KR100653896B1 - 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법 - Google Patents

섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 제조시 발생하는 잔류열응력을 제거할 수 있는 섬유강화 복합재료 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법을 개시한다. 본 발명의 경화장치는 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 부착되며 매트릭스의 저항과 축전용량을 측정하는 유전센서와, 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여하는 히터와, 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 냉매를 분사하여 냉각하는 냉매분사장치와, 히터와 냉매분사장치의 작동을 제어하는 컨트롤러와, 유전센서로부터의 저항값과 축전용량값에 의하여 섬유강화 복합재료의 소산계수를 산출하는 소산계수 측정장치와, 소산계수 측정장치로부터의 소산계수에 의하여 컨트롤러의 작동을 제어하는 컴퓨터로 구성된다. 본 발명의 경화방법은 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여하여 경화시키고, 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화 공정 중 매트릭스의 고체화 직전 시점 및 액체화 직전 시점 중 어느 하나의 시점에 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각한다. 또한, 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각한 후 후경화하는 단계를 더 포함한다.

Description

섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CURING FIBER REINFORCED COMPOSITE STRUCTURE AND COCURED FIBER REINFORCED COMPOSITE/METAL MATERIAL HYBRID STRUCTURE}
도 1은 일반적인 탄소섬유 복합재료와 알루미늄의 하이브리드 구조물을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치에서 유전센서의 구성을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법에서 열경화성 폴리머의 매트릭스 경화 사이클을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법에서 열경화성 폴리머의 매트릭스 경화 사이클의 다른 예를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 이용되는 유전기법의 원리를 설명하기 위하여 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치에서 유전센서의 작동을 설명하기 위하여 나타낸 도면,
도 8은 프리프레그용 열경화성 에폭시수지의 점도와 소산계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
20: 섬유강화 복합재료 22: 금속재료
24: 하이브리드 구조물 30: 유전센서
40: 소산계수 측정장치 50: 히터
60: 냉매분사장치 70: 컨트롤러
80: 컴퓨터 90: 유전재료
본 발명은 섬유강화 복합재료 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 제조시 발생하는 잔류열응력을 제거할 수 있는 섬유강화 복합재료 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 프리프레그(Prepreg), 시트몰딩컴파운드(Sheet molding compound, SMC), 촙드스트랜드매트(Chopped strand mat), 직물로빙(Woven roving) 등 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다. 프리프레그는 탄소섬유, 유리섬유, 케블라섬유(Kevlar fiber, 미국 뒤퐁사의 상품명) 등의 보강섬유를 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin) 등 열경화성수지의 매트릭스(Matrix)에 함침시킨 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 층(Laminate) 또는 시트(Sheet)로 제조한 것이며, 프리프레그는 다층으로 적층하여 진공백성형(Vacuum bag molding), 오토클레이브성형(Autoclave molding), 압축성형 (Compression molding) 등의 다양한 방법을 이용하여 압밀·경화시켜 구조물로 제조하고 있다.
이와 같은 섬유강화 복합재료와 금속재료를 사용하여 구조물을 제작하는 방법에는 접착접합법과 동시경화법이 있다. 동시경화법에 있어서는 프리프레그를 금속재료의 구조물에 적층한 후, 프리프레그를 경화할 때 매트릭스에 의하여 섬유강화 복합재료와 금속재료가 접합되므로, 생산 공정이 단순화되고 제조비를 낮출 수 있다.
그런데 섬유강화 복합재료와 금속재료에는 상대적으로 큰 열팽창 계수의 차이가 있다. 예를 들어 탄소섬유 복합재료의 경우 섬유방향 열팽창 계수가 약 -1㎲/℃이며, 알루미늄의 경우 약 23㎲/℃이므로, 탄소섬유 복합재료와 알루미늄간에는 큰 열팽창 계수의 차이가 존재한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 하이브리드 구조물(10)은 탄소섬유 복합재료(12)와 알루미늄(14)의 동시경화에 의하여 제조되어 있다. 탄소섬유 복합재료(12)와 알루미늄(14)을 고온에서 동시경화에 의하여 접합하여 하이브리드 구조물(10)을 제조한 후 상온으로 냉각하면, 하이브리드 구조물 (10)이 잔류열응력(Thermal residual stress)에 의하여 이점쇄선으로 도시되어 있는 바와 같이 변형을 일으켜 정밀도와 강도를 저하시키는 문제가 있다.
