KR20230106365A - 진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재 - Google Patents

진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나선형 구조의 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 시트층이 복수 개로 적층된 구조체를 포함하고, 구조체가 적층 방향을 기준으로 시트층이 일정 각도씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 이루며, 상기 틀어진 일정 각도가 45 °미만으로 구성되어 진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재에 관한 것이다.

Description

진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재{A SPIRAL COMPOSITE MATERIAL WITH VIBRATION ABSORPTION PROPERTIES}
본 발명은 나선형 구조의 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 시트층이 복수 개로 적층된 구조체가 시트층이 일정 각도씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 가짐으로써, 진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재에 관한 것이다.
준등방성(Quasi-Isotropic) 적층 방법은 FRP(Fiber Reinforced Plastic)의 가장 기본적인 적층 방법으로 후변형을 최소화 하면서 전역적 등방성 특성을 고려한 적층 방법이다.
종래기술의 적층 방법은 대칭의 구조를 순차적으로 배열하는 방식으로 주로 [0/±45/90]s 이나 [0/±30/±60/90]s 등의 적층을 사용하였다.
하지만, 기존의 준등방성 적층 방법에 의해 제조된 복합재는 그라인딩 휠에 적용되었을 때, 진동에 장기 노출되어 부품의 수명이 쉽게 단축될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 배경 하에, 기존의 준등방성 적층 방법에 의해 제조된 복합재에 비하여 진동 특성을 개선한 복합재에 대한 개발이 필요한 실정이다.
미국 공개특허 US 2010-0108812 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0033831호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 준등방성 적층 방법에 의해 제조된 복합재에 비하여 진동 특성이 개선된 복합재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 시트층이 복수 개로 적층된 구조체를 포함하고, 상기 구조체가 적층 방향을 기준으로 시트층이 일정 각도(α)씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 이루며, 상기 틀어진 일정 각도(α)가 45 °미만인 것이다.
상기 시트층은 섬유강화플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 포함할 수 있다.
상기 시트층은 시트층은 재질이 직물형(woven)과 일방향(uni-directional, UD)을 조합한 것일 수 있다.
상기 시트층은 평행하게 적층된 것일 수 있다.
상기 구조체는 인접한 두 시트층을 기준으로 어느 한 시트층의 일 변과 다른 한 시트층의 일 변이 이루는 각도(α)가 45°미만인 것일 수 있다.
상기 구조체는 상기 틀어진 일정 각도(α)가 5 내지 30°인 것일 수 있다.
상기 복합재는 강성이 50 내지 57 GPa인 것일 수 있다.
상기 복합재는 강도가 486 내지 504 MPa인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 시트층이 복수 개로 적층된 구조체가 시트층이 일정 각도(α)씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 가짐으로써, 기존 준등방성(Quasi-Isotropic)으로 적층된 복합재 대비 진동 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 Semi-Spiral-Helix 구조로 형성됨으로써, 기존 물성은 유지하면서 진동특성, 파손특성, 변형 특성, 치수 안전성 및 미세구조적 결함을 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 복합재의 상측면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b 각각은 비교예의 파단 거동 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b 각각은 실시예의 파단 거동 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a는 비교예의 치수 안전성 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 4b는 실시예의 치수 안전성 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5a는 비교예의 변형 평과 결과를 나타낸 도면이다.
도 5b는 실시예의 변형 평과 결과를 나타낸 도면이다.
도 6a, 6b, 6c 각각은 비교예의 결함 및 배향 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 7a, 7b 각각은 실시예의 결함 및 배향 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 복합재를 휠에 적용한 모습이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명은 진동 흡수 특성을 가지는 나선형 구조의 복합재에 관한 것으로, 복합재의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 복합재의 상측면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 시트층이 복수 개로 적층된 구조체를 포함하고, 구조체가 적층 방향을 기준으로 시트층이 일정 각도(α)씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 이루며, 틀어진 일정 각도(α)가 45 °미만이다.
