This paper investigates the effect of prolonged high temperature exposure on concentric laminated $Al_2O_3-ZrO_2$ composites. An ultrafine scale microstructure with a cellular 7 layer concentric lamination with unidirectional alignment was fabricated by a multi-pass extrusion method. Each laminate in the microstructure was $2-3{\mu}m$ thick. An alternate lamina was composed of 75%$Al_2O_3$-(25%m-$ZrO_2$) and t-$ZrO_2$ ceramics. The composite was sintered at $1500^{\circ}C$ and subjected to $1450^{\circ}C$ temperature for 24 hours to 72 hours. We investigated the effect of long time high temperature exposure on the generation of residual stress and grain growth and their effect on the overall stability of the composites. The residual stress development and its subsequent effect on the microstructure with the edge cracking behavior mechanism were investigated. The residual stress in the concentric laminated microstructure causes extensive micro cracks in the t-$ZrO_2$ layer, despite the very thin laminate thickness. The material properties like Vickers hardness and fracture toughness were measured and evaluated along with the microstructure of the composites with prolonged high temperature exposure.
섬유-금속 적층 복합재료(FMLC)는 섬유와 금속 박판으로 구성된 새로운 형태의 구조재로 가볍고 우수한 피로 특성을 가지며 금속과 같이 가소성과 충격저항성이 우수하고, 가공성이 뛰어나다. 본 연구에서는 여러 하중 조건하에 있는 섬유-금속 적층 복합재료를 유전자 알고리듬을 이용하여 최적 설계하였다. 전단변형이론에 근거한 유한요소법을 사용하여 적층판을 해석하였으며, 설계변수로 금속판의 강도와 섬유 층의 수에 따른 적층각도를 두었다. 섬유층과 금속판의 적합도 함수로는 각각 Tasi-Hill failure criterion과 Miser yield criterion을 사용하였다. 유전자 알고리듬의 연산자로는 토너먼트 선택과 균일 교배를 사용하였다. 효율적인 진화를 위해 엘리티스트 모델을 사용하며, 높은 정확도를 가진 해를 얻기 위해 크리프 무작위 탐색(creeping random search) 방법을 통해 더 우수한 자손을 얻었다. 여러 가지 하중 조건에 대하여 최적설계 결과를 나타내었으며, 파괴 지수 측면에서 탄소섬유강화복합재료(CFRP)와 비교하였다. 해석 결과 섬유-금속 적층 복합재료는 탄소섬유강화복합재료에 비하여 집중하중이나 분포하중 형태에 대하여 우수한 특성을 보였으며, 파괴 지수의 편차가 적어 예기치 않은 하중에 잘 견딜 것으로 사료된다.
본 인구에서는 탄소섬유강화 복합재 구조물의 실제 사용조건인 환경에 따른 기계적 특성 연구를 수행하기 위하여, $[0_6]_T$, $[90_{12}]_T$, $[0_{16}]_T$, $[{\pm}45]_{5S}$, $[0/9012/0]_T$, $[0/45/-45/45/-45/0]_{3S}$의 실험을 통해, 복합재의 강도와 강성을 측정 하였다. 실험 결과, 환경조건에서 복합재의 파손 거동을 파악하고 설계관련 데이터베이스를 확보하였다. 저은 건조 조건에서 강도의 증가는 저온($-55^{\circ}C$)에서 섬유 촉은 모재의 취성 증가의 요인으로 분석된다. 고온다습 조건의 진단강도와 전단탄성계수 감소는 침투한 수분에 의해 섬유와 모재의 결합부의 물성이 저하한 것으로 분석된다.
Laminated steel composites are made from spring steel and mild steel by rolling process. Experiments for impact test are carried out and the fracture behavior of laminated steel composites are compared with that of homogeneous steel. Also, fracture models of laminate composites are analyzedby finite element method and the computed fracture stress is compared with experimental results.
종횡비가 다른 적층복합재료에 경사형 구조를 도입하고, 이것이 일방향으로의 하중을 받을 때의 좌굴특성을 최대화하기 위해서 복합재료의 각 층에서의 섬유부피분율과 두께를 변수로 sequential linear programming method를 이용하여 최적화 하였다. 이로부터 좌굴특성을 최대화 할 수 있는 최적구조를 제안하였다. 적층복합재료는 종횡비의 영향이 커서 종횡비가 1보다 작은 경우는 최외각층의 섬유부피분율을 최대화하는 방향으로 최적화가 이루어졌으나 종횡비가 2인 경우는 각층에서의 섬유부피분율과 두께비가 어느 정도 균형을 이루는 형태로 최적화가 이루어 졌다. 경사형 구조는 전통적인 균일구조의 복합재료에 비해서 섬유부피와 복합재료의 무게 절감에 큰 효과를 가지는 것으로 확인되었다.
