Composite materials which are composed of two or more different materials have driven the advancement in multi-functional structures. Among multi-functional composite structures, functional fiber-based multi-functional composite structures can have advantages in the fabrication process and consistent multi-functional performance. However, due to the lack of functional fibers with excellent multi-functionality, researches were limited. Silicon carbide (SiC) fibers, which have attracted many interests because of their superior mechanical property and thermal resistance, are expected to have excellent multi-functional characteristics in piezoresistivity and microwave loss characteristics due to their semi-conductive characteristics. Therefore, this study investigated the multi-functionality of SiC fibers and its applications. The sensor application of SiC fibers with excellent piezoresistivity was studied, and the SiC fiber network-embedded composite structures for simultaneously self-sensing and microwave-absorption was proposed and investigated.
First, the application of SiC fibers as an embedded sensor for composite structures was studied. Prior to the sensor application, the strain sensing properties of SiC fibers were experimentally evaluated. Through the tensile testing of SiC fiber embedded composite specimens, the resistance change of the SiC fibers was measured according to the applied mechanical strain, and the strain sensing properties of the SiC fiber were evaluated. As a result, the SiC fibers showed outstanding strain sensitivity with GF of 8.25 and excellent linearity up to the strain range of 1.36%. As an application study of the SiC fibers as an embedded sensor for composite structures, embedded SiC fiber sensor based impact detection and localization of composite structures were performed. SiC fiber sensor network-embedded composite panels were fabricated. Impact signals were successfully acquired by the embedded SiC fiber sensors, and the characteristics of acquired impact signals were analyzed. As a result, the SiC fiber sensor showed the inherent signal characteristic that impact signals acquired at points with similar normal distances from the sensing fiber cannot be differentiated in its resistance change. Thus, the reference data based impact localization using the embedded SiC fiber sensors showed large errors. However, through mutual compensation between the SiC fiber sensors configured considering the similar impact signal distribution characteristics, reference data based impact localization could be successfully performed. Consequently, the SiC fibers showed excellent strain sensing performance, and the application of SiC fiber sensors for impact detection and localization of composite structures was successfully performed.
Second, by leveraging the excellent piezoresistivity and microwave loss characteristics of SiC fibers, a SiC fiber network-based self-sensing and microwave-absorbing composite structure was proposed and investigated. The SiC fiber network-embedded composite structure, which can allow individual SiC fiber yarns to act not only as microwave lossy materials but also as piezoresistive sensors, was proposed and its design, fabrication and performance verification were investigated. Through the full-wave simulation of SiC fiber network-embedded composite model, the design parameters of SiC fiber network-embedded composite were investigated. As a result, the microwave loss characteristics of SiC fiber network-embedded composite could be controlled by the spatial arrangements of SiC fiber network. Based on the simulation results, the SiC fiber network-based self-sensing and microwave-absorbing composite structure was designed. This designed structure was fabricated and its self-sensing and microwave-absorbing performances were experimentally verified. The microwave return loss of the fabricated SiC fiber network-embedded composite structure was measured, and dynamic signal acquisition using the embedded SiC fiber sensors and impact localization of the SiC fiber network-embedded composite structure using embedded SiC fiber sensor network were performed. As a result, the fabricated SiC fiber network-embedded composite structure successfully demonstrated the designed self-sensing and microwave-absorption performances. In addition, the mechanical testing of SiC fiber network-embedded composite was performed, and the results showed that the embedded SiC fibers contribute to the load-bearing together with host composite structure. Consequently, the SiC fiber network-based self-sensing and microwave-absorbing composite structure was successfully designed and fabricated, and the multi-functional performance of the SiC network-embedded composite was successfully demonstrated.
This study focused on the multi-functionality of SiC fibers and its applications. The SiC fibers showed excellent strain sensing properties, and they were successfully utilized as an embedded sensor for composite structures. An engineering design to utilize the multi-functionality of SiC fibers was implemented, and the SiC fiber network-based self-sensing and microwave-absorbing composite structure was successfully designed and demonstrated. Through further research on the multi-functionality of SiC fibers, it is expected that multi-functional composite structures with improved performances can be designed.
서로 다른 두 개 이상의 재료로 이루어진 복합재료는 다기능 구조의 발전을 이끌어왔다. 다기능 복합재 구조 중에서도, 기능성 섬유를 기반으로 하는 다기능 복합재 구조는 제작 과정과 일정한 성능 면에서 이점이 있다. 하지만, 우수한 다기능성을 갖는 기능성 섬유가 부족하여, 연구가 제한적이었다. 최근 우수한 기계적 성질과 열저항성으로 인해 관심을 받고 있는 탄화 규소 섬유는 반도체 성질을 가져 우수한 압저항 성질과 전자파 손실 특성을 가질 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 이 탄화 규소 섬유의 다기능성과 그 활용을 연구하였다. 우수한 압저항성을 갖는 탄화 규소 섬유의 센서 응용을 연구하였으며, 탄화 규소 섬유의 우수한 압저항성과 전자파 손실 특성을 동시에 활용한 탄화 규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조를 제안 및 연구하였다.
