KR101878102B1 - Analyzing method for fiber area weight of carbon fiber reinforced plastics - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품에 함유된, 탄소 섬유의 FAW을 정확하게 예측할 수 있는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a FAW analysis method of carbon fiber reinforced plastic. More particularly, the present invention relates to a FAW analysis method of carbon fiber-reinforced plastic that can accurately predict the FAW of carbon fibers contained in a carbon fiber-reinforced plastic product.
탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)은 강도, 강성 및 도전성 등이 우수하며, 특히 자동차 제조 분야에서 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 탄소 섬유 강화 플라스틱은 복수 장의 탄소 섬유를 사용하기 때문에, 최외각층의 섬유는 육안으로 구분이 가능하지만 내부의 섬유는 육안으로 분석하기 어렵다. [0002] Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are excellent in strength, stiffness and conductivity, and an attempt is particularly made to use carbon fiber reinforced plastics in the automobile manufacturing field. Since the carbon fiber reinforced plastic uses a plurality of carbon fibers, the fibers of the outermost layer can be divided by the naked eye, but the inside fibers are difficult to be visually analyzed.
특히, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW(Fiber area weight, FAW)측정의 경우, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 열분해하여도 소량의 에폭시 수지 잔여물로 인하여 예측이 어려운 문제가 있었다.Particularly, in the case of FAW (Fiber area weight, FAW) measurement of the carbon fiber-reinforced plastic, even if the carbon fiber-reinforced plastic is pyrolyzed, it is hard to predict due to a small amount of epoxy resin residue.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2016-0059655호(2016.05.27. 공개, 발명의 명칭: 탄소섬유강화복합소재 다층쉘 선체 구조재 개발을 위한 최적 탄소섬유량 결정 방법 및 시스템)에 개시되어 있다.BACKGROUND ART [0002] The background art relating to the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2016-0059655 (published on May 27, 2017, entitled " Method and System for Determining Optimum Carbon Fiber Amount for Development of Multi-layer Shell Hull Structural Material of Carbon Fiber Reinforced Composite Material) .
본 발명의 일 실시예에 의하면, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 FAW 예측값의, 정확성 및 신뢰성이 우수한 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 제공하는 것이다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a FAW analysis method of a carbon fiber-reinforced plastic excellent in the accuracy and reliability of a carbon fiber FAW predicted value of a carbon fiber-reinforced plastic.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 분석이 신속하고 간편한 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 제공하는 것이다.According to one embodiment of the present invention, a FAW analysis method of carbon fiber-reinforced plastic that is quick and easy to analyze is provided.
본 발명의 하나의 관점은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 FAW 분석 방법은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계; 상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계; 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계; 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및 상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함한다:One aspect of the present invention relates to a FAW analysis method of carbon fiber-reinforced plastic. In one embodiment, the FAW analysis method comprises the steps of: preparing a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP); Analyzing a cross-sectional image of the molded body specimen to set a hexahedral unit cell as a minimum unit of a carbon fiber tow weave pattern of the specimen and calculating an area Sc of the unit cell; Deriving a volume (Vt) of the carbon fiber tow contained in the unit cell; Deriving a total mass (Wf) of the carbon fibers of the unit cell according to the following formula (1) using the volume (Vt) of the carbon fiber tow; And deriving the FAW of the unit cell according to the following formula (2) using the area (Sc) of the bottom surface of the unit cell and the total mass (Wf) of the carbon fibers of the unit cell:
[식 1][Equation 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled )
[식 2][Formula 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).FAW (g / m 2 ) of unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc).
한 구체예에서 상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출될 수 있다:In one embodiment, the area Sc of the unit cell can be derived by the following equation:
[식 3][Formula 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2The area of the unit cell (Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다).(Where L1 is the length of one side of the unit cell and L2 is the length of the other side of the unit cell).
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출될 수 있다:In one embodiment, the volume Vt of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived according to Equation 4:
[식 4][Formula 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell = the length of the carbon fiber tow of the unit cell (l) The cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell.
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며, 상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ일 수 있다.In one embodiment, when the orientation angle θ formed by the weave pattern of the carbon fiber tow of the unit cell is 0 ° or 90 °, the length l of the carbon fiber tow of the unit cell is equal to the length L1 of one side of the unit cell, , And the length l of the carbon fiber tow of the unit cell may be L1 / cos? When the orientation angle is 0 占?? <90 占.
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출될 수 있다:In one embodiment, the cross-sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived by the following equation 5-1 when the carbon fiber tow of the unit cell is a woven material:
[식 5-1][Formula 5-1]
St = π x a x b S t = π xaxb
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).(Wherein, in the formula 5-1, a is the radius of the long side of the carbon fiber tow and b is the radius of the short side of the carbon fiber tow).
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출될 수 있다:In one embodiment, the cross-sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived by the following equation 5-2 when the carbon fiber tow of the unit cell is a non-creeping fabric (NCF)
[식 5-2][Formula 5-2]
St = c x dS t = cxd
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).(Where c is the length of the long side of the carbon fiber tow and d is the length of the short side of the carbon fiber tow).
다른 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및 상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출될 수 있다.In another embodiment, the volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell is set to the coordinates of the start point and the end point of the carbon fiber tow of the unit cell, respectively. And calculating a cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow and integrating a distance between the coordinates of the end point and the start point to derive a volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell .
