미래모빌리티를 위한 차세대 경량구조복합재료 검토: 자기강화복합재료의 적용 가능성

김미나 ( Mi Na Kim ),장지운 ( Ji-un Jang ),이혜성 ( Hyeseong Lee ),오명준 ( Myung Jun Oh ),김성륜 ( Seong Yun Kim ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.1

미래모빌리티의 발전 기대에 따라 에너지 소비 절감에 대한 수요가 증가하고 있다. 경량구조용소재는 온실가스 배출 감소 및 에너지 효율 향상을 위한 방안으로 알려져 있다. 특히, 섬유강화복합재료(FRP, fiber reinforced polymer composite)는 뛰어난 기계적 특성 및 낮은 무게로 인해 기존 합금을 대체할 수 있는 소재로 주목받는다. 본 논문에서는, 탄소섬유강화복합재료(CFRP, carbon FRP) 및 자기강화복합재료(SRC, self-reinforced composite)의 산업 적용 및 연구 동향을 강화재, 고분자 매트릭스 및 공정에 기반하여 검토하였다. 항공분야에서 주로 활용되는 에폭시 수지 기반 오토클레이브 공법의 높은 공정단가 및 긴 제조시간을 극복하기 위하여, 속경화성 에폭시 수지를 이용한 고압수지이송성형 공정으로 CFRP가 적용된 전기자동차의 양산을 보고하였다. 또한, 탄소섬유복합재료의 재활용 이슈를 해결하기 위한 열가소성 수지 기반 CFRP 및 계면 향상 방안들이 재료 및 공정 측면에서 검토되었다. FRP의 우수한 기계적 특성을 유도하는 주요한 요인으로 알려진 완벽한 매트릭스-강화재 계면을 형성하기 위하여, 고분자 섬유에 동일한 매트릭스를 함침시킨 SRC에 대한 연구들이 보고되고 있다. 다양한 열가소성 고분자에 기초한 SRC의 물리적 및 기계적 특성들을 고분자 배향 및 복합재료 구조 측면에서 검토하였다. 또한, 고연신 폴리프로필렌 섬유 기반 SRC의 공정창 확장을 위한 공중합체 매트릭스 전략이 논의되었다. 경량구조용소재의 CFRP 및 SRC 적용은 미래모빌리티의 에너지 효율 향상에 대한 잠재적인 선택을 제공할 수 있다. Demand for energy consumption reduction is increasing according to the development expectations of future mobility. Lightweight structural materials are known as a method to reduce greenhouse gas emissions and improve energy efficiency. In particular, fiber reinforced polymer composite (FRP) is attracting attention as a material that can replace existing metal alloys due to its excellent mechanical properties and light weight. In this paper, industrial applications and research trends of carbon fiber reinforced composites (CFRP, carbon FRP) and self-reinforced composites (SRC) were reviewed based on the reinforcement, polymer matrix, and manufacturing process. In order to overcome the expensive process cost and long manufacturing time of the epoxy resin-based autoclave method, which is mainly used in the aircraft field, mass production of CFRP-applied electric vehicles has been reported using a high-pressure resin transfer molding process including fast-curing epoxy. In addition, thermoplastic resin-based CFRP and interface enhancement methods to solve the recycling issue of carbon fiber composites were reviewed in terms of materials and processes. To form a perfect matrix-reinforcement interface, which is known as the major factor inducing the excellent mechanical properties of FRP, studies on SRC impregnated with the same matrix in polymer fibers have been reported. The physical and mechanical properties of SRC based on various thermoplastic polymers were reviewed in terms of polymer orientation and composite structure. In addition, a copolymer matrix strategy for extending the processing window of highly drawn polypropylene fiber-based SRC was discussed. The application of CFRP and SRC as lightweight structural materials can provide potential options for improving the energy efficiency of future mobility.

