된다. (연구방법) 최근의 유사 사례들을 살펴본바 탄소섬유를 활용하는 구축물의 설계는 공통적으로 크게 네 가지 단계를 거쳐 설계된다. 1) 탄소섬유의 물리적 특성 및 구축 방식에 대한 이해, 2) 컴퓨터를 활용한 형태 생성 및 구조 분석, 3) 탄소섬유의 장점을 극대화 할 수 있는 탄소섬유 배치 패턴의 생성, 4) 탄소섬유 구축 방식의 특성이 드러나는 형태로의 귀결. 이러한 과정을 참고하여 탄소섬유가 가지는 물리적 특성을 파악하고, 이의 장점을 극대화 시키고 단점을 상쇄시킬 수 있는 구축 방식에 대해 탐구한다. 그리고 대상지와 공간구성에 의해 파빌리온의 형태를 제안하고 이의 구조를 분석한다. 공간 구성 및 구조의 분석 결과를 기반으로 탄소섬유를 배치함으로써 탄소섬유를 활용한 파빌리온의 디자인 과정에 대하여 기술하고자 한다. (결과) 상기의 과정을 통하여 제안된 탄소섬유의 배치 패턴들 에서, 구조 분석의 결과에 의한 인장력 흐름을 읽을 수 있으며, 공간 구성에 따른 입면의 불투명도의 변화를 지각할 수 있다. 최종의 탄소섬유 배치 패턴은, 적층의 과정에서 각 레이어들이 만드는 물리적 관계에 따라 모아레 패턴을 형성함을 알 수 있다. (결론) 상기와 같이 본 논문에서는 탄소섬유 및 시공 방식의 물리적 특징을 파악하고 이를 적극적으로 활용하여 파빌리온을 디자인 하는 과정을 기술하였다. 비록 탄소섬유라는 재료는 아직은 건축물의 스케일에 적용되기 이르다고 할 수 있으나, 전통적인 건축 재료에 비해 탄소섬유가 가지는 장점이 분명하기에, 이에 대한 꾸준한 연구와 실험이 필요하다고 할 수 있다.

탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 보의 보강성능에 관한 연구

김중구,Kim Joong-Koo 한국건설관리학회 2004 건설관리 : 한국건설관리학회 학회지 Vol.5 No.6

이 연구는 같은 위치에 힘모멘트와 전단력이 최대가 되는 철근콘크리트 보에 대하여 휨모멘트 보강을 실시하는 경우, 탄소 섬유판의 두께와 하중점 부위 및 탄소섬유판의 끝부분을 감싸는 탄소섬유쉬트의 겹수를 변수로 하여 보의 구조적 거동을 실험하였다. 탄소섬유판의 두께의 증가에 따라 내력이 증가하였으나 선형적으로 비례하지 않았으며, 하중점에 감싼 탄소섬유쉬트의 영향은 뚜렷하게 나타나지 않았다 이 는 보강시험의 주된 파괴가 탄소섬유판의 파단이 아닌 하중점 주위에서의 휭-전단균열에서부터 층분리가 시작되었고 하중점을 탄소섬유쉬트로 감싼 경우 휭-전단균열 탄소섬유쉬트의 바깥 부분으로 이동하기 때문이다. 또한 탄소섬유판 단부에 정착용으로 시공한 탄소섬유쉬트는 하중점에서 발생한 취성파괴로 인하여 큰 효과를 나타내지 못하였다. 그러므로 재하상태에 따른 설계방법을 다르게 할 필요가 있으며, 특히 같은 위치에서 휨모멘트와 전단력이 최대가 되는 경우 탄소섬유판의 유효 두께는 최대 0.6mm로 하고 무보강보의 휨모멘트에 대한 보강된 보의 휨모멘트 비는 1.5-2.0으로 제한하는 것이 바람직하며, 0.6mm이상의 탄소섬유판을 사용하기 위하여 탄소섬유쉬트로 하중점을 보강하는 경우 무보강보 휨모멘트의 1.5 배가 되는 위치이상 탄소섬유쉬트를 연장하는 것이 바람직하다. Carbon fiber reinforced plastic(CFRP) plate Is one of the alterative materials for soengthening of reinforced and prestressed connote members due to excellent strength and light weight In this paper, the behavior of beams strengthened with CFRP plate and CFS(Carbon fiber sheet) is observed and analyzed from the test results. Especially specimens with thick plate is tested when large moment and large shear lone appear in same position. The main failure mode is a peeling-off of the CFRP plate near the loading points due to flexural-shear crack, Because of this failure mode, failure load is not linearly proportional to the thickness of CFRP plates. When beam is wrapped with CFS around oかy loading point it does not influence on the failure loads. Depending on the loading pattern, it is necessary to consider different design criteria for reinforced concrete members with external reinforcement. When line moment and large shear force appear in same location, maximum thickness may limit to 0.6mm and ratio between moment of strengthened beam and moment of unstrengthened beam is proposed 1.5-2.0. In order to use the plate of thicker than 6mm, CFS may be extended to the location which moment of strengthened beam is 1.5 times than moment of unstrengthened beam.

