탄소섬유강화 복합재료 리벳의 유도가열을 통한 박리 보수 및 체결강도 증가

Abstract

탄소섬유강화 복합재료(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)는 경량성, 고강도, 고강성, 피로 특성, 내식성 등의 장점으로 건축 및 토목, 항공기, 자동차, 풍력 발전기 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히 항공기 분야에서 경량화를 위해 항공기의 날개, 수평 및 수직 안정판 등의 금속 부품을 대체하고 있다. 하지만 복합재료의 비싼 가격과 제조의 어려움으로 인해 단일 부품으로 항공기 제작이 불가하며 수많은 부품의 접합을 통해 항공기가 제작된다. 이때 항공기 접합 시 볼트나 리벳과 같은 금속 체결 부품을 이용하여 조립된다. 금속 체결 부품은 항공기 무게를 증가시키고 수분 환경 노출 시 부식의 가능성이 있으며, 탄소섬유강화 복합재료와 열팽창계수가 달라 고온에서 치수가 불안정해진다. 또한 체결 부품 삽입을 위한 체결 구멍 가공 시 박리 등의 결함이 발생한다.

본 연구에서는 이를 해결하기 위해 열가소성 탄소섬유강화 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic, CFRTP) 리벳을 개발하였다. CFRTP 리벳을 통해 금속 체결 부품의 단점을 해결하고 드릴링에 의한 박리 보수와 함께 체결강도 증가를 목표하였다. CFRTP 리벳의 체결을 위해 고주파수 조건 하에서 유도가열하여 용융점 이상의 온도로 가열하였으며, 용융된 고분자 수지의 유동, 압밀 및 냉각 과정을 거쳐 체결을 진행하였다. 이때 체결과 동시에 용융된 고분자 수지가 드릴링에 의한 박리 사이로 주입되어 보수된다. 또한 CFRTP 리벳의 기계적 강도를 평가하기 위해 알루미늄 리벳과 비교하여 물성 평가를 진행하였다.

섬유강화 복합재료 적층판의 드릴링 결과, 체결 구멍의 출구 부분과 드릴이 관통하는 절삭면에 표면 갈라짐, 섬유의 뽑힘, 균열 및 박리 등의 결함이 관측되었다. CFRTP 리벳의 체결과 드릴링에 의한 결함을 보수하기 위해 215~220 kHz의 고주파수 조건 하에서 전력을 변화시켜 용융점 이상의 온도로 유도 가열하였다. 유도가열을 통해 용융점 이상의 온도로 가열된 CFRTP 리벳이 체결되었으며, 체결과 동시에 박리를 포함한 결함 사이로 용융된 수지가 주입되어 보수되었다. 또한 CFRTP 리벳의 기계적 물성 평가를 진행한 결과, 알루미늄 리벳과 비교하여 유사하거나 더 높은 물성을 나타내었다.

이를 통해 개발한 유도가열이 가능한 CFRTP 리벳이 금속 리벳을 대체하여 경량화, 고강도, 고강성, 내식성 등의 장점을 가지며 박리를 보수하여 물성 저하 및 부품의 폐기를 방지할 수 있음을 확인하였다.

Carbon fiber reinforced plastic(CFRP) is used in various fields such as construction and civil engineering, aircraft, automobiles, and wind power generators due to its advantages such as light weight, high strength, high stiffness, fatigue characteristics, and corrosion resistance. In particular, CFRP is replacing metal parts such as wings, horizontal and vertical stabilizers of aircraft. However, due to the high price of composite materials and the difficulty of manufacturing, it is impossible to manufacture an aircraft with a single component, and the aircraft is manufactured through the bonding of numerous components. The aircraft is assembled using metal fastening parts such as bolts or rivets. Metal fastening parts increase the weight of the aircraft, have the possibility of corrosion when exposed to a moisture environment, and become dimensionally unstable at high temperatures due to their different coefficients of thermal expansion from carbon fiber reinforced composites. In addition, defects due to drilling occur when processing fastening holes for inserting fastening parts.

In this study, to solve this problem, a carbon fiber reinforced thermoplastic(CFRTP) rivet was developed. CFRTP rivets replaced metal rivets to solve the disadvantages of metal fastening parts, and aimed to repair delamination by drilling and increase fastening strength. For the fastening of the CFRTP rivet, induction heating was performed under high-frequency conditions to a temperature above the melting point, and fastening was performed through the flow of the melted polymer resin, consolidation, and cooling. At this time, when fastening, the melted polymer resin is injected between delamination by drilling and repaired. In addition, in order to evaluate the mechanical strength of CFRTP rivets, physical properties were evaluated by comparing with aluminum rivets.

As a result of drilling of the fiber-reinforced composite laminate, defects such as surface cracks, fiber pull-out, cracks, and delamination were observed at the exit of the fastening hole and the cutting surface through which the drill penetrated. At the same time as fastening, in order to repair defects caused by drilling, CFRTP rivets were induction-heated to a temperature above the melting point by changing power under high-frequency conditions of 215 ~ 220 kHz. The CFRTP rivets heated to a temperature above the melting point through induction heating were fastened, and melted resin was injected between the defects including delamination to repair them. In addition, as a result of evaluating the mechanical properties of CFRTP rivets, they showed similar or higher properties compared to aluminum rivets.

Through this, it was confirmed that the developed CFRTP rivet, which is capable of induction heating, replaces metal rivets and has advantages such as light weight, high strength, high stiffness, and corrosion resistance, and can prevent deterioration of physical properties and scrapping of parts by repairing delamination.