전압강하 특성 분석을 통한 탄소섬유의 손상 감지

초록

전도성 섬유는 구조건전성 평가가 필요한 복합재료뿐만 아니라 손상 감지를 위한 특수의복 등 다양한 분야에 전기적 성질이 활용될 수 있다. 본 연구는 이와 같은 전기전도성 섬유의 손상 정도를 파악하기 위해 탄소섬유를 대상으로 전압강하 특성을 분석하였으며, 이를 기반으로 섬유 손상 위치 및 범위를 감지하였다. 손상에 대한 전압강하 특성 분석을 위해 이종의 일방향 탄소섬유 즉, (주)한국카본의 NR73 과 CF730 으로 시편을 제작한 후 섬유절단실험을 수행하였으며, 강하된 전압 측정은 섬유배향의 횡방향으로 전극을 배열하고 Multi ADC 출력 계측기를 사용하였다. 실험 결과, 손상으로 인해 섬유배향의 전류가 단락되고, 접촉저항이 큰 횡방향으로 전류가 통함에 따라 전압강하가 발생됨을 확인하였으며 이를 기반으로 횡방향으로의 손상 정도와 손상 위치를 탐지할 수 있었다. 한편, 손상요인의 상이함에 따른 파손특성을 비교분석하기 위해 예기와 둔기를 사용하여 충격낙하시험을 수행하였다. 섬유배향이 상이한 3개의 플라이를 적층하여 시편을 제작하였고 각 플라이에 전극을 배열한 후 손상에 따른 전압강하를 측정하였다. 각 플라이에서 전압강하가 가장 높게 발생한 지점을 손상 중심으로 설정하고 문턱값 이상의 전압강하가 발생한 전극의 좌표를 손상 경계선으로 설정하여 손상 정도를 형상화 하였으며, 이를 실제 시편의 손상과 비교하였다. 결과적으로 손상 중심점 좌표와 손상 반경의 오차가 10% 이내로 실제 손상의 위치 및 반경과 일치함을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 탄소섬유의 전압강하를 이용한 손상 감지 기술은 소형 경량화가 가능함에 따라 실시간으로 휴대용 장구의 손상을 감지하는데 적용 가능할 것으로 사료된다.

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