본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 적용시, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 FAW 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 분석이 신속하고 간편할 수 있다.When FAW analysis method of the carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is applied, the accuracy and reliability of the carbon fiber FAW predicted value of the carbon fiber reinforced plastic is excellent, and the analysis can be quick and simple.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지이다.
도 3(a)는 직조 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이며, 도 3(b)는 비크립핑 직물 섬유(NCF)로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이고, 도 4(c)는 능직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이다.
도 5(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 평직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이며, 도 5(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 능직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 한 변의 길이와, 단위셀 탄소 섬유 토우의 배향을 이용하여, 단위셀의 타변의 길이를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 7(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 7(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 8(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 8(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우이며, 도 8(c)는, 단위셀의 한 변의 길이(L1)와 탄소 섬유 토우의 배향 각도를 이용하여, 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 10(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 10(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 11(a)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 11(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.FIG. 1 shows a FAW analysis method of a carbon fiber-reinforced plastic according to one embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional image of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded body specimen.
Fig. 3 (a) shows the shape of the carbon fiber tow made of woven fiber, and Fig. 3 (b) shows the shape of the carbon fiber tow made of the non-creeping woven fiber (NCF).
Fig. 4 (a) shows a unit cell made of a plain weave carbon fiber tow, Fig. 4 (b) shows a unit cell made of a plain weave carbon fiber tow, And a unit cell made of fiber tow.
Fig. 5 (a) shows the length of one side when the carbon fiber tow of the unit cell is plain, and Fig. 5 (b) shows the length of one side when the carbon fiber tow of the unit cell is twilled.
FIG. 6 illustrates a process of deriving the length of one side of a unit cell using the length of one side of the unit cell and the orientation of the unit cell carbon fiber tow according to one embodiment of the present invention.
7 (a) shows a case where the carbon fiber tow of a unit cell is plain weave with a 90 ° orientation angle, and FIG. 7 (b) shows a case where a carbon fiber tow of a unit cell is a non-creeping fabric The length (l) of the carbon fiber tow is derived.
FIG. 8A shows a case where the carbon fiber tow of the unit cell is plain weave with a 45 ° orientation angle, and FIG. 8B shows a case where the carbon fiber tow of the unit cell is a non-creeping fabric (NCF) FIG. 8 (c) shows a process of deriving the length l of the carbon fiber tow by using the length L1 of one side of the unit cell and the orientation angle of the carbon fiber tow.
9 is an optical microscope photograph showing a cross section of a carbon fiber tow of a unit cell according to one embodiment of the present invention.
10 (a) shows a unit cell of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic molding according to one embodiment of the present invention, and Fig. 10 (b) is an optical microscope photograph showing a cross section of a carbon fiber tow of the unit cell.
Fig. 11 (a) shows a unit cell of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic molding according to another embodiment of the present invention, and Fig. 11 (b) is an optical microscope photograph showing a cross section of a carbon fiber tow of the unit cell.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to be exemplary, self-explanatory, allowing for equivalent explanations of the present invention.
탄소 섬유 강화 플라스틱의 Of carbon fiber reinforced plastic FAWFAW 분석 방법 Analysis method
본 발명의 하나의 관점은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법은 (S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편 준비 단계; (S20) 단위셀 면적(Sc) 계산 단계; (S30) 단위셀 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 도출 단계; (S40) 단위셀 탄소 섬유의 총질량(Wf) 도출 단계; 및 (S50) 단위셀의 FAW 도출 단계;를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a FAW analysis method of carbon fiber-reinforced plastic. FIG. 1 shows a FAW analysis method of a carbon fiber-reinforced plastic according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the method for analyzing FAW of the carbon fiber-reinforced plastic comprises the steps of: (S10) preparing a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) (S20) calculating a unit cell area (Sc); (S30) deriving the volume (Vt) of the unit cell carbon fiber tow; (S40) deriving the total mass (Wf) of the unit cell carbon fibers; And (S50) deriving the FAW of the unit cell.
더욱 상세하게는 (S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계; (S20) 상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계; (S30) 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계; (S40) 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및 (S50) 상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함한다:More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded body, (S20) analyzing a cross-sectional image of the molded body specimen to set a hexahedral unit cell, which is a minimum unit of the carbon fiber tow weave pattern of the specimen, and calculating an area Sc of the unit cell; (S30) deriving the volume (Vt) of the carbon fiber tow contained in the unit cell; (S40) deriving the total mass (Wf) of the carbon fibers of the unit cell according to the following formula (1) using the volume (Vt) of the carbon fiber tow; And deriving a FAW of a unit cell according to Equation 2 using the area Sc of the bottom surface of the unit cell and the total mass Wf of the carbon fibers of the unit cell,
[식 1][Equation 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled )
[식 2][Formula 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).FAW (g / m 2 ) of unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc).
이하, 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the FAW analysis method of the carbon fiber-reinforced plastic according to the present invention will be described step by step.
(S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱((S10) Carbon fiber reinforced plastic ( CFRPCFRP ) ) 성형체Shaped body 시편 준비단계 Sample Preparation Stage
상기 단계는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계이다. 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체는, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)를 이용하여, 통상적인 방법으로 제조된 것을 사용할 수 있다.The above step is a step of preparing a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded body specimen. The carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) formed body may be produced by a conventional method using carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
(S20) (S20) 단위셀Unit cell 면적( area( ScSc ) 계산 단계) Calculation step
상기 단계는 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계이다.The step of analyzing the cross-sectional image of the specimen of the carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded article sets a unit cell of hexahedron that is the smallest unit of the carbon fiber tow weave pattern of the specimen, Sc).
