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새로운 섬유 동향 결합 모델 예측 정확도에 대한 성공적인 실험 검증!

담강대학 화학공학 및 재료공학과 부교수 황자오차이(黃招財)


현재까지 산학계에서 제품 경량화 연구에 적용해온 장섬유 강화 플라스틱(Long fiber reinforced plastics, LFRP)은 여전히 인기가 매우 높습니다. 그러나, 이 복합 재료 내의 섬유 미세 구조(섬유 배향, 섬유 길이, 섬유 농도 포함)가 사출 성형 프로세스 중에서 어떻게 변화하고, 이러한 미세 구조가 사출 제품에 정량적으로 어떠한 영향을 미치지는 지에 대해서는 아직 전반적으로 완전히 파악되지 않았습니다. 따라서, 지난 5년간 담강대학 화학재료학과 연구팀은 구체적인 관련성을 찾기 위해, 섬유 미세 구조 특징(microstructure features)과 제품의 거시적 물성 특징(physical properties)에 대한 연구에 특별한 관심을 기울였습니다.


장섬유 강화 플라스틱에 대한 미세 구조는 주로 Moldex3D를 통해 심층적인 이론적 탐구를 진행하고, 마이크로 CT 시스템(micro-computerized tomography, micro-CT) 및 영상 처리 분석 (이하 영상 분석 실험 결과라 칭함)을 응용해 실제 제품의 미세 구조 특징을 검증하였습니다. 다른 한편으로는 사출 성형 제품에 대한 기계적 특성의 인장 실험 테스트를 통해 유동이 섬유의 미세 구조 특징에 미치는 영향, 제품에 영향을 미치는 왜곡 변형, 또한 사출 성형 제품에 영향을 미치는 기계적 특성을 일차적으로 이해하고 정량화 하였습니다. 구체적으로, 우리는 그림 1과 같이 내부에 3가지 서로 다른 게이트 형식의 ASTM D638 표준 시편을 동시에 포함하고 있는 복합형 지오메트리 형상을 연구 시스템으로 사용하였습니다. 먼저 Moldex3D 소프트웨어를 이용해 몇 개의 서로 다른 각도 (그림 2)에서 왜곡 변형을 관찰한 후 실험을 계속 수행하고, 표 1과 같이 시뮬레이션 분석을 실험 데이터와 통합하였습니다. 결과에서 알 수 있듯, 분석 예측은 실험 결과와 매우 일치합니다.

그림 1. 연구 지오메트리 시스템: ASTM D638이 포함된 3가지 서로 다른 게이트 형식의 표준 시편

그림 2. 서로 다른 각도에서 관찰한 제품의 왜곡 변형

표 1. 시뮬레이션 분석과 실험 데이터를 이용한 제품 왜곡 변형값 비교

나아가 다양한 섬유 길이가 사출 성형 제품의 기계적 특성에 미치는 영향을 이해하고자 만능 재료 시험기를 통해 3가지 시편의 인장 강도에 대해 조사했는데, 그 결과는 그림 3과 같이 나타났습니다. 결과를 통해 동일한 시편의 인장 강도 특성은 섬유 길이의 증가를 따라 강화됨을 알 수 있었습니다. Model I을 예로 들면, 순수 PP 사출 제품의 강도는 약 20 N/mm2이지만, 장섬유 재료로 변경하면 그 강도는 약 140 N/mm2로 향상되므로 섬유 길이가 증가하면 사출 성형 제품의 인장 강도가 효율적으로 개선될 수 있음을 알 수 있습니다. 마찬가지로 Model II에서도 강도가 20 N/mm2 (순수 PP재료)에서 120 N/mm2 (장섬유 재료)로 증가하는 유사한 경향을 발견할 수 있었습니다. 양변 게이트를 사용하는 Model III은 웰드 라인이 생성되기 때문에, 강도가 20N/mm2에서 약 40 N/mm2으로 비교적으로 낮은 증가율을 나타냈습니다.


Model I과 Model II 사이의 강도 차이를 추가적으로 비교한다면, 섬유 강화 복합 재료를 사용할 때, Model I의 강도가 Model II보다 큰 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 중섬유 재료에서 Model I은 118 N/mm2의 강도로 Model II의 105 N/mm2보다 높고, 장섬유 복합 재료에서 또한 Model I은 140N/mm2의 강도로 Model II의 120 N/mm2보다 높습니다. 이 현상의 발생 원인은 아마도 사이드 게이트로 인한 진입 효과가 비교적 강한 섬유 배향 효과를 일으키는 것으로 추측됩니다. 전반적으로, 거시적 물성 특성의 시뮬레이션 분석 예측은 실험 결과와 매우 일치합니다.