한편, 섬유강화 복합재료는 프리프레그의 보강섬유들이 여러 각도를 이루도록 적층하여 강도를 보강하고 있으나, 프리프레그의 각 층에서 발생하는 잔류열응력에 의하여 구조물의 피로 수명이 저하되고, 치수 정밀도가 낮아지는 문제를 수반하고 있다. 또한, 섬유강화 복합재료의 내부에서도 보강섬유들과 매트릭스간의 열팽창 계수 차이에 의하여 발생하는 잔류열응력이 강도를 저하시키는 문제가 있다.
이와 같은 섬유강화 복합재료의 잔류열응력에 의한 문제는 자외선 경화법(Ultraviolet ray curing method), 전자빔 경화법(Electron beam curing method) 등에 의하여 해소하고 있다. 그러나 자외선 경화법은 두꺼운 섬유강화 복합재료의 경우에 자외선 침투가 이루어지지 않아 완전한 경화가 어려우며, 전자빔 경화법은 장치의 가격이 고가인 단점이 있다. 특히, 탄소섬유 복합재료의 경우는 보강섬유들의 전도성으로 인하여 전자기파를 흡수하기 때문에 전자빔을 투과시켜 경화시키기 곤란한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 제조시 발생하는 잔류열응력을 간편하게 제거할 수 있는 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유전기법(Dielectrometry method)을 이용하여 잔류열응력의 제거를 위한 경화 사이클을 자동으로 제어할 수 있는 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법으로서, 섬유강화 복합재료 구조물에 열에너지를 부여하여 경화시키는 단계와; 섬유강화 복합재료 구조물의 경화 공정 중 매트릭스의 고체화 직전 시점 및 액체화 직전 시점 중 어느 하나의 시점에 섬유강화 복합재료 구조물을 급속 냉각하는 단계로 이루어지는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법에 있다.
본 발명의 다른 특징은, 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화장치로서, 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 부착되며, 매트릭스의 저항과 축전용량을 측정하는 유전센서와; 섬유강화 복합재료 구조물에 열에너지를 부여할 수 있도록 설치되어 있는 히터와; 섬유강화 복합재료 구조물에 냉매를 분사하여 섬유강화 복합재료를 냉각할 수 있도록 설치되어 있는 냉매분사장치와; 히터와 냉매분사장치에 접속되어 히터와 냉매분사장치의 작동을 제어하는 컨트롤러와; 유전센서에 접속되어 유전센서로부터의 저항값과 축전용량값에 의하여 섬유강화 복합재료의 소산계수를 산출하는 소산계수 측정장치와; 소산계수 측정장치에 접속되어 소산계수 측정장치로부터의 소산계수에 의하여 컨트롤러의 작동을 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화장치에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물과, 섬유강화 복합재료 구조물과 동시경화에 의하여 접합되어 있는 금속재료로 구성되는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화방법으로서, 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여하여 경화시키는 단계와; 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화 공정 중 매트릭스의 고체화 직전 시점 및 액체화 직전 시점 중 어느 하나의 시점에 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각하는 단계로 이루어지는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법에 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물과, 섬유강화 복합재료 구조물과 동시경화에 의하여 접합되어 있는 금속재료로 구성되는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치로서, 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 부착되며, 매트릭스의 저항과 축전용량을 측정하는 유전센서와; 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여할 수 있도록 설치되어 있는 히터와; 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 냉매를 분사하여 동시경화 섬유강화/복합재료 하이브리드 구조물을 냉각할 수 있도록 설치되어 있는 냉매분사장치와; 히터와 냉매분사장치에 접속되어 히터와 냉매분사장치의 작동을 제어하는 컨트롤러와; 유전센서에 접속되어 유전센서로부터의 저항값과 축전용량값에 의하여 섬유강화 복합재료 구조물의 소산계수를 산출하는 소산계수 측정장치와; 소산계수 측정장치에 접속되어 소산계수 측정장치로부터의 소산계수에 의하여 컨트롤러의 작동을 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치에 있다.
