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한국복합재료학회> Composites Research(구 한국복합재료학회지)> 콜타르를 결합재 및 함침재로 이용한 벌크 흑연 제조

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콜타르를 결합재 및 함침재로 이용한 벌크 흑연 제조

A Study on the Possibility of Bulk Graphite Manufacturing using Coal Tar as a Binder and an Impregnant

이상민 ( Sang-min Lee ) , 이상혜 ( Sang-hye Lee ) , 강동수 ( Dong-su Kang ) , 노재승 ( Jae-seung Roh )
  • : 한국복합재료학회
  • : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권1호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 02월
  • : 51-56(6pages)
Composites Research(구 한국복합재료학회지)

DOI


목차

1. 서 론
2. 실험 방법
3. 결과 및 고찰
4. 결 론
후 기
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석탄 핏치의 전구체인 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크흑연을 제조할 수 있는 가능성을 검토하고자 하였다. 충전재로 천연흑연을 이용하였으며, 천연흑연과 콜타르를 혼합 및 성형한 후 탄화 열처리를 실시하였다. 탄화 열처리 후 함침-재탄화를 5회 실시하여 밀도, 기공율, 압축강도, 그리고 이방성비를 측정하였다. 탄화체의 최고 밀도는 1.76 g/cm3였고, 기공율은 최소 15.6%로써 공정 제어에 의해 조절이 가능하였다. 압축강도는 최고 20.3 MPa이 얻어졌다. 탄화체의 이방비는 최대 0.34로써 강한 이방성 탄화체를 얻을 수 있었다. 따라서 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크 형태의 인조흑연 제조가 가능하다는 것을 확인하였다. 또한 탄화체의 이방성을 조절하여 전기적, 기계적 방향 특성을 조절한다면 적절한 재료 설계를 통하여 다양한 분야에 응용할 수 있을 것이라 판단된다.
This paper studied the possibility of manufacturing bulk graphite using coal tar, a precursor of coal tar pitch, as a binder and impregnant. Carbonization was conducted after mixing and molding with natural graphite as a filler and coal tar as a binder. Impregnation-recarbonization was performed five times after carbonization. Coal tar used as impregnant. Measuring density, porosity, compressive strength, and anisotropy ratio was conducted. The maximum density of bulk graphite specimen was 1.76 g/cm3 and the minimum porosity was 15.6% which could be controlled by process control. The highest compressive strength was 20.3MPa. Then the maximum anisotropic ratio of bulk was shown 0.34 through XRD analysis. Therefore, it was confirmed that it was possible to manufacture artificial graphite in a bulk form by using coal tar as a binder and an impregnant.

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간행물정보

  • : 공학분야  > 재료공학
  • : KCI등재
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  • : 격월
  • : 2288-2103
  • : 2288-2111
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1988-2021
  • : 1616


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34권5호(2021년 10월) 수록논문
최근 권호 논문
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1속경화용 탄소섬유/에폭시 프리프레그의 다단 압축 성형기술

저자 : 곽성훈 ( Seong-hun Kwak ) , 문지훈 ( Ji-hun Mun ) , 홍상휘 ( Sang-hwui Hong ) , 권순덕 ( Soon-deok Kwon ) , 김병하 ( Byung-ha Kim ) , 김태용 ( Tae-yong Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 269-276 (8 pages)

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프리프레그 압축성형(PCM, Prepreg Compression Molding) 공정은 고품질 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 제품을 제조할 수 있는 고속성형기술이다. 오토클레이브 공정에 비해 폐기물 발생이 적고 사이클타임을 크게 줄일 수 있어 항공우주 및 자동차 산업에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 PCM 공정의 품질을 높이기 위해 프리프레그의 경화거동을 따라 프레스의 압축압력을 단계별로 증가시키는 성형법에 대해 연구하였고, 이러한 다단 압축 성형법이 우수한 품질의 CFRP 제품을 생산하고 사이클타임을 단축할 수 있는 좋은 수단임을 확인하였다. 그리고 상온에서 적층한 프리프레그를 금형에 투입하여 예열과 성형을 동시에 함으로써 별도의 예열 공정 없이 제품을 성형할 수 있었다. 또한 평판 성형에 최적화된 공정조건을 3차원 형상물에 동일하게 적용한 결과 외관상 평판과 유사한 제품을 공정조건 수립 과정 없이 만들 수 있었다.


