섬유강화 복합재료 번역(한국어 원본)3. 재료 및 시험조건
3.1 재료
본 연구에서는 풍력 블레이드에 주로 적용되고 있는 GFRP를 스킨 재료로, 노멕스(Nomex) 허니컴을 코어로 적용하여 허니컴 샌드위치 시험편을 제작하였다. 또한, 스킨재와 코어재 간의 접합은 일체성형을 통해 프리프레그(prepreg)로부터 흘러나온 잉여 수지가 접합면에 필렛(fillet)을 형성함으로써 접합되는 방식을 적용하였다. Table 1에 본 시험의 스킨재로 사용된 4종류의 FRP 패널의 물성을 보여주고 있다.
3.2 시험조건
고온/다습 환경 하에서 열화된 허니컴 샌드위치 시험편의 접착강도 평가는 면접착강도(Flat Wise Tension, FWT) 시험으로 수행되었다. 시험편은 Fig. 3과 같이 수분의 “확산침투 시험편”과 스킨에 홀을 가공한 “직접침투 시험편”이 제작되었고, 이들 시험편을 흡습 후 일정 시점에 시험하였다. 두 종류의 시험편 모두 허니컴 구조물의 가장자리를 실런트(Sealant)로 실링하여, 그 부분으로부터 수분이 직접 침투되지 못하도록 하였으며, 시험편은 80°C, 85% 습도의 환경조건에 노출되었다. 또한, 수분에 노출기간을 4, 8, 16주 동안 유지하였으며, 각각의 노출시간에 따른 면접착강도 시험을 수행하여, 그 결과를 분석하였다.
시험은 ASTM C297 기준에 따라 진행되었으며, 시험장비는 United Calibration 사의 인장시험기(모델명 SFM30)를 사용하였다. 또한, 파단면의 특성을 보기위하여 각 시점에서 시험 후, 파단된 접착면의 특징을 관찰하였다. 각 시험조건에 대해 3개 시편이 시험되어 그 평균값으로 환산하였으며, 시험 속도는 최대 파단하중이 3～6분 사이에 일어날 수 있는 범위인 0.5mm/min. 로 하였다. 면접착강도 시험 시편의 모식도를 Fig. 4에 나타내었다.
4. 결과 및 고찰
4.1 라미네이트 재료의 흡습거동
확산에 의한 복합재 스킨부의 흡습 영향을 고찰하기 위해서 4가지 종류의 라미네이트 복합재를 80℃, 85% 습도의 환경챔버에 56일간 노출시켜 흡습거동을 관찰하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 흡습거동은 초기에 선형적으로 증가하다가 일정 기간을 초과하면 그 재료의 포화흡습율에서 수렴하는 양상을 보이고 있으며, 이 거동은 라미네이트 복합재의 흡습거동을 실험적으로 도출한 Fick의 결과와도 일치한다(5). Fig.5의 결과에서 특히 수지의 경화온도(125°C, 177°C)에 따라 재료의 흡습율이 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 시편에 적용된 고분자 수지의 망상구조 차이에 의한 것으로 판단되며, 두 종류 수지에 대한 모식도를 Fig. 6에 나타내었다. 177°C경화용 에폭시 수지는 다관능기 수지로서 이관능기 수지인 125°C경화용 에폭시에 비해 화학 구조가 매우 조밀한 네트워크 구조를 이루고 있다. 따라서 177°C 경화용 에폭시가 적용된 복합재 라미네이트 시험편은 125°C경화용 에폭시가 적용된 시험편보다 물 분자의 침투가 어렵고, 흡습환경에서의 수분에 의한 무게 증가율도 높지 않았던 것으로 판단된다.
4.2 흡습에 의한 접착강도 변화
확산에 의한 흡습시편(Non-Hole Specimen)과 직접침투 시편(Hole Specimen)을 80℃, 85% 습도에 4, 8, 16 주 노출시킨 후, FWT시험을 통해 면접착강도를 평가하였다. 강도의 평가는 6가지 시험편의 초기 강도가 모두 상이한 이유로, 초기의 강도값을 100%로 하여 그 강도값에 대한 백분율로 수치화하였고, 그 강도변화의 거동을 Fig. 7에 그래프로 나타내었다.