합성곱 신경망 기반의 딥러닝을 이용한 섬유 강화 복합재료의 적층 각도 예측

홍현수 ( Hyunsoo Hong ),김원기 ( Wonki Kim ),전도윤 ( Do Yoon Jeon ),이관호 ( Kwanho Lee ),김성수 ( Seong Su Kim ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.1

섬유 강화 복합재료는 방향성을 가지고 있기 때문에 적층 순서에 따라서 구조물의 기계적인 특성은 매우 달라질 수 있다. 따라서, 상황과 용도에 따른 복합재료 구조물의 적층 설계는 필수적이다. 그러나 제작된 복합재료 구조물의 적층 각도는 제작 환경이나 구조물 형상에 따라 설계 값과 편차를 가지는 경우가 많으며, 이는 구조적 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 구조물의 신뢰성 확보를 위해서는 적층 설계 뿐만 아니라 제작된 복합재료의 적층각에 대한 분석 또한 매우 중요하다. 본 연구에서는 합성곱 신경망(Convolutional neural network; CNN) 기반의 딥러닝(Deep learning)을 이용하여 섬유 강화 복합재료의 실제 단면 이미지로부터 적층 각도를 예측하였다. 여러 적층 각도를 가지는 탄소 섬유 강화 복합재료 시편을 제작하고, 광학 현미경을 이용하여 Micro-scale로 실제 단면을 촬영하였다. 다양한 적층 각도에 따른 복합재료 시편의 단면 이미지 데이터를 이용하여 합성곱 신경망 기반의 딥러닝 모델에 대하여 학습을 수행하였다. 그 결과 높은 정확도로 실제 섬유 강화 복합재료 단면 이미지로부터 적층 각도를 예측할 수 있었다. Fiber-reinforced composites have anisotropic material properties, so the mechanical properties of composite structures can vary depending on the stacking sequence. Therefore, it is essential to design the proper stacking sequence of composite structures according to the functional requirements. However, depending on the manufacturing condition or the shape of the structure, there are many cases where the designed stacking angle is out of range, which can affect structural performance. Accordingly, it is important to analyze the stacking angle in order to confirm that the composite structure is correctly fabricated as designed. In this study, the stacking angle was predicted from real cross-sectional images of fiber-reinforced composites using convolutional neural network (CNN)-based deep learning. Carbon fiber-reinforced composite specimens with several stacking angles were fabricated and their cross-sections were photographed on a micro-scale using an optical microscope. The training was performed for a CNN-based deep learning model using the cross-sectional image data of the composite specimens. As a result, the stacking angle can be predicted from the actual cross-sectional image of the fiber-reinforced composite with high accuracy.

항공분야 복합재 산업 현황 및 발전 방향

문창모,조정미 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

항공기 복합재료 산업에서 향후 국제적인 경쟁력 확보를 위하여 국내 탄소섬유 복합재료의 개발이 절실히 필요한 사항이다. 본 기고문에서는 해외 항공 복합재 현황 및 국내 항공용 복합재 기술 동향을 나열하였으며, 항공기 개발사에서 요구되는 항공용 복합재 데이터베이스의 필요성을 기술 하였다. Domestic carbon fiber composite material is required development for international competitiveness in aircraft composite materials industry. In this paper, Analysis for the domestic and overseas aircraft composite materials status and listed for the necessity of aircraft composite materials database for aircraft manufacture.

