탄소나노튜브-에폭시 복합재료의 미세손상에 대한 자체-감지도와 분산도와 관련되는 특성 연구가 접촉각, 전기-미세역학 시험법 및 음향방출을 통하여 수행하였다. 시편들은 미처리와 산처리된 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시 복합재료와 순수 에폭시로 제조되었다. 상대적인 분산도는 부피 전기저항도와 그 표준편차로 평가하였다. 응력전달을 나타내는 겉보기 탄성율은 미처리 탄소나노튜브 복합재료보다 산처리된 경우가 크게 나타났다. 단일 탄소섬유/탄소나노튜브-에폭시 복합재료는 부가한 반복 하중에 대해서 접촉저항도의 변화로 잘 감지되었다 섬유 풀-아웃 시험에서 단일 탄소섬유와 탄소나노튜브-에폭시간의 계면접착강도는 순수 에폭시의 경우보다 작았다. 음향방출과 함께 전기저항측정을 통한 미세파손 감지는, 전도성 있는 탄소나노튜브-에폭시 복합재료에서는 단일 탄소섬유 파손에 대한 단계적인 전기저항도의 증대를 보여 주었으나, 순수 에폭시의 경우는 첫번째 탄소섬유의 파단의 경우 바로 저항이 무한대로 증대함을 보여주었다. 첨가한 탄소나노튜브의 미세계면 손상으로 인하여, 음향방출 발생이 나노복합재료가 순수 에폭시에 비하여 훨씬 증대하였다.
Interfacial adhesion and nondestructive behavior of electrodeposited (ED) carbon fiber rein-forced composites were evaluated using electro-micromechanical techniques and acoustic emission (AE). The interfacial shear strength (IFSS) of the ED carbon fiber/epoxy composites was higher than that of the untreated fiber. This might be expected because of the possibility of chemical or hydrogen bonding in an electrically adsorbed polymeric interlayer. The logarithmic electrical resistivity of the untreated single-carbon fiber composite increased suddenly to infinity when fiber fracture occurred, whereas that of the ED composite increased relatively gradually to infinity. This behavior may arise from the retarded fracture time due to enhanced IFSS. In single- and ten-carbon fiber composites, the number of AE signals coming from interlayer failure of the ED carbon fiber composite was much larger than that of the untreated composite. As the number of the each first fiber fractures increased in the ten-carbon fiber composite, the electrical resistivity increased stepwise, and the slope of the logarithmic electrical resistance increased.
A hemispherical microbond specimen adhered onto single carbon fiber has been proposed for evaluating the interfacial shear strength between epoxy and carbon fiber. Hemispherical microbond specimens showed low interfacial shear strength data and its small standard deviation as compared with the droplet one, which seemed to be caused by the reduction of the meniscus effects and of the stress concentration in the region contacting with the tip of pin hole. In comparison with the droplet specimen the hemispherical specimen showed the shear stress distribution similar to the cylindrical one in that low stress concentration arose around the contacting region. Average interfacial shear strength obtained by the hemispherical ones represented a good correlation with the hardness of the epoxy matrix.
Logarithmic electrical resistivity of the untreated or thin diameter carbon fiber composite increased suddenly to the infinity when the fiber fracture occurred by tensile electro-micromechanical test, whereas that of the ED or thick fiber composite increased relatively broadly up to the infinity. Electrical resistance of single-carbon fiber composite increased suddenly due to electrical disconnection by the fiber fracture in tensile electro-micromechanical test, whereas that of SFC increased stepwise due to the occurrence of the partial electrical contact with increasing the buckling or overlapping in compressive test. Electrical resistivity measurement can be very useful technique to evaluate interfacial properties and to monitor curing behavior of single-carbon fiber/epoxy composite under tensile/compressive loading.
Kim, Dong-Kyu;An, Kay-Hyeok;Bang, Yun Hyuk;Kwac, Lee-Ku;Oh, Sang-Yub;Kim, Byung-Joo
Carbon letters
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제19권
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pp.32-39
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2016
In this work, we studied the effects of electrochemical oxidation treatments of carbon fibers (CFs) on interfacial adhesion between CF and epoxy resin with various current densities. The surface morphologies and properties of the CFs before and after electrochemical-oxidation-treatment were characterized using field emission scanning electron microscopy, atomic force microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and single-fiber contact angle. The mechanical interfacial shear strength of the CFs/epoxy matrix composites was investigated by using a micro-bond method. From the results, electrochemical oxidation treatment introduced oxygen functional groups and increased roughness on the fiber surface. The mechanical interfacial adhesion strength also showed higher values than that of an untreated CF-reinforced composite.