먼저, 탄화 규소 섬유의 복합재 내장 센서 응용을 연구하였다. 센서 응용에 앞서, 탄화 규소 섬유의 변형률 감지 성질을 실험적으로 평가하였다. 탄화 규소 섬유가 삽입된 복합재 시편의 인장 시험을 통해 변형에 따른 탄화 규소 섬유의 저항 변화를 측정하였으며, 저항 변화로부터 탄화 규소 섬유의 변형률 감지 성질을 평가하였다. 그 결과, 탄화 규소 섬유는 게이지 율 8.25의 우수한 변형률 민감도와 1.36% 변형률 수준까지의 우수한 선형성을 보였다. 우수한 변형률 감지 성질을 보인 이 탄화 규소 섬유의 복합재 구조 내장 센서 적용 연구를 수행하였다. 탄화 규소 섬유 센서가 내장된 복합재 구조를 제작하였다. 내장된 탄화 규소 섬유 센서들을 이용하여 충격 신호를 성공적으로 취득하였으며, 취득된 충격 신호의 특성을 분석하였다. 그 결과, 탄화 규소 섬유는 섬유로부터 유사한 수직 거리로 떨어져 있는 지점들에서 취득된 충격신호들이 저항 변화에 있어서 구분될 수 없다는 고유의 신호 특성을 보였다. 그로 인해, 내장된 탄화 규소 섬유 센서를 이용한 기준 신호 기반의 충격 위치 검출은 큰 오차를 보였다. 하지만, 유사 충격 신호 분포 특성을 고려하여 구성된 탄화 규소 섬유 센서들 간의 상호 보상을 통해 기준 신호 기반의 충격 위치 검출이 성공적으로 수행될 수 있었다. 결론적으로, 탄화 규소 섬유는 우수한 변형률 감지 성능을 보였으며, 탄화 규소 섬유의 복합재 구조 내장 센서 응용이 성공적으로 수행되었다.
다음으로, 탄화 규소 섬유의 우수한 압저항 성질과 전파 손실 특성을 활용하여, 탄화 규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전파 흡수 구조를 제안 및 연구하였다. 탄화 규소 섬유가 전자파 손실 재료 및 압저항 센서로 동시에 작용하기 위한 탄화 규소 섬유 네트워크 삽입 복합재 구조를 제안하였으며, 그 설계와 제작 그리고 성능 검증을 연구하였다. 먼저, 탄화 규소 섬유 네트워크 삽입 복합재 모델의 전자기파 시뮬레이션을 통해서, 탄화 규소 섬유 네트워크의 설계 변수들을 연구하였다. 그 결과, 탄화 규소 섬유 네트워크의 공간적 배열에 따라 탄화 규소 섬유 네트워크 삽입 복합재 구조의 전자파 손실 특성이 제어될 수 있었다. 시뮬레이션 결과를 토대로 탄화 규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재를 설계하였다. 설계된 구조를 제작하였으며, 제작된 구조를 대상으로 자가 감지 및 전자파 흡수 성능을 검증하였다. 성능 검증을 위하여, 탄화 규소 섬유 네트워크 삽입 구조의 전자파 반사 손실을 측정하였으며, 삽입된 탄화 규소 섬유 센서들을 이용한 동적 신호 취득 및 충격 위치 검출을 수행하였다. 그 결과, 설계된 다기능 성능들이 성공적으로 시연되었다. 추가적으로 탄화 규소 섬유 네트워크 삽입 복합재 구조의 기계적 시험을 수행하였으며, 삽입된 탄화 규소 섬유들이 복합재 구조와 함께 하중 지지에 기여함을 확인하였다. 결론적으로, 탄화 규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 구조를 성공적으로 설계 및 제작하였으며, 다기능 성능이 성공적으로 시연되었다.
본 연구에서는 탄화 규소 섬유의 우수한 다기능성과 그 활용 방안이 연구되었다. 탄화 규소는 우수한 변형률 감지 성질을 보였으며, 복합재 구조의 내장 센서로 성공적으로 활용되었다. 탄화 규소 섬유의 우수한 압저항 및 전자파 손실 특성을 동시에 활용하기 위한 공학적 설계가 시도되었으며, 탄화 규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 구조가 성공적으로 설계 및 시연되었다. 향후 지속적인 탄화 규소 섬유에 대한 연구를 통해, 보다 우수한 성능을 갖는 다기능 복합재 구조의 설계가 가능할 것으로 예상된다.