RC보에 부착된 CFRP 플레이트의 동결융해에 의한 부착거동 연구

권규빈,이동주,김경민,권민호,김진섭 한국복합신소재구조학회 2020 복합신소재구조학회논문집 Vol.11 No.2

본 연구에서는 CFRP 복합재료 플레이트로 외부 보강된 철근콘크리트 보 구조물의 장기 거동 특성과 CFRP 복합재료 플레이트의 부착거동을 실험을 통하여 검토하였다. 장기 사용성을 고려하기 위하여 동결융해 시험법을 사용하였으며 4절점 휨 실험을 통하여 평가하였다. CFRP 복합재료 플레이트로 보강 후 동결융해를 진행한 시험체(FFCB)와 동결융해 후 CFRP 복합재료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)의 4절점 휨 실험 결과를 비교 분석하였다. LFCB 시험체가 FFCB 시험체 보다 조기에 CFRP 복합재료 플레이트의 박리가 발생하였으며, 파괴형태가 다르게 발생하였다. FFCB의 경우 콘크리트 커버가 탈락되었으며, LFCB의 경우 콘크리트의 표면의 탈락이 발생하였다. 동결융해의 영향을 받은 콘크리트 재료의 성질이 약화된 결과로 판단된다. 동결융해 실험을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19% 감소하였으며. 이에 따라 콘크리트 커버부의 인장강도도 감소한 것으로 판단된다. 콘크리트 구조물에 대한 보강의 경우사용기간 및 환경변수 등을 고려하여, 콘크리트 보강표면에 대한 정확한 상태평가가 필요할 것으로 판단된다. This study investigated the long-term behavior of reinforced concrete beam structures reinforced with CFRP (Carbon Fiber Reinfored Polymer) composite plates and the adhesion behavior of CFRP composite plates. To consider long-term usability, the freeze-thawing test was used and evaluated using a 4-point bending test. The results of the 4-point bending tests were compared between the test specimens (FFCB) subjected to freezing and thawing after reinforcement with CFRP composite plates and the test specimens (LFCB) reinforced with CFRP composite plates after freezing and thawing. The CFRP composite plates on the LFCB test specimens delaminated earlier than that of the FFCB test specimens and the fracture patterns were different. In the case of FFCB, the concrete cover was dropped, and in the case of LFCB, the surface of the concrete was dropped. It seems that the properties of the concrete materials that are affected by freeze-thawing are weakened. The compressive strength of the concrete specimens was reduced by 19% through the freeze-thawing test, and accordingly, the tensile strength of the concrete cover part was also reduced. In the actual construction site, the concrete performance should fall short of the initial design performance because of long-term use and environmental effects in the concrete structure to be reinforced. Therefore, The concrete cover or reinforcement surface should be evaluated accurately.

점진적 파손해석을 이용한 탄소섬유강화 복합재료 볼트 조인트의 파손거동 예측

윤동현 ( Donghyun Yoon ),김상덕 ( Sangdeok Kim ),김재훈 ( Jaehoon Kim ),도영대 ( Youngdae Doh ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.2

복합재료를 활용하여 설계되는 구조물은 각 부품들의 조립, 체결부를 갖게 된다. 이러한 연결 또는 조인트는 구조에서 잠재적으로 취약 부분이 될 수 있다. 복합재료 볼트 조인트의 파손모드는 구조 안전성을 위해 베어링 파손모드로 설계된다. 베어링 파손모드로 파괴되는 복합재료 볼트 조인트의 하중-변위 관계는 초기 파손 발생 후 비선형 거동을 보이며, 점진적인 파손을 보인다. 이러한 비선형적이고 점진적인 복합재료 볼트 조인트의 파손거동을 정확히 예측하기 위해 본 연구에서는 기존의 파손해석 모델에서 전단 손상변수 계산 과정에 수정을 수행하였다. 수정된 파손해석 모델을 이용하여 복합재료 볼트 조인트의 베어링 응력-베어링 변형률 결과를 예측하였으며, 기존 수정되지 않은 해석모델과 비교를 통해 수정된 모델의 유효성을 입증하였다. Composite structures have components and joints. Theses connections or joints can be potentially weak points in the structure. The failure mode of the composite bolted joint is designed as a bearing failure mode for structural safety. The load-displacement relation exhibits bearing failure mode shows a nonlinear behavior after the initial failure and progressive failure behavior. In order to accurately predict the failure behavior of composite bolted joints, this study modified the shear damage variable calculation process in the existing progressive failure analysis model. The results of the bearing stress-bearing strain of the composite bolted joint were predicted using the modified progressive failure analysis model, and the modified model was verified through comparison with the previous progressive analysis model.

구조 및 NVH 성능을 고려한 복합재료 서브프레임 개발

한두헌 ( Doo-heun Han ),하성규 ( Sung Ha ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

