Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.137-137
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2013
지속 가능한 발전을 위해, 한정된 자원인 석유의 고갈을 막기 위해 석유를 수송에너지로 주로 사용하는 자동차에서 바이오 디젤이나 연료전지, 전기자동차 등 다양한 대안이 제시되고 있다. 그러나 식량 가격 상승, 낮은 안정성, 인프라 확충 등의 문제의 해결이 필요할 뿐만 아니라, 석유의 소비를 감소시키는 대신, 지구에서 소비할 수 있는 다른 형태의 에너지를 소모한다는 측면에서 근본적인 에너지 문제의 해결책의 모색이 필요하다. 19세기 후반, 백열전구의 필라멘트 용도로 사용되기 시작한 탄소 섬유는, 철에 비해 5배 가볍고 강도는 10배가 높으며 내열성이 뛰어난 소재로서, 복합소재의 형태로 제조되어 비행기, 우주선, 풍력 발전 블레이드 등 다양한 산업 분야에서 소재의 장점을 발휘하는 재료로 적용 분야가 확대되고 있다. 특히 비행기 분야에서는 최근 비행기 몸체 구조에 기존 알루미늄 합금을 탄소섬유복합재가 대체하고 있으며, 최근에는 부피 기준 50% 가량까지 탄소섬유 복합재를 사용하여 비행기를 제작하고 있다. 이에 따라 기존에 비해 20% 가량 연료 소모가 감소하여, 비행기 한 대 당 연간 2,700톤의 이산화탄소 배출을 저감하고 있다. 이와 같이 탄소섬유 복합재를 다양한 분야에 적용함으로써, 에너지 문제에 대한 보다 근본적인 접근이 가능하다. 그러나 탄소섬유 복합소재는 금속 등 기존 재료에 비해 높은 가격으로 상용 자동차 등 에너지 소비량이 많은 분야에 널리 적용되는데 한계가 존재한다. 이와 같이 높은 탄소섬유의 가격은, 원가의 50% 가량을 차지하는 PAN 원사 가격과 나머지 반절에 해당하는 안정화/탄화 공정 비용에서 기인하는 것으로, 미국의 ORNL (Oak Ridge National Laboratory), 한국의 KIST 복합소재연구소 등에서는 원사, 안정화 공정, 탄화 공정 등 다양한 측면에서 탄소섬유 복합재의 가격을 절감할 수 있는 방안을 연구 중이다. 미국 ORNL에서는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 수행하던 탄화 공정 비용을 크게 절감하고 있으며, KIST에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 2시간 가량이 소요되는 안정화 공정을, 대기압 플라즈마를 이용하여 30분여로 단축된 시간에 수행하는 공정을 개발 중이다. 본 발표에서는 탄소섬유 복합재의 개요와, 탄소섬유 가격 절감 방안으로서의 플라즈마에 대해 논의하며 대기압 플라즈마의 다양한 응용에 대해 소개할 예정이다.
Graphite particle/carbon fiber hybrid conductive polymer composites were fabricated by the compression molding technique. Graphite particles were mixed with an epoxy resin to impart the electrical conductivity in the composite materials. In this study, graphite reinforced conductive polymer composites with high filler loadings were manufactured to accomplish high electrical conductivity above 100S/cm. Graphite particles were the main filler to increase the electrical conductivity of composites by direct contact between graphite particles. While high filler loadings are needed to attain good electrical conductivity, the composites becomes brittle. So carbon fiber was added to compensate weakened mechanical property. With increasing the carbon fiber loading ratio, the electrical conductivity gradually decreased because non-conducting regions were generated in the carbon fiber cluster among carbon fibers, while the flexural strength increased. In the case of carbon fiber 20wt.% of the total system, the electrical conductivity decreased 27%, whereas the flexural strength increased 12%.
Carbon fiber is an excellent structural material, which has been proven in many industries, and the shipbuilding industry is no exception. In particular, in advanced maritime countries, special ships of the Navy and Coast Guard with carbon fiber composite hulls have already been deployed. In Korea, carbon fiber composite materials have been applied to a 10-ton class leisure craft or a 30-ton class patrol, but no research has been done on a hundred of tons or more vessels. In this study, the feasibility study of a 500-ton patrol vessel with a carbon fiber composite hull was conducted through an analysis of similar cases abroad. As a result, it was recognized that the developed hull can be reduced in weight by about 21% to 25% compared to the existing aluminum or FRP hull. It was also confirmed that this light-weight effect can induce the improvement of the maximum speed and the improvement of the operating range via simulations.
In this paper, hexagonal boron nitride (h-BN) particles were added between the sheets of prepreg, and the effect of on many properties of BN-embedded carbon fiber reinforced plastics was investigated. The amount of BN particles which corresponds with 0 to 15 wt% of total resin weight was used as an additive material. The tensile strength and the inter-laminar shear strength of BN-embedded CFRP samples were improved by maximally 13.6%, and 6.7%, respectively. The tendency changes of thermal, electrical conductivities and the morphology of cross-section of CFRPs were also observed. This study suggests the possibility of controlling the characteristics of carbon fiber-BN-epoxy composites to use for aerospace applications.