시트층은 바닥면부터 위쪽 방향으로 일정 각도(α)가 틀어지면서 연속해서 쌓일 수 있다. 이때, 틀어지는 방향은 동일 방향으로 유지되면서 바닥면부터 위쪽으로 연속해서 적층될 수 있다.
시트층은 평행하게 적층되며, 직물형(woven) 섬유 및 일방향(uni-directional, UD) 섬유를 혼합하여 사용될 수 있다.
이때, 시트층의 재질로 직물형과 일방향을 혼합하여 사용함으로써, 적층된 복합재의 치수 안전성을 개선할 수 있다.
구조체는 준등방성(Quasi-Isotropic) 배열 방식으로 순차적으로 적층된 것이다.
구조체는 인접한 두 시트층을 기준으로 어느 한 시트층의 일 변과 다른 한 시트층의 일 변이 이루는 각도(α)가 45°미만인 것이다. 구체적으로, 구조체의 상기 각도(α)는 5 내지 30°일 수 있다.
구조체는 시트층이 일정 각도(α)씩 틀어지면서 복수 개의 시트층이 적층된 나선형 구조를 가짐으로써, 기존의 준등방성(Quasi-Isotropic)으로 적층된 복합재에 대비하여 진동 특성이 향상될 수 있다.
구체적으로, 구조체의 나선형 구조는 반나선(Semi-Helix) 배열에 대칭 구조를 적용한 것으로 Semi-Spiral-Helix 구조를 가진다.
그리고 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 강성이 50 내지 57 GPa이며, 강도가 486 내지 504 MPa인 것일 수 있다.
또한, 나선형 구조의 복합재는 중심부 적층 기준으로 하여 상하층의 in-plane/out-of-plane 강성 인자에 따른 응력 및 곡률이 동등한 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 틀어진 일정 각도(α), 시트층의 개수(Ply), 대칭 구조 또는 비대칭 구조 및 시트층 소재를 변경함에 따라 구조가 변경될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 효과를 검증하기 위해 다음과 같은 평가를 진행하였다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[물성 평가]
복합재의 기계적 물성평가를 확인하기 위해 하기 표 1에 개시된 적층 방법과 소재를 사용하여 비교예 1~5 실시예 1~2의 복합재 시편을 각각 제조하였으며, 제조된 복합재 시편을 UTM(Universal Testing Machine) 장비를 통해 물성을 평가하였다.
여기서, 복합재의 적층 각도 및 반복 패턴에 따른 표기방법에 있어서, 적층각도는 왼쪽에서부터 오른쪽방향으로 읽으며 적층순서는 바닥면부터 위쪽 방향으로 쌓인다. 또한, 끝에 "s"가 붙는 경우에는, (+45/-45/0/90/90/0/-45/+45)와 같이 대칭 구조로 다시 적층되는 것을 의미한다. 그리고 끝에 "s"가 아닌 "ns"가 붙는 경우에는, (+45/-45/0/90/+45/-45/0/90)와 같이 비대칭으로 다시 적층되는 것을 의미한다.
적층 강성
[GPa]		 강도
[MPa]		 소재
(Type)		 등방성 단가
(단품)
비교예 1 S45C 210 400(항복) Steel 등방성 100
(기준)
비교예 2 Cross-Ply(0/90)s 55 650 Woven 이방성 200
비교예 3 Cross-Ply[(0/90)/0/90]s 64 794 Woven
+ UD		 이방성 150
비교예 4 45°Quasi-Isotropic[(0/90)/(±45)]s 42 505 Woven 준등방성 200
비교예 5 20°Quasi-Isotropic[(0/90)/0/±20/…/±80/(±45)]s 44 547 Woven
+ UD		 이방성 120
실시예 1 30°Semi-Helix[(0/90)/30/60/…/180/(0/90)]s 50 486 Woven
+ UD		 준등방성 120
실시예 2 30°Semi-Helix (센터 부 직물 제외)
[(0/90)/30/60/…/180]s		 57 504 Woven
+ UD		 준등방성 120
표 1을 참조하면, Woven 및 UD 소재를 조합하여 30°Semi-Helix 적층 방법으로 제조된 실시예 1 및 2는 400MPa 이상의 강도를 가지며 스틸 소재로 S45C 적층 방법으로 제조된 비교예 1 보다 우수한 강도를 갖는 것을 알 수 있엇다.
