B4C-Al 금속복합소재의 열물성 및 중성자 흡수 특성에 대한 강화재 크기와 체적률의 영향

이동현,강민우,조은서,김정환,이상복,이상관,조승찬 한국복합재료학회 2025 Composites research Vol.38 No.6

본 연구에서는 B4C 와 Al 분말을 120 rpm으로 24시간 동안 볼 밀링(ball milling) 공정을 통해 혼합하여 분말을 제조하였고, 이렇게 제조된 분말을 SPS(Spark Plasma Sintering) 공정을 이용하여 B4C 입자가 분산된 알루미늄 금속복합소재를 제조하였다. 제조된 금속복합재료의 미세조직 및 열전도도,상대밀도,열중성자 흡수능 특성에 대해 분석하였다. 아르키메데스 밀도 측정법 통해 복합재료의 밀도를 측정한 결과 40 μm B4C 강화재가 적용된 복합소재는 상대밀도 100%를 보여 건전하게 제조되었음을 확인하였다. B4C-Al 복합소재의 경우 B4C의 낮은 열전도 특성 및 우수한 중성자 흡수 특성으로 인하여 B4C의 체적률이 높을 경우 열전도도는 감소하고, 중성자 흡수능은 증가하였다. 또한, 강화재의 크기가 증가할수록 열전도도는 증가하고 중성자 흡수능은 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 강화재 크기 및 체적률을 제어할 경우 복합소재의 물성을 제어할 수 있으며, 본 연구에서는 40μm B4C 강화재가 적용된 복합소재가 양호한 열전도도 및 중성자 흡수능을 가지는 것으로 판단되었다. In this study, B4C and Al powders were mixed via ball milling at 120 rpm for 24 hours to prepare the composite powder, and the resulting powder was used to fabricate an aluminum matrix composite with dispersed B4C particles through spark plasma sintering (SPS). The microstructure, thermal conductivity, relative density, and thermal neutron absorption properties of the fabricated composite were analyzed. The density of the composite was measured using the Archimedes method, revealing that the composite reinforced with 40 μm B4C achieved a relative density of 100%, confirming sound fabrication. For the B4C-Al composite, due to the low thermal conductivity and excellent neutron absorption characteristics of B4C, the thermal conductivity decreased while the neutron absorption capacity increased as the volume fraction of B4C increased. Additionally, as the size of the reinforcement increased, the thermal conductivity increased and the neutron absorption capacity decreased. Therefore, the properties of the composite can be controlled by adjusting the reinforcement size and volume fraction. In this study, the composite reinforced with 40 μm B4C was determined to exhibit favorable thermal conductivity and neutron absorption capacity.

탄화규소로 코팅된 탄소-탄소 복합재료의 단열 특성

서형일,임병주,신인철,배수빈,이형익,최균,이기성 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.3

This study investigates the characterization on the thermal insulation properties of silicon carbide coating on the Cf-C composites. The silicon carbide coatings by chemical vapor deposition on the C/C composites are prepared to evaluate thermal resistance. Firstly, we perform the basic insulation test by thermal shock at 1350oC in air on the C/C composite and SiC-coated C/C composite. We also performed the burner tests on the surface of the composites at high temperatures such as 1700 and 2000oC, and the weight change after burner tests are measured. The damages on the surface of C/C composite and SiC-coated composite are observed. As a result, the SiC coating is beneficial to protect the C/C composite from high temperature even though damages such as defoliation, crack and voids are observed during burner test at 2000oC. 본 논문에서는 탄화규소로 코팅된 탄소-탄소복합재료의 단열 특성을 고찰하였다. 탄소-탄소 복합재료 상에 탄화규소를 화학증착법(CVD)법으로 코팅하였다. 먼저 탄화규소로 코팅한 복합재와 코팅되지 않은 복합재에대해, 공기 중에서 1350oC의 온도를 급작스럽게 부가하였을 때의 단열특성을 서로 비교하는 연구를 수행하였다. 또한 본 연구에서는 최대 1700oC 및 2000oC의 온도에 복합재의 표면을 노출시키는 고온 버너실험을 수행하였다. 버너실험 전, 후의 무게를 측정하여 무게변화를 고찰하였다. 고온 버너실험 후 탄소-탄소 복합재 및 탄화규소로코팅된 복합재의 손상여부를 비교, 고찰하였다. 그 결과 2000oC의 온도에 노출 시 탄화규소 코팅재에서 박리, 균열, 공동 등의 결함손상들이 발견되었으나, 고온으로부터 탄소-탄소 복합재를 보호하는데 효과적이었다.