한 구체예에서 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지는, 전자주사현미경(SEM) 및 광학현미경(OM) 등을 이용하여 얻을 수 있다. 또한, 본 명세서에서 “탄소 섬유 토우”는, 복수 개의 탄소 섬유 필라멘트로 구성되어, 꼬지 않은 탄소 섬유 다발을 의미한다. 상기 탄소 섬유 토우는 1000, 3000, 6000 또는 12000개 단위의 모노 필라멘트 다발로 형성되며, 1K, 3K, 6K 또는 12K 등으로 표현한다.In one embodiment, the cross-sectional image of the carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) specimen can be obtained using a scanning electron microscope (SEM) and an optical microscope (OM). In the present specification, the term " carbon fiber tow " means a bundle of non-twisted carbon fibers constituted by a plurality of carbon fiber filaments. The carbon fiber tow is formed of mono filament bundles of 1000, 3000, 6000 or 12000 units, and is represented by 1K, 3K, 6K or 12K.
하기 도 2는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지이며, 도 3(a)는 직조 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이고, 그리고 도 3(b)는 비크립핑 직물 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이다. 상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지에서 탄소 섬유 토우는, 동일한 형상으로 연속적인 패턴(pattern)을 이루며 발생되는 여부를 확인하여 판정할 수 있으며, 상기 도 2 시편의 단면에 대하여 수평을 이루며 형성된 탄소 섬유는 제외한다.Fig. 2 is a cross-sectional image of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) specimen. Fig. 3 (a) shows the shape of a carbon fiber tow made of woven fibers, and Fig. 3 The shape of carbon fiber tow is shown. Referring to FIGS. 2 and 3, the carbon fiber tow in the cross-sectional image of the carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) specimen can be determined by confirming whether the carbon fiber tow is formed in a continuous pattern in the same shape, The carbon fibers formed horizontally with respect to the cross section of Fig. 2 specimen are excluded.
한 구체예에서 상기 단위셀은, 계산 편의를 위해 육면체 형태(밑면이 사각 형태)인 것으로 가정한다. 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 배향 각도가 0°, 90°, +45° 및 -45°인 경우는 단위셀 밑면이 정사각형이며, 그 외 각도로 배향되는 경우는 단위셀 밑면이 직사각형일 수 있다. 이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 직조 패턴의 배향 각도(θ)는, 탄소 섬유 토우의 위사와 경사가 이루는 각도일 수 있다.In one embodiment, the unit cell is assumed to be in the form of a hexahedron (square bottom) for ease of calculation. In one embodiment, when the orientation angle of the carbon fiber tow of the unit cell is 0 °, 90 °, + 45 °, and -45 °, the bottom surface of the unit cell is square, May be rectangular. At this time, the orientation angle of the weave pattern of the carbon fiber tow of the unit cell may be an angle formed by the weft of the carbon fiber tow and the inclination.
본 발명의 한 구체예에서 상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출될 수 있다:In one embodiment of the present invention, the area Sc of the unit cell can be derived by the following equation 3:
[식 3][Formula 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2The area of the unit cell (Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다)(Where L1 is the length of one side of the unit cell and L2 is the length of the other side of the unit cell)
도 4(a)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀(배향 각도: 0/90°)을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀(배향 각도: 45/45°)을 나타낸 것이고, 도 4(c)는 능직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이다.Fig. 4 (a) shows a unit cell (orientation angle: 0/90 degrees) composed of a plain weave carbon fiber tow and Fig. 4 / 45 [deg.]), And Fig. 4 (c) shows a unit cell made of a twill pattern carbon fiber tow.
상기 도 4를 참조하면 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 토우 직조물은, 평직(plain weave), 능직(twill weave) 또는 주자직(satin weave)일 수 있다. 상기 도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 평직은 경사(warp)와 위사(weft)가 한올씩 교대로 교차하면서 한번은 올라가고 그 다음은 내려가면 짜이는 조직이다. 상기 도 4(c)를 참조하면, 능직은 위사와 경사가 연속하여 두 올 이상을 아래와 위로 교차하면서 짜이는 조직이다.Referring to FIG. 4, the carbon fiber-reinforced plastic carbon fiber toe fabric of the present invention may be a plain weave, a twill weave, or a satin weave. Referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), the plain weave is a woven fabric when warp and weft alternately cross each other one time and then goes up. Referring to FIG. 4 (c), twill is an organization in which weft and incline are successively crossed over and over two or more successively.