이하, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 섬유강화 복합재료 구조물(20)은 다수의 보강섬유(20a)들과, 이 보강섬유(20a)들을 고정하는 매트릭스(20b)로 구성되어 있다. 섬유강화 복합재료 구조물(20)에 사용되는 섬유강화 복합재료는 프리프레그, 시트몰딩컴파운드, 촙드스트랜드매트, 직물로빙 등 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다. 프리프레그는 진공백성형, 오토클레이브성형, 압축성형 등에 의하여 다양한 형태의 구조물로 제조하며, 시트몰딩컴파운드는 열간압축성형에 의하여 구조물로 제조한다. 매트릭스가 함침되어 있지 않은 촙드스트랜드매트, 직물로빙은 매치드몰드(Matched mold)의 캐버티(Cavity)에 투입한 후, 매치드몰드를 닫은 상태에서 매트릭스를 주입하는 레진트랜스퍼몰딩(Resin transfer molding, RTM)에 의하여 구조물 로 제조한다. 그리고 구조물의 외형과 특성에 따라 펄트루젼 (Pultrusion), 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 등의 다양한 방법들이 구조물의 제조에 이용되고 있다. 도 2에는 섬유강화 복합재료 구조물(20)이 중공형 튜브로 구성되어 있으며, 중공형 섬유강화 복합재료 구조물(20)은 동시경화에 의하여 중공형 금속재료(22)의 내면에 일체로 접합되어 있는 것이 예시적으로 도시되어 있다. 이와 같은 섬유강화 복합재료 구조물(20)과 금속재료(22)의 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물(24)은 다양한 형태로 제조할 수 있다.
섬유강화 복합재료 구조물(20)의 매트릭스(20b)는 열경화성 폴리머 또는 열가소성 폴리머가 사용되고 있다. 열경화성 폴리머의 경화는 주위의 온도를 80∼400℃ 정도로 상승시켜 열에너지를 부여함으로써, 모노머(Monomer) 형태의 수지가 가교반응(Cross-linking)을 하거나 비스테이지의 수지가 일단 용융되었다가 가교반응에 의하여 액체에서 고체로 변화하여 이루어진다. 열가소성 수지의 경화는 열에너지의 부여에 의하여 수지가 완전히 용융되어 섬유강화 복합재료의 계면에 충전되고, 온도가 낮아지면 다시 고체로 변화하여 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치는, 유전센서(Dielectric Sensor: 30), 소산계수 측정장치(40), 히터(50), 냉매분사장치(60), 컨트롤러(70)와 컴퓨터(80)로 구성되어 있다.
유전센서(30)는 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 표면에 부착되며 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 매트릭스(20b)의 상변화를 측정한다. 유전센서(30)는 물질 의 저항과 축전용량을 측정하고 감도가 높아야 한다. 따라서, 도 2, 도 3과 도 7명확히 도시되어 있는 바와 같이 유전센서(30)의 전극(32)은 빗살무늬 전극 (Interdigital array)으로 구성되어 민감도를 향상시킬 수 있는 것이 바람직하다. 그리고 유전센서(30)는 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 내측에 장착할 경우, 유전센서(30) 자체가 결함(Defect)으로 작용될 수 있으므로, 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 표면에 부착하여 공정의 완료 후 쉽게 제거할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 유전센서(30)는 유전센서(30)로부터의 저항값과 축전용량값에 의하여 매트릭스(20b)의 소산계수(Dissipation factor)를 산출하는 소산계수 측정장치(40)에 접속되어 있다. 소산계수 측정장치(40)는 유전측정장치(Dielectrometry)나 엘씨알메터(LCR meter)로 구성할 수 있다. 히터(50)와 냉매분사장치(60) 각각은 컨트롤러(70)에 접속되어 있다. 히터(50)는 컨트롤러(70)의 제어에 의하여 작동하며 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물(24)의 주위를 가열하여 열에너지를 부여할 수 있도록 설치되어 있다.
