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학위논문
저자정보

이정호 (공주대학교, 공주대학교 일반대학원)

지도교수
조재웅
발행연도
2021
저작권
공주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수14

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이 논문의 연구 히스토리 (24)

초록· 키워드

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새로운 소재들의 개발이 빠르게 되고 있음에도 불구하고 신소재들로 구성된 기계구조물들에 대한 설계 기법들에 대한 연구는 충분히 되지 않아서 그 안전성에 대한 검증은 부족하다. 신소재들 중 특히 탄소 섬유를 이용하여 제작하는 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 좋은 물리적 및 기계적 특성들을 가졌기에 더욱 주목받아 오고 있다. 그러나 CFRP는 취성과 내열성으로 인하여 기존의 체결 방법들을 적용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 CFRP의 경량성을 유지하면서 보다 안전하게 사용할 수 있는 방법을 찾고자 하여 가벼우면서 적당한 강도와 연성을 가진 소재들로 된 CFRP 기반 이종 복합 소재들에 대하여 접착제를 이용한 체결 방법들을 연구하였고, 이종 복합 소재의 접착 계면에 대한 파괴 특성을 규명하였다. Al6061과 알루미늄 폼을 적용하여 CFRP-Al6061, CFRP-Al foam, Al6061-Al foam, 세 가지 종류의 이종 복합 소재로서 제작하였고, 이를 구조용 접착제로 체결한 뒤, 파손 유형들에 따라 정적 실험을 수행하여 특성들을 확인하였다. 세 가지 이종 복합 소재들을 영국 공업 규격(British Standard ; BS 7991)과 국제표준화기구 규격(International Organization for Standardization Standards; ISO 11343)에 의거하여 접착 계면이 있는 경사진 이중외팔보(Tapered Double Cantilever Beam, TDCB)로 설계 및 제작하고, Mode Ⅰ(열림 모드), Mode Ⅱ(미끄러짐 모드), Mode Ⅲ(찢김 모드) 하중 조건들에서 정적 실험을 수행하였으며, 접착제로 체결한 접착 계면에 대하여 파괴 거동들과 특성들을 규명하였다. 그리고 이종 복합 소재들을 미국 재료 시험 협회의 규격(ASTM Standard ; E647-00)에 의거하여 표준 소형 인장 시험편과 접착 계면 및 구멍들이 존재하는 소형 인장 시험편들로 설계 및 제작하고, 정적 실험을 수행하여 접착 계면의 주변에 크랙과 결함(구멍들)이 존재할 때 파괴 거동들 및 특성들을 규명하였다. 종합적으로 본 연구는 접착제로 체결한 CFRP 기반 이종 복합 소재 접합구조물의 접착 계면에 대한 파괴 특성을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과는 복합 소재 혹은 이종 복합 소재로 제작하는 기계 및 기계구조물들의 안전 설계에 기여가 될 수 있다.

목차

Ⅰ. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 목적 3
1.3. 연구 동향 5
1.4. 연구 내용 7
Ⅱ. 이론적 배경 8
2.1. 탄소 섬유 강화 플라스틱 8
2.2. 이종 복합 소재 13
2.3. 소재의 파손 형태 15
2.4. 복합 소재 접착부의 파손 형태 16
2.5. 응력 확대 계수 17
Ⅲ. CFRP 기반 이종 복합 소재의 제작 22
3.1. CFRP-Al6061, CFRP-Al foam, Al6061-Al foam 이종 복합 소재 22
Ⅳ. CFRP 기반 이종 복합 소재 경사진 이중외팔보에 대한 접착 계면 파괴 특성 실험 25
4.1. Mode Ⅰ파손 조건에서의 실험 결과 25
4.1.1. 시험편 25
4.1.2. 실험 조건 28
4.1.3. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 29
4.1.4. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 30
4.1.5. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 31
4.1.6. Mode Ⅰ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(반력-변위) 32
4.1.7. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 34
4.1.8. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 35
4.1.9. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 36
4.1.10. Mode Ⅰ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 37
4.2. Mode Ⅱ 파손 조건에서의 실험 결과 39
4.2.1. 시험편 39
4.2.2. 실험 조건 42
4.2.3. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 43
4.2.4. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 44
4.2.5. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 45
4.2.6. Mode Ⅱ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(반력-변위) 46
4.2.7. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 48
4.2.8. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 49
4.2.9. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 50
4.2.10. Mode Ⅱ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 51
4.3. Mode Ⅲ 파손 조건에서의 실험 결과 53
4.3.1. 시험편 53
4.3.2. 실험 조건 56
4.3.3. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 57
4.3.4. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 59
4.3.5. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(반력-변위) 60
4.3.6. Mode Ⅲ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(반력-변위) 61
4.3.7. CFRP-Al6061 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 63
4.3.8. CFRP-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 64
4.3.9. Al6061-Al foam 경사진 이중외팔보의 실험 결과(응력 확대 계수) 65
4.3.10. Mode Ⅲ 파손 조건에서의 경사진 이중외팔보들의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 66
Ⅴ. CFRP 기반 이종 복합 소재 소형 인장 시험편에 대한 소형 인장 실험 68
5.1. 기본 소형 인장 시험편에 대한 실험 결과 68
5.1.1. 시험편 68
5.1.2. 실험 조건 71
5.1.3. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 72
5.1.4. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 73
5.1.5. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 74
5.1.6. 기본 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(반력-변위) 75
5.1.7. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 76
5.1.8. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 77
5.1.9. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 78
5.1.10. 기본 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 79
5.2. 접착 계면이 존재하는 소형 인장 시험편에 대한 실험 결과 81
5.2.1. 시험편 81
5.2.2. 실험 조건 84
5.2.3. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 85
5.2.4. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 86
5.2.5. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 87
5.2.6. 접착 계면이 존재하는 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(반력-변위) 88
5.2.7. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 90
5.2.8. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 91
5.2.9. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 92
5.2.10. 접착 계면이 존재하는 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 93
5.3. 접착 계면과 구멍들이 존재하는 소형 인장 시험편에 대한 실험 결과 95
5.3.1. 시험편 95
5.3.2. 실험 조건 98
5.3.3. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 99
5.3.4. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 100
5.3.5. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(반력-변위) 101
5.3.6. 접착 계면과 구멍들이 존재하는 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(반력-변위) 102
5.3.7. CFRP-Al6061 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 104
5.3.8. CFRP-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 105
5.3.9. Al6061-Al foam 소형 인장 시험편의 실험 결과(응력 확대 계수) 106
5.3.10. 접착 계면과 구멍들이 존재하는 소형 인장 시험편의 실험 결과 고찰(응력 확대 계수) 107
Ⅵ. 연구에 대한 종합적인 결과 고찰 109
6.1. CFRP 기반 이종 복합 소재 경사진 이중외팔보에 대한 실험 결과 고찰 109
6.2. CFRP 기반 이종 복합 소재 소형 인장 시험편에 대한 실험 결과 고찰 111
Ⅶ. 결론 113
참고문헌 115
ABSTRACT 119

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