IIHS 충격해석에 근거한 구간 조합 복합재료 범퍼 빔 개발

정찬희,함석우,김경석,전성식 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.1

The aim of the current work is to characterise a piecewisely-integrated composite bumper beam based on the IIHS bumper crash protocol. IIHS bumper crash FE analysis for an aluminium type bumper beam was carried out to get the information about the dominant loading types at several regions in the bumper beam during crash. In the meantime, robust stacking sequences against tension and compression have been searched for using FE analysis of a coupon type model. After determining most effective stacking sequences for tension and compression, three-point bending simulation was preliminarily carried out to investigate the combination performance of them. Finally, IIHS bumper crash FE analysis for the piecewisely-integrated composite bumper beam, which consisted of the combination of tension effective stacking sequence and compression efficacious stacking sequence, was conducted and the result was compared with other types of composite bumper beams. It was found that the newly suggested piecewisely integrated composite bumper beam showed superior crashworthy behaviour to those of uni-modal stacking sequence composite bumper beams. 본 연구에서는 IIHS기준 범퍼 충돌해석을 통하여, 구간 조합 복합 범퍼 빔의 특성 분석하였다. 충돌 시 범퍼 빔의 5개 영역에서 지배적인 하중 유형에 대한 정보를 얻기 위해 Al 범퍼 빔에 대한 IIHS 범퍼 충돌 해석이 진행되었다. 또한, 항공우주 분야에서 빈번히 사용되는 5가지 적층순서 중, 인장 및 압축하중에 가장 효과적인 적층순서가 복합재료 쿠폰 해석을 통해 결정되었다. 이와 더불어, 결정된 두가지 복합재료의 적층순서를 적용한 복합재료 빔에 대해 3점 굽힘 해석이 수행되었다. 마지막으로, IIHS 범퍼 충돌 해석을 진행하여 구간 조합으로 이루어진 복합재료 범퍼 빔을 다른 유형의 복합 범퍼 빔과 비교하였다. 제안된 구간조합 복합재료 범퍼 빔은 단일 적층순서로 이루어진 복합재료 범퍼 빔에 비해 우수한 충돌 특성을 나타내었다.

자동 섬유 적층(AFP)을 활용한 열가소성 복합재의 공정 변수에 따른 기계적 물성 평가

성정원,최현석,권보성,오세운,이상민,남영우,권진회 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.5

In this study, the effects of the additional processing parameters on the mechanical properties of thermoplastic composites fabricated with automated fiber placement (AFP) were evaluated. Annealing and vacuum bag only processes were then performed on the manufactured thermoplastic composites, respectively. For verification, the crystallinity was measured by differential scanning calorimetry (DSC), confirming the variation of semi-crystalline thermoplastic composite according to the process conditions. The void content of thermoplastic composites was evaluated by matrix digestion method while microscopic examination confirmed the porosity distribution. The interlaminar shear strength test was conducted for three different process parameters (VBO, annealing, and no treatment). A comparison of the three tested strengths was made, revealing that the porosity value had larger effect on the mechanical properties of the thermoplastic composite compared to the degree of crystallinity. Additionally, when thermoplastic composite melted up, the pores were continuously removed under vacuum process; the removal of the pores resulted in an increase of the interlaminar shear strength. 본 연구에서는 자동 섬유 적층(AFP) 장비로 제작한 열가소성 복합재에 대하여 추가 공정을 수행한 후 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 제작을 위한 기초 연구로써 AFP의 공정 변수를 통해 열가소성 복합재를 제작하였으며 제작된 열가소성 복합재에 어닐링(Annealing) 및 진공백(Vacuum bag only) 공정을 수행하였다. 추가 공정 후 검증을 위해 결정화도 및 기공률 측정을 수행하였다. 결정화도는 시차 주사 열량 측정법(Differential scanning calorimetry)을 통해 측정하였으며 반 결정 구조인 열가소성 복합재의 공정 조건에 따른 결정화도 변화를 확인하였다. 기공률 측정을 위해 수지 용해를 수행하였으며 현미경 촬영을 통해 기공 분포를 확인하고 수지 용해법을 통해 기공률을 계산하여 공정 조건에 따른 기공률 변화를 관찰하였다. 검증 후 수행한 층간 전단 강도 시험 결과 AFP로 제작한 열가소성 복합재의 경우 결정화도 보다 기공률 값이 기계적 물성에 더 많은 영향을 미쳤다. 또한 진공백 공정을 통해 열가소성 복합재를 녹는점까지 도달시켰으며 진공상태에서 지속적으로 열가소성 복합재 내의 기공을 제거함에 따라 층간 전단 강도가 증가하는 것을 확인하였다.