PCM (Prepreg Compression Molding) process is a high-speed molding technology that can manufacture high-quality CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) parts. Compared to the autoclave process, it generates less waste and can significantly reduce cycle time, so various studies are being conducted in the aerospace and automobile industries. In this study, in order to improve the quality of the PCM process, a molding method was developed to increase the compression pressure of the press step by step according to the curing behavior of the prepreg. It was confirmed that this multi-stage compression molding technology is a good means to produce high-quality CFRP products and shorten cycle times. And, the laminated prepreg at room temperature was immediately put into the mold and preheated and molded at the same time, so that it could be molded without a separate preheating process. In addition, as a result of applying the same process conditions optimized for flat plate molding to three-dimensional shapes, a product similar to a flat plate in appearance could be made without the process of establishing process conditions.

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2초임계유체 조건에서 제조된 그래핀의 구조분석과 그래핀/에폭시 수지조성물의 열전도 특성

저자 : 오원태 ( Weontae Oh ) , 최규연 ( Gyuyeon Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 277-282 (6 pages)

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초임계유체 조건은 별도의 환원제와 높은 열처리 공정조건 없이 산화그래핀으로부터 그래핀을 제조할 수 있다. 본 연구에서는 메탄올과 에탄올 용매의 초임계유체 조건에서 산화그래핀을 그래핀으로 변환시키는 공정을 연구하였다. 제조된 그래핀의 구조를 FE-SEM과 XRD를 사용하여 분석하였을 때, 초임계 조건에서 산화그래핀의 환원반응은 다른 변수(농도, 반응시간)보다는 용매의 변화에 더 크게 영향을 받았다. 에탄올 용매의 사용이 메탄올을 사용했을 때보다 환원반응에 더욱 좋은 결과를 보여주었다. 본 연구에서 준비된 그래핀을 20 wt%까지 에폭시수지와 혼합하여 복합수지 조성물을 제조하여, 이 조성물의 열전도특성을 분석하였다. 복합수지조성물의 열전도도는 그래핀의 함량에 비례하여 상승하였고, 에탄올 초임계 용액조건에서 제조된 그래핀이 복합수지조성물의 열전도도에 더 효과적이었다.


Graphene oxide can be reduced to graphene under supercritical fluid condition even without using a specific reducing agent or applying a high thermal process. In this study, a process for converting graphene oxide into graphene was studied under supercritical fluid conditions in methanol and ethanol solvents. When the structure of asprepared graphene was analyzed by using FE-SEM and XRD, the reduction of graphene oxide in supercritical fluid condition was more affected by the change of solvent than other variables such as concentration of graphene oxide and reaction time. The use of ethanol showed better results for the reduction than the use of methanol. The graphene prepared in this study was mixed with epoxy resin up to 20 wt.% to make composites, and the thermal conductivity of the composites were analyzed. Thermal conductivity of the composite increased proportionally with graphene loadings. The graphene prepared in supercritical ethanol condition was more effective on the thermal conductivity of the composite.

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3초기 결함 조건 모델에 따른 복합재 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor 도출

저자 : 김도영 ( Do-young Kim ) , 심창훈 ( Chang-hoon Sim ) , 박재상 ( Jae-sang Park ) , 유준태 ( Joon-tae Yoo ) , 윤영하 ( Young-ha Yoon ) , 이기주 ( Keejoo Lee )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 283-289 (7 pages)

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본 연구에서는 압축력을 받는 얇은 복합재 원통 구조에 대하여 기하학적 혹은 하중에 대한 초기 결함 모델을 이용하여 수치해석적으로 좌굴 Knockdown factor를 새롭게 도출하였다. 전역 좌굴이 발생하기 이전에 타원형상의 변형 형상을 갖는 복합재 원통 구조를 사용하였다. 복합재 원통 구조의 기하학적 초기 결함만 고려하기 위하여 Single Perturbation Load Approach를 이용하였으며, 기하학적 초기 결함과 더불어 하중 불균일을 함께 구현하기 위하여 Single Boundary Perturbation Approach를 사용하였다. 기하학적 초기 결함 모델의 좌굴 Knockdown factor는 NASA의 기존의 좌굴 Knockdown factor보다 약 84% 높게 도출되었으며, 좌굴 시험에 비하여서는 약 9% 낮게 도출되었다. 기하학적 초기 결함과 하중 불균일을 함께 고려하는 모델의 좌굴 Knockdown factor는 NASA의 좌굴 Knockdown factor에 비하여서는 약 75% 높게, 그리고 좌굴 시험보다 약 14% 낮게 계산되었다. 따라서, 본 연구의 좌굴 설계 기준은 고려된 초기 결함 모델과 상관없이 기존의 좌굴 설계 기준에 비하여 경량 설계의 제공이 가능함과 동시에 좌굴 시험 대비 적절히 보수적인 설계 기준을 제공할 수 있음을 확인하였다.