최근 환경 규제에 의하여 자동차 업계는 차량의 연비를 높이기 위해서 복합소재를 활용한 경량화 연구가 다양하게 진행되고 있다. 하지만 샤시계 부품들은 복합소재를 활용한 경량화 연구가 미진하다. 따라서 본 연구에서는 샤시계 부품 중 서브프레임에 복합재료를 활용하여 스틸 동등 수준의 강성, 강도 그리고 NVH 성능과, 50%의 경량화를 이끌어 내는 것이 목표다. 우선, 복합재료의 Damping 특성을 확인하기 위하여, 스틸과 복합재료 시편을 활용하여 고유 진동수를 1차 비교하였다. 본격적으로 서브프레임 개발에 들어가 강성, 강도를 극대화 할 수 있는 Lay-up Sequence를 제시하였고, 제작과정 중 경화에 의한 열 수축을 피할 수 있는 Lay-up Sequence를 제시하였다. 이 과정은 구조해석을 바탕으로 설계를 하였고, Modal 해석을 바탕으로 고유 진동수와 주파수 응답 그래프를 확인하였다. 설계 안을 바탕으로 프로토 타입 서브프레임을 제작하였고 단품 모달 실험을 통하여 구조해석 설계 안을 검증하였다. 나아가서 실차에 장착하여 공진점 확인 및 아이들링, 로드 노이즈 포함하여 실내 소음 진동 응답 비교를 하였고, 기존 스틸 서브프레임과 동등한 수준의 성능임을 확인하였다. 최종적으로 경량화는 기존 부품 대비 약 50% 무게 경량화 효과를 확인하였다. Recently, according to environmental regulations, the automobile industry has been conducting various research on the use of composite materials to increase fuel efficiency. However, there has not been much research on lightweight chassis components. Therefore, in this research, the purpose of this study is to apply composite materials to the sub-frame of chassis components to achieve equivalent levels of stiffness, strength, NVH performance and 50% lightweight compared to the steel sub-frame. First, the Natural frequency of steel and composite specimens was compared to the damping characteristics of composite materials. Then, in this study, the Lay-up Sequence was derived to maximize the stiffness and strength of the sub-frame by applying composite materials. And this lay-up Sequence is proposed to avoid heat shrinkage due to curing during manufacturing. This process was designed based on a FEM structural analysis, and a Natural frequency and frequency response function graph was confirmed based on a modal analysis. The prototype type composite sub-frame was manufactured based on the design and the F.E.M analysis was verified through a modal experiment. Furthermore, it was fitted to the actual vehicle to verify the natural frequency and the indoor noise vibration response, including idling and road noise. This result was confirmed to be equivalent to the steel sub-frame. Finally, the composite sub-frame weight was confirmed to be about 50% of the steel sub-frame.

복합재료 물성치 해석을 위한 재료물성치 균질화 방법에 관한 연구

이연종,박성수 대한건축학회지회연합회 2011 대한건축학회연합논문집 Vol.13 No.3

구조물의 진동으로부터 구조음장을 예측하는 수치해석법에는 유한차분법(Finite Difference Method), 유한요소법(Finite Element Method), 경계요소법(Boundary Element Method) 등이 있다. 이러한 기법은 기본적으로 해석대상 구조물의 전 주파수 해석 범위에서의 진동모드와 진폭의 산정을 필요로 한다. 이 경우 진동모드는 주파수가 증가함에 따라 기하급수적으로 늘어나기 때문에 많은 계산 시간을 필요로 함으로 층간소음 예측에 적용하기에는 많은 어려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 복합재료 개별 소재 조합에 따른 복합재의 구조성능 예측 및 설계를 위한 기초 연구로서 수치해석을 위한 복합재료의 등가 물성치를 Rank적층 복합기법을 사용하여 제시하고, 이를 이용하여 복합재료의 특성을 예측하는 방안을 제시하도록 한다. The aim of this research is to investigate computation method for composite material with Homogenization method. Nowadays, Noise Isolation techniques using composite material plate are studied in the various fields of industry. In this paper, Structural-Acoustic Coupling analysis is performed and characteristics of result is reviewed first. after that, Using computer program with arbitrary rank microstructure, Variation on composite material properties is considered.