Cure monitoring and nondestructive characteristics of carbon fiber/epoxy composites were evaluated by the measurements of electrical resistance and acoustic emission (AE). Logarithmic electrical resistivity of the untreated single-carbon fiber composite increased suddenly to infinity when the fiber fracture occurred, whereas that of the electrodeposited composite increased relatively broadly up to infinity. As curing temperature increased. logarithmic electrical resistivity of steel fiber increased. On the other hand, electrical resistance of carbon fiber decreased due to the intrinsic electrical properties based on the band theory. The apparent modulus of the electrodeposited composite was higher than that of the untreated composite due to the improved interfacial shear strength (IFSS).
세 가지의 다른 산처리를 한 단일 탄소섬유로 함침된 CNT-에폭시 나노복합재료는 전기-미세역학적 기술과 젖음성 시험법을 사용하여 분산과 자체-감지능을 조사하였다. 자체-감지능은 접촉저항의 노이즈가 산 처리되지 않은 CNT보다, 산 처리된 단일 탄소섬유 CNT-에폭시 나노복합재료가 다소 더 크게 나타났다. 반면에, 겉보기 강성도는 산 처리를 한 경우가 응력전달이 더 잘되어, 산처리 하지 않은 경우보다 더 컸다. 탄소섬유와 CNT-에폭시간의 계면전단강도는 CNT 첨가로 인하여 점도가 증가하기 때문에 탄소섬유와 순수 에폭시간의 경우보다 낮게 나타났다. CNT-에폭시 나노복합재료는 순수 에폭시보다 더 큰 소수성을 보여 주었다. 열역학적인 접착일은 계면전단강도와 대략 비례적인 관계를 보여주지만, 겉보기 강성도는 접착일과는 반비례를 나타내었다. 요구되는 물성에 따라서, 최대조건 대신에 최적의 산처리 조건이 필요로 할 것이다.
Fiber fracture is one of the dominant failure phenomena to determine total mechanical properties in composites. Fiber fracture locations were measured by optical microscopic method and acoustic emission (AE) as functions of matrix toughness and surface treatment by the electrodeposition (ED), and then two methods were compared. Two AE sensors were attached on the epoxy specimen and fiber fracture signals were detected with elapsed time. The interfacial shear stress (IFSS) was measured using tensile fragmentation test and AE system. In ED-treated case, the number of the fiber fracture measured by an optical method and AE was more than that of the untreated case. The signal number measured by AE were rather smaller than the number of fragments measured by optical method, since some fiber fracture signals were lost while AE detection. However, one-to-one correspondence between the x-position location by AE and real break positions by optical method was generally established well. The fiber break source location using AE can be a valuable method to measure IFSS for semi- or nontransparent matrix composites nondestructively (NDT).
The purpose of present paper is to investigate a fracture characteristics of the finite-width single-edge-notch(SEN) carbon fiber/epoxy reinforced plastics(CFRP) plates by using an acoustic emission(AE). Uni-directionally oriented 10 plies CFRPs specimen which had different notch length were prepared for monotonic tensile test. Matrix cracking appeared over whole testing process and fiber breaking appeared later on mainly Load distribution factor of the matrix confirmed that increased according as increases of plate width ratio. The amplitude distribution of AE signal from a specimens is an aid to the determination of the different fracture mechanism such as matrix cracking, disbonding, interfacial delamination, fiber pull-out, fiber breaking, and etc. In the result of AE amplitude distribution analysis, matrix cracking, fiber disbonding or interfacial delamination, and fiber pull-out or fiber breaking signal correspond to <65dB, <75dB, and <90dB respectively, Also, changes of the slope of cumulative AE energy represented crazing phenomena or degradation of materials.
탄소나노튜브가 발견된 이후로, 고분자 수지의 기계적, 전기적 물성을 증대시키는 보강재로서 많은 연구가 수행되어 왔다. 더 나아가, 탄소나뉴튜브를 탄소섬유복합재 (CFRP)의 기지가 되는 수지를 보강시키는 데 이용하는 연구도 최근 활발해지고 있는 추세이다. 단일벽탄소나노튜브가 각각 0.2 %, 0.5 %의 중량비로 에폭시 수지에 먼저 분산, 혼합되었다. 이 혼합액을 CFRP를 제작하는데 주로 쓰이는 방법 중 하나인 진공 수지 충전 공정법 (vacuum assisted resin transfer molding, VARTM)으로 탄소섬유 프리폼에 주입하는 방법과 습식 현장 적층법 (wet lay-up)의 두가지 다른 방법으로 복합재를 제작 하였다. 각각의 제작된 시편에 대하여, 층간전단강도 (interlaminar shear strength, ILSS)를 측정하여, 층간전단강도와 공정의 상관관계, 탄소나노튜브의 보강효과에 대하여 조사했다. 탄소나노튜브/에폭시 복합재의 경우 기계적 물성의 향상을 가져왔으나 이를 기지재로 사용한 탄소섬유복합재의 층간전단강도는 특히 VARTM 공정의 경우, 탄소나노튜브의 첨가에 따른 수지의 점도 증가로 인한 공정상의 문제로 기대만큼의 물성향상을 가져오지는 못한 것을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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