도 5(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 평직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이며, 도 5(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 능직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이다. 상기 도 5(a)를 참조하면, 상기 탄소 섬유 토우가 경사 및 위사가 한 올씩 교차하는 평직의 경우, 상기 단위셀의 한 변(L1)은 시편 단면 이미지 상 2 개의 타원형의 탄소 섬유 토우 사이의 길이를 한 변(L1)으로 설정할 수 있다. 또한, 상기 도 5(b)를 참조하면 상기 탄소 섬유 토우가 경사와 위사가 연속하여 두 올을 아래와 위로 교차하여 짜이는 능직의 경우, 상기 단위셀의 한 변(L1)은 시편 단면 이미지 상 3 개의 타원형의 탄소 섬유 토우 사이의 길이를 한 변(L1)으로 설정할 수 있다.Fig. 5 (a) shows the length of one side when the carbon fiber tow of the unit cell is plain, and Fig. 5 (b) shows the length of one side when the carbon fiber tow of the unit cell is twilled. Referring to FIG. 5A, in the case of the plain weave in which the carbon fiber tow crosses the warp and the weft one by one, one side (L1) of the unit cell is divided into two elliptical carbon fiber tows The length can be set to one side (L1). 5 (b), when the carbon fiber tow is twisted with warp and weft yarns continuing to cross each other, the one side (L1) of the unit cell has a length of 3 The length between the elliptic carbon fiber tows can be set to one side L1.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 한 변의 길이와, 단위셀 탄소 섬유 토우의 배향을 이용하여, 단위셀의 타변(L2)의 길이를 도출하는 과정을 나타낸 것이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 단위셀의 한 변의 길이(L1)와, 직조 패턴의 배향 각도(θ)를 이용하여, 상기 단위셀의 타변의 길이(L2)를 도출할 수 있다.FIG. 6 illustrates a process of deriving the length L2 of a unit cell using the length of one side of the unit cell and the orientation of the unit cell carbon fiber tow according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the length L2 of the other side of the unit cell can be derived using the length L1 of one side of the unit cell and the orientation angle of the weave pattern.
상기 도 6을 참조하면, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1) 및 타변의 길이(L2)는 하기 식 3-1의 관계를 갖는다:Referring to FIG. 6, the length L1 of one side of the unit cell and the length L2 of the other side have the following formula 3-1:
[식 3-1] [Formula 3-1]
L2 = L1 x tan θL2 = L1 x tan?
(상기 식 3-1에서, 상기 θ는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도이며, 상기 배향 각도가 0° 또는 90°인 경우, L1 = L2이다).(In the formula 3-1,? Is an orientation angle formed by the carbon fiber tow weave pattern of the unit cell, and L1 = L2 when the orientation angle is 0 or 90).
(S30) (S30) 단위셀Unit cell 탄소 섬유 토우의 부피( Volume of carbon fiber tow ( VtVt ) 도출 단계) Derivation step
상기 단계는 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출될 수 있다:The step is to derive the volume (Vt) of the carbon fiber tow contained in the unit cell. In one embodiment, the volume Vt of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived according to Equation 4:
[식 4][Formula 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St)(Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell = length (l) of the carbon fiber tow of the unit cell X cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell
도 7(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 7(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다. 7 (a) shows a case where the carbon fiber tow of a unit cell is plain weave with a 90 ° orientation angle, and FIG. 7 (b) shows a case where a carbon fiber tow of a unit cell is a non-creeping fabric The length (l) of the carbon fiber tow is derived.
또한, 도 8(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 8(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우이며, 도 8(c)는, 단위셀의 한 변의 길이(L1)와 탄소 섬유 토우의 배향 각도를 이용하여, 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.8 (a) shows a case where the carbon fiber tow of the unit cell is a plain weave with a 45 ° orientation angle, and FIG. 8 (b) shows a case where the carbon fiber tow of the unit cell has a non-creeping fabric (NCF) FIG. 8 (c) shows a process of deriving the length l of the carbon fiber tow by using the length L1 of one side of the unit cell and the orientation angle of the carbon fiber tow.
상기 도 7 및 도 8을 참조하면, 한 구체예에서 상기 단위셀의 상기 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며, 상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ일 수 있다.7 and 8, in one embodiment, when the orientation angle θ formed by the weave pattern of the carbon fiber tow of the unit cell is 0 ° or 90 °, the length l of the carbon fiber tow of the unit cell ) Is a length L1 of one side of the unit cell, and when the orientation angle is 0 DEG < < 90 DEG, the length l of the carbon fiber tow of the unit cell may be L1 / cos?.
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출될 수 있다:In one embodiment, the cross-sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived by the following equation 5-1 when the carbon fiber tow of the unit cell is a woven material:
[식 5-1][Formula 5-1]
St = π x a x b S t = π xaxb
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).(Wherein, in the formula 5-1, a is the radius of the long side of the carbon fiber tow and b is the radius of the short side of the carbon fiber tow).
다른 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출될 수 있다:In another embodiment, the cross-sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell can be derived by the following equation 5-2 when the carbon fiber tow of the unit cell is a non-creeping fabric (NCF)
[식 5-2][Formula 5-2]
St = c x d S t = cxd
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).(Where c is the length of the long side of the carbon fiber tow and d is the length of the short side of the carbon fiber tow).
본 발명의 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우는, 직선으로 가정하여 계산할 수 있다. 도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 상기 도 9를 참조하면, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우는, 곡선의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 탄소 섬유 토우를 곡선으로 가정하고, 상기 탄소 섬유 토우의 위치를 좌표로 설정한 다음, 상기 좌표 사이의 거리를 적분하여 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon fiber tow of the unit cell can be calculated assuming a straight line. 9 is an optical microscope photograph showing a cross section of a carbon fiber tow of a unit cell according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, the carbon fiber tow of the unit cell may have a curved shape. Therefore, it is possible to derive the volume (Vt) of the carbon fiber tow by setting the position of the carbon fiber tow as coordinates, and integrating the distance between the coordinates, assuming the carbon fiber tow as a curved line.