복합재료 바닥판의 피로성능 평가에 관한 연구

김두환,박준석,金聖弼 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.1

최근 복합재료가 교량부재 제작에 사용되는 구조재료로서 관심을 받고 있다. 이는 기존의 건설재료에 비해 경랑재료이면서 내구성과 경제성이 우수하기 때문이다. 기존의 사용 중인 교량의 바닥판은 교면포장 및 신축이음장치와 함께 교량의 다른 부재에비하여 보수 빈도와 교체주기가 짧다. 이런 교량의 노후화와 바닥판의 부식으로 인한 사용성 및 안전성의 저하는 잦은 유지,보수 관리를 필요로 하고 있다. 건설에서 구조재료로서의 복합재료 사용은 이러한 문제점에 대한 해결방향을 제시하고 있다. 교량부재의 구조재료로서 복합신소재의 장점을 최대한 반영하고 예상되는 문제점을 해결할 수 있다면 복합재료는 교량바닥판의 내구성과 수명을 획기적으로 개선하고 최소의 유지관리를 필요하게 되므로 장기적으로는 생애주기비용을 감소시킬 수 있는 구조재료로서 활용 가능하다고 판단된다. 따라서, 본 논문에서는 복합재료인 FRP바닥판 부재의 섬유 적층방향에 따른 정적 및 피로성능을 평가하였다. Recently the compound material has been interested in using the structural material as the bridge member assembly. It is the lighter material against existing construction material and has excellent durability and economy. The existing floor of bridge has its short period to repair and replace compared to other parts of the bridge with the pavement and the shoe. These deteriorations of usage and safety by aging and corrosion are needed frequent maintenance. The use of compound material as a structural member suggests solve these problems. It is determined that if the bridge member is to reflect maximum the strong points of compound new material to solve the expected problems, the compound material can improve remarkably the life and durability of bridge floor plate bringing the least maintenance and be possible to use the structural material to reduce its life cycle cost in the long term. So this thesis evaluates the static and the fatigue performance for whether there are fiber lamination direction of FRP floor plate, the compound material.

3D 프린터용 복합재료 연구 동향

오은영 ( Eunyoung Oh ),이진우 ( Jinwoo Lee ),서종환 ( Jonghwan Suhr ) 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.5

3D 프린팅 기술의 활용은 복잡한 형상의 제품을 보다 손쉽게 생산 가능하게 하며, 시간적·경제적 이점을 제공함으로써 기존 제조업의 형태를 변화시킬 차세대 핵심 제조 기술로 부상하고 있다. 그러나 순수 고분자 소재출력물의 기계적/전기적 특성 및 기능은 해당 기술의 확산에 있어 한계점으로 작용하였고, 이것은 고성능 고분자 복합재료 개발에 대한 수요로 이어졌다. 이에 본 논문에서는 고성능 3D 프린팅용 고분자 복합재료 개발의 최신연구 동향을 소개하고, 응용 분야와 가능성 및 향후 연구방향에 대해 논하고자 한다. The use of 3D printing for rapid tooling and manufacturing has promised to produce components with complex geometries according to computer designs and it is emerging as the next generation key of manufacturing. Due to the intrinsically limited mechanical/electrical properties and functionalities of printed pure polymer parts, there is a critical need to develop 3D printable polymer composites with high performance. This article gives a review on 3D printing techniques of polymer composite materials and the properties and performance of 3D printed composite parts as well as their potential applications in the various fields.

방향성 있는 감쇠재료가 삽입된 복합적충판의 진동 및 감쇠특성

김성준 ( Kim Seong Jun ) 한국복합재료학회 2003 Composites research Vol.16 No.5

복합재료에 삽입된 점탄성 재료는 복합재구조물의 감쇠물성을 크게 증가시킨다. 일반적으로 점탄성 재료는 동방성이므로 모든 방향의 감쇠물성이 동일하다. 최근 재료의 방향에 따라 감쇠물성이 변하는 이방성 감쇠재료의 개발이 요구되고 있다. 이방성 감쇠재료는 점탄성 재료 내부에 얇은 섬유를 삽입하여 제작한다. 삽입된 섬유는 댐핑재료의 강성에 큰 영향을 주며 강성은 고전 적충판 이론을 따르게 된다. 본 논문에서는 Ni와 Adams의 이론을 이용하여 손실계수를 평가하였다. 그리고 방향성 있는 감쇠재료의 영향을 평가하기위해 저속충격 거동해석을 수행하였다. 해석결과로부터 방향성 있는 감쇠재료는 복합적충판의 진동 및 감쇠특성에 큰 영향을 줌을 보였다. Emhedding viscoclmtic-damping materials into composites can greatly increase the damping properties of composite structures. Usually viscoelastic-damping materials behave isotropically so that their damping properties are the same in all directions. In these days. there is a desire to develop viscoelastic-damping materials that behave orthotropically so that damping properties vary with material orientation. These orthotropic damping materials can be made by embedding rows of thin wires within the viscoelastic materials. These wires add significant directional stiffness to the damping materials. where the stiffness variation with wire orientation follows classical lamination theory. In this paper, the loss factor of composite laminate was evaluated based on Ni and Adams` theory. To investigate the effect of directional damping material. the low-velociy impact response analysis was also performed. The present analysis results show that directional damping material has a great influence on vibration and damping characteristic of composite laminate.