토우 프리프레그가 적용된 격자구조체 제작을 위한 격자 형상 제어 및 고인성 수지 개질

Abstract

This study presents the production of a carbon-fiber composite material using a thermosetting epoxy resin and Polyether Sulfone (PESU), a thermoplastic toughening agent. A tow prepreg was fabricated using the proposed high-toughness resin, and it was applied to the automated fiber placement (AFP) process. In the first chapter, A unit lattice structure having two axes was laminated using a tow prepreg, and a pressing jig was designed and manufactured so that the angle of the curved surface of the intersection of the lattice structure can be formed at 20°, 40°, and 60°. The unit lattice structure was molded using the manufactured pressing jig, and a better molding angle was selected through a tensile test for the molded lattice structure. As a result of the tensile test, 20° was kN, 40° was kN, 60° was kN, and 20°, 60°, and 40° showed high tensile strength in the order. In manufacturing a plate grid structure having a size of 0.5m x 0.5m having three axes, a flat grid structure was formed by applying a 20° pressing jig based on the above results. And a tensile test was performed to observe the physical properties of the triaxial lattice structure. In the tensile test, the change in tensile force was observed in three methods by changing the tensile order of three axes. As a result, there was no significant change in the tensile strength of the lattice structure according to the test method, and only the change in tensile strength that occurred according to the intersection of each axis of the lattice structure could be confirmed. In conclusion, the resin to be applied to the tow prepreg was modified to be applied to the AFP process without a heat source, and the change in physical properties according to the shape of the intersection of the lattice structure could be confirmed. Such research on resin modification and lattice structure can be applied to various fields of carbon fiber composite materials including AFP process, and economic and performance improvement can be expected. In the second chapter, to obtain resin with different viscosities, different ratios of solid epoxy YD-011 were mixed with the high-toughness resin, which contained liquid epoxy YD-128 and 10 phr of PESU, at certain ratios. The surface-tackiness of each mix of resin was then compared by applying the tow prepreg that was produced to the AFP process. The results indicate that the resin mix that contained 10% of solid epoxy was the most suitable for the AFP process. Subsequently, the mechanical and thermal properties of the resin and tow prepregs using only the liquid epoxy containing the PESU were compared with the resin and tow prepregs that contained 10% solid epoxy. The resin produced by adding 10% solid epoxy to the liquid epoxy exhibited improvements of 3% in tensile strength, 16% in tensile modulus, and 27% in impact strength when compared to the resin that used only the liquid epoxy. Furthermore, the