항공우주산업에서 무게를 증가시키지 않고 비행구조물의 구조적 성능을 증가시키는 것은 굉장한 잇점을 갖는다. 본 연구에서는 복합재료 평판의 무게를 증가시키지 않고 좌굴하중과 인장 파단하중을 동시에 증가시키는 혁신적인 설계 방법에 대해서 연구하였다. 원공이 있는 복합재료 적층판에서 곡선 섬유층과 직선 섬유층을 조합하여 적층판을 구성할 때 좌굴하중과 인장파단 하중이 동시에 증가되는 현상에 대하여 유한요소 해석을 사용하여 알아보았다. 원공의 크기와 적층 순서를 달리하면서 곡선섬유를 이용한 효과가 얼마나 되는지 알아보았다. 또한, 각각의 경우에 대해서 파단이 어떻게 일어나는가도 관찰하였다. 곡선섬유 평판을 제작하기 위해서는 연속적이고 부드럽게 변하는 fiber path가 필요하다. 여기서는 유한요소로 구한 섬유 방향을 사용하여 제작이 가능한 부드럽게 이어지는 fiber path를 구하는 간단한 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 웨이블 분포 함수를 이용한 확률 파손 해석을 통해 복합재 압력 용기의 섬유 강도를 예측하였다. 그리고 섬유 강도의 크기 효과를 확인하고 해석의 타당성을 입증하기 위하여 섬유 인장 시편, 한 방향 복합재 시편과 복합재 압력 용기를 이용만 강도 시험이 수행되었다. 해석적 방법으로 웨이블 최약 링크 파손 모델과 다단계 연속 파손 모델을 이용하였고, 해석 결과를 상호 비교하였다. 크기 효과에 의해, 시편의 부피가 증가함에 따라 섬유 인장 강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 해석을 통해 예측한 한 방향 복합재 시편과 복합재 압력 용기의 후프 층 섬유 강도 분포는 시험 값과 좋은 일치를 보였다. 섬유 강도의 크기 효과는 소재와 제작 공정 변수의 함수로서, 다른 소재 및 제작 공정에 대해서는 다른 크기 효과를 보이게 된다.
A356 Al composites reinforced by short carbon fiber were prepared through the 2-step process: fabrication of a composite precursor and ultrasonication of the precursor melt. The short carbon fibers were coated with 0.15~1.5 ㎛ thick SiC layer by a carbothermal reaction, and an amount of the carbon fiber reinforcement was determined to be 1.5 vol.% and 4.0 vol.%, respectively. The addition of the carbon fiber increased the hardness of A356 alloy. However, tensile strength did not increase in the as-cast composites regardless of the SiC coating and volume fraction of the carbon fiber, due to the debonding which reduced load transfer efficiency from matrix to fiber at the interface. After T6-treatment of the composites, a significant increase in strength occurred only in the composite reinforced by the SiC-coated short carbon fiber, which was considered to result from the formation of a precipitate improving the Al/SiC interfacial strength.
Microwave absorbing properties of ferrite-epoxy composite (absorbing layer) attached on the carbon fiber polymer composite (reflective substrate) are analyzed on the basis of wave propagation theory. A modified equation for wave-impedance-matching at the front surface of absorbing layer including the effect of electrical properties of the quasi-conducting substrate is proposed. Based on this analysis, the frequency and layer dimension that produce zero-reflection can be estimated from the intrinsic material properties of the obsorbing layer and the substrate. It is demonstrated that the microwave reflectivity of carbon fiber composite has a strong influence on the microwave absorbance of front magnetic layer.
Electrochemical surface treatment of PAN-based carbon fibers in acidic electrolyte has been studied in increasing the surface functional groups on fiber surfaces for the improvement of fiber-matrix adhesion of the resulting composites. According to the FT-IR and XPS measurements, it reveals that the oxygen functional groups on fibers are largely influence on the composite mechanical behaviors, whereas the nitrogen functional groups are not affected in the system. In this work, a good correlation between surface functionality and mechanical properties is established.
