Recently CFRP(carbon fiber reinforced plastics) composites are widely used for space applications due to their high strength and stiffness. But many harsh condition factors in LEO space environment can cause degradation of material characteristics of CFRP. In this study, the impact characteristics of LEO aged CFRP was studied to suggest substitution possibility of aluminum which is using present Whipple shield system. To select proper CFRP, 4 kinds of specimens were made with different CFRP prepregs each has 0.030mm, 0.050mm, 0.125mm, 0.250mm thickness. High velocity impact experiments of 4 kinds of CFRP and aluminum specimens were performed and the CU125NS specimen which is made by 16 layers with 0.125mm thickness prepreg was selected due to the best impact energy absorbtion behavior. CU125NS specimen was aged in the space environment simulated facility with atomic oxygen, UV light, thermal cycling, high vacuum by STS-4 mission. After LEO aging, CU125NS specimen lost only about 0.48% of mass but impact energy absorbtion is reduced by 11.65% due to damage of inner composite caused by LEO environment. LS-dyna, C-scan and SEM image inspections were performed to verify experimental results.
본 연구는 우주 구조물용 위플 쉴드의 기본 재료인 알루미늄을 대체 또는 보조 적용할 수 있는 재료로 다양한 CFRP 복합재료를 선정하여, 다양한 두께의 프리프레그를 통해 제작된 다양한 종류의 복합재료 시편에 대하여, 고속 충격(1km/s)에서의 에너지 흡수 거동 및 특성을 실험, 분석하는 것을 목적으로 시작하였다.
일반적으로 프리프래그로 제작된 복합재료는 제작에 사용된 프리프래그의 두께가 얇을수록 그 기계적 성질(영스 모듈러스, 인장강도 등)이 우수하다고 알려져 있지만, 본 연구에서 수행된 고속 충격 실험에서는 같은 두께의 시편(목표두께 : 2mm)의 경우 CU030NS와 CU125NS 시편이 비슷한 에너지 흡수율을 보였으나, 단위 무게당 에너지 흡수율에서는 CU125NS 시편이 가장 좋은 에너지 흡수율을 보였다. 이 결과 값을 기존의 위플 쉴드에 주 재료로 사용되는 알루미늄(Al 6061-T6)의 고속 충격 실험 결과와 비교하면 CU125NS 시편이 약 12%(단위무게당) 높은 에너지 흡수율을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 4종의 복합재료 시편별로 다른 양상을 보이는 에너지 흡수율은 관통지점의 파손 형태에 의하여 다르다는 것을 확인 하였으며, CU125NS로 제작된 시편이 분출형 파괴(extrusive)의 거동이 가장 에너지 흡수에 가장 효과적인 것을 각종 분석을 통하여 확인하였다.
CU125NS 시편을 우주환경 모사장비를 이용하여, 고진공, 열 싸이클, 자외선과 원자산소에 노출시켜 우주환경에서 노화시켰다. 이에 시편은 노화 후 약 0.5%의 질량 손실과 약 11.65%의 에너지 흡수 성능이 저하되었고 이는, 결과적으로, 알루미늄 시편과 유사한 에너지 흡수율이다. 이에 SEM 이미지 분석을 통하여, 우주환경 하에서 노화된 복합재료는 시편내부에 균열이 생기며, 에너지 흡수율이 저하됨을 확인하였다.
CFRP 복합재료의 여러 우수한 물성(material property)을 감안 할 때, 우주 환경 노출시 동반되는 내, 외부 손상에 대한 보호책이 연구 되면, 위플 쉴드 뿐만 아니라 우주 구조물의 여러 분야에 있어 알루미늄을 대체 할 수 있을 것으로 판단되며, 이에, 우주환경 뿐만 아니라 지구 환경하에서도 군사, 비군사 분야에서 충격 흡수재료서의 역할을 충분히 수행 할 수 있음을 확인하였다.
