온도 상승에 따른 탄소 복합재의 굽힘 강도 저하 평가
Evaluation of Thermal Degradation of CFRP Flexural Strength at Elevated Temperature
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초록
수지의 유리 전이화 온도(170oC) 이상에서 복합재 연소관의 굽힘 변형 및 강도를 평가하기 위해 재료의 비선형성과 연속 파손 모드가 고려된 유한요소해석모델이 제시되었고, 해석 모델의 타당성 입증을 위해 연소관과 동일 제작 공법과 적층을 가진 굽힘 시험편을 이용한 4점 굽힘 강도 시험이 수행되었다. 또한 비교해석을 위해 고온에서 복합재 재료물성 시험이 수행되었다. 수지의 유리 전이화 온도 이상에서 수지 관련 재료 물성이 현저하게 저하됨에 따라, 200oC에서 굽힘 시험편의 굽힘 강성은 상온 기준으로 약 70%, 굽힘 강도는 약 80%의 저하율을 나타내었다. 파손 모드가 수지의 유리 전이화 온도 이하에서 바닥 면의 90o층 수지 균열로 시작하여 시편 중앙의 층간 분리로 이어지는 연속 파손 모드였으나, 유리천이온도 이상에서는 시편 표면층의 섬유 압축 파손으로 변화되었다. 해석을 통해 연속 파손 모드가 잘 구현되었고, 예측한 굽힘 강도와 강성이 시험 결과와 좋은 일치를 보였다
Abstract
To evaluate the flexural deformation and strength of composite motor case above the glass transition temperature(Tg),170oC, of resin material, a finite element analysis(FEA) model in which material non-linearity and progressive failure mode were considered was proposed. The laminated flexural specimens which have the same lay-up and thickness as the composite motor case were tested by 4-point bending test to verify the validity of FEA model. Also, mechanical properties in high temperature were evaluated to obtain the input values for FEA. Because the material properties related to resin material were highly deteriorated in the temperature range beyond Tg, the flexural stiffness and strength of laminated flexural specimen in 200oC were degraded by also 70% and 80% in comparison with normal temperature results. Above Tg, the failure mode was changed from progressive failure mode initiated by matrix cracking at 90o ply in bottom side and terminated by delamination at the center line of specimen to fiber compressive breakage mode at top side. From stress analysis, the progressive failure mechanism was well verified and the predicted bending stiffness and strength showed a good agreement with the test results.
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