닫힌계와 열린계에서 열팽창치공구의 압축 압력생성 현상 및 열경화성 복합재료 성형공정에 관한  연구

이준호, 금성우, 남재도 김성우*

성균관대학교 고분자공학과,*경기대학교 화공학과

Consolidation Pressure Control and Viscoelastic Compression

Characteristics of Thermally-Expandable Rubber-Tool Process in Opened and Closed-mold Systems

Jun Ho Lee, SungWoo Keum, Jae-Do Nam, Sung Woo Kim*,

Dept. of Polym.Sci.&Eng.,Sung Kyun Kwan Univ.*Dept. of Chem.Eng., Kyonggi Univ.

서 론

섬유강화 복합재료(fiber reinforced composite material)는 기존의 금속재료나 합금에 비하여 우수한 비강도와 비강성으로 인해 항공우주구조물, 선박, 스포츠용품 등을 제조하는데 사용되고 있다[1-2]. 열팽창치공구는 이러한 복합재료 구조물을 성형하기 위한 새로운 방법으로서, 열팽창계수의 차이와, 온도변화에 따른 체적변화의 차이를 이용하여 성형에 필요한 압력을 생성하여 복잡하고 큰 구조물의 경화에 있어서 균일한 압축(consolidation)을 유도할 수 있는 공정이다[3]. 본 연구에서는 프리프레그의 경화에 따라 변화하는 점탄성 압축특성을 연구하였으며 고무치공구와 프리프레그의 압축특성은 KWW식을 이용 정량적으로 모델링 하였고, 닫힌계와 열린계에서 열압축상수와 점탄성 압축상수를 고찰하였다.

이론

고무치공구가 사용되는 일반적으로 닫힌 계와 열린 계 두가지 경우이다.

닫힌계에서 R과 L이라는 두가지 소재가 [eqn: DELTA T]만큼 가열되는 경우 생성되는 압력은 다음과 같이 유도된다.

[eqn: DELTA P ~=~ {PHI_R alpha_R ~+~ PHI_L alpha_L} over {{PHI_R} over {K_R} ~+~ {PHI_L} over {K_L}} DELTA T= {bar alpha}{ barK} DELTA T]                    (1)

이식은 온도와 압력의 관계가 선형적이며 열팽창계수와 벌크탄성율이 온도와 압력에 무관하다는 식에서 유도된 관계이다. 그러나 고무의 물성은 온도에 변화하지 않을수 있으나 경화중인 복합재료는 경화반응에 따라 [eqn: alpha]와 K가 동시에변화 때문에 온도와 압력의 변화는 선형적이 아닐수 있다.

이에 상응하여 열린 계에서 온도가 변화함에 따라 압력의 생성을 예측할 수 있는 식 (2)를 제시하였다.

[eqn: DELTA P= 3G LEFT ( 1+ { {R }^{2 } } over { { r}^{2 } }RIGHT ) alpha DELTA T]

[eqn: `= 9 over 2 LEFT ( {1~-~2 nu } over {1+nu} RIGHT ) LEFT ( 1+ {R^2} over {h^2} RIGHT ) K alpha DELTA T][eqn: ~=~C alpha K DELTA T]                  (2)

이때 [eqn: C~=~ 9 over 2 LEFT ( {1~-~2 nu } over {1+nu} RIGHT ) LEFT ( 1+ {R^2} over {h^2} RIGHT )] [eqn: nu]는 poisson's ratio 이다.

식 (1)과 (2)를 비교하면 열린계에서는 물질상수[eqn: alpha]와 K뿐만 아니라 재료의 구조 또는 배열에 따라 영향을 받는 다는 것을 알수 있다.

고분자는 점탄성적인 성질을 보인다. 등속도 압축조건에서 Maxwell모델의 상태구성방정식을 변형율이 일정한 조건에 적용시켜보면 다음과 같은 변형율의 변화에 따른 응력을 구할 수 있다.

[eqn: sigma(epsilon)~=~K_e dot epsilon lambda LEFT [ 1~-~exp Left { -LEFT ( {epsilon} over {dot epsilon lambda}RIGHT ) RIGHT } Right ]]                     (3)

하지만 실지 고분자는 매우 복잡한 완화거동을 보이기 때문에 Maxwell 모델로 묘사하기 어렵다 따라서 Kohlrausch-Williams-Watts(KWW)식을 등속도압축실험에 응용하여 보정을 할수 있는데, 즉 파라미터를 등속도 변형식에서 얻어진압축실험결과에 다음과 같이 도입하였다.

[eqn: sigma(epsilon)~=~K_e dot epsilon lambda LEFT [ 1~-~exp Left { -LEFT ( {epsilon} over {dot epsilon lambda}RIGHT )^beta RIGHT } Right ]]                    (4)

윗식은 Maxwell 모델을 이탈하는 복잡하고 다양한 실험결과에 쓸일 수 있는 식으로서 [eqn: K_e, lambda , beta] 세 파라미터를 적절히 사용하여 복잡하고 비선형 관계를 묘사할수 있으리라 사료되며 프리프레그와 고무치공구가 경화반응이 진행하는 경우와 같이 매우 복잡한 압축상황에서의 점탄성특성을 묘사하기 위하여 위의 모델식을 사용하였다.