예를 들면 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및 상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출될 수 있다. 상기 방법으로 보다 정확한 탄소 섬유 토우의 부피를 도출할 수 있다.For example, the volume Vt of the carbon fiber tow of the unit cell may be determined by setting the coordinates of the start point and the end point of the carbon fiber tow of the unit cell, respectively. And calculating a cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow and integrating a distance between the coordinates of the end point and the start point to derive a volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell . With this method, a more accurate carbon fiber tow volume can be derived.
(S40) (S40) 단위셀Unit cell 탄소 섬유의 Carbon fiber 총질량Total mass (( WfWf ) 도출 단계) Derivation step
상기 단계는 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 상기 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계이다:The step of deriving the total mass (Wf) of the carbon fibers of the unit cell according to the following formula (1) using the volume (Vt) of the carbon fiber tow:
[식 1][Equation 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled ).
상기 탄소 섬유 토우(tow) 보정 인자(α)는, 탄소 섬유 토우의 탄소 섬유의 직조 패턴, 탄소 섬유 토우 내 수지의 면적과, 탄소 섬유의 체적률을 고려하여 본 발명의 단위셀의 탄소섬유 토우의 질량을 보다 정확하게 예측할 수 있다.The carbon fiber tow correction factor? Is calculated by taking into consideration the weave pattern of the carbon fiber of the carbon fiber tow, the area of the resin in the carbon fiber tow, and the volume fraction of the carbon fiber, Can be more accurately predicted.
상기 탄소 섬유 토우 보정 인자는 시중에 판매되는 탄소 섬유 토우 제품을 이용하여, 실험적으로 도출한 것이다. 한 구체예에서 상기 탄소 섬유 토우 보정 인자는 탄소 섬유 토우에 함유된 탄소 섬유 개수 및 탄소 섬유의 체적률 등을 고려하여 실험적으로 도출할 수 있다.The carbon fiber tow correction factor is derived experimentally using commercially available carbon fiber tow products. In one embodiment, the carbon fiber tow correction factor can be empirically derived in consideration of the number of carbon fibers contained in the carbon fiber tow and the volume fraction of the carbon fiber.
예를 들면, 탄소 섬유 총 개수를 알고 있는 탄소 섬유 토우 제품을 체적률(Vf) 별로 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 방법을 이용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 샘플을 제조하고, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱 샘플을 절단하여, 그 단면을 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한다. 촬영한 단면을 통해 탄소 섬유 토우의 단면적과, 탄소 섬유의 단면적을 각각 계산한 다음, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 단면적을 탄소섬유의 단면적으로 나누어, 탄소 섬유 토우 내 섬유 개수를 계산한다. 그 다음에, 상기 계산된 탄소 섬유의 개수를, 상기 제품의 탄소 섬유 토우의 탄소 섬유 개수와 비교하여, 보정인자를 도출할 수 있다.For example, a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) sample is prepared by using HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding) method for each volume fraction (Vf) of a carbon fiber tow product having a total number of carbon fibers, The fiber-reinforced plastic sample is cut, and its cross-section is photographed with a scanning electron microscope (SEM). The cross-sectional area of the carbon fiber tow and the cross-sectional area of the carbon fiber are calculated through the cross-section taken, and the cross-sectional area of the calculated carbon fiber tow is divided by the cross-sectional area of the carbon fiber to calculate the number of fibers in the carbon fiber tow. The correction factor can then be derived by comparing the number of carbon fibers calculated above to the number of carbon fibers of the carbon fiber tow of the product.
상기 범위의 탄소 섬유 토우(tow) 보정 인자 값을 적용시, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 질량을 보다 정확하게 예측할 수 있다.When the carbon fiber tow correction factor value in the above range is applied, the mass of the carbon fiber tow of the unit cell can be more accurately predicted.
상기 도 4를 참조하면, 상기 단위셀이 탄소 섬유 토우 패턴이 평직인 경우, 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)는 4개 이며, 상기 도 4(c)와 같이 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 패턴이 능직인 경우 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)는 6개이다.Referring to FIG. 4, when the unit cell has a plain carbon fiber tow pattern, the number Nc of carbon fiber tows of the unit cell is 4, When the tow pattern is twilled, the number of carbon fiber tows (Nc) is 6.
(S50) (S50) 단위셀의Unit cell FAWFAW 도출 단계 Derivation step
상기 단계는 상기 단위셀 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계이다:The step of deriving the FAW of the unit cell according to the following formula 2 using the unit cell area Sc and the total mass Wf of the carbon fibers of the unit cell:
[식 2][Formula 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc)FAW (g / m 2 ) of the unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc)
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식 등을 이용하여 단위 환산을 하여 도출해낼 수 있다.Since FAW is a mass per unit area (g / m 2 ), it can be derived by unit conversion using a proportional equation or the like.
본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 적용시, 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대한 탄소 섬유 FAW 예측값의, 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 분석이 신속하고 간편할 수 있다.When FAW analysis method of the carbon fiber reinforced plastic according to the present invention is applied, the accuracy and reliability of the carbon fiber FAW predicted value for the carbon fiber reinforced plastic is excellent, and the analysis can be quick and simple.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.