Fig. 7에서 177°C 에폭시에 의한 시험편의 경우 125°C 에폭시가 사용된 시험편 보다 강도저하의 정도가 적음을 확인할 수 있다. 그 이유는 4.1 절에서 나타낸 바와 같이 177°C 에폭시가 125°C 에폭시보다 비교적 조밀한 네트워크 구조를 가진 구조이므로 재료 내부로의 흡습이 적게 발생하고, 그에 따른 강도저하율도 낮게 나타난 것이라고 판단된다. 또한, 홀 가공을 통해 제작한 “직접침투 시험편”이 “확산침투 시험편”에 비해 강도저하의 정도가 크고, 지속적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 확산에 의해 흡습된 시험편은 고분자 체인에 침투한 물 분자가 전기적으로 결합하여 강도저하를 일으키는 데에 반해, 직접침투에 의해 흡습된 시험편은 물 분자가 수지필렛의 기계적 본딩부를 파괴하여, 강도저하를 나타내는 강도저하 매커니즘의 차이 때문인 것으로 생각된다.
Fig. 7에서 확인할 수 있는 것과 같이 흡습 전 강도값과 비교하여 강도저하가 가장 적게 나타난 시험편은 177°C 에폭시로 제작된 “확산침투 시험편” 이었고, 가장 크게 나타난 시험편은 125°C 에폭시로 제작된 “직접침투 시험편”이었다. 따라서 흡습에 의한 허니컴 샌드위치 구조물의 강도 저하는 수지의 네트워크 구조와 제조/운전 중에 발생할 수 있는 크랙의 유·무에 큰 영향을 받는 것으로 생각된다.
4.3 건조에 의한 접착강도 회복
건조에 의한 접착강도회복 거동을 분석하기 위해 각 시편을 적용된 수지의 유리전이온도보다 낮은 100°C에서 건조 후 시험하여, 그 접착강도 거동을 관찰하였다. 시험은 FWT 시험의 시점과 동일하게 하였으며, 그 결과를 Fig. 8(177°C 에폭시 적용 시험편), Fig. 9(125°C 에폭시 적용 시험편)에 나타내었다.
수분의 “직접침투 시험편”과 “확산침투의 시험편” 사이의 열화 매커니즘의 차이는 시험편들의 4주간 흡습 후 건조에 의한 강도회복 거동 분석을 통해서 더욱 명확히 관찰되었다. 177°C, 125°C 에폭시 적용 시험편 모두 “확산침투 시험편”은 상대적으로 건조 후에 그들 본래의 접착강도에 가깝게 회복하는 거동을 보여주었으며, “직접침투 시험편”은 본래의 강도값에 훨씬 미치지 못한 회복 거동을 보여주었다. 이와 같은 이유는 “확산침투 시험편”의 면접착 강도저하는 수지 내부에 침투한 수분에 의한 수지의 운동성/유연성의 증가에 기인한 것이며, 계면의 기계적 결합파괴에 의한 영구적 물성 저하는 아니라는 것을 나타낸다. 그러나 “직접침투 시험편”은 그들의 면접착 강도를 완전히 회복하지 못하는 것으로 나타났고, 이것은 수지의 일정 부분에서 영구적인 기계적 결합의 열화가 일어났다는 것을 나타내며, 건조에 의한 완전회복은 불가능 하다는 것이다. 이와 같은 결과는 풍력 블레이드에 사용될 허니컴 샌드위치 구조물에 수분이 직접 침투되는 것은 차단되어야 한다는 점을 매우 잘 보여주고 있다. 따라서 풍력 블레이드 성형 과정에서 발생할 수 있는 기포 등에 의한 크랙을 사전에 방지해야 하며, 운전 중에 침식(erosion) 등에 의한 블레이드 스킨부의 파손을 최소화 하기 위한 erosion shield 등의 방어수단과 크랙이 발생하였을 경우에 검출할 수 있는 방안이 필요하다고 생각된다.