This paper depicts the development and characterizations of laminated composites made with cellulosic giant cane (Arundinaria gigantea) fiber mats and epoxy resin. Zirconia-toughened mullite (ZTM) is used as a filler material in the laminated composite which was prepared from sillimanite through plasma processing technique. The mechanical characterizations of this composite have been carried out as per ASTM standards to evaluate its usability as a structural material. The effects of varying weight percentages of the filler and two different fiber orientations namely, angle-ply [$+45^{\circ}/-45^{\circ}/+45^{\circ}$] and balanced cross-ply [$0^{\circ}/90^{\circ}/0^{\circ}$] on the physical and mechanical properties such as density, microhardness, impact strength, tensile strength and interlaminar shear strength of the layered composite specimens have been investigated. The study indicates that the inclusion of zirconia-toughened mullite in the composite laminate as filler improves its mechanical properties. Moreover, the use of giant cane fiber mat in the laminate is more eco-friendly than the synthetic fibers. This research also helps in generating additional data to enrich the repository of natural fiber reinforced laminated composites.
본 논문은 철도차량 경량화 재질로 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 인장-압축 피로특성을 평가하였다. 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 인장-압축 피로시험은 경사, 위사 그리고 ${\pm}45^{\circ}$ 방향으로 적층된 시험편에 대하여 수행하였다. 인장-압축 피로시험은 5Hz의 주파수를 갖으며, 응력비(R)는 -1로 수행하였다. 인장-압축 피로시험 수행 시 압축하중에 의한 시험편의 좌굴을 방지하기 위하여 좌굴방지지그를 설계하고 이를 시험에 적용하였다. 또한, Goodman 선도는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 피로특성과 수명을 평가하기 위해 사용하였다. 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 인장-압축 피로시험결과 경사방향 적층 복합재의 피로특성이 기존 금속재 대차에 적용되는 SM490에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
The tensile tests for [0/90]s, [90/0]s, and $[0/{\pm}45/90]s$ laminate composite were accomplished with acoustic sensor and failure processes were recorded by a video camera in real time. Also SEM examinations for fracture and side surface were carried out. The purpose of study is estimation of the failure mechanism and the mechanical properties effected by lay-up orientation for CFRP laminate composite with the hole notch. From the results, mechanical properties were obtained and they are similar between two kinds of cross-ply orientation in CFRP laminate composites, but not on $[0/{\pm}45/90]s$. And accordings to increasing the load, accumulate AE count was increased, regardless of lay-up orientation. Futhermore, failure mechanism was described by a video monitoring and SEM.
Predicting microcracking properties of the composite laminates in nonuniform stress conditions was the subject in this paper. The uniform stress field meant the stresses were independent of the width direction. The material was the 954-2A/IM7 laminates containing a central hole. Microcracks initiated at the edge of the hole and propagated into the laminate. Because the tensile stress concentration decreased with distance, the microcracks were arrested before the edge of the laminate. Because carbon fiber composites were opaque, a x-ray method was used to detect the length of the propagating microcracks. The microcracking at the near edge of the hole could be reasonably predicted by considering the local laminate stresses and the microcracking toughness measured in unnotched laminates. However, the date away from the hole did not agree with the predictions. The local microcrack density was always much higher than that predicted by the local laminate stress.
In this study, a laminated composite material with dispersing aluminum oxide powder between the CFRP laminate plies, and also CFRP composites without aluminium oxide powder were fabricated for Mode I experiments using the DCB specimen and a tensile test. The behavior of the crack and the change of the interfacial fracture toughness were evaluated. Also in order to evaluate the damage mechanism for the crack extension, the AE sensor on the surface of the DCB test specimen was attached. AE amplitude was estimated for CFRP-alumina and CFRP composite. And the fracture toughness was evaluated by the stress intensity factor and energy release rate. The results showed that an unstable crack was propagated rapidly in CFRP composite specimen along with the interface, but crack propagation in CFRP-alumina specimen was relatively stable. From results, we show that aluminium oxide powder spreaded uniformly in the interface of the CFRP laminate carried out the role for preventing the sudden crack growth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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