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단섬유보강 고분자 복합재료의 유변학적 모델링 및 사출성형 공정해석

Title
단섬유보강 고분자 복합재료의 유변학적 모델링 및 사출성형 공정해석
Authors
박장민
Date Issued
2011
Publisher
포항공과대학교
Abstract
단섬유 보강 고분자 복합재료는 우수한 물성과 압출 혹은 사출과 같은 고분자 성형 공정 통한 대량 생산의 장점을 가지고 있어 산업 전반에서 많이 사용되는 재료 중 하나이다. 단섬유 보강 고분자 복합재료 성형품은 성형 공정 동안 그 내부에 섬유 배향을 가지게 되고, 이러한 섬유 배향은 성형품의 기계적, 열적 및 전기적 물성을 결정하는 주요한 요인으로 작용하여 그 예측이 매우 중요하다. 이러한 이유로 단섬유 보강 고분자 복합 재료 성형품의 섬유 배향을 예측하기 위한 물리적 모델링 및 수치 모사 연구가 많이 진행되어 왔으며, 이는 금형 설계 및 공정 조건 결정에 많이 활용 되고 있다. 본 연구에서는 단섬유 보강 고분자 복합재료에 대하여 섬유 배향에 따른 비등방성 및 고분자의 비선형 점탄성을 모두 고려한 유변학적 모델을 제안하였다. 특히 기존의 유변학적 모델에서 많이 다루지 못했던 고분자-단섬유간의 상호 작용을 고려하여 모델을 제안하였으며, 이를 위해 비가역 열역학적 관점에서 단섬유 보강 고분자 복합재료의 거동에 대해 기술하였다. 응력 텐서의 최종 형태는 Dinh-Armstrong 모델을 이용한 단섬유에 의한 부분과 Leonov 모델을 이용한 고분자 점탄성에 의한 부분의 합으로 나타내었다. Folgar-Tucker 모델을 이용하여 섬유 배향 거동을 기술하였으며, IBOF 최종 근사법을 이용하였다. 고분자-단섬유 간의 상호 작용은 열역학 제 2법칙을 만족시키면서 고분자 탄성 변형의 거동 및 섬유 배향 거동에 모두 영향을 미치도록 제안하였다. 제안된 유변학적 모델을 다양한 전단 유동에 적용하여 그 특성을 분석하였다. 제안된 모델은 기존 문헌에 보고된 실험 결과들과 일관된 경향을 나타내는 것을 확인 하였고, 특히 높은 전단률의 유동에서 기존의 FENE-P 기반 모델에 비해 더욱 안정된 거동 예측을 하고 있음을 보았다. 제안된 모델을 사출 성형 공정 해석에 적용하여 그 영향을 분석하였다. Center-gated 디스크 형상에 대해 유한요소법을 이용하여 해석을 수행하였으며 점탄성 유동 해석을 위한 DEVSS, Matrix Logarithm 및 SUPG 기법을 도입하였다. 해석을 통한 섬유 배향 예측 결과를 기존 문헌의 실험 결과들과 비교하였으며, 유변학적 모델의 영향, 사출 성형 공정 조건의 영향, Slow orientation kinetics 영향 등을 평가하였다.
URI
http://postech.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000894076
http://oasis.postech.ac.kr/handle/2014.oak/946
Article Type
Thesis
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