탄화규소섬유와 탄소섬유 하이브리드 직물을 강화재로 한 SiC 매트릭스 세라믹복합재의 기계적물성, 산화 및 삭마 저항성 개선 연구

윤병일,김명주,김재성,권향주,윤성태,김정일 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.3

In this study, Cf/SiC, SiCf/SiC and Cf-SiCf/SiC ceramic composites reinforcing carbon fiber, SiC fiber and hybrid fiber were fabricated by hybrid TGCVI and PIP process. After the thermal shock cycle, 3-point bending and Oxy-Acetylene torch test, their mechanical behavior, oxidation and erosion resistance were evaluated. The Cf/SiC composite showed a decrease in mechanical property along with increasing temperature, a pseudo-ductile fracture mode and a large quantity of erosion. The SiCf/SiC composite exhibited stronger mechanical property and lower erosion rate compared to the Cf/SiC, but brittle fracture mode. On the other hand, hybrid type of Cf-SiCf/SiC composite gave the best mechanical property, more ductile failure mode than the SiCf/SiC, and lower erosion rate than the Cf/SiC. During the Oxy-Acetylene torch test, the SiO2 formed by reaction of the SiC matrix with oxygen prevented further oxidation or erosion of the fibers for Cf-SiCf/SiC and SiCf/SiC composites particularly . In conclusion, if a hybrid composite with low porosity is prepared, this material is expected to have high applicability as a high temperature thermo-structural composite under high temperature oxidation atmosphere by improving low mechanical property due to the oxidation of Cf/SiC and brittle fracture mode of SiCf/SiC composite. 본 연구에서는 탄소섬유, 탄화규소섬유 그리고 하이브리드섬유를 강화재로 하여 TGCVI와 PIP 혼합 공정으로 Cf/SiC, SiCf/SiC, Cf-SiCf/SiC의 세라믹복합재를 제조하였다. 열충격싸이클시험, 3-점 굴곡험과 Oxy-Acetylene토취 시험후에 그들의 기계적물성, 산화저항성과 내삭마성을 평가하였다. Cf/SiC복합재는 온도 증가에 따라서 기계적물성의 감소와 준 연성의 파단모드, 그리고 높은 삭마량을 보였다. SiCf/SiC복합재는 Cf/SiC 복합재에 비하여 강한 기계적물성, 낮은 삭마량을 그리고 취성의 파단모드를 나타냈다. 한편 하이브리드 복합재는 가장 우수한 기계적물성과 SiCf/SiC보다는 연성의 파단모드 그리고 Cf /SiC 보다 낮은 삭마량의 결과를 나타냈다. Oxy-Acetylene토취 시험 중에 SiC매트릭스는 산화되어 SiO2층을 형성하였으며, 특히 이 층은 Cf-SiCf/SiC 와 SiCf/SiC 복합재에서 섬유의 추가적인 삭마를 막는 역할을 하는 것으로 나타났다. 결론적으로 낮은 기공율을 갖는 하이브리드 복합재를 제조한다면, Cf/SiC의 산화로 인한 기계적물성의 감소와 SiCf/SiC 복합재의 취성 파단모드의 개선으로 고온 산화분위기에서 고온열구조재로의 적용이 높을 것으로 기대한다.

조종사 탑승용 복합재 사다리 설계

김태환,김위대 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.2

최근 복합재를 적용한 경량화에 관한 연구가 지속적으로 수행됨에 따라 탄소섬유 복합재료를 사용하여 강성대비 경량화를 목표로 하는 부품 연구가 증가하고 있다. 복합재료는 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 적층 순서에 따라 물리적 특성이 변화한다. 그러므로 복합재료 사다리의 경우 계획한 설계를 검증하기 위해서 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 패브릭 소재를 적용하여 사다리를 설계하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 하중 위치가 사다리에 미치는 영향을 분석하고 가장 문제가 되는 위치를 선정하여 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서를 적용하여 구조해석을 실시하고 각 층에서의 파손 값을 측정함으로써 적층 순서가 사다리의 구조 강도에 미치는 영향을 분석하였다. There has been a continuous study on the weight reduction of structure by composites. Unlike isotropic materials, the physical properties of composites vary according to the direction of laminate and the order of lamination. Therefore, in the case of composite ladders, it is essential to perform structural analysis to verify the planned design. In this study, ladder was designed by applying fabric material. In addition, the effect of loading position on the ladder was analyzed through finite element analysis, and structural performance was analyzed by selecting the most problematic location. We analyzed the effect of stacking order on the structural strength of the ladder by analyzing the structure by applying various stacking sequence and measuring the failure value in each layer.