실 험

본 연구에 사용된 시편은 항공기 구조용복합재료 소재로서  McDonnell Douglas의 소재인증을 얻은 Hexcel W3L282/F584 350。F(177℃)경화용 epoxy/woven fabric carbon fiber이며 (규격명 : DMS2224 type2,class W,Grade4 직조섬유형태의 탄소섬유에 고분자 수지(resin content:41%)를 함침시킨 것으로서 그 수지는 에폭시 수지를 근간으로 하여 여러 가지 첨가물의 혼합물질로 구성된 프리프레그이다. 고무치공구로는 실리콘고무계통인 Aircast 3700(AIRTECH사)을 선정 액체상의 수지와 경화제를 적정비율(10:1.2)로 혼합하여 진공(0.084Mpa이하)하에서 20여분간 탈기포한 후 몰드에서 경화시켜 사용하였다.

압축과정을 해석하기 위하여 몰드의 치수는 100×100mm이며 윗판몰드는 고정시키지 않아 수직으로 작용하는 힘이 생기면 몰드의 윗판이 밀리게 되어 있으며 위판을 만능시험기의 로드셀에 연결하였다.

몰드의 바닥에 이형필름과 프리프레그, 고무치공구등을 적층하였고 프리프레그는  0。방향으로 10장 겹쳐서 실험을 수행하였고, 온도는 30℃에서 180℃ 까지 5℃/min로 온도를 상승시킨 후 2시간동안 180℃를 유지하였다. 온도가 상승하는 동안 10℃ 마다 180℃ 등온구간에서 매 10분 마다 약 7기압까지의 압축실험을 수행하였다.

결과 및 토론

Fig.1는 고무치공구를 닫힌 몰드에 넣고 표준경화조건으로 경화시키면서 일정한 압축속도로(5mm/min) 압축실험을 수행한 결과이다. 각 경화온도 및 시간에 도달하였을 때 압축실험에 의하여 얻어진 응력-변형율의 관계는 선형을 보여주지 않고 아래로 볼록한 비선형 점탄성 특성을 보여주고 있다. 이 실험결과를 KWW식을 이용하여 커브를 비교하였으며 매우 정확하게 묘사하고 있음을 알수 있다. Fig.2는 고무치공구와 프리프레그를 닫힌 몰드에 넣고 표준경화조건으로 경화시키면서 압축실험(5mm/min)을 수행한 결과이다. 각 경화온도 및 시간에 도달하였을 때 압축실험에 의하여 얻어진 응력-변형율의 관계는 고무치공구와 마찬가지로 선형을 보여주지 않고 아래로 볼록한 비선형 점탄성 특성을 보여주고 있으며, 프리프레그의 경화과정이 포함되어 고무치공구만의 실험에 비하여 복잡한 결과를 보여준다. Fig.3은 고무치공구의 압축실험에서 온도의 변화에 의하여 변화한 고무치공구를 압축하여 상온에서의 두께(4.06mm)에 도달하였을 때의 압력을 모델에 의하여 계산한 결과이다. 이렇게 계산된 압력은 결국 닫힌계에서 고무치공구가 부피의 변화가 없이 온도가 상승하였을 때 예상되는 압력을 예측하여 준다. 그래프에서 볼수 있는 바와 같이 온도의 압력의 관계는 완전 선형은 아니라는 것을 알수 있으며 열압축상수는 승온구간에서 고무치공구가 팽창함으로서 압력이 서서히 증가하고, 등온구간에서는 압력이 일정하게 유지된다는 것을 알수 있다. Fig.4에서는 모델 식에서 구해진 매개변수들의 변화를 보여준다. 온도가 상온177℃까지 승온하는 동안 초기순간응력 값은 서서히 감소하다가 등온구간에서는 거의 일정하게 유지되는 것을 보여주고 있다. 완화시간[eqn: ( lambda )]은 승온구간에서 0.35에서 0.25로 감소하다가, 등온구간에서는 약 0.25부근에서 일정하게 유지되는 것을 보여주며[eqn: beta]는 거의 일정한 값을 유지한다.

Fig. 1. : Compressive stress as a function of strain of elastomer tool in           standard cure condition compared with viscoelastic model

Fig. 2. : Compressive stress as a function of strain of elastomer tool in

and prepreg in standard cure condition compared with                  viscoelastic model

Fig. 3.  : Stress distribution of elastomer compressed at 4.06mm

Fig. 4.  : Effective compressive modulus([eqn: K_e]), Relaxation Time([eqn: lambda] ), [eqn: beta] as a

function of standard cure cycle in elastomer

참고문헌

1. Agarwel, B. D. and Broutman, L. J. : "Analysis and performance of fiber composite", 2nd Ed., A Wiley-Interscience, Canada, (1990)

2. Jang, B. Z. : Advanced Polymer Composites", ASM international, U.S.A.

3. Erik, S. and Robert, M. : J. Adv. Mat., 26,2 (1994)

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 4.

Fig. 3.