fracture toughness test results using single-edge notched bending and compact tension methods showed a decrease of 10% and 16%, respectively, and the glass transition temperature decreased by 5%. In the case of the tow prepreg specimen produced by adding 10% solid epoxy to the liquid epoxy, it exhibited a decrease of 0.6% in the 0° tensile strength, a decrease of 1.6% in tensile modulus, and an increase of 4% in the 90° tensile strength when compared to the tow prepreg that applied only the liquid epoxy. In addition, the ILSS interfacial strength increased by 1%, while the double cantilever beam fracture toughness decreased by 8%. A comparison of the results showed that the tow prepreg prepared by adding 10% solid epoxy to the liquid epoxy had excellent mechanical properties, and the tow prepregs were laminated most appropriately in the AFP process, thus verifying its applicability as a resin in tow prepregs for the AFP process. |본 연구는 토우 프리프레그를 이용하여 격자구조체를 제작하고, 이러한 격자구조체의 교차점 형상에 따른 물성변화를 확인하고자 하였다. 또한 이러한 격자구조체를 AFP를 이용하여 제작함에 있어 토우 프리프레그를 열원없이 적층 가능하게 하기위한 연구를 진행하였다. 토우 프리프레그에 사용되는 수지의 개질을 통하여 점도를 통해 토우 프리프레그의 점착성과 이에 따른 AFP 적용성을 판단하고 수지와 수지가 적용된 프리프레그의 물성을 통해 복합재료의 매트릭스로써 사용 가능성을 확인하고자 하였다. 1장에서는 토우 프리프레그를 이용하여 격자 구조체를 제작하고 이를 이용하여 인장시험을 통해 평가하고자 하였다. 토우 프리프레그를 이용하여 2개의 축을 가진 단위 격자 구조체를 적층하고, 단위 격자구조체를 성형하는 과정에서 격자 구조체의 교차점의 곡면 각도를 20°, 40°, 60°로 성형할 수 있도록 누름치구를 설계, 제작하였다. 제작된 누름치구를 이용하여 단위 격자 구조체를 성형하고, 성형된 격자구조체를 인장시험을 통해 더 나은 성형각도를 선정하고자 하였다. 이후 3개의 축을 가지는 0.5m x 0.5m 크기의 평판 격자구조체를 제작함에 있어 위의 결과를 바탕으로 20°의 누름치구를 적용하여 평판 격자구조체를 성형하였으며, 3축 격자구조체의 물성을 확인하기 위해 인장시험을 진행하였다. 인장시험은 3개의 축을 인장 순서를 달리하여 3가지 방법으로 인장력의 변화를 확인하고자 하였으며, 그 결과 시험 방법에 따른 격자구조체 인장강도의 큰 변화는 없었으며, 격자구조체 각 축의 교차형태에 따라 발생하는 인장강도의 변화만을 확인할 수 있었다. 2장에서는 이전 연구의 PESU가 10Phr 포함된 액상 에폭시 YD-128 만을 사용하였던 고인성 수지의 점도를 변화시키기 위해 고상 에폭시 YD-011을 일정 비율로 배합하였다. 이후 각 배합된 수지들의 점착성을 비교하였다. 이렇게 점도를 변화시킨 수지들을 이용하여 토우 프리프레그를 제작하였으며, 제작된 토우 프리프레그를 AFP공정에 적용시켜 공정에 적합한 고상 에폭시의 비율을 10%로 결정하였다. 이후 PESU가 포함된 액상 에폭시만을 이용한 수지 및 토우 프리프레그와 고상 에폭시를 10% 첨가한 수지 및 토우 프리프레그에 대해 기계적 물성 및 내열 물성을 비교하였다. 수지에서의 기계적 물성은 인장강도, 충격강도, 파괴인성(SENB, CT)을 시험하였으며, 내열물성을 확인하기 위해 DMA를 이용해 Storage Modulus 및 유리 전이온도를 확인하였다. 토우 프리프레그의 기계적 물성은 0° 및 90° 인장강도, ILSS, 층간파괴인성(DCB) 시험을 하였으며, 적용된 수지에 따른 토우 프리프레그의 물성을 비교할 수 있었다. 액상 에폭시에 고상 에폭시를 10% 첨가하여 제작한 수지는 액상 에폭시만을 이용한 수지보다 인장강도는 3%, 인장 탄성률은 16%, 충격강도는 27% 향상되었으며, 파괴인성은 각각 SENB는 10%, CT는 16% 감소했으며, 유리전이온도는 5% 감소하는 결과를 보였다. 토우 프리프레그의 경우에는 액상 에폭시에 고상 에폭시를 10% 첨가한 수지를 적용한 토우 프리프레그가 액상 에폭시만을 이용한 수지를 적용한 토우 프리프레그 보다 0° 인장강도는 0.6%, 인장 탄성률은 1.6% 감소하였으며, 90° 인장강도는 4% 증가하였다. 또한 ILSS 계면 강도는 1% 증가하였으며, DCB 파괴인성은 8% 감소한 결과를 보였다. 결과들을 비교했을 때, 기본적으로 우수한 기계적 물성을 가지고 있으며, AFP공정에서의 토우 프리프레그의 적층이 가장 적합하게 이루어짐으로써 열원이 없이도 AFP에 사용될 수 있는 토우 프리프레그의 매트릭스로 적용할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로, 격자구조체의 교차점 형상에 따른 물성 변화를 확인할 수 있었으며, 격자구조체 제작을 위한 토우 프리프레그에 적용되기 위한 수지는 열원이 없는 AFP공정에 적용되기 위해 개질 되었으며, 이러한 수지의 개질 및 격자구조체에 대한 연구는 AFP공정을 비롯한 다양한 탄소섬유 복합재 분야에 활용되어 경제적, 성능적인 향상을 기대할 수 있다.