탄소섬유를 이용한 열가소성 복합재료 시트 제조 및 특성

이윤선 ( Yun Seon Lee ),송승아 ( Seung A Song ),김완진 ( Wan Jin Kim ),김성수 ( Seong Su Kim ),정용식 ( Yong Sik Jung ) 한국복합재료학회 2015 Composites research Vol.28 No.4

탄소섬유 강화 복합재료는 높은 비강도 및 비강성을 가지기 때문에 자동차 산업, 선박, 우주 항공 산업과 같은 다양한 산업 분야에 적용되어 왔으며, 수요가 점차 증가하고 있다. 탄소섬유 강화 복합재료에는 기지재로 주로 에폭시(Epoxy)와 같이 점도가 낮고 젖음 특성이 우수하며 강도가 양호한 열경화성(Thermosetting) 수지가 사용된다. 열경화성 수지는 우수한 물리적 특성을 나타내지만 재사용이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 재사 용이 가능한 탄소섬유 강화 열가소성 수지(Thermoplastic) 복합재료 개발 및 탄소섬유 재사용에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 열분해 방법을 사용하여 탄소섬유/에폭시 복합재료로부터 탄소섬유와 수지를 분리하여 탄소섬유를 재활용하였다. 에폭시의 분해도(Degree of decomposition)는 열중량분석기(TGA)와 시차 주사현미경(SEM)을 통해 확인하였다. 수지로부터 분리해낸 탄소섬유는 절단(Cutting)과 그라인딩(Grinding) 방법을 거쳐 탄소섬유 복합재료 시트(Sheet)를 제조하였다. 재활용 탄소 섬유로 제조된 탄소섬유 시트는 각각 다른 냉각 조건에서 결정화 엔탈피(Crystallization enthalpy)와 기계적 특성, 표면과 단면의 형태를 분석하였다. Recently, the applications of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) have become broader than ever when it comes to such industries as automotive, ships, aerospace and military because of their lightweight-ness and high mechanical properties. Thermosetting plastics like epoxy are frequently used as the binding matrix in CFRPs due to their high hardness, wetting characteristics and low viscosity. However, they cannot melted and remolded. For this reason, thermosetting plastic wastes have caused serious environmental problems with the production of fiber reinforced plastics. Thus, many studies have focused on the carbon fiber reinforced thermoplastics (CFRTPs) and recycling carbon fiber. In this study, recycled carbon fiber (RCF) was prepared from CFRPs using a pyrolysis method, which was employed to separate resin and carbon fiber. The degree of decomposition for epoxy resin was confirmed from thermal gravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscope (SEM). The RCF was cut and ground to prepare a carbon fiber composite sheet (CFCS). CFCS was manufactured by applying recycled carbon fibers and various thermoplastic fibers. Various characterizations were performed, including morphological analyses of surface and cross-section, mechanical properties, and crystallization enthalpy of CFCS at different cooling conditions.

탄소섬유판(CFRP Strip)으로 보강된 철근콘크리트 부재의 파괴거동 및 휨 거동 특성

임동환(Lim Dong Hwan),박성환(Park Sung Hwan) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 A Vol.28 No.2A

본 연구는 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 거동특성 및 파괴양상을 규명하고 또한 탄소섬유판 부착탈락 거동을 규명함에 그 목적이 있다. 이를 위하여 탄소섬유판의 형상, 섬유판 부착길이, 부착면적 등의 다양한 변수를 포함하는 실험연구가 수행되었으며, 초기 부착균열이 발생되는 부착탈락 기구를 규명 하였다. 본 실험결과 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성은 보강되지 않은 보에 비해 현저하게 개선되며 최대 극한강도 증진율은 120% 이상인 것으로 나타났다. 또한 탄소섬유판 탈락 시 측정된 탄소섬유판의 인장변형율은 탄소섬유판의 극한 변형율의 36%에 해당되는 것으로 나타났으며, 탄소섬유판의 부착길이가 충분 할수록 보는 휨 균열로 야기되는 탄소섬유판의 계면 부착탈락으로 파괴됨을 알 수 있었다. 탄소섬유판의 계면부착탈락은 휨을 받는 구역에서 시작되어 보의 양 끝단으로 급격하게 전파되는 취성적인 파괴를 유도하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 탄소섬유판의 유효응력에 근거하여 탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 부재의 휨 강성을 계산하였으며, 이는 실험결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. The purpose of this study was to examine the flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with CFRP strips. A total of 12 rectangular beams were tested. Test variables in this study were the shapes, bonded length and the number of longitudinal layers of CFRP strips. From the experimental study, flexural capacity of the beams strengthened with CFRP strips significantly increased compared to the reinforced concrete beam without a CFRP strip. Maximum increase of ultimate strength was found about 120% more than the control beam. In this test, most of the strengthened beams failed suddenly due to the debon ding of CFRP strips. It is also observed that the debonding of the strip was initiated in the flexural zone of the beam and propagated rapidly to the end of the beam. The ultimate tensile strains of CFRP strips in this test were occurred at the level of 36% of rupture tensile strength of the CFRP strip, and an analytical approach to compute the flexural strength of reinforced beams strengthened with CFRP strips based on the effective stresses was conducted..