또한, 실시예 1 및 2는 기존의 Quasi-Isotropic 적층 방법으로 제조된 비교예 4, 5와 비교하여 동등 수준의 물성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
[파단 거동 평가]
시료의 파손 거동이 점진적 파손인지 섬유 끊어짐 현상에 의한 Abrupt/Catastrophic 파손인지 확인하였다.
시편의 파단 거동 평가 결과를 도 2a, 2b, 3a, 3b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 2a, 2b 각각은 비교예의 파단 거동 실험 결과를 나타낸 도면이다. 그리고 도 3a, 3b 각각은 실시예의 파단 거동 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 45°Quasi-Isotropic 적층 방법으로 제조된 시편은 인장 응력에 따른 UD 적층 섬유의 끊어짐 현상으로 인하여 국부 영역에서의 시편이 터지는 현상이 나타났다.
반면에, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 30°Semi-Helix 적층 방법으로 제조된 시편은 층간 전단 응력에 따른 시편이 내점진적 파손으로 인하여 전역적 파손이 발생하였다.
따라서, Semi-Helix 적층 방법으로 제조된 복합재는 Abrupt 파손의 방지 효과가 있음을 알 수 있었다.
[치수 안정성 평가]
DIC 이미지 상관법 촬영을 통해 직물 적용을 유무에 따른 시편이 국부영역에서 응력 집중부가 있는지를 확인하였다.
시편의 치수 안정성 평가 결과를 도 4a, 4b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 4a는 비교예의 치수 안전성 실험 결과를 나타낸 도면이다. 그리고 도 4b는 실시예의 치수 안전성 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 30°Semi-Helix 적층 방법을 사용하며 시편 센터에 부직물을 미보강하여 제조한 시편의 경우, 시편 내부의 국부 영역 응력 집중으로 인하여 A 부분과 같은 파손이 발생하였으며, B 부분과 같이 엣지 부분에 크랙이 발생된 것을 확인할 수 있었다.
반면에 도 4b를 참조하면, 30°Semi-Helix 적층 방법을 사용하며 시편 센터에 부직물을 보강하여 제조한 시편의 경우, 시편 내부에 응력 집중 없이 정상적으로 파손된 것을 확인 할 수 있었다.
따라서, Semi-Helix 적층 방법으로 적층된 복합재는 직물 적용을 통하여 국부 영역 응력 집중을 방지할 수 있다.
[변형 평가]
실시예와 비교예에 따른 복합재 시편을 평판 성형하여 변형 평가를 진행하였다.
시편의 변형 평가 결과를 도 5a, 5b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 5a는 비교예의 변형 평과 결과를 나타낸 도면이다. 그리고 도 5b는 실시예의 변형 평과 결과를 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 복합재는 Full-Helix 20°적층 방법을 적용하며 시트층(Ply) 개수가 61이며, 두께가 18T인 것이다. 상기 복합재는 평평하지 못하고 변형된 복합재의 모습을 나타내었다.
반면에, 도 5b에 도시된 복합재는 Semi-Helix 30°적층 방법을 적용하며 시트층(Ply) 개수가 62이며, 두께가 18T인 것이다. 상기 복합재는 변형되지 않고 평평한 복합재의 모습을 나타내었다.
한편, 본 발명은 시료를 성형 전에 CLT(Classical Laminate Theory) 고전적층판 이론에 의하여 ABD Matrix 강성 인자를 예측하여, ABD Matrix 중 B Matrix의 인자가 0인지 확인하여 변형을 미리 예측할 수 있다. 예를 들어, B Matrix 강성 인자가 0이 아닐 경우 후변형이 예측됨으로 대칭 및 Coupling 효과로 Spiral-Helix 적층을 재 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 복합재는 고전적층판 이론 예측 결과 통해 변형을 방지할 수 있다.