This paper derives numerically the buckling Knockdown factors using two different initial imperfection models, such as geometric and loading imperfection models, to investigate the unstiffened composite cylinder with an ellipse pre-buckling deformation pattern. Single Perturbation Load Approach (SPLA) is applied to represent the geometric initial imperfection of a thin-walled composite cylinder; while Single Boundary Perturbation Approach (SBPA) is used to represent the geometric and loading imperfections simultaneously. The buckling Knockdown factor derived using SPLA is higher than NASA's buckling design criteria by approximately 84%, and lower than buckling test result by 9%. The buckling Knockdown factor using SBPA is higher than NASA's buckling design criteria by about 75%, and 14% lower than the buckling test result. Therefore, it is shown that the buckling Knockdown factors derived in this study can provide a lightweight design compared to the previous buckling design criteria while they give reasonably a conservative design compared to the buckling test for both the initial imperfection models.

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4탄소섬유 직물 및 전도성 탄소 필러가 고충진 된 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성

저자 : 김성륜 ( Seong Yun Kim ) , 노예지 ( Ye Ji Noh ) , 장지운 ( Ji-un Jang ) , 최성규 ( Seong Kyu Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 290-295 (6 pages)

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지구 온난화 억제를 위한 전 세계적인 연비규제에 발맞춘 해결책으로 자동차에 경량구조복합재료를 적용하는 것이 메가트렌드로 인식되고 있다. 본 연구에서는 수리, 폐기 및 재활용 측면에서 유리한 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 적용을 극대화하기 위해 전도특성이 요구되는 부품 대체 이슈에 대응할 수 있는 기술적 접근을 제공하는 것을 목표로 수행되었다. 저점도 중합 가능한 기지재의 특성을 활용하여 전도성 필러를 파우더 믹싱 방법으로 균일하게 혼입하면서도 우수한 함침 특성을 나타내는 열가소성 탄소섬유강화플라스틱 제조방법에 기초하여 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 나노플레이틀렛, 흑연, 피치계 탄소섬유 등 다양한 탄소기반 전도성 필러를 최대 함량까지 혼입하여 전기저항 및 열전도도를 비교하여 고찰하였다. 전도성 탄소 필러의 종류나 형태보다는 최대 혼입량이 시편의 전도 특성을 제어하기 위해 가장 중요한 인자임을 확인하였고, 전기전도 특성을 향상시키기 위해서는 1차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리할 수 있는 반면 열전도 특성을 향상시키기 위해서는 2차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리 할 수 있다는 실험 결과를 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성을 제어하기 위한 최적 구조 설계에 잠재적인 통찰력을 제공할 수 있다.


The application of lightweight structural composites to automobiles as a solution in line with global fuel economy regulations to curb global warming is recognized as a megatrend. This study was conducted to provide a technical approach that can respond to the issue of replacing parts that require conductive properties to maximize the application of thermoplastic carbon fiber reinforced plastics (CFRPs), which are advantageous in terms of repair, disposal and recycling. By utilizing the properties of the low-viscosity polymerizable oligomer matrix, it was possible to prepare a thermoplastic CFRP exhibiting excellent impregnation properties while uniformly mixing the conductive filler. Various carbon-based conductive fillers such as carbon black, carbon nanotubes, graphene nanoplatelets, graphite, and pitch-based carbon fibers were filled up to the maximum content, and electrical and thermal conductive properties of the fabricated composites were compared and studied. It was confirmed that the maximum incorporation of filler was the most important factor to control the conductive properties of the composites rather than the type or shape of the conductive carbon filler. Experimental results were observed in which it might be advantageous to apply a one-dimensional conductive carbon filler to improve electrical conductivity, whereas it might be advantageous to apply a two-dimensional conductive carbon filler to improve thermal conductivity. The results of this study can provide potential insight into the optimization of structural design for controlling the conductive properties of thermoplastic CFRPs.