냉매분사장치(60)는 컨트롤러(70)의 제어에 의하여 작동하며 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)의 주위에 냉매를 공급하여 섬유강화 복합재료 구조물(20)을 냉각할 수 있도록 설치되어 있다. 냉매는 냉각 공기, 냉각수, 드라이아이스, 액체 질소, 기화 질소 등의 차가운 물질을 이용하여 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 충분한 냉각이 이루어지도록 한다. 냉매분사장치(60)는 섬유강화 복합재료 구조물(20)에 대하여 냉각 공기를 송풍하는 에어블로워(Air blower; 62)나 에어컴프레서(Air compressor)와 노즐 등으로 구성할 수 있다. 또한, 냉매분사장치(60)는 냉매를 저장하는 리저버(Reservoir)와, 리저버의 냉매를 공급하는 펌프와, 펌프로부터 공급되는 냉매를 섬유강화 복합재료 구조물(20)에 대하여 분사하는 노즐로 구성할 수 있다.
소산계수 측정장치(40)와 컨트롤러(70)는 컴퓨터(80)에 접속되어 있고, 컴퓨터(80)는 소산계수 측정장치(40)로부터의 소산계수를 프로그램에 의하여 처리하여 컨트롤러(70)의 작동을 제어한다. 본 실시예에 있어서 엘씨알메터에 의하여 저항값과 축전용량값만을 측정할 수 있는 경우, 컴퓨터(80)는 엘씨알메터로부터의 저항값과 축전용량값을 프로그램에 의하여 처리하여 소산계수를 산출하고 컨트롤러(70)의 작동을 제어할 수 있도록 구성할 수 있다. 컴퓨터(80)는 모니터(82) 등의 디스플레이와, 키보드, 마우스 등의 입력장치를 구비한다.
도 2와 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법에 있어서는, 히터(50)의 작동에 의하여 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)에 열에너지를 부여하여 승온(A)시킨 후, 열경화성 폴리머의 매트릭스(20b)가 고체로 되는 시점 또는 액체화 시점에서 냉매분사장치(60)의 작동에 의하여 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)을 급격하게 냉각(B)한다. 냉각된 섬유강화 복합재료 구조물을 다시 후경화(Post curing; C)한다. 이때, 열경화성 폴리머의 고체화는 급격한 경화반응과 거의 동시에 이루어지기 때문에 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물(24)의 부피가 큰 경 우, 구조물의 각 부분마다 온도의 차이가 크게 나므로, 경화 사이클이 적용이 곤란할 수 있다.
도 5에 도시되어 있는 열경화성 폴리머의 매트릭스 경화 사이클에 있어서는, 열경화성 폴리머의 매트릭스(20b)가 고체로 되는 시점에서 히터(50)의 작동에 의하여 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물(22)에 열에너지를 부여하여 승온(A)시킨 후, 열경화성 폴리머의 급격한 경화반응이 일어나는 온도에 비하여 약간 낮은 온도로 일정 시간 유지(D)한다. 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)을 냉각(B)한 후, 냉각된 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)을 다시 후경화(C)한다. 이러한 열경화성 폴리머 경화 사이클의 적용에 의해서는 부피가 큰 섬유강화 복합재료(20) 또는 하이브리드 구조물(22)의 경우에도 온도의 제어가 쉬워지므로, 섬유강화 복합재료(20) 또는 하이브리드 구조물(22)의 대량 생산이 가능하다. 열경화성 폴리머의 매트릭스(20b)가 고체화되기 전 액상 상태에서 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(22)을 급속하게 냉각시키면, 보강섬유(20a)들과 매트릭스(20b) 사이, 섬유강화 복합재료 구조물간 계면, 섬유강화 복합재료 구조물과 금속재료(22)가 접합되는 순간의 온도가 낮아져 상온과 가깝게 되므로 잔류열응력을 감소 또는 완전히 제거할 수 있다.