다양한 사이징제가 반응중합에 의해 제조된 나일론 6/탄소섬유 복합체의물성에 미치는 영향

박하늘,이학성,허몽영 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.6

In order to improve the interfacial bonding force and reaction polymerization degree of the carbon fiber reinforced nylon 6 composite material, the surface of the existing epoxy-sizing carbon fiber was desized to remove the epoxy and treated with urethane, nylon and phenoxy sizing agent, was observed. The interfacial bond strength of the resized carbon fiber was confirmed by IFSS (Interfacial Shear Strength) and the fracture surface was observed by scanning electron microscope. The results showed that the interfacial bonding strength of the carbon fiber treated with nylon and phenoxy sizing agents was higher than that of urethane - based sizing. It has been found that the urethane - type resizing carbon fiber has lower interfacial bonding strength than the conventional epoxy - sizing carbon fiber. This result shows that the interfacial bonding between carbon fiber and nylon 6 is improved by removing low activity and smoothness of existing carbon fiber. 탄소섬유 강화 PA6 복합재료의 탄소섬유-메트릭스간 계면결합력과 반응중합도 향상을 위해서 기존 탄소섬유의 에폭시 사이징제를 디사이징처리하여 에폭시를 제거한 후 우레탄계, 나일론계, 페녹시계 사이징제로 재처리해주었으며, 리사이징 처리된 탄소섬유의 표면을 관찰하였다. 리사이징 처리된 탄소섬유의 계면 결합력은 IFSS(Interfacial shear strength)를 통해서 확인하였으며, 계면 결합 강도 측정 후 파단면은 주사전자현미경을 통해서 관찰하였다. 나일론계와 페녹시계 사이징제로 처리된 탄소섬유가 우레탄계 사이징에 비해 계면 결합력이 상승한 것을 확인하였다. 우레탄계 리사이징 처리된 탄소섬유는 기존 에폭시 사이징 탄소섬유보다 계면 결합력이 감소한 것으로 확인되었다. 이 결과는 기존 탄소섬유의 저활성과 평활성을 제거하여 탄소섬유와 나일론6 사이의 계면 결합력이 향상된 것으로 판단된다.

1P-158 소프트 피치로 부터 탄소섬유 제조 및 그 특성

이선호,이송미,이병록,설용건,정두환 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

탄소 섬유는 PAN 기반 탄소 섬유와 피치 기반 탄소 섬유로 구성된다. 이중에서, 고강도 고탄성 탄소 섬유는 메조 페이스 피치를 원료로 하여 제조되고 있다. 그러나, 메조 페이스 피치계 탄소 섬유는 가격이 매우 고가인 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 소프트 피치로부터 저 비용의 등방성 피치계 탄소 섬유가 새로운 대안으로 제시되고 있다. 탄소섬유의 성능과 비용이 적절하게 균형잡힌, 새로운 유형의 생산 방법이 필요한데, 다양한 탄소 섬유 중에서 등방성 피치 기반 탄소 섬유는 이 문제를 해결하는 주요한 방법이다. 콜타르 와 PFO를 함께 공탄화하고자 한다. 콜타르를 전구체로 선택하여 PFO와 5/5의 중량비로 혼합 가열하였다. 상압 열처리와 가압 열처리는 각각 340°C에서 2 시간 동안 질소분위기에서 수행되었다. 탄소 섬유는 방사 가능한 석탄 타르 피치 섬유를 사용하여 안정화 및 탄화를 통해 제조되었다. PFO의 첨가량은 지방족 탄화수소 구조의 비율에 비례하여 조정된다. 방사된 섬유를 300°C에서 2 시간 동안 안정화 된 후 800°C에서 5 분 동안 탄화하였다.

