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.

PET 섬유의 보강효과에 관한 실험적 연구

하상수,Ha, Sang-Su 한국구조물진단유지관리공학회 2017 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.21 No.5

Although the strength of polyethylene terephthalate (PET) fibers which are generally used to make plastic bottles is low, the deformability of PET fibers is substantially high. Due to these material characteristics, a PET fiber can be used as a reliable strengthening material to resist a large deformation caused by earthquake and research pertinent to application of PET fibers is actively conducted in Japan. Therefore, in this study, experiments have been carried out to investigate the lateral confinement effect of PET fibers and to assess the applicability of PET fibers to construction fields by comparing the strengthening effect of PET fibers to that of carbon and glass fiber sheets. For this purpose, concrete cylinder specimens with parameters of different concrete strength and strengthening layers of carbon fiber sheets, glass fiber sheets, and PET fibers were respectively tested using two sets of cylinders for each parameter. As a result, specimens strengthened with carbon fiber sheets and glass fiber sheets failed due to sudden decrease of strength as with existing studies. However, specimens with PET fibers reached their maximum strength and then failed after gradual decrease strength without failure of PET fibers. In addition, although the strength of specimens with PET fibers did not significantly increase in comparison with that of specimens with carbon fiber sheets and glass fiber sheets, specimens with PET fibers indicated considerable deformability. Thus, a PET fiber can be considered as an effective strengthening material. 비닐용기 등에 주로 사용되는 PET 섬유는 강도는 아주 작은 반면, 변형성능에는 아주 우수하기 때문에 지진 발생시 구조물의 대변형에 효과적으로 저항할 수 있는 보강재료로 사용가능하며, 일본에서는 이미 PET 섬유를 이용한 연구를 진행하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PET(polyethylene terephthalate) 섬유의 횡구속 효과를 파악하고, PET 섬유의 보강효과와 기존에 사용해왔던 탄소섬유시트 및 유리섬유시트의 보강효과를 비교함으로써 PET 섬유의 현장적용성 여부를 파악하기 위한 것이다. 이를 위해 무근 콘크리트 공시체에 탄소섬유시트와 유리섬유시트 및 PET 섬유 등으로 구분하고 각각에 대해 콘크리트 강도와 보강겹수를 달리하여 실험체 별로 각각 2개씩 동일하게 제작하여 실험을 실시하였다. 실험결과, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강된 실험체는 기존연구결과들과 마찬가지로 시트가 파단된 후 급격한 내력저하로 최종파괴 되었다. 그러나 PET로 보강한 실험체들은 PET 섬유가 파단되지 않고 최대 강도 이후 급격한 내력저하 없이 서서히 감소되면서 최종파괴 되었다. 또한, 탄소섬유시트 및 유리섬유시트로 보강한 실험체에 비해 강도증진 효과는 크지 않았으나, 연성측면에서는 매우 우수하게 나타나 향후 보강재료로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

탄소섬유시트(Carbon Fiber Sheets)로 구속된 원형 콘크리트 충전 기둥의 거동 평가

임성묵 ( Lim Sung Mook ),박진영 ( Park Jin Young ),이경훈 ( Lee Kyoung Hun ),홍원기 ( Hong Won Kee ),김희철 ( Kim Hee Cheul ) 한국구조물진단유지관리공학회 2004 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.8 No.2

본 연구에서 탄소섬유시트로 구속된 원형 콘크리트 기둥의 축 거동에 관한 연구는 진행되었다 탄소섬유시트로 구속된 원형 콘크리트 기둥(시험체 18개, 시험체 높이 600mm, 직경 300mm)은 점진적으로 증가하는 축하중 하에 실험하였다. 실험 변수로는 탄소섬유시트의 장수(겹수), 탄소섬유시트의 적층 시 방향, 탄소섬유시트 내부 주름 설치 유무이다. 탄소섬유시트로 구속된 콘크리트는 강도 및 연성의 탁월한 향상을 보였다. In this study, the experimental investigations of axial behavior on circular concrete columns confined by carbon fiber sheets are presented. Eighteen large-scale 600mm tall by 300mm diameter circular columns confined by carbon fiber sheets are tested under monotonically increasing axial loading. The variances for experiment are thickness of carbon fiber sheets, orientation of carbon fiber sheets and with/without corrugations inside the carbon fiber sheets. Excellent improvement of strength and ductility of concrete columns is achieved by confining concrete core with carbon fiber sheets.

