비파괴검사학회지 (Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing)

  • 제34권2호
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  • Pages.155-164
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  • 2014
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  • 1225-7842(pISSN)
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  • 2287-402X(eISSN)
한국비파괴검사학회 (The Korean Society for Nondestructive Testing)
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공기결합 초음파탐상에 의한 CFRP 복합재의 흡습 특성 평가

Characterization of Water Absorption by CFRP Using Air-Coupled Ultrasonic Testing

  • 이주민 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) ;
  • 이주성 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ;
  • 김용권 ((주)한전KPS 기술연구원) ;
  • 박익근 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)
  • 투고 : 2014.02.18
  • 심사 : 2014.04.17
  • 발행 : 2014.04.30
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초록

탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 공기결합 초음파탐상검사(air coupled ultrasonic testing; 이하 ACUT) 시스템을 이용하여 흡습된 CFRP의 비파괴적 특성을 평가하고자 하였다. CFRP 시험편을 직접 제작한 후 고온다습한 환경을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 $75^{\circ}C$의 증류수에 30일, 60일, 120일간 침지하였고, ACUT를 이용하여 흡습에 의한 CFRP 시험편의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지와 흡습 전과 후의 신호의 전파시간 변화를 통해 초음파 신호 특성 변화를 고찰하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다.

Carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) composites are increasingly being used in a variety of industry applications, such as aircraft, automobiles, and ships because of their high specific stiffness and high specific strength. Aircraft are exposed to high temperatures and high humidity for a long duration during flights. CFRP materials of the aircraft can absorb water, which could decrease the adhesion strength of these materials and cause their volumes to change with variation in internal stress. Therefore, it is necessary to estimate the characteristics of CFRP composites under actual conditions from the viewpoint of aircraft safety. In this study air-coupled ultrasonic testing (ACUT) was applied to the evaluation of water absorption properties of CFRP composites. CFRP specimens were fabricated and immersed in distilled water at $75^{\circ}C$ for 30, 60, and 120 days, after which their ultrasonic images were obtained by ACUT. The water absorption properties were determined by quantitatively analyzing the changes in ultrasonic signals. Further, shear strength was applied to the specimens to verify the changes in their mechanical properties for water absorption.

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