Impact Performance of 3D Orthogonal Composites by Automated Tape Placement Process

In order to characterize the outstanding performance of three-dimensional (3D) composites, the low velocity impact test has been carried out. 3D fiber structures have been achieved by using the automated tape placement (ATP) process and a stitching method. Materials for the ATP and the stitching process were carbon/epoxy prepreg tapes and Kevlar fibers, respectively. Two-dimensional composites with the same stacking sequence as 3D counterparts have also been fabricated for the comparison of damage tolerance. For the assessment of damage after the impact loading, specimens were subjected to C-Scan nondestructive inspection. Compression after impact (CAI) tests were conducted to evaluate residual compressive strength. The damage area of 3D composites was greatly reduced $(30-40\%)$ compared with that of 2D composites. Although the CAI strength did not show drastic improvement for 3D composites, the ratio of retained strength was $5-10\%$ higher than 2D samples. The effect of stitching on the impact performance was negligible above the energy level of 35 Joules.

자동적층 공정에 의한 3차원 직교 섬유배열구조 복합재의 충격특성

3차원 복합재료의 뛰어난 특성을 확인하기 위하여 저속충격 시험을 하였다. 복합재료의 3차원 구조는 자동적층 공정 (ATP, Automated Tape Placement)과 스티칭 (stitching) 방법으로 제조하였다. 이 방법은 일정한 폭을 가지는 탄소섬유/에폭시 프리프레그 테이프를 균일한 간격을 두고 층 별로 서로 직교 적층한 후 비어 있는 공간 사이를 케블라 섬유로 스티칭하는 성형법이다. 새로운 3차원 복합재료와 기존의 프리프레그 시트(sheet)를 사용한 2차원 복합재료와의 충격특성을 비교하기 위하여 저속충격 시험을 하였으며, C-scan에 의한 충격손상 면적 확인 및 충격 후 압축시험을 하였다. 3D 복합재는 스티칭을 하기 위한 간격으로 인하여 복합재료의 전체 섬유 체적율이 낮아졌기 때문에 충격 전 압축 강도는 2D 복합재에 비해 낮았으나 충격 후 파손면적은 약 $30-40\%$의 감소를 보였으며, 충격 전 압축 강도에 패한 충격후 압축강도 비율은 약 $5-10\%$의 증가를 보였다. 스티칭에 의해 충격 후 압축강도는 전반적으로 향상되었으나, 30J의 충격 에너지부터는 그 효과가 감소하였으며 35J 이상의 충격에서는 스티칭 효과가 없었다.