This paper presents the strength safety of a hydrogen gas composite fuel tank, which is analyzed using a FEM based on the criterion of US DOT-CFFC and Korean Standard. A hydrogen gas composite tank in which is fabricated by an aluminum liner of 6061-T6 material and carbon fiber wound composite layers of T800-24K is charged with a filling pressure of 70MPa and a gas storage capacity of 130 liter. The FEM results indicated that von Mises stress, 255.2MPa of an aluminum liner inner tank is low compared with that of 95% yield strength, 272MPa. And a carbon fiber stress ratio of a composite fuel tank is 3.11 in hoop direction and 3.04 in helical direction. These data indicate that a carbon fiber gas tank is safe in comparison to that of a recommended criterion of 2.4 stress ratio. Thus, the proposed composite tank with 130 liter capacity and 70MPa filling pressure is usable in strength safety.
Recently, the need of new materials which have excellent physical properties and functional characteristics has been increased in all industries. In particular, body weight reduction via new materials in aerospace industry was significantly emphasized by the requirement of environmental protection through the fuel savings and reduction of greenhouse gas, i.e., carbon dioxide($CO_2$). Also, for various applications, the development of high performance custom materials with excellent physical properties was the current primary goal of materials science and technology. In this respect, carbon fiber-reinforced composites were the most candidates among the various materials. Indeed, carbon fiber-reinforced composites have been lately used as essential materials for the weight reduction of aircraft and the demand has increased remarkably. Therefore, in this paper, we focused on the need of carbon fiber composites in the fields of aircraft and technique status.
The purpose of this paper is to analyze affecting ratios of strength safety in carbon fiber layer thickness of a composite fuel tank for FEV vehicles. To investigate affecting ratios by FEM modeling, the equivalent von Mises stress has been computed on the aluminum liner and carbon fiber layers of composite fuel tanks in hoop and helical directions respectively. According to the FEM results, the affecting ratios of an aluminum liner on the equivalent stress are 77.5% in hoop direction, 18.11% in $70^{\circ}C$ winded helical direction and 4.39% in $12^{\circ}C$ winded helical direction. These trends on the strength safety of carbon fiber layers have been shown as those of an aluminum liner even though the layer thickness ratio of $12^{\circ}C$ inclined carbon fiber is very high of 42% compared with that of hoop layer thickness. Thus, the computed results show that the strength safety of a carbon fiber fuel tank is more influenced by the winding angle rather than the fiber thickness of carbon fiber layers.
Kim, Ki-Seok;Bae, Kyong-Min;Oh, Sang-Yeob;Seo, Min-Kang;Kang, Chang-Gi;Park, Soo-Jin
Elastomers and Composites
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v.47
no.1
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pp.65-74
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2012
Recently, the need of developing eco-friendly materials has been required with restriction strengthening on environment and energy saving by the resource depletion worldwide. These trends are not an exception in transport industry including automobile. In addition, these materials have to fulfill not only the high quality and cheap price but also the high-performance which meet the needs of costumer and society. Among the various materials, carbon fiber-reinforced composite which is actively studying for lightweight of the automobile is one of the most suitable candidates. Indeed, the carbon fiber-reinforced composites are used as the essential materials to substitute body and other parts in automobile and the demand is increasing largely. Carbon fiber-applied automobile has improved brake, steering, durability and high fuel efficiency, leading to the energy conservation and minimizing carbon dioxide emissions. This paper focuses on the necessity of carbon fiber-reinforced composites for lightweight of automobile and its technical trends.
Ngouanom, Joel Renaud Gnidakouong;Kim, Myung-Soo;Park, Hyung-Wook;Park, Young-Bin;Jung, Young-Bok;Jeong, Ho-Soon
Composites Research
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v.24
no.6
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pp.25-30
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2011
This paper presents an experimental study on the enhancement of electromagnetic shielding (EMI) properties of glass fiber, carbon fiber, and glass-carbon fiber composites by adding layers of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). In the case of glass-fiber composites, spraying 0.1~0.2 g of MWCNT over a fiber area of $200mm{\times}200mm$ (1.8~3.6 ${\mu}m$ in thickness) resulted in significant improvement in EMI shielding effectiveness (SE). Also, when applying multiple MWCNT layers, it was more effective to place the layers concentrated near the center of the composite rather than spreading them out. On the contrary, inherently conductive carbon fiber and glass-carbon fiber composites did not show appreciable improvement with the addition of MWCNT layers. In order to maximize the effectiveness of carbon nanomaterials as EMI shielding fillers, it is imperative to understand the effect of these materials on various EMI shielding mechanisms and their interactions.
Kim, Se-Young;Han, In-Sub;Woo, Sang-Kuk;Hong, Ki-Seok
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2007.11a
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pp.378-381
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2007
탄소섬유가 중앙에 적층된 풍력발전용 블레이드 소재인 탄소 유리섬유 하이브리드 복합재료가 VARTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)공법을 이용하여 제작되었다. 아이조드 충격시험법을 이용하여 온도, 하이브리드화 비율 그리고 노치에 대한 충격강도의 영향을 연구하였다. 온도 감소 및 탄소섬유의 증가에 의해 충격강도는 감소하는 경향을 보였으며, 노치에 의해 하이브리드 복합재료는 약 $25{\sim}30$%가량의 충격강도 감소를 보였다. 그러나 단일 탄소섬유 복합재료의 경우 노치민감도는 없었으며, 이에 소량의 유리섬유 첨가로 인해 하이브리드화 하였을 경우 충격강도 향상 및 저온 충격강도 안정성을 확보 할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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