열가소성 폴리머를 매트릭스(20b)로 사용하는 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)의 경우에도 급격한 냉각을 수행하면, 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 접합이 비교적 낮은 온도에서 이루어지므로 잔류열응력을 제거할 수 있으며, 매트릭스(20b)의 상변화가 비교적 점진적으로 이루어져 경화 사이클의 제어를 용이하게 실시할 수 있다.
한편, 매트릭스(20b)의 액체화 및 고체화 시점은 섬유강화 복합재료 구조물의 종류, 온도 구배에 따라 각각 다르기 때문에 정확한 냉각 시점을 알기 위해서는 각 재료별, 온도 구배별로 시차주사열량계(Differential scanning calorimetry, DSC), 점도 측정(Viscosity measurement) 등과 같은 별도의 실험을 수행하여야 한다. 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 있어서는 유전기법을 이용하여 경화 사이클을 간편하게 제어할 수 있다.
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 이용되는 유전기법의 원리를 살펴보면, 유전재료(Dielectric material: 90)의 양측에 접속되어 있는 전극(92, 94)들에 교류전기장의 에너지를 가하면, 에너지의 일부가 소산(Dissipation)된다. 에너지의 소산계수는 유전재료(90)의 쌍극자 운동 정도에 따라 변화한다. 일반적으로 액상 상태의 물질은 쌍극자 운동이 활발해지므로, 유전재료(90)에 가해지는 에너지를 많이 소산시킬 수 있어 소산계수가 높아진다. 그리고 유전재료(90)가 고체화(Solidification)가 될수록 쌍극자 운동이 급격히 감소하게 되므로, 소산계수가 낮아진다.
이러한 유전기법의 원리를 이용하여 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 유전센서(30)를 부착하고, 유전센서(30)에 교류전 압을 가한 후, 수학식 1을 이용하여 계산하면 가해진 에너지와 소산에너지의 비를 구하여 소산계수(D)를 측정할 수 있다.
Figure 112005009923248-pat00001
Figure 112005009923248-pat00002
여기에서, 복소유전율(Complex dielectric constant;
Figure 112005009923248-pat00003
)은
Figure 112005009923248-pat00004
에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112005009923248-pat00005
는 직류주파수,
Figure 112005009923248-pat00006
은 등가 저항(Equivalent resistance),
Figure 112005009923248-pat00007
은 등가 정전용량(Equivalent capacitance)을 나타낸다.
도 8의 그래프는 일반적으로 널리 사용되고 있는 프리프레그용 열경화성 에폭시수지를 1℃/min의 승온 속도로 온도를 상승시키면서 측정한 점도(Viscosity)와 앞에서 설명한 원리와 방법을 이용하여 측정된 소산계수의 관계를 나타낸다. 폴리머 계열의 매트릭스(20b)는 도 8에 보이는 바와 같이 소산계수가 최대가 되었을 때가 점도가 가장 낮아지는 지점임을 확인 할 수 있다. 다시 말하여, 소산계수가 최대가 되었을 때가 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 매트릭스(20b)가 액체화가 되는 시점임을 알 수 있다. 이와 같은 유전기법을 이용하면, 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 경화 반응과 매트릭스(20b)의 상변화를 실시간으로 측정할 수 있으므로 경화 사이클을 효과적으로 제어할 수 있다.
한편, 소산계수가 최대 부근이 되었을 때가 매트릭스(20b)의 최대 액상 시점, 즉 고체화 직전의 시점이다. 이때, 컴퓨터(80)는 컨트롤러(70)의 작동을 제어 하여 히터(50)에 인가하는 전원을 차단하고, 냉매분사장치(60)를 작동시켜 섬유강화 복합재료 구조물(20) 또는 하이브리드 구조물(24)의 냉각을 실시한다. 섬유강화 복합재료 구조물(20)의 경화가 완전히 이루어지지 않아서 후경화가 필요한 경우 후경화를 거치면, 잔류열응력의 제거와 함께 완전한 경화가 이루어지게 된다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법에 의하면, 섬유강화 복합재료 및 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 제조시 발생하는 잔류열응력을 간편하게 제거할 수 있으며, 유전기법을 이용하여 잔류열응력의 제거를 위한 경화 사이클을 자동으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법으로서,
    상기 섬유강화 복합재료 구조물에 열에너지를 부여하여 경화시키는 단계와;
    상기 섬유강화 복합재료 구조물의 경화 공정 중 상기 매트릭스의 고체화 직전 시점 및 액체화 직전 시점 중 어느 하나의 시점에 상기 섬유강화 복합재료 구조물을 급속 냉각하는 단계로 이루어지는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료 구조물을 급속 냉각한 후 후경화하는 단계를 더 포함하는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료 구조물을 급속 냉각하는 단계에서는 상기 섬유강화 복합재료 구조물의 소산계수를 측정하여 액상이 되는 근처의 시점에서 행하는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료 구조물의 소산계수는 상기 매트릭스의 저항값과 축전용량값에 의하여 구하는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화방법.
