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표제지 2

목차 5

Nomenclature 10

국문요약 11

Ⅰ. 서론 13

1-1. 연구 배경 및 필요성 13

1-2. 문헌 조사 15

1-3. 연구 목적 및 범위 17

Ⅱ. 탄소섬유 스트랜드 시험 19

2-1. 스트랜드 시험 방법 19

2-2. 스트랜드 시험 결과 24

Ⅲ. 탄소섬유 기계적 물성 시험 32

3-1. 기계적 물성 시험방법 32

3-1-1. 인장시험 33

3-1-2. 전단시험 35

3-1-3. 층간전단 시험 36

3-2. 기계적 물성 시험 결과 37

Ⅳ. 복합재 압력용기 수압시험 49

4-1. 복합재 압력용기 제작 49

4-2. 복합재 압력용기 수압시험 장비 52

4-3. 복합재 압력용기 수압시험 평가방법 53

4-4. 500Φ 복합재 압력용기 수압시험 결과 55

Ⅴ. 결론 및 고찰 59

Ⅵ. 참고문헌 61

ABSTRACT 63

표목차 7

Table 1. Test results of Wet type Strand test 24

Table 2. Test results of Dry type Strand test 28

Table 3. Test methods for mechanical properties 32

Table 4. Test results of dry type UD 0° tensile test (25℃) 38

Table 5. Test results of wet type UD 0° tensile test (25℃) 39

Table 6. Test results of dry type UD 90° tensile test (25℃) 41

Table 7. Test results of wet type UD 90° tensile test (25℃) 42

Table 8. Test results of dry type shear test (25℃) 44

Table 9. Test results of wet type shear test (25℃) 45

Table 10. Test results of wet type short-beam test (25℃) 47

Table 11. Test results of dry type short-beam test (25℃) 48

Table 12. Test results of wet type hydrostatic test 55

Table 13. Test results of dry type hydrostatic test 57

그림목차 8

Fig. 1. Strand Specimen Manufacturing Device 19

Fig. 2. Wet Winding Strand Specimen Manufacturing Process 20

Fig. 3. Automatic Winding Device 21

Fig. 4. Dry Winding Strand Specimen Manufacturing Process 22

Fig. 5. Strand specimen shape 23

Fig. 6. Strand Testing Equipment 23

Fig. 7. No.1 Load-Displacement curve 25

Fig. 8. No.2 Load-Displacement curve 25

Fig. 9. No.3 Load-Displacement curve 26

Fig. 10. No.4 Load-Displacement curve 26

Fig. 11. No.5 Load-Displacement curve 27

Fig. 12. No.06 Load-Displacement curve 29

Fig. 13. No.07 Load-Displacement curve 29

Fig. 14. No.08 Load-Displacement curve 30

Fig. 15. No.09 Load-Displacement curve 30

Fig. 16. No.10 Load-Displacement curve 31

Fig. 17. Mechanical testing of composite material 33

Fig. 18. Dimensions of tensile test specimen 34

Fig. 19. Dimensions of shear test specimen 35

Fig. 20. Dimensions of short-beam test specimen 36

Fig. 21. Stress-strain curves for dry type UD 0° tensile test (25℃) 37

Fig. 22. Stress-strain curves for wet type UD 0° tensile test (25℃) 38

Fig. 23. Comparison of UD 0° Tensile Properties by Wet and Dry Methods 39

Fig. 24. Stress-strain curves for dry type UD 90° tensile test (25℃) 40

Fig. 25. Stress-strain curves for wet type UD 90° tensile test (25℃) 41

Fig. 26. Comparison of UD 90° Tensile Properties by Wet and Dry Methods 42

Fig. 27. Stress-strain curves for dry type shear test (25℃) 43

Fig. 28. Stress-strain curves for shear test (Wet method) 44

Fig. 29. Comparison of Shear Properties by Wet and Dry Methods 45

Fig. 30. Load-displacement curves for wet type short-beam test 46

Fig. 31. Load-displacement curves for dry type short-beam test 47

Fig. 32. Comparison of ILSS by Wet and Dry Methods 48

Fig. 33. Schematics diagram of wet filament winding process 50

Fig. 34. Schematics diagram of dry filament winding process 50

Fig. 35. Design of 500Φ aluminum liner 51

Fig. 36. Manufacturing process of composite pressure vessel 51

Fig. 37. Hydrostatic test equipment 52

Fig. 38. Location of attached strain gauge 54

Fig. 39. Pressure-hoop strain curves for wet type hydrostatic test 56

Fig. 40. Failure mode for wet type composite pressure vessel 56

Fig. 41. Pressure-hoop strain curves for dry type hydrostatic test 58

Fig. 42. Failure mode for dry type composite pressure vessel 58

초록보기

 본 연구의 목적은 국산 고강도 탄소섬유（H3065）를 활용하여 습식 및 건식 필라멘트 와인딩（Filament Winding） 공법으로 제작된 Type III 복합재 압력용기의 구조 성능을 비교 평가하고, 섬유 단위와 구조체 단위 간의 강도전이 특성을 정량적으로 분석하는 데 있다. 복합재 압력용기는 내압 성능과 경량화 특성을 바탕으로 항공, 방산, 수소 저장 시스템 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있으며, 적용 공법 및 적층 방식에 따라 파손거동 및 구조 안전성에 차이를 보일 수 있다. 이에 따라 적절한 설계 검증 및 제작 공법 선택을 위해 정량적 비교가 요구된다.

기초 물성 확보를 위해 스트랜드 시편을 제작하고 ASTM D4018 규정에 따라 섬유 방향 인장강도와 탄성계수를 평가하였다. 제작 공법에 따른 기계적 물성 비교를 위해 단방향 복합재 시편 ASTM D3039（인장）, D5379（전단）, D2344（층간전단） 시험을 수행하였으며, 시험은 모두 상온（25℃） 조건에서 실시하였다. 이후 건식 및 습식 탄소섬유를 사용한 필라멘트 와인딩 공법을 각각 적용하여 5000 Type III 복합재 압력용기를 제작하고 수압시험을 통해 파열압력, 섬유 방향 응력, 파손모드를 평가하였다.

시험 결과, 강도 및 강성 두 공법 간 평균값의 차이가 5% 이내로 나타나 유사한 수준의 기계적 성능을 보였으며, 구조체 단위 수압시험 결과 역시 파열압력 기준 ±3% 이내의 차이로 유의한 성능 차이는 확인되지 않았다. 강도전이율의 경우, 습식 공법은 평균 87.14%, 건식 공법은 85.56%로, 두 공법 모두 85% 이상의 강도전이율을 확인하였다.

이러한 결과는 H3065를 활용한 복합재 압력용기 제작에 있어 양 공법 모두 구조 안전성을 확보할 수 있으며, 목적에 따라 선택적으로 공법을 적용할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 섬유 단위에서 구조체 단위까지 연계된 기계적 물성 비교와 구조 성능 평가를 통해 국산 탄소섬유 기반 복합재 압력용기의 실용 가능성을 검증하였으며, 향후 설계 최적화 및 적용 확대를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

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