The improvement of microcrack resistance of carbon fiber reinforced composites is necessary for the application of a composite material to the structure of a propellant tank using liquid oxygen and liquid hydrogen. MWNT (Multi-Wall carbon Nano-Tube) fillers dispersed into epoxy matrix are expected to improve the microcrack resistance of carbon/epoxy composites due to MWNT bridging and -interlocking effects.
In this study, carbon/epoxy composites with different concentrations of MWNT fillers (O.Owt%, 0.2wt%, 0.7wt%) were tested to measure interlaminar shear strength linterlaminar fracture toughness and microcrack density. The MWNT added carbon/epoxy prepregs were fabricated by a filament winding method which is the real manufacturing process for a composite propellant tank. Short beam shear specimens and double cantilever beam specimens were tested inside an environmental chamber at room temperature and cryogenic temperature (-150℃), respectively. Microcrack densities after 6 cryogenic thermo-mechanical cycles were measured through an optical microscope. The test results and the microphotographs revealed that when MWNT fillers were added into carbon/epoxy composites, interlaminar fracture toughness at cryogenic temperature was increased and microcrack density was decreased. Therefore, it was confirmed that the addition of MWNT fillers improved the microcrack resistance of carbon/epoxy composites at cryogenic temperature.
액체산소 및 액체수소를 사용하는 추진제 탱크의 구조재로서 탄소섬유강화 복합재를 적용하기 위해서는 극저온에서의 미소균열에 대한 저항성 향상이 필수적이다. 이러한 관점에서 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 필러를 에폭시 수지에 첨가하였을 경우, MWNT의 가교(bridging)작용과 기계적 맞물림(mechanical interlocking)으로 인해 carbon/epoxy 복합재의 미소균열 저항성을 향상시킬 것으로 예상된다. 본 연구에서는 MWNT 필러 함량(0.0 wt%, 0.2 wt%, 0.7 wt%)에 따른 carbon/epoxy 복합재의 층간전단강도 및 층간파괴인성치와 미소균열 밀도를 측정하고 MWNT 필러의 효과를 고찰하였다. MWNT 필러가 첨가된 일방향 carbon/epoxy 프리프레그는 복합재 추진제 탱크의 실제 제작 방법인 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 제작하였으며, 층간전단강도 및 층간파괴인성치를 측정하기 위해 환경 챔버를 이용하여 극저온(-150℃)에서 short beam shear 및 double cantilever beam 시험을 수행하였다. 또한, 상온으로부터 -150℃까지 6회의 열-하중 사이클을 수행한 후 미소균열 밀도를 측정함으로써 균열에 대한 MWNT 필러의 효과를 살펴보았다. 그 결과, MWNT 필러가 0.2wt%, 0.7wt% 첨가된 경우, 극저온에서의 층간파괴인성치가 증가하였고, 미소균열 밀도는 감소함을 보였다. 결과적으로, MWNT 필러가 carbon/epoxy 복합재의 극저온 미소균열에 대한 저항성을 향상시켰음을 확인하였다.
