환경 변화에 따른 CF/PEI 복합재료의 층간분리 특성 연구

Abstract

Carbon fiber/polyetherimide (CF/PEI) 복합재료는 에폭시계 열경화성 탄소섬유 복합재료에 비해 손상-허용(damage tolerance)과 열/젖음에 대한 안정성 (hot/wet stability)이 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 특성 때문에 CF/PEI (polyetherimide) 복합재료는 항공기 구조물의 리딩 에지 (leading edges) 및 우수한 물성을 요구하는 군수품에 적용하기 위해 연구가 진행 중이다. 항공기 구조물로 사용되는 복합재료는 보통 100℃ 정도의 온도에 노출되게 되는데 이러한 이유로 온도에 대한 안정성을 확보할 필요가 있어 탄소섬유 일방향직물과 평직물로 강화된 열가소성 carbon fiber/polyetherimide (CF/PEI) 복합재료의 환경 온도 변화에 따른 층간 분리 특성을 연구하였다. CF/PEI 복합재료는 필름 적층 방법으로 압축 성형하여 제조하였다. CF/PEI 복합재료의 층간 전단강도와 mode-I, mode-II층간 파괴인성은 각각 short beam shear (SBS), mode-I double cantilever beam (DCB) and mode-II end notched flexure (ENF) 층간 파괴 실험으로 측정되었다. 일방향직물과 평직물 복합재료 모두 층간 전단강도와 층간 파괴 초기 인성값은 (GIC,ini and GIIC,ini) 상온에서 130℃로 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 반면에 층간 파괴 성장 인성값 (GIC,prop)은 증가하는 경향을 나타내었다. 온도 상승에 따른 섬유와 수지간의 계면 전단강도의 감소로 인해 CF/PEI 복합재료의 층간 파괴 초기 인성값이 감소하는 경향을 나타내었으며, 섬유/수지 간의 계면 파괴 매커니즘은 복합재료 파단면의 전자현미경 사진으로 분석되었다. 환경온도 증가에 따른 수지 인성과 연성의 증가로 인한 수지 소성 변형거동은 크랙 성장 안정성과 층간 파괴 성장 인성값의 증가 경향을 나타내었다. 또한 온도 상승에 따른 섬유/수지 계면의 섬유bridging 현상으로 고온에서의 층간 파괴 인성값 (GIC,prop)의 증가 경향을 나타내었다. 따라서 층간 분리가 진행되는 동안에는 수지 소성변형, 섬유/수지 계면파괴, 섬유 bridging현상의 3가지 주요 파괴 메커니즘이 층간 파괴인성에 기여하는 것으로 나타났다. 평직물 복합재료는 일방향 복합재료 보다 높은 층간파괴 인성 값을 나타내었다. 이는 크랙 성장 방향에 대하여90◦ 로 놓인 위사의 영향과 경사가 기복(undulation)이 있는 직물 구조 때문에 보다 넓은 resin-rich 영역이 존재하여 소성 변형과 transverse yarn debonding 매커니즘을 통해 인성이 증가하기 때문으로 판단된다.