탄소섬유강화 복합재료의 수분 흡수 및 기계적 거동 연구

Abstract

Carbon fiber-reinforced plastics (CFRPs) have advantages, including lightweight, high strength, high stiffness, and good fatigue resistance. CFRPs with these advantages have been used in various applications, including aircraft, automobile, ship parts, and sporting goods, military supplies, construction and civil engineering materials, and other industrial equipment, including medical equipment. Furthermore, CFRPs are increasingly replacing metallic materials for weight-sensitive structural applications, e.g., automobiles. However, the widespread use of composites exposes them to various environments (e.g., temperature, moisture), which can lead to deterioration in their material properties. Thus, it is necessary to investigate the fracture behavior of composite materials in such a harsh environment to assess their reliability and to improve. As an improvement method, the halloysite nanotube (HNT) that clay mineral in the form of a tube will add to CFRP. In this study, carbon fiber-reinforced composite specimens were manufactured using the RTM process at room temperature, and their water absorption and mechanical properties were investigated. The absorption ratio of CFRPs was higher as the temperature increased, and the absorption ratio of CFRP with HNT was higher than that of Neat CFRP. In both specimens, the higher the immersion temperature, the higher the absorption. This is because the diffusion coefficient at high temperature was higher. And, the saturation absorption rate of CFRP with HNT was lower at all temperatures. confirming that the addition of HNT could prevent water absorption. Therefore, the addition of HNT can prevent water absorption. After 50 days of immersion, the flexural strength, Inter laminar shear strength, and tensile strength of CFRP decreased, and the higher the temperature, the greater the decrease. But, the Izod impact strength increased after immersion. This due to the increase in the ductility of the CFRP due to the plasticization of the resin. Prolonged soaking of epoxy resin in water increased its ductility due to a plasticization mechanism. Therefore, the mechanical properties of the epoxy resin itself were improved after water absorption. When HNT was added to CFRP, flexural strength and Inter laminar shear strength were improved. However, the tensile strength and Izod impact strength were lower in CFRP with HNT, which is due to the presence of HNTs in an aggregated state. The interfacial shear strength of HNT-added epoxy/carbon fiber was lower, and the presence of HNTs may act as a defect. From this, it seems that the addition of HNTs can block the water absorption of CFRP. Although HNTs do not strengthen the epoxy/carbon fiber interface, existing of HNTs between CFRP layers slow down the propagation of cracks and complicate the movement path. Thus, deterioration of physical properties can be prevented. Therefore, adding HNT can be considered as a method to prevent deterioration of the physical properties of CFRP when used in a high-temperature and high-humidity environment.

탄소섬유강화 복합재료(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)는 경량성, 고강도, 고강성, 내피로성 등의 장점으로 항공기, 자동차, 스포츠∙레저 분야 등 다양하게 응용되고 있으며, 특히 선박이나 자동차의 경량화를 위해 금속 소재를 대체하고 있다. CFRP가 널리 사용됨에 따라 다양한 환경에 노출되고, 온도와 수분 등의 환경 영향이 재료 물성 열화의 한 원인이 된다. 이러한 가혹한 환경에서 CFRP의 파괴 거동을 조사하여 신뢰성을 평가하고 개선 방안을 찾는 것이 필요하다. 본 연구에서는 CFRP 제조 시 튜브 형태의 점토 광물인 할로이사이트 나노튜브(Halloysite nanotube, HNT)를 첨가하여 수분 흡수와 기계적 물성의 저하를 막을 수 있는지 알아보고자 한다. 수지주입성형법(Resin transfer molding, RTM)을 이용하여 탄소섬유강화 복합재료를 제작하였고, 25℃, 50℃, 75℃의 증류수가 담긴 항온 수조에 침지 한 후 일정 시간 간격으로 흡수율과 기계적 물성을 측정하였다. 또한 수분 흡수에 따른 기계적 물성의 저하를 개선하기 위한 방안으로 나노 물질인 HNT 첨가한 CFRP도 동일한 방법으로 제작한 후 흡수율과 기계적 물성을 측정하여 비교 분석하였다. CFRP의 흡수율은 고온일수록 더 높게 나타났으며, HNT를 첨가한 CFRP의 흡수율이 HNT를 첨가하지 않은 CFRP보다 더 높게 나타났다. 이때, 두 시편 모두 침지 온도가 높을 수록 흡수율이 높게 나타났는데 이는 고온에서 확산 계수가 더 높기 때문이다. 또한, HNT를 첨가한 CFRP의 포화 흡수율이 모든 온도에서 더 낮게 나타났는데 이를 통해 HNT의 첨가가 수분 흡수를 막을 수 있다는 것을 확인하였다. 침지 50일 후 CFRP의 굽힘강도(Flexural strength)와 층간전단강도(Inter-Laminar Shear Strength, ILSS), 인장강도(Tensile strength)는 감소했으며, 높은 온도에 침지된 시편일수록 더 많이 감소하였다. 아이조드 충격강도(Izod impact strength)는 침지 기간이 길어질수록 물성 값이 증가하였는데 이는 수분 흡수로 인한 수지의 가소화로 인해 CFRP의 연성이 증가하기 때문이다. 이를 규명하기 위해 경화된 수지를 침지한 후 아이조드 충격시험을 진행하여 충격강도 값이 증가하는 것을 확인하였다. HNT를 첨가한 CFRP의 경우 굽힘강도와 층간전단강도의 개선이 나타났다. 반면 인장강도와 아이조드 충격강도는 HNT를 첨가한 CFRP가 더 낮게 나타났는데, 이는 HNT가 응집된 상태로 존재하는 것에 기인한다. 수분 영향과는 별개로 HNT 첨가 에폭시/탄소섬유의 계면전단강도가 더 낮게 나타났으며, HNT의 존재가 결함으로 작용할 수도 있다. 이를 통해 HNT의 첨가가 CFRP의 수분 흡수를 막을 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 HNT가 에폭시/탄소섬유 계면을 강화하는 것은 아니지만, CFRP 층간에 존재하는 HNT는 크랙의 전파를 더디게 하고 이동경로를 복잡하게 하여 물성의 열화를 방지할 수 있다. 따라서 고온 다습한 환경에서의 사용 시 CFRP의 물성 열화를 방지 하기 위한 방안으로 HNT를 첨가하는 방안을 제안할 수 있다.