탄소 강화 탄소나노튜브 섬유 복합소재 연구 동향

이동주,류성우,구본철 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.3

탄소나노튜브는 이론적인 기계적, 전기적 물성이 우수함에도 불구하고 아직까지 그 수준에 도달하고 있지 않다. 특히나 인장 강도는 10% 미만의 수준 정도에 그치고 있어 이를 보안하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기계적 강도를 향상하기 위한 방법으로는 긴 탄소나노튜브의 합성, 배향 외에 화학적 가교, 수소결합, 고분자 함침 등의 방법이 연구되고 있다. 본 총설 논문에서는 탄소소재의 전구체인 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리도파민(PDA)을 탄소나노튜브 섬유에 코팅 또는 함침하여 탄화 공정을 거쳐 고강도 고전도성 탄소나노튜브 섬유/탄소 복합소재를 제조하는 연구를 소개하고자 한다. Although carbon nanotubes(CNTs) have outstanding theoretical mechanical and electrical properties, CNT fibers(CNTFs) have not yet reached that level. Particularly, tensile strength is only about 10% or less, so studies for making up for it are being actively conducted. As a way for improving mechanical strength, methods such as synthesizing long CNT, orientation, chemical crosslinking, hydrogen bonding and polymer infiltration are being studied. In this review paper, we report preparation methods for highly conductive and strong CNTF/Carbon composites through coating and infiltration followed by carbonization of carbon precursor polymers such as polyacrylonitrile (PAN) and polydopamine (PDA) on CNTFs.

압력하중 하에서 생체모방 섬유강화 복합재의 기계적 거동 연구

이진호 ( Jinho Lee ),조현석 ( Hyun-seok Jo ),김명수 ( Myungsoo Kim ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

In this study, we investigated the effect of fiber alignment in helicoidal structure on the mechanical properties of biomimetic fiber-reinforced composites. Using finite element analysis, circular biomimetic fiber composites were designed and studied. Various amounts of pressure loads were applied to a surface of the composites, and then bending and failure behaviors of the composites were analyzed. The results showed various failure morphologies according to the orientation of the fibers, and it turned out that the fiber alignment in helicoidal structure significantly improved the bending strength of the composite under pressure loading. This was because the fiber alignment in various directions for each layer dispersed effectively the fracture energy from the external load into multiple directions.

배터리 모듈의 경량화 및 품질 향상을 위한 선택적 복합재료 패치에 관한 연구

이승찬 ( Seung-chan Lee ),하성규 ( Sung Kyu Ha ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

In this study, in order to improve the quality issue and component characteristics of the battery module, which is one of the major parts of the electric vehicle. The structure is reinforced by using the composite material and the mechanism structure optimization of Hybrid concept which can overcome the disadvantages of single material was performed and the performance was compared. For this purpose, figure out the main design variables of composite materials according to Classical Laminated Plate Theory (CLPT) and the algorithm for predicting composite material properties have been studied. Based on the mechanical properties of the designed composite materials, finite element analysis (FEM) and the performance of the battery module was verified. Consequently, according to the verification result, Hybrid Battery Module reinforced with Selective Composite Patch can reduce the weight by 30% and reduce the product thickness by 32.5% compared with the existing Al battery module and proved the merit of Hybrid structure such as maintaining impact performance.

해초 나노섬유가 황마섬유 강화 복합재료의 기계적 물성에 미치는 영향

김재철,이동우,송정일 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.6

Recently, environmental pollution caused by plastic waste, ecosystem disturbance of micro-plastics and human body accumulation are becoming big problems. In order to replace the traditional plastic, eco-friendly resin and natural fiber-based composite materials have been developed, but they have a disadvantage that their mechanical properties are significantly lower than those of synthetic fiber-based composites. In this study, eco - friendly nanofiber was extracted from seaweed and used as an additive in order to improve the mechanical properties of jute fiberreinforced composites. Through the hand lay-up process, the composites were fabricated, and it was confirmed that the nanofiber was effective in improving the mechanical properties of natural fiber composites through tensile, bending and drop weight impact tests. 최근 플라스틱 폐기물로 인한 환경오염, 미세플라스틱의 생태계 교란 및 인체축적이 큰 문제로 떠오르고있다. 이를 대체하기 위하여 친환경 수지 및 천연섬유 기반의 복합재료가 개발되어 왔으나 합성섬유 기반의 복합재료에 비하여 기계적 물성이 크게 떨어진다는 단점이 있다. 본 연구에서는 천연섬유인 황마섬유(jute fiber)의 기계적 물성을 향상시키기 위하여 해초로부터 친환경 나노섬유를 추출 후 첨가제로 사용하였다. 핸드 레이업 공정을 이용하여 복합재료를 제조하였으며, 인장, 굽힘, 낙추충격시험을 통하여 나노섬유가 천연섬유 복합재료의 기계적 물성 향상에 효과적임을 확인할 수 있었다.