The nozzle parts of solid rocket motors must endure both the internal pressure generated by high temperature exhaust gas and the mechanical load generated by the steering operation of a rocket. Therefore, the nozzle parts of solid rocket motors are fabricated with thick carbon fiber phenolic resin composites due to their heat-resisting, ablative, and high strength characteristics. When the thick-walled phenolic composite cylinder is cooled down from the curing temperature of about 155℃ to the room temperature, thermal residual stresses are created due to the anisotropic thermal deformation of the composite structure. As the thickness of the composite cylinder increases, fabricational residual stresses due to the anisotropic thermal expansion or shrinkage of fabric composites also increase, which induces interlaminar failures.
In this study, in order to reduce the through-thickness coefficient of thermal expansion (CTE) and the void content, a compression in the thickness direction was applied to the composite prepreg by a compressive jig during manufacturing of composite to supplement the low autoclave pressure. The through-thickness CTE of the fabric composite was calculated by a compaction model and compared with the measured one by thermo-mechanical analysis. The through-thickness CTE changed drastically with respect to the compaction amount, and the void content of the carbon phenolic fabric composite laminate showed different characteristics from the ordinary fabric laminates with respect to the autoclave pressure and the jig pressure.
The residual stresses in thick cylinders made of carbon phenolic fabric composites were measured by a new radial-cut-cylinder-bending method. To obtain the residual stresses from the measured relative strains during the radial-cut operation, a bending test of the cylinder with the radial-cut was performed instead of measuring the material properties with respect to radial positions. The thermal residual stresses were also calculated by finite element method considering shear deformation of fabric layers, and compared with the measured residual stresses by the new method, from which it was found that the new simple method estimated the residual stresses pretty well. Also the interlaminar tensile strength at the position of maximum radial residual stress could be obtained from the bending test.
The smart cure method with cooling and reheating was developed to reduce residual stresses in thick-wound composite cylinders made of carbon phenolic fabric composite. The optimal cure cycle was obtained to reduce the residual stresses without increasing processing time and applied to fabrication of the thick-walled composite cylinder using an autoclave. From the residual stresses measured by the radial-cut-cylinder-bending method, it was found that the residual stresses were reduced 30 % by using the smart cure method.
Finally, the nozzle parts without delamination were manufactured using a hydroclave. The cure kinetic equations of carbon phenolic fabric composites were constructed to calculate temperature distributions in the nozzle parts during curing in the hydroclave. From finite element analysis and measurement of temperatures during cure processes, the optimal smart cure cycle with cooling and reheating was determined and the nozzle parts were fabricated under the conventional and smart cure cycles. The measured residual stresses in the nozzle parts made of the carbon phenolic composites were reduced 49% and delamination in both PAN-based and rayon-based carbon phenolic composite nozzle parts was eliminated by the smart cure method.
본 논문에서는 두꺼운 탄소 페놀 복합재료 실린더의 잔류응력을 줄이기 위한 경화 공정에 대하여 연구하였다.
2장에서는 탄소 페놀 복합재료 실린더의 층간 파손을 방지하기 위하여, 오토클레이브 압력과 압축 치구로 가한 압력을 같이 사용하여 압착을 가한 직물 적층판을 제작하였다. 압착된 직물 적층판의 두께방향 열팽창계수를 압착 모델을 사용하여 계산하고 열기계분석기를 통해 측정한 결과, 압착 정도에 따라 두께방향 열팽창계수가 크게 변화하였다. 페놀 수지의 경화반응 중에 발생한 가스에 의해, 오토클레이브 압력과 치구 압력에 따른 탄소 페놀 직물 복합재료 적층판의 기공량은 통상의 직물 복합재료 적층판과 다른 특성을 보였다.
3장에서는 반경방향 위치에 따라 크게 변화하는 재료 물성을 갖는 두꺼운 직물 복합재료 실린더의 성형 열잔류응력을 측정하기 위하여, 새로운 반경절단-굽힘 방법을 고안하였다. 다단 및 일단 압착 공정에 의해 반경방향 위치에 따른 재료 물성 변화가 있고 없는 두꺼운 직물 실린더 시편을 제작하였고, 이의 잔류응력을 기존의 반경절단 방법과 새로운 반경절단-굽힘 방법으로써 측정하였다. 측정한 잔류응력을 유한요소법으로 계산한 잔류응력과 비교한 결과, 재료 물성치 데이터를 필요로 하지 않는 새로운 방법이 기존 반경절단법보다 잔류응력을 보다 잘 평가할 수 있음이 밝혀졌다. 또한 새로운 방법의 굽힘 시험에서, 최대의 반경방향 잔류응력이 발생하는 위치에서의 층간 인장강도도 얻을 수 있었다.
4장에서는 잔류응력을 저감시키기 위한 냉각과 재가열을 포함하는 스마트 경화사이클을 사용하여 두꺼운 탄소 페놀 복합재료 실린더를 경화하였다. 경화사이클에 따른 복합재료의 잔류응력은 열분석 시험과 곡률 시험으로 평가하였으며, 개발된 스마트 경화 사이클을 사용하여 두꺼운 탄소 페놀 복합재료 실린더를 제작하였고, 이의 잔류응력을 반경절단-굽힘 방법으로 측정하였다. 실험 결과, 스마트 경화사이클로 경화시킨 복합재료 실린더의 층간 인장 열잔류응력은 기존 경화사이클로 경화시킨 복합재료 실린더의 경우보다 30% 감소하였다.
5장에서는 열잔류응력에 의한 박리를 방지하고자, 탄소 페놀 복합재료 노즐 부품의 제조 방법을 연구하였다. 두껍고 큰 복합재료 실린더 시편의 경화 중의 내부 발열을 계산하기 위해서 탄소 페놀 복합재료의 경화 파라미터를 결정하였다. 하이드로클레이브에서 복합재료 실린더 시편을 경화시킬 때의 온도 분포를 측정하고 계산하였고, 이를 통해 스마트 경화사이클에서 잔류응력을 저감시키기 위한 최적의 냉각 시점의 수온을 결정하였다. 기존 경화사이클과 스마트 경화사이클로 경화시킨 복합재료 실린더 시편의 잔류응력을 측정하고 계산하였으며, 그 결과 최적의 스마트 경화사이클로써 49%의 잔류응력을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 레이온계 탄소 페놀 복합재료보다 기계적 특성과 삭마 특성이 뛰어난 PAN계 탄소 페놀 복합재료를 사용할 경우에도 박리가 제거된 복합재료 노즐 부품의 제조가 가능하게 되었다.
