E-glass fiber/에폭시 수지 일방향 복합재료를 75℃ 증류수 속에서 침지시키면, 침지시간의 증가에 따라 초기 30일까지는 인장강도의 감소가 급격히 일어남을 알 수 있습니다. 30일 이후에는 침지시간에 따라 인장강도가 완만하게 감소합니다. 섬유직경이 큰 것이 작은 것보다 더 급격하게 감소하는데 이러한 현상은 계면 전단강도의 열화 정도에 영향을 받는다고 할 수 있습니다.
일반적으로 유리섬유가 수분과 접촉하면 유리섬유의 알칼리 성분이 수분의 수소이온과의 교환 반응에 의해 수분에 용출되며 이러한 용출 현상에 의해 유리섬유는 침식되게 됩니다. 하지만 고분자 재료와의 복합화에 따라 수분과의 직접적인 접촉으로 인한 섬유의 손상을 어느 정도 줄여줄 수 있습니다. 따라서 복합재료의 인장강도 감소에 미치는 유리섬유 자체의 인장강도 감소의 영향은 비교적 작다고 판단됩니다. 이에 비해 유리섬유와 에폭시 수지의 계면은 수분의 침투로 인한 화학적 손상뿐만 아니라 이로 인해 계면에 미소 균열 등이 발생되어 그 계면 영역 전체의 손상으로 발전하게 됩니다. 그러므로 유리섬유 복합재료의 인장강도 감소는 수분의 침투에 따른 유리섬유 자체의 인장강도 감소도 영향은 있겠으나 강화섬유와 매트릭스 수지 간의 계면열화가 주된 원인이라고 할 수 있습니다.
침지시간이 30일 이상에서는 인장강도 수치의 저하가 침지 전에 비해 현저히 낮게 나타났으며, 이러한 현상은 복합재료에서는 주로 수분 흡수에 의해서 계면 전단강도가 매우 빠르게 감소하기 때문에 복합재료의 인장강도 역시 급격히 감소한다고 생각되며, 그 외에 수분 흡수에 의한 섬유 자체의 손상 등의 이유도 고려해야 할 것으로 생각됩니다.
아래 그림은 75℃ 증류수에서 수분 처리시간이 다른 18㎛ sized E-glass fiber/에폭시 수지 복합재료의 인장시험 후 전자 현미경의 파단면 사진입니다. (a)는 수분처리를 진행하지 않은 시료이고, (b)는 60일 수분 처리한 시료입니다.
일반적으로 강화섬유와 매트릭스 수지간의 계면 전단강도가 작은 복합재료일수록 파단면에서 pull-out 되는 섬유의 길이가 길어진다고 알려져 있습니다. 계면에서의 전단 파단에 따른 매트릭스 수지에서의 hackle이 많이 발생하며, 이는 계면에서의 접착 상태가 양호함을 나타냅니다.
하지만 60일 이상 75℃ 증류수에서 수분처리한 18㎛ sized E-glass fiber/에폭시 수지 복합재료의 인장시험 후 전자 현미경의 파단면 사진에서는 섬유 직경 및 섬유 표면처리 조건이 같을지라도 수분 처리 전과 비교하면 섬유의 pull-out이 상당히 많이 일어난 것을 알 수 있으며, pull-out 된 섬유길이 역시 섬유 표면상태와 관계없이 수분 처리 전의 것에 비해 매우 긴 것을 알 수 있습니다. 이러한 현상은 수분 흡수 시간이 증가할수록 더욱 현저히 발생하고 있으며, 매트릭스 수지의 hackle 또한 수분 처리 전에 비해 침지시간이 증가할수록 거의 발생하지 않았음을 알 수 있습니다. 이러한 파괴 양상은 섬유 차제의 인장강도의 감소보다는 계면에서의 열화가 더 심하게 발생하기 때문에 나타나는 파괴 현상으로서, 만약 수분에 의한 섬유 자체의 손상이 계면에서의 열화보다 심각하게 발생한다고 가정하면 섬유의 pull-out은 발생하지 않게 될 것입니다.
하지만 수분 처리시간에 따른 일방향 유리섬유 복합재료의 인장시험 후 파단면에서는 섬유의 pull-out 현상이 많이 발생하고 있습니다. 그러므로 이는 수분의 흡수로 인한 E-glass fiiber/에폭시 수지 복합재료의 계면 전단강도의 열화에 의해 나타나는 파단면 형상으로 판단됩니다.
수분이 탄소섬유 강화 일방향 복합재료에 침투하게 되면 침투 초기에는 일방향 복합재료의 인장강도 값이 약간 상승하게 됩니다. 그 뒤 점차 감소하는 경향을 보이지만 침지시간에 대해서는 전체적으로 큰 변화는 나타나지 않습니다. 초기의 상승이 나타나는 것은 수분의 침투가 섬유/수지의 계면에서 적당한 가소제 역할을 했기 때문으로 생각되며, 점차 감소하는 부분에서는 수분 흡수율이 증가하여 계면 전단강도를 많이 감소시킨 결과라고 판단됩니다.
실제로 섬유강화 복합재료에서 이론적으로 단섬유(short fiber)와는 다르게 장섬유(continuous fiber)를 상화재로 사용하는 경우, 계면 전단강도의 어느 정도 차이는 복합재료의 인장강도에 크게 영향을 미치지 못합니다. 복합재료를 고온의 증류수에 장시간 침지시킬 경우, 계면에서의 열화는 물론 섬유 자체의 열화도 예상됩니다. 섬유 자체의 기계적 성질의 열화는 장섬유가 단섬유화로 변화는 경우로 생각할 수 있으며, 단섬유의 경우는 계면 전단강도가 복합재료의 기계적 성질에 지대한 영향을 미칩니다. 인장강도는 수분 흡수에 크게 영향을 받지 않는데, 이는 결국 탄소섬유 자체는 수분에 의해 기계적 성질의 열화가 일어나지 않았기 때문입니다.
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