실시예Example
탄소 섬유 토우 보정 인자 도출Deriving carbon fiber tow correction factor
(1) 평직 탄소섬유 토우 제품(1) plain weave carbon fiber tow products
체적률(Vf)이 40%, 50%, 60%이며, 탄소 섬유 총 개수가 3K, 6K 및 12K인 평직 탄소 섬유 토우 제품에 대하여, 제품별로 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 방법을 이용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 제조하였다. 그 다음에, 상기 성형체 시편의 그 단면을 전자주사현미경(SEM)으로 촬영하였다.High Pressure Resin Transfer Molding (HP-RTM) method is used for plain carbon fiber tow products with a volume percentage (Vf) of 40%, 50%, 60% and total carbon fiber counts of 3K, 6K and 12K (CFRP) specimens were prepared. Then, the cross section of the molded body specimen was photographed with an electron microscope (SEM).
상기 촬영된 샘플의 단면 사진을 통해 탄소 섬유 토우의 단면적과, 탄소 섬유의 단면적을 각각 계산한 다음, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 단면적을 탄소섬유의 단면적으로 나누어, 탄소 섬유 토우 내 총 섬유 개수를 계산하였다. 그 다음에, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 총 섬유 개수를, 상기 샘플의 탄소 섬유 개수와 비교하여, 보정인자를 도출하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The cross-sectional area of the carbon fiber tow and the cross-sectional area of the carbon fiber are calculated through the cross-sectional photograph of the taken sample, and then the cross-sectional area of the calculated carbon fiber tow is divided by the cross-sectional area of the carbon fiber, Respectively. Next, the total number of fibers of the calculated carbon fiber tow was compared with the number of carbon fibers of the sample, and correction factors were derived, and the results are shown in Table 1 below.
(2) 비크립핑 직물(NCF) 탄소섬유 토우 제품(2) Non-creeping fabric (NCF) Carbon fiber tow products
체적률(Vf)이 40%, 50%, 60%이며, 탄소 섬유 총 개수가 6K 및 12K인 2축 비크립핑 직물(NCF) 탄소 섬유 토우 제품에 대하여, 상기 평직 탄소 섬유 토우 제품과 동일한 방법으로 보정인자를 도출하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.(NCF) carbon fiber tow product having a volume ratio (Vf) of 40%, 50%, 60% and a total number of carbon fibers of 6K and 12K, the same method as that of the plain weave carbon fiber tow product to The correction factors were derived and the results are shown in Table 2 below.
실시예Example 1: 평직 탄소 섬유 강화 플라스틱( 1: Plain carbon fiber reinforced plastic ( CFRPCFRP ) ) 성형체Shaped body 시편의 Psalm FAWFAW 계산 Calculation
평직 조직의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하여, 상기 성형체 시편의 FAW를 계산하였다.A specimen of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) molded body of a plain weave was prepared, and the FAW of the molded body specimen was calculated.
(1) 셀 면적 계산(Sc): 도 10(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 10(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 도 10과 같은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인, 사각 형태의 단위셀의 면적(Sc)을 하기 식 3에 따라 계산하였다:(1) Cell area calculation (Sc): Fig. 10 (a) shows a unit cell of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic molding according to one embodiment of the present invention, Fig. Sectional image of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded article as shown in Fig. 10 was analyzed to calculate the area Sc of a rectangular unit cell, which is the minimum unit of the carbon fiber tow weave pattern of the specimen, Calculated according to:
[식 3][Formula 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2The area of the unit cell (Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이며, 상기 L2는 하기 식 4-1에 의해 도출된다)(Where L 1 is the length of one side of the unit cell, L 2 is the length of the other side of the unit cell, and L 2 is derived from the following formula 4-1)
[식 3-1][Formula 3-1]
L2 = L1 x tan θL2 = L1 x tan?
(상기 식 3-1에서, 상기 θ는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도이며, 상기 배향 각도가 0° 또는 90°인 경우, L1 = L2이다).(In the formula 3-1,? Is an orientation angle formed by the carbon fiber tow weave pattern of the unit cell, and L1 = L2 when the orientation angle is 0 or 90).
이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도(θ)는 90° 인 정사각형 형태였으며, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1)와 타변의 길이(L2)는, 탄소 섬유 토우의 길이(l)와 동일한 3230.77㎛ 이었다. 따라서 단위셀의 면적(Sc) = (3.23077mm) x (3.23077mm) = 10.43787 mm2 이었다.The length L1 of one side of the unit cell and the length L2 of the other side of the unit cell correspond to the length of the carbon fiber tow (l). Therefore, the area of the unit cell (Sc) = 3.23077 mm x 3.23077 mm = 10.43787 mm 2 .
(2) 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 계산: 하기 식 4를 이용하여 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:(2) Calculation of the volume (Vt) of the carbon fiber tow: The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell was calculated using the following equation 4:
[식 4][Formula 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell = the length of the carbon fiber tow of the unit cell (l) The cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell.
이때, 상기 시편의 탄소 섬유 토우는 단면이 타원형인 직조물(평직)이었으며, 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름(a)는 0.7375mm 이고, 단변의 반지름(b)는 0.0625mm 이었으며, 하기 식 5-1을 이용하여 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St)을 도출하여, 상기 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:The carbon fiber tow of the specimen was a woven fabric (plain weave) having an elliptical cross section. The radius a of the long side of the carbon fiber tow was 0.7375 mm and the radius b of the short side was 0.0625 mm. , The cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell was derived, and the volume (Vt) of the carbon fiber tow was calculated.
