탄소섬유강화 복합재료 성형시 화학수축에 의한 변형연구

국문 초록 (Abstract)

항공우주분야에서는 우수한 비강성을 가진 탄소섬유 복합재료가 각광받고 있다. 복합재료를 정밀하게 제작하기 위해서 주로 오토클레이브 공정을 사용한다. 이러한 공정은 주어진 경화사이클(cure cycle)에 따라 진행되고 열팽창계수, 수지의 화학수축, 성형툴과 복합재료의 상호작용 등에 의해 제품내에 잔류응력(residual stress)이 발생한다. 이렇게 발생한 잔류응력에 의해 스프링-인(spring-in)과 뒤틀림(warpage)와 같은 변형이 발생하고, 최종제품의 정확성이 감소한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 복합재료의 경화메커니즘을 분석하고 예측하는 연구가 국내외에서 활발히 이루어지고 있다.
본 논문에서는 유한요소해석을 통해 공정과정에 따른 L-형상 모델의 경화메커니즘을 예측하였고, 열변형에 대한 화학수축과 열팽창계수의 영향을 분석하였다. 응력, 변형률 등의 변화를 통해 최종적으로 열변형에 대한 화학수축의 중요성을 증명하였다. 해석은 상용프로그램인 ABAQUS의 서브루틴(subroutine)을 사용하여 CHILE 모델(Cure Hardening Instantaneously Linear Elastic model)을 기반으로 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The use of carbon fiber reinforced composite materials having high specific stiffness is on the rise in the aerospace field. To manufacture precise composite products, autoclave vacuum bag degassing is mainly used. As this process progresses in a given cure cycle, residual stress in product is induced by cure shrinkage of the resin,
coefficient of thermal expansion, interaction between mold and composite. As a result, It generates the deformation such as spring-in and warpage, and the inaccuracy of the final product increases. To solve the problem, the research has been done on predicting and analyzing cure process of composite material.
In this study, the cure mechanism of composite materials according to the process is predicted through finite element analysis, and the effect of cure shrinkage on thermal deformation generated by the process is analyzed. L-shape model made of M55J/M18 prepreg is used. Finally, the importance of cure shrinkage for thermal deformation was demonstrated through development of stress, strain, etc. The finite element analysis was based on the CHILE model using subroutine of the commercial program ABAQUS

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구내용 2
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 경화도 3
• 2. 열변형률 5
• 3. 복합재료의 물성 8
• 4. 구성방정식 12
• Ⅲ. 유한요소해석 14
• 1. 서브루틴 검증 14
• 2. L-형상 모델의 열변형에 대한 화학수축의 영향 20
• 3. 다양한 L-형상 모델의 변형 29
• Ⅳ. 결론 36
• Ⅴ. 참고문헌 38
• 부록 40
• 영문초록 51