4.4 흡습 시험편 분석
흡습기간에 따른 파단면의 형상을 관찰하기 위해 상대적으로 수분에 의한 접착계면의 기계적 열화의 정도가 심할 것이라 예상되는 “직접침투 시험편”의 FWT 시험 후 파단면을 관찰하였고, 이를 Fig. 10에 나타내었다. 그림을 통해서 초기 접착면이 매우 양호한 형태를 보여주고 있으나 흡습기간이 길어짐에 따라 수분에 의한 열화로 접착면이 약화된 형태를 보여주고 있다.
흡습에 의한 코어 내부로의 수분 침투를 확인하기 위해서 가장자리 부분에 실링을 하지 않은 시험편을 16주간 80°C 환경챔버에 노출 후, 코어 내부로의 수분침투 여부를 관찰하였다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이 코어 내부로의 수분 침투 여부는 미세조직 관찰을 통하지 않고도 명백히 관찰되었다.
실링을 하지 않은 시험편의 경우, 가장자리로부터 수분의 직접침투와 표면재로부터 확산 침투에 의해서 허니컴 셀 내부로 흡습된 수분이 응축되어 허니컴 셀 공간 내에 물이 차있는 형태를 보이고 있다. |
섬유강화 복합재료 번역(영어 번역본)3. Materials and Test Conditions
3.1 Materials
This study produced a honeycomb sandwich specimen by using GFRP, which is primarily used for wind power blade, as skin material, and Nomex honeycomb as core. Excess resin flowing from prepreg after an integrated molding has formed fillets in the bonding surface acted as an adhesive. Table 1 indicates properties of the four types of FRP panels used as skin materials in this study.
3.2 Test Conditions
Bonding strength of the honeycomb sandwich specimen degraded in a hot and wet environment was evaluated by a Flat Wise Tension (FWT) test. As shown in Figure 3, “disused penetration specimen” and “direct penetration specimen,” in which the skin was added with holes, were produced. There specimens were tested at a certain point after absorbing moisture. For both specimens, the edges of the honeycomb structure were sealed with sealant to prevent moisture from directly penetrating into the structures. The specimens were exposed to 80°C of temperature and 85 percent of humidity. The periods of exposure to moisture were 4, 8 and 16 weeks. The FWT test was performed and analyzed after each exposure period.
The test complied with ACTM C297 standard and used the tensile testing machine (SFM30) manufactured by United Calibration. Further, in order to understand the properties of breakage, test was conducted at each time period and the characteristics of the bonding surface was observed. Three specimens were examined for each test condition, and the results were converted into average values. The test speed was set at 0.5mm/min, which is a range where the maximum failure load may occur between three and six minutes. Mimetic diagram of the specimen for the FWT test is shown in Figure 4.
4. Results and Considerations
4.1 Moisture Absorption of Laminate Materials
In order to examine the impact of diffused moisture absorption on the skin of composite materials, four-types of laminate composite materials were maintained in an environmental chamber of which temperature is 80℃ and humidity is 85 percent for 56 days to observe moisture absorption, and the results are contained in Figure 5. Moisture absorption increases in a linear trend during the early stage, and gathers at the material’s maximum absorption ratio after a certain period of time has passed, which is in line with Fick’s study results, which experimentally calculated laminate composite material’s moisture absorption. Figure 5 confirms that materials’ absorption ratio significantly varies by resin’s curing temperature (125°C, 177°C). It is considered that this result is caused by different network structures of the polymer resins applied to the specimens. Mimetic diagrams of the two types of resin are shown in Figure 6. Epoxy resin for curing at 177°C is poly-functional resin with more dense chemical structure than epoxy for curing at 125°C. Therefore, laminate specimen applied with epoxy for curing at 177°C is less vulnerable to penetration of water molecules than the specimen applied with epoxy for curing at 125°C, and does not present high weight gain ratio due to moisture in a moisture absorbing environment.