본 연구의 목적은 strain gage와 LVDT (linear variable differential transformer) 변위센서를 이용하여 섬유 보강 복합레진에서 섬유의 방향이 복합레진의 중합수축에 미치는 영향을 알아보기 위함이다. 지름 10 mm, 높이 2 mm의 원반 모양 유동성 복합레진 (Aeliteflo A2, Bisco, Inc., IL, USA) 중앙에 유리섬유 (X-80821P Glass Fiber, Bisco, Inc., IL, USA)를 위치시키고, 섬유가 배열된 장축 방향 (longitudinal)과 수직방향 (transversal)의 중합수축량을 strain gage (Linear S-series 350${\Omega}$, CAS, Seoul, Korea)를 이용하여 각각 측정하였다. 사용된 유동성 복합레진 자체의 free 중합수축을 구하기 위해 지름 7 mm, 높이 1 mm의 원반 모양 시편의 수직 방향 (axial) free 중합수축값을 LVDT로 측정하였다. 중합된 시편들을 절단하여 주사전자현미경으로 복합 레진 내부의 섬유배열을 관찰하고 각 군에서 측정된 평균 수축값들을 ANOVA로 비교하였고 Scheffe post-hoc test로 사후 검정하였다 (${\alpha}$=0.05). 섬유가 배열된 평면 상에서 복합레진의 중합수축 (radial shrinkage)은 섬유와 평행한 방향에서 감소하고 섬유와 수직한 방향에서 증가했다 (p<0.05). 본 연구의 결과 섬유 보강 복합레진으로 스플린트나 수복물을 제작할 때 중합수축량은 보강된 섬유의 배열방향에 따라 큰 차이가 남을 알 수 있었다.
An elastic model is developed to predict the average thermal residual stresses in the matrix and fiber of a misoriented short fiber composite. The thermal residual stresses are induced by the mismatch in the coefficient of the thermal expansion of the matrix and fiber when the composite is subjected to a uniform temperature change. The model considers two special cases of fiber misorientation ; two-dimensional in-plane and three-dimensional axisymmetric. The analytical formulation of the model is based on Eshelby's equivalent inclusion method and is nuque in that it is able to account for interactions among fibers. The model is more general than past models and it is able to treat prior analyses of the simpler composite systems as extram cases. The present model is to investigate the effects of fiber volume fraction, distribution type, distribution cut-off angle, and aspect ratio on thermal residual stress for both in-plane and axisymmetric fiber misorientation. Fiber volum fraction, aspect ratio, and disturbution cut-off angle are shown to have more significant effects on the magnitude of the thermal residual stress than fiber distrubution type for both in-plane and axisymmetric misorientation.
A method to predict the creep behavior of fiber-reinforced ceramic composites at high temperatures was suggested based on finite element modeling using constituent creep equations of fiber and matrix and showed good agreement with the experimental results. The effects of matrix creep behavior, fiber volume fraction, and residual stresses on the composite creep behavior were also investigated. The results showed that the primary behavior of composites was greatly affected by that of matrix but post-primary behavior was governed by fiber creep characteristics. The increase of fiber volume fraction from 15 vol% to 30 vol% caused the 50% and 40% decrease of steady-state creep rates and total creep strains at $1200^{\circ}C$, 180MPa, respectively. Feasible compressive residual stresses in the matrix caused by different thermal expansion coefficients between the fiber and the matrix could significantly reduce total creep strains of the composite. The creep deformation mechanism in the fiber-reinforced ceramic composites could be explained by the stress transfer and redistribution in the fiber and matrix due to different creep characteristics of its constituents.
Theoretical equations for an influence of fiber breaks on the frictional heating phenomenon in a uniaxially fiber-reinforced ceramic matrix composite are formulated. The microslip and gross slip phases are considered for deriving the equations. During a complete loading/unloading cycle, the work done against friction is derived. In order to estimate interfacial shear in a unidirectionally reinforced ceramic matrix composite which has fiber fractures as well as matrix cracks, parametric studies using the derived equations are done. In a case of less than 10% fiber fractures, additional frictional work due to fiber breaks can be neglected compared to the rest.
In this study, the numerical and experimental investigations were conducted to understand ultrasonic wave propagation and to evaluate the degree of fiber waviness in thick composites nondestructively. The path, energy and traveling time of insonified wave were predicted by adopting the ray and plane wave theories. In the analysis, the composites were assumed to have continuous fiber with sinusoidal waviness in a matrix and were modeled as stacks of infinitesimally short length off-axis elements with varying fiber orientation along the length direction. From the experiments on the specially fabricated thick composite specimens with various degrees of uniform fiber waviness, the energy distributions of received wave were obtain for the various positions of transmitter. It was observed that the energy of wave was converged to the adjacent peaks of fiber waviness. The location where maximum energy of wave was detected from the experiments showed good agreement with the location obtained from theoretical predictions. Finally, the test procedure was Proposed to evaluate fiber waviness in thick composites by considering the energy of wave and relative distance between transmitter and receiver.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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