[식 5-1][Formula 5-1]
St = π x a x b S t = π xaxb
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다)(Wherein, in the formula 5-1, a is the radius of the long side of the carbon fiber tow and b is the radius of the short side of the carbon fiber tow)
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = π x (0.0625mm) x (0.7375mm) x (3.23077mm) = 0.46784mm3 이었다.The volume Vt of the carbon fiber tow of the unit cell =? X (0.0625 mm) x (0.7375 mm) x (3.23077 mm) = 0.46784 mm 3 .
(3) 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt) 계산:(3) Calculation of total mass (Wt) of carbon fiber tow:
하기 식 1에 따라, 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt)을 계산하였다. 이때, 상기 평직 직물에 대한 탄소 섬유 토우 보정인자(α)는 80%(0.8)로 계산하였다.The total mass (Wt) of the carbon fiber tow was calculated according to the following equation (1). At this time, the carbon fiber tow correction factor (α) for the plain weave fabric was calculated as 80% (0.8).
[식 1][Equation 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled ).
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 0.46784 X 10-9m3 X 1.8 g/m3 X 0.8 X 4 = 2.69475 X 10-9 g(Wf) of the carbon fibers of the unit cell = 0.46784 X 10 -9 m 3 X 1.8 g / m 3 X 0.8 x 4 = 2.69475 X 10 -9 g
(4) 단위셀의 FAW 계산: 하기 식 2를 이용하여 단위셀의 FAW를 계산하였다:(4) FAW Calculation of Unit Cell: The FAW of a unit cell was calculated using the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).FAW (g / m 2 ) of unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc).
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식을 이용하여 단위 환산을 하여 상기 FAW를 도출할 수 있다.Since the FAW is a mass per unit area (g / m 2 ), it is possible to derive the FAW by taking a unit weight and using proportional expressions.
(단위셀의 FAW) : 1m2 = (2.69475 X 10-6 g):(10.43787) x (10-3 m/mm)3 (FAW of unit cell): 1m 2 = (2.69475 X 10 -6 g) :( 10.43787) x (10 -3 m / mm) 3
상기 단위셀의 FAW = 0.258041 g/m2 이었다.The FAW of the unit cell was 0.258041 g / m 2 .
실시예Example 2: 2축2: 2 axes NCFNCF 탄소 섬유 강화 플라스틱( Carbon fiber reinforced plastic ( CFRPCFRP ) ) 성형체Shaped body 시편의 Psalm FAWFAW 계산 Calculation
2축 NCF 조직의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하여, 상기 성형체 시편의 FAW를 계산하였다.A specimen of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded body of a biaxial NCF structure was prepared, and the FAW of the molded body specimen was calculated.
(1) 셀 면적 계산(Sc): 도 11(a)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 11(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 도 11과 같은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인, 사각 형태의 단위셀의 면적(Sc)을 계산하였다:(1) Cell area calculation (Sc): Fig. 11 (a) shows a unit cell of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic molding according to another embodiment of the present invention, Fig. Sectional image of a specimen of a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded as shown in FIG. 11 was analyzed to calculate the area Sc of a rectangular unit cell, which is the minimum unit of the carbon fiber tow weave pattern of the specimen.
[식 3][Formula 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2The area of the unit cell (Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다)(Where L1 is the length of one side of the unit cell and L2 is the length of the other side of the unit cell)
이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도(θ)는 0° 인 2축 비크립핑 직물이고, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1)는 8790.35㎛ 이며, 타변의 길이(L2)는 8790.35㎛ 이었다. 상기 단위셀의 면적은 Sc = (8.79035 mm X 8.79035 mm) = 77.2702 mm2 이었다.The length L1 of one side of the unit cell is 8790.35 mu m and the length L2 of the other side of the unit cell is L2. ) Was 8790.35 mu m. The area of the unit cell was Sc = (8.79035 mm X 8.79035 mm) = 77.2702 mm 2 .
(2) 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 계산: 하기 식 4를 이용하여 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:(2) Calculation of the volume (Vt) of the carbon fiber tow: The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell was calculated using the following equation 4:
[식 4][Formula 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell = the length of the carbon fiber tow of the unit cell (l) The cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell.
상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)이므로, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적은 하기 5-2에 의해 도출되었다:Since the carbon fiber tow of the unit cell is a non-creeping fabric (NCF), the cross-sectional area of the carbon fiber tow of the unit cell is derived by the following 5-2:
[식 5-2][Formula 5-2]
St = c x dS t = cxd
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).(Where c is the length of the long side of the carbon fiber tow and d is the length of the short side of the carbon fiber tow).
이때, 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이는 3.1983 mm 이며, 단변의 길이는 0.09231 mm 이었다. 따라서, 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) = (3.1983 mm) x (0.09231 mm) x (8.79035 mm) = 2.59522mm3 이었다.At this time, the long side length of the carbon fiber tow was 3.1983 mm, and the short side length was 0.09231 mm. Therefore, the volume Vt of the carbon fiber tow was 3.1983 mm x 0.09231 mm x 8.79035 mm = 2.59522 mm 3 .