미분쇄 탄소섬유가 첨가된 피치계 탄소섬유기반 기체확산층용 탄소종이 특성

함은광 ( Eun-kwang Ham ),윤동호 ( Dong-ho Yoon ),김병석 ( Byoung-suhk Kim ),서민강 ( Min-kang Seo ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.5

본 연구에서는 피치계 탄소섬유기반 탄소종이에 바인더 피치와 PAN계 미분쇄 탄소섬유를 첨가하여 저온탄화를 통해 재함침된 탄소종이를 제작하였으며, 미분쇄 탄소섬유의 첨가가 탄소종이의 기계적 및 전기적 특성과 열전도도에 미치는 영향을 알아보았다. 실험 결과, 인장강도는 미분쇄 탄소섬유 함량 10 wt.%부터 20 wt.%까지 첨가하였을 때 크게 증가하였다. 또한, 미분쇄 탄소섬유 함량이 증가함에 따라 계면접촉저항은 감소하였으며, 전기전도도 및 열전도도는 증가하였다. 이러한 결과는 미분쇄된 탄소섬유의 첨가가 탄소종이의 밀도를 증가시킴에 따라 전기적 및 열적 전달 경로가 형성되었기 때문이라고 판단된다. In this work, the pitch-based carbon paper (P-CP) was prepared by re-impregnating of binder pitches and PAN-based milled carbon fibers (MCF) at low temperature carbonization process. The influence of MCF content on physicochemical properties of MCF/P-CP was investigated. As a result, the tensile strength of MCF/P-CP was increased sharply from 10 wt.% to 20 wt.% of MCF. Also, the increase of MCF content led to the decrease of interfacial contact resistivity and the improvement of electrical and thermal conductivity of MCF/P-CP. These results were probably due to the increase of density of MCF/P-CP, resulting in the formation of electrically and thermally conductive paths of the carbon paper.

이산화탄소 활용 촉매 열분해를 통한 폐섬유의 고부가 가치화

권도희 ( Dohee Kwon ),정성엽 ( Sungyup Jung ),이상윤 ( Sangyoon Lee ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

합성 섬유의 발명 이후 우리의 삶의 질은 향상되었다. 그러나 합성 섬유는 생분해성이 없고 업사이클 및 재활용이 어려우므로 누적 생산량과 처리량은 중요하다. 섬유를 세탁하는 과정에서 신흥 오염물로 간주하는 미세 플라스틱이 환경으로 방출된다. 미세 플라스틱의 공급원 감소를 위한 수단으로 이 연구는 폐섬유를 부가가치 제품으로 전환하는 신속한 처리 플랫폼을 제안한다. 이를 위해 폐섬유의 촉매 열분해를 수행했으며 더욱 환경 친화적인 공정을 위해 폐섬유 열분해의 원료로 이산화탄소를 사용했다. 이산화탄소 환경에서 폐섬유의 열분해 결과, 합성 가스와 메탄이 생성되었으며 이산화탄소는 폐섬유의 열분해로 인해 발생한 휘발성 화합물과의 기상 반응을 통해 추가적인 일산화탄소를 생성했다. 반응 속도를 촉진하여 더 많은 양의 합성 가스를 생성하기 위해 코발트 기반 촉매를 이용하여 촉매 열분해를 수행했다. 이산화탄소를 이용한 비촉매 열분해보다 촉매 열분해는 수소와 일산화탄소의 생산량이 각각 3배와 8배 더 높았다. 또한, 이 공정은 촉매 비활성화를 억제했으며 80 wt. % 이상의 폐섬유를 합성가스와 메탄으로 전환했다. 이산화탄소를 원료로써 사용하여 일산화탄소를 더 많이 생성할수록 벤젠 유도체 및 다환방향족 탄화수소와 같은 유해 화학종의 형성을 최소화하는 효과적인 수단을 제공한다.

표면매입 및 외부부착탄소섬유판으로 보강된 철근콘크리트 기둥의 파괴 거동 실험 연구

임동환 한국콘크리트학회 2020 콘크리트학회논문집 Vol.32 No.1

본 연구는 탄소섬유판 및 탄소섬유시트로 보강된 콘크리트 기둥의 역학적 거동 및 파괴특성 등을 규명함에 목적이 있다. 이를 위하여, 본 연구에서는 탄소섬유시트, 탄소섬유판 표면부착 및 표면매입으로 보강된 콘크리트 기둥 부재를 18개 제작하였으며, 이에 대한 일축 압축 시험을 시행하였다. 실험 결과, 표면매입탄소섬유판으로 보강된 기둥은 극한강도가 현저히 증가되며, 보강하지 않은 기둥보다 128 %의 보강 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 매입탄소섬유판 혹은 탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 기둥은 보강되지 않은 철근콘크리트 부재보다 선형구간이 확대되며, 극한하중이 크게 증진되는 것으로 나타났다. 매입탄소섬유판으로 보강된 기둥은 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어할 수 있지만, 표면에 부착한 탄소섬유판은 연직 방향으로 발생하는 균열을 충분히 제어하지 못하며 탄소섬유판이 콘크리트 계면에서 분리되는 취성 파괴가 나타났다.