[결함 및 배향 평가]
변형 평가에서 제조된 시편을 이용하여 Spiral-Helix 적층 복합재의 내부 결함 및 배향 확인을 위해 CT Scan을 진행한 후 기공 및 Misalignment/Ondulation을 평가하였다.
시편의 결함 및 배향 평가 결과를 도 6a, 6b, 6c, 도 7a, 7b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 6a, 6b, 6c 각각은 비교예의 결함 및 배향 평가 결과를 나타낸 도면이다. 그리고 도 7a, 7b 각각은 실시예의 결함 및 배향 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 6a을 참조하면, 비교예에 따른 복합재의 내부에 기공 및 결합이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 6b 및 도 6b를 참조하면, 비교예에 따른 복합재는 양측의 치수가 상이한 것을 알 수 있었다.
반면에 도 7a를 참조하면, 실시예에 따른 복합재의 내부에 기공 및 결합이 발생하지 않았다. 또한, 도 7b를 참조하면, 실시예에 따른 복합재는 양측의 치수 편차 없이 균일하게 제조된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 복합재는 시편 내부에 결함 개선 및 후변형에 따른 치수 편차 개선에 효과가 있음을 알 수 있었다.
[진동 특성 평가]
진동 평가를 위해 원형의 시편을 Free-Free 상태로 구속하여 평가를 진행하였다. 진동 평가 항목은 고유진동 수 및 진동 모드 개수이다. 그리고 동일한 형상으로 Modelling을 진행하고 이때 평가 시편에 사용된 정확한 물성 및 구속 조건을 부여하여 검증하였다.
본 발명에 따른 Semi-Helix 적층 방법을 이용한 복합재는 진동 특성 평가 및 검증에 의하면 스틸 및 Quasi-Isotropic 적층 방법을 이용하여 제조된 복합재 대비 진동 특성이 우세하였다.
이에, 또한, 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 후변형 최소화하며, 등방성 특성을 유지하면서 진동 특성을 개선하여 내구 성능을 향상 시키고 연속섬유강화 플라스틱의 거동을 완화시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 복합재는 도 8에 도시된 바와 같이, 그라인딩 휠에 적용될 수 있다. 여기서 도 8은 본 발명에 따른 복합재를 휠에 적용한 모습이다.
이에, 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 그라인딩 휠에 적용되어 기존 진동에 장기 노출되는 공구로 사용되는 스틸에 비해 공구 수명 및 재활용 효과를 통한 원가 절감 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나선형 구조의 복합재는 나선형 적층의 구조가 진동에 장기 노출되는 회전체에 적용될 경우 조도안전성 및 피로 성능을 극대화 할 수 있기 때문에 부품 수명이 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (8)

  1. 시트층이 복수 개로 적층된 구조체를 포함하고,
    상기 구조체가 적층 방향을 기준으로 시트층이 일정 각도(α)씩 틀어져서 적층된 나선형 구조를 이루며, 상기 틀어진 일정 각도(α)가 45 °미만인 것인 나선형 구조의 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트층은 섬유강화플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 포함하는 나선형 구조의 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시트층은 재질이 직물형(woven)과 일방향(uni-directional, UD)을 조합한 것인 나선형 구조의 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시트층은 평행하게 적층된 것인 나선형 구조의 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조체는 인접한 두 시트층을 기준으로 어느 한 시트층의 일 변과 다른 한 시트층의 일 변이 이루는 각도(α)가 45°미만인 것인 나선형 구조의 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조체는 상기 틀어진 일정 각도(α)가 5 내지 30°인 것인 나선형 구조의 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합재는 강성이 50 내지 57 GPa인 것인 나선형 구조의 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복합재는 강도가 486 내지 504 MPa인 것인 나선형 구조의 복합재.
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