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5고속 열 성형 유한요소해석을 활용한 CF/PEKK 열가소성 복합재 구조물 제작 공정 예측 및 검증

저자 : 이경인 ( Keung-in Lee ) , 최현석 ( Hyeon-seok Choe ) , 곽준우 ( June-woo Kwak ) , 이준성 ( Jun-sung Lee ) , 주현우 ( Hyun-woo Ju ) , 권진회 ( Jin-hwe Kweon ) , 남영우 ( Young-woo Nam )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 296-304 (9 pages)

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본 연구에서는 유한요소법(FEM)에 기반한 CF/PEKK 열가소성 복합재 고속 열 성형 해석을 수행하였고 제작 공정을 예측 및 검증하였다. 대표적인 L 형 구조물 모델에 대해 트리밍 여유에 따른 성형성을 응력, 두께, 주름분포를 분석하였다. 그 결과, 블랭크의 트리밍 여유가 증가할수록 구조물의 성형성이 향상하는 것을 확인하였다. 특히 두께 및 주름 분포 측면에서 해석 모델과 실험 결과를 비교하여서 고속 열 성형 모델의 타당성을 검증하였다. 제작된 구조물은 시차 주사 열량 분석법 및 이미지 분석법을 통해 결정화도와 기공률이 측정되었다. 제작된 열가소성 구조물의 전 영역 기공률은 평균 0.75%, 결정화도는 약 21%로 항공기에 적용 가능한 수치로 평가되었다. 따라서 본 연구를 토대로 열가소성 복합재 고속 열 성형 공정에 대해 효과적인 예측이 가능할 것으로 판단된다.


This study presented the evaluation of the stamp forming process for L-shape CF/PEKK thermoplastic composite using the finite element model. The formability of three different trimming allowances has been examined for representative product geometry. The results showed that those manufactured by high trimming allowance showed more excellent formability in those areas. Moreover, the effects of the trimming allowances on the stress, thickness, wrinkle distributions of thermoplastic composites fabricated with the stamp forming process were evaluated. The comparison of the simulation and experimental results for the thickness and wrinkle distributions proved the accuracy of the stamp forming model. The crystallinity of the composite was performed by differential scanning calorimetry (DSC). The void content of the composite was evaluated by matrix digestion. Then, the fabricated structure was characterized and achieved high quality in crystallinity and void content. Consequently, the presented FEM modeling shows excellent potential for application in the aircraft product design process. This pragmatic approach could efficiently offer a valuable solution for the thermoplastic composite manufacturing field.

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6Capillary 특성을 활용한 섬유 조건에 따른 유리섬유강화 복합재료의 함침성 및 계면강도 평가

저자 : 김종현 ( Jong-hyun Kim ) , 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 박종만 ( Joung-man Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 305-310 (6 pages)

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섬유강화복합재료의 기계적물성은 섬유의 체적분율 및 사이징제 조건에 의한 계면강도에 영향을 받는다. 최적의 계면은 기지층에서 강화재로의 기계적 응력을 효과적으로 전달하여 응력 집중을 완화하고 결과적으로 복합재료의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 사이징제 조건 및 섬유체적분율에 따른 에폭시 수지와 유리섬유 간의 젖음성 및 계면강도를 평가하였다. 정적 및 동적접촉각을 이용하여 사이징제가 다른 유리섬유와 에폭시 수지의 표면에너지를 계산하였고, 이를 활용하여 접착일을 계산하였다. 유리섬유 토우 캐필러리 시험법을 이용하여 젖음성을 평가하였고, 마이크로드롭렛 인발시험을 통해 계산된 계면전단강도를 이용하여 계면강도를 평가하였다. 최종적으로 젖음성과 계면강도를 활용하여 최적의 유리섬유강화 복합재료 제작 조건을 확인하였다.


Mechanical properties of fiber reinforced composites were affected to fiber volume fractions (FVF) and interfacial property by sizing agent conditions. An optimum interface can relieve stress concentration by transferring the mechanical stress from the matrix resin to the reinforcements effectively, and thus can result in the performance of the composites. The interfacial properties and wettability between the epoxy resin and glass fiber (GF) were evaluated for different sizing agent conditions and FVFs. The surface energies of epoxy resin and different sizing agent treated GFs were calculated using dynamic and static contact angle measurements. The work of adhesion, Wα was calculated by using surface energies of epoxy matrix and GFs. The wettability was evaluated via the GF tow capillary test. The interfacial shear strength (IFSS) was evaluated by microdroplet pull-out test. Finally, the optimized GFRP manufacturing conditions could be obtained by using wettability and interfacial property.

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7분말야금공정으로 제조된 TiC/steel 금속복합재료의 미세조직 및 기계적 물성 연구

저자 : 이지혜 ( Jihye Lee ) , 조승찬 ( Seungchan Cho ) , 권한상 ( Hansang Kwon ) , 이상관 ( Sang-kwan Lee ) , 이상복 ( Sang-bok Lee