(3) 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt) 계산: 하기 식 1에 따라, 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt)을 계산하였다. 이때, 상기 2축 NCF 직물에 대한 탄소 섬유 토우 보정인자(α)는 80%(0.8)로 계산하였다:(3) Calculation of total mass (Wt) of carbon fiber tow: The total mass (Wt) of carbon fiber tow was calculated according to the following formula 1. At this time, the carbon fiber tow correction factor (α) for the biaxial NCF fabric was calculated as 80% (0.8):
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.8 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled.
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 2.59522 X 10-9m3 X 1.8 g/m3 X 0.8 X 4 = 1.49238 X 10-8 g(Wf) of the carbon fibers of the unit cell = 2.59522 X 10 -9 m 3 X 1.8 g / m 3 X 0.8 X 4 = 1.49238 X 10 -8 g
(4) 단위셀의 FAW 계산: 하기 식 2를 이용하여 단위셀의 FAW를 계산하였다:(4) FAW Calculation of Unit Cell: The FAW of a unit cell was calculated using the following equation 2:
[식 2][Formula 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).FAW (g / m 2 ) of unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc).
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식을 이용하여 단위 환산을 하여 상기 FAW를 도출할 수 있다.Since the FAW is a mass per unit area (g / m 2 ), it is possible to derive the FAW by taking a unit weight and using proportional expressions.
(단위셀의 FAW) : 1m2 = (1.49238 X 10-2 g):(77.2702) x (10-3 m/mm)3 (FAW of the unit cell): 1 m 2 = (1.49238 X 10 -2 g) :( 77.2702) x (10 -3 m / mm) 3
상기 단위셀의 FAW = 193.4569182 g/m2 이었다.The FAW of the unit cell was 193.4569182 g / m 2 .
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (7)
상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계;
상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;
상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및
상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
[식 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
Preparing a carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) molded body specimen;
Analyzing a cross-sectional image of the molded body specimen to set a hexahedral unit cell as a minimum unit of a carbon fiber tow weave pattern of the specimen and calculating an area Sc of the unit cell;
Deriving a volume (Vt) of the carbon fiber tow contained in the unit cell;
Deriving a total mass (Wf) of the carbon fibers of the unit cell according to the following formula (1) using the volume (Vt) of the carbon fiber tow; And
And deriving the FAW of the unit cell according to Equation (2) using the area Sc of the bottom surface of the unit cell and the total mass Wf of the carbon fibers of the unit cell. FAW analysis method:
[Formula 1]
Total mass of carbon fiber in unit cell (Wf) = Volume of carbon fiber tow in unit cell (Vt) x Density of carbon fiber (g / m 3 ) x Carbon fiber tow correction factor (x) x Carbon fiber tow of unit cell (Nc)
Wherein Nc is 4 when the carbon fiber tow is a plain weave or non-creeping fabric (NCF), and Nc is 6 when the carbon fiber is twilled )
[Formula 2]
FAW (g / m 2 ) of unit cell = total mass of carbon fiber (Wf) / unit cell area (Sc).
상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
[식 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다).
The method according to claim 1,
A method for analyzing FAW of a carbon fiber-reinforced plastic, wherein the area (Sc) of the unit cell is derived by the following formula (3)
[Formula 3]
The area of the unit cell (Sc) = L1 x L2
(Where L1 is the length of one side of the unit cell and L2 is the length of the other side of the unit cell).
상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
[식 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).
The method according to claim 1,
Wherein the volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell is derived according to the following equation (4): FAW analysis of carbon fiber-
[Formula 4]
The volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell = the length of the carbon fiber tow of the unit cell (l) The cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow of the unit cell.
상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며,
상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법.
The method of claim 3,
The length (1) of the carbon fiber tow of the unit cell is a length (L1) of one side of the unit cell when the orientation angle? Formed by the weave pattern of the carbon fiber tow of the unit cell is 0 or 90,
Wherein the length (l) of the carbon fiber tow of the unit cell is L1 / cos? When the orientation angle is in the range of 0 占 <? <90 占 폚.
상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
[식 5-1]
St = π x a x b
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).
The method of claim 3,
Wherein the cross-sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell is derived from the following formula (5-1) when the carbon fiber tow of the unit cell is a woven material:
[Formula 5-1]
S t = π xaxb
(Wherein, in the formula 5-1, a is the radius of the long side of the carbon fiber tow and b is the radius of the short side of the carbon fiber tow).
상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
[식 5-2]
St = c x d
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).
The method of claim 3,
Sectional area (S t ) of the carbon fiber tow of the unit cell is derived by the following formula 5-2 when the carbon fiber tow of the unit cell is a non-creeping fabric (NCF) FAW analysis method:
[Formula 5-2]
S t = cxd
(Where c is the length of the long side of the carbon fiber tow and d is the length of the short side of the carbon fiber tow).
상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및
상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법.
The method according to claim 1,
Setting a volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell to a start point and an end point of the carbon fiber tow of the unit cell, respectively; And
Calculating a cross-sectional area (St) of the carbon fiber tow and integrating a distance between the coordinates of the end point and the start point to derive the volume (Vt) of the carbon fiber tow of the unit cell; Wherein the carbon fiber reinforced plastic is a carbon fiber reinforced plastic.
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