온도상승에 따른 탄소섬유시트 보강 콘크리트보의 계면응력

최형석,김성도,정진환 한국구조물진단유지관리공학회 2008 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.12 No.6

본 논문은 탄소섬유시트로 하면을 보강한 콘크리트 보에서 온도가 상승함에 따라 서로 다른 선팽창계수를 가지는 콘크리트와 탄소섬유시트 사이에 계면전단응력이 발생함으로 부착강도 평가 시 이를 고려하여야 함을 기술하고 있다. 선형탄성거동을 가정한 계면전단응력의 이론식과 모형 보의 온도변화실험을 통하여 변형률을 측정한 결과를 비교함으로써 이론해의 적용성을 확인하였으며, 이론식으로부터 30℃의 온도변화가 발생하는 경우 탄소섬유시트 부착계면에서 최대 0.91MPa의 전단응력이 발생되는 것으로 조사되었고 변화량이 10℃인 경우에서도 에폭시에 의한 부착강도의 10~15%의 응력이 추가적으로 발생하는 것으로 나타났다. 그러므로 탄소섬유시트로 콘크리트 구조물을 보수, 보강하는 경우 부착강도 평가 시 온도의 영향이 고려되어야 하며, 온도변화에 따른 장기간의 거동을 평가하는 노력이 필요한 것으로 판단된다. Carbon fiber reinforced polymer(CFRP) can be bonded to the soffit of a concrete beam as a means of repairing and strengthening the beam. In such beams, materials, concrete and carbon fiber sheets, are different in coefficient of thermal expansion. Consequently, interfacial shear stresses can be increased and debonding failure may occur at the plate ends due to temperature rising. This paper presents a method of approximate closed-form solutions for the interfacial shear stresses and conducts a beam test to compare the numerical results. In case of temperature rising over 30℃, interfacial stress of 0.91MPa is occurred at the end of sheet. Therefore, using carbon fiber sheet for strengthening the concrete beam, it is necessary to consider the thermal effects and to evaluate the long time behavior of the concrete beam by temperature change.

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.

광섬유 매립 탄소섬유시트의 Brillouin-OTDR 변형률 응답 분석

김병철,정규산,박준석,박기태 한국복합신소재구조학회 2018 복합신소재구조학회논문집 Vol.9 No.3

탄소섬유는 인장강도와 내구성이 우수하므로 구조물의 표면에 탄소섬유시트를 부착하는 보강공법은 콘크리트 구조물의 보수 및 보강에 사용되는 대표적인 방법이다. 그러나 탄소섬유시트 부착공법은 시공 후 보강성능의 확인이 어려운 단점이 있다. 탄소섬유시트에 광섬유를 매입하여 계측이 가능한 보강재로 사용하는 경우 미부착이나 탈락된 부위를 찾아내어 구조물의 보강수준을 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 제작된 센싱보강재의 기본적인 가능성을 확인하기 위해 센싱보강재의 크기와 매립된 광섬유의 간격을 변인으로 두고 센싱보강재 실험체를 제작하였다. BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)을 사용하여 시편의 변형에 따른 광섬유의 산란광으로부터 변형률을 계측하고 응답을 분석하였다. 분석 결과로부터 보강수준 정량화를 위한 센싱보강재의 적용성 및 BOTDR의 최소요구성능을 확인하였다. Carbon fiber has high tensile strength and durability, and the reinforcement method of attaching the carbon fiber sheet to the surface of the structure is a typical method used for repairing and reinforcing a concrete structure. However, it is difficult to confirm the reinforcing performance after the construction. If an optical fiber is pre-embedded in the carbon fiber sheet and using it as a sensor, it will be possible to evaluate the reinforcing performance of the structure by finding detachment and separation. The object of this study is to confirm the basic feasibility of proposed sensing type reinforcement material. The optical fiber-embedded carbon fiber sheet specimens of variable size, optical fiber spacing are manufactured. Brillouin scattering of the optical fiber according to the deformation of the specimen is measured using BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) and the strains responses are analyzed. From the results, the applicability of the sensing type carbon fiber sheet and the minimum requirements of the BOTDR are confirmed.

단조 반복하중 하의 탄소섬유시트 보강 RC보의 거동에 관한 연구

박정용,김성도,조백순,정진환 한국구조물진단유지관리공학회 2006 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.10 No.4

본 연구는 탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 보에 정적하중과 반복하중이 작용할 때의 거동을 다루고 있다. 탄소섬유시트로 보강된 RC보의 정적실험 결과를 기준으로 반복하중 실험을 수행하였다. 반복하중 실험의 변수는 탄소섬유시트 겹수, 단부 U밴드 유무, 반복하중 재하속도 등이 있다. 실험결과를 통해 단조증가하중과 반복하중 하에서의 에너지 소산량과 휨 강성의 변화, 연성특성, 강도특성, 휨 거동 등을 고찰하며, 또한 탄소섬유시트의 파단변형률을 평가하였다. 본 연구에서는 반복하중 실험 결과를 바탕으로 탄소섬유시트로 보강된 RC보의 정적 및 동적 휨 보강 해석 및 설계에 필요한 기초자료를 제시하고자 한다. This study deals with the response of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber sheets. Test beams are subjected to static loading and repeated loading. Based on the static test results of the RC beams strengthened with carbon fiber sheets, repeated loading tests are performed. The variables of repeated loading test are composed of the number of carbon fiber sheets, the existence of U-shaped band at the end for anchoring, and loading rate of repeated loading, etc. Test results show the flexural behavior, the characteristics of strength, the characteristics of ductility, the change of flexural rigidity, and the amount of energy loss of RC beams under monotonic incremental loading and repeated loading. The failure strain of carbon fiber sheets is also estimated under repeated loading. From the experimental results, this work presents a basis of the data needed to analyze and design the static and dynamic flexural response of RC beams strengthened with carbon fiber sheets.

