Abstract
Viscoelastic characteristics of cured phenolic resin/carbon fiber composite materials were investigated through glass transition and degradation reaction processes in the high temperature region up to $400^{\circ}C$. A typical glass transition of the cross-linked thermoset polymer was followed by irreversible degradation reactions, which were exhibited by the increasing storage modulus and loss modulus peak. A degradation master curve was constructed by using the vertical and horizontal shift factors, both of which complied well with the Arrhenius equation in light of the kinetic expression of degradation rate constants. Using an analogy to the Havriliak-Negami equation in dielectric relaxation phenomena, a viscoelastic modeling methodology was developed to characterize the frequency- and temperature-dependent complex moduli of the degrading thermoset polymer composite systems. The temperature-dependent relaxation time of the degrading composites was determined in a continuous fashion and showed a minimum relaxation time between the glass transition and degradation reaction regions. The capability of the developed modeling methodology was demonstrated by describing the complex behavior of the viscoelastic complex moduli of reacting phenolic resin composite systems.
본 연구에서는 페놀 수지/탄소섬유 복합재료가 상온에서부터 $400^{\circ}C$까지의 온도범위에서 유리 전이와 분해반응을 경험하면서 나타내는 점탄성 특징을 연구하였다. 가교 결합된 페놀메트릭스의 전형적인 유리전이에 따라 저장 탄성율(storage modulus)은 유리전이에 의하여 감소하였고 고무상태(rubbery state)에 도달함과 동시에 후경화 반응과 분해 반응 등을 포함하는 복합적인 고온반응에 의하여 증가하다가, 최대점을 보인 후 다시 감소하는 모습을 보였다. 유리전이 과정은 시간-온도 중첩원리에 따라 해석하였으나, 분해반응이 수반된 고온에서의 점탄성 특징은 저장 탄성율을 수직 및 수평 방향으로 이동시키어 마스터 커브를 완성 할 수 있었다. 이러한 실험적 결과를 토대로 아레니우스식과 Havriliak-Negami식에서 유추된 점탄성 모델을 이용하여 유리전이와 분해반응이 연속적으로 진행되는 과정을 정량적을 해석할 수 있었다. 이때의 완화시간은 유전이 과정을 통하여 감소하다가 고무상태에 이르러 최소값을 보여주고 이후로는 고온반응에 의하여 증가하는 모습을 보여주었다. 본 연구에서 제안된 점탄성 해석 방법은 반응이 수반된 열경화성 복합재료가 보여주는 점탄성 계수의 복잡한 거동을 온도와 주파수(frequency)에 따라 정확하게 묘사함으로서 이 모델링의 유용성을 증명 할 수 있었다.