  5. 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화장치로서,
    상기 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 부착되며, 상기 매트릭스의 저항과 축전용량을 측정하는 유전센서와;
    상기 섬유강화 복합재료 구조물에 열에너지를 부여할 수 있도록 설치되어 있는 히터와;
    상기 섬유강화 복합재료 구조물에 냉매를 분사하여 상기 섬유강화 복합재료를 냉각할 수 있도록 설치되어 있는 냉매분사장치와;
    상기 히터와 냉매분사장치에 접속되어 상기 히터와 냉매분사장치의 작동을 제어하는 컨트롤러와;
    상기 유전센서에 접속되어 상기 유전센서로부터의 저항값과 축전용량값에 의하여 상기 섬유강화 복합재료의 소산계수를 산출하는 소산계수 측정장치와;
    상기 소산계수 측정장치에 접속되어 상기 소산계수 측정장치로부터의 소산계수에 의하여 상기 컨트롤러의 작동을 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유전센서는 빗살무늬 전극을 갖는 섬유강화 복합재료 구조물의 경화장치.
  7. 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물과, 상기 섬유강화 복합재료 구조물과 동시경화에 의하여 접합되어 있는 금속재료로 구성되는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화방법으로서,
    상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여하여 경화시키는 단계와;
    상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화 공정 중 상기 매트릭스의 고체화 직전 시점 및 액체화 직전 시점 중 어느 하나의 시점에 상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각하는 단계로 이루어지는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각한 후 후경화하는 단계를 더 포함하는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물을 급속 냉각하는 단계에서는 상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 소산계수를 측정하여 액상이 되는 근처의 시점에서 행하는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 소산계수는 상기 매트릭스의 저항값과 축전용량값에 의하여 구하는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료의 경화방법.
  11. 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 결합하는 열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리머 중 어느 하나의 매트릭스로 제조되어 있는 섬유강화 복합재료 구조물과, 상기 섬유강화 복합재료 구조물과 동시경화에 의하여 접합되어 있는 금속재료로 구성되는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치로서,
    상기 섬유강화 복합재료 구조물의 표면에 부착되며, 상기 매트릭스의 저항과 축전용량을 측정하는 유전센서와;
    상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 열에너지를 부여할 수 있도록 설치되어 있는 히터와;
    상기 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물에 냉매를 분사하여 상기 동시경화 섬유강화/복합재료 하이브리드 구조물을 냉각할 수 있도록 설치되어 있는 냉매분사장치와;
    상기 히터와 냉매분사장치에 접속되어 상기 히터와 냉매분사장치의 작동을 제어하는 컨트롤러와;
    상기 유전센서에 접속되어 상기 유전센서로부터의 저항값과 축전용량값에 의 하여 상기 섬유강화 복합재료 구조물의 소산계수를 산출하는 소산계수 측정장치와;
    상기 소산계수 측정장치에 접속되어 상기 소산계수 측정장치로부터의 소산계수에 의하여 상기 컨트롤러의 작동을 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유전센서는 빗살무늬 전극을 갖는 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치.
KR1020050015474A 2005-02-24 2005-02-24 섬유강화 복합재료 구조물 및 동시경화 섬유강화 복합재료/금속재료 하이브리드 구조물의 경화장치 및 그 방법 KR100653896B1 (ko)

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