탄소섬유시트로 횡보강된 콘크리트 공시체의 거동에 관한 해석적 연구

이정훈,송기준,박성수 부산대학교 생산기술연구소 2001 生産技術硏究所論文集 Vol.60 No.-

이 연구의 목적은 해석을 통하여 축압을 받는 CFS 횡보강 콘크리트의 비선형 거동 특성을 파악하는 것이다. 해석은 범용 비선형 유한요소 프로그램인 ANSYS를 사용하였고, 해석의 중요한 인자는 콘크리트의 압축강도, 그리고 구속을 위한 탄소섬유시트의 보강량이다. 탄소섬유시트와 콘크리트 실린더는 각각 쉘 요소와 입방체 요소로 모델링하고, 두 이질 재료의 접촉면은 완전부착이라고 가정하여 연성자유도(coupled degrees of freedom)를 사용하여 모델링하였다. The purpose of this study is to research the nonlinear behavior characteristic of the concrete cylinder confuted by the CFS(Carbon Fiber Sheet) under the compression. The analysis was performed with Ordinary Nonlinear Finite Program, ANSYS. The major variables of the analysis are the compressive strength and the number of CFS for confinement. The CFS and the concrete cylinder is modelled using the shell element and solid element respectively. And the contact surface was modelled for coupled degrees of freedom.

탄소섬유쉬트로 보강된 RC 보의 유한요소해석

한상호,이경동 한국전산구조공학회 2003 한국전산구조공학회논문집 Vol.16 No.1

탄소섬유쉬트는 경량, 고강도, 우수한 내식성, 그리고 간편한 시공성 때문에 많은 종류의 철근콘크리트 부재의 보강에 사용되고 있다. 그러나 탄소섬유쉬트에 의해 보강된 철근콘크리트 부재의 파괴거동은 탄소섬유쉬트와 콘크리트 표면의 부착특성에 따라 크게 달라진다. 본 연구에서는 탄소섬유쉬트와 콘크리트 사이의 경계면에 링크요소를 이용함으로써 탄소섬유쉬트와 콘크리트 사이의 부착거동의 변화를 고려한 부착응력-미끄럼 모델을 제안하였다. 또한 이 방법의 유효성을 알아보기 위하여 탄소섬유쉬트로 보강된 철근콘크리트 보의 파괴거동에 대한 해석을 실시하여 실험결과와 비교하였다. 그 결과 본 연구에서 제안된 모델을 이용한 해석결과는 실험결과와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다. Carbon fiber sheet has been used to rehabilitate many types of reinforced concrete members with its superior characteristics such as their lightweight, high strength, corrosion resistance, and easy execution. But the failure behavior of reinforced concrete members show a high variation by the bond characteristics between carbon fiber sheet and concrete surface. In this study, a bond stress-slip model, which accounts for changes in bonding behavior between concrete and carbon fiber sheet with some link elements, is proposed. The link elements are used to represent the concrete-carbon fiber sheet interface. To investigate the efficiency of this method, the analytical solutions for the behavior of reinforced concrete beam strengthened with carbon fiber sheet are compared with experimental ones. Results from the proposed model comparatively well agree with the experimental results.

탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 거동

김성도,Kim, Seong-Do 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.2

탄소섬유시트로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 거동을 조사하기 위해 하나의 기준보와 8개의 보강보(4개의 NU-보강보, 4개의 U-보강보)에 대한 휨 실험을 수행하였다. NU-보강보는 단부에 U 밴드를 적용하지 않은 보를, U-보강보는 U 밴드를 가진 보를 의미한다. 보강보 실험에서의 실험변수들은 탄소섬유시트의 보강겹수, U 밴드의 적용유무등이 있다. U 밴드를 가진 보강 시스템은 섬유시트의 계면박리 파괴를 지연시키고, U 밴드가 없는 보강시스템보다 나은 연성거동을 나타내 보였다. NU 보강보와 U 보강보 모두에서 섬유시트 겹수의 증가에 따라 최대하중과 휨 강성은 증가하였다. 실험결과들을 이론적인 비선형 휨 해석결과와 비교하였으며, 하중-처짐 선도 및 항복이전단계와 항복이후단계에서의 항복하중, 최대하중, 휨 강성 등이 잘 일치함을 확인하였다. To investigate the flexural behavior of RC beams strengthened with carbon fiber sheets, 1 control beam and 8 strengthened beams(4 NU-beams without U-shaped band and 4 U-beams with U-shaped band) are tested. The variables of experiment are composed of the number of carbon fiber sheets and the existence of U-shaped band, etc. The experimental results showed that the strengthening system with U-shaped band controls the premature debonding and provides a more ductile failure mode than the strengthening system without U-shaped band. It can be found from the load-deflection curves that as the number of fiber sheets is increased, the maximum strength and the flexural rigidity is increased. The experimental results are compared with the analytical results of nonlinear flexural behaviors for strengthened RC beam. The proposed analytical method for strengthened beams is proved to be accurate by an experimental investigation of load-deflection curve, yield load, maximum load, and flexural rigidities in the pre- and post-yielding stages.