4.2 Changes in Bonding Strength Due to Moisture Absorption
Surface bonding strength was evaluated via the FWT test after exposing non-hole specimen (diffused moisture absorption) and hole specimen (direct moisture absorption) to a temperature of 80℃ and humidity of 80 percent for 4, 8 and 16 weeks. All of the six specimens had different initial bonding strength. Therefore, the initial strength was considered as 100 percent and the values were scored in percentage. The changes in bonding strength are shown as a graph in Figure 7. Figure 7 shows that the specimen with 177°C epoxy presents less degradation of strength than the specimen using 125°C epoxy. As mentioned in Section 4.1, the network structure of 177°C epoxy is relatively denser than that of 125°C epoxy, which is considered to be the reason why the former allows less moisture absorption and reduction in bonding strength than the latter. In addition, the hole specimen presents higher and more consistent decrease in bonding strength than the non-hole specimen. It is because of different mechanisms of strength deterioration between the two specimens. That is, the non-hole specimen’s bonding strength decreases as water molecules that penetrated into the polymer chain electrically combines together, while in the whole specimen, water molecules destroy the mechanical bonding of resin fillet. As Figure 7 shows, the non-hole specimen using 177°C epoxy recorded the lowest strength decrease, while the highest strength reduction is presented by the hole specimen with 125°C epoxy, compared to their strengths before absorbing moisture. Thus, the existence of cracks, which may occur during manufacturing/operation, and resin’s network structures have significant impact on strength deterioration of the honeycomb sandwich structures.
4.3 Recovery of Bonding Strength after Drying
In order to analyze the recovery of bonding strength after drying, each specimen was dried at 100°C, which is lower than the resin’s glass transition temperature, tested, and its bonding strength was observed. The test adopted the same time period as the FWT test, and the results are indicated in Figure 8 (specimen with 177°C epoxy) and Figure 9 (specimen with 125°C epoxy).
Differences in the degradation mechanisms of the non-hole specimen and the hole specimen became clearer by analyzing their strength recovery after drying the specimens following a four-weeks of moisture absorption. In the both specimens with 177°C and 125°C epoxies, the non-hole specimen recovered most of its initial bonding strength, while the hole specimen’s final bonding strength fell significantly short of its original value. That is, degradation of the non-hole specimen’s surface bonding strength is caused by resin’s motility and flexibility that are expanded by moisture, not by any permanent degradation resulting from mechanical destruction of the bonding surface. However, the hole specimen was not able to fully recover its surface bonding capacity, which indicates that a permanent degradation of the mechanical bonding occurred at certain part of the resin and that drying cannot achieve a full recovery of bonding strength. Such a result clearly demonstrates that direct penetration of moisture into the honeycomb sandwich structure for wind power blade must be prevented. Therefore, cracks from air bubbles, which may be generated while molding a wind power blade, should be prevented, and measures and protective tools, such as erosion shield, to identify cracks are required in order to minimize blade’s skin failure due to erosion during operations.
4.4 Analysis of Moisture Absorption Specimens
Fracture was observed after conducting a FWT test on the hole specimen, which was expected to record a severe mechanical degradation due to moisture in the bonding surface, aiming at investigating the shapes of fracture by absorption period. The result is shown in Figure 10. The initial bonding surface has a fine shape, but the surface deteriorates as the absorption time extends.
A specimen, of which edges are not sealed, was maintained in an environmental chamber of 80°C for 16 weeks in order to examine moisture penetration into the inside of the core. The moisture penetration into the core’s inside was clearly observed without having to observe the fine structures, as shown in Figure 11.
In the non-sealed specimen, space in the honeycomb cell was filled with water due to condensed moisture brought by direct penetration through the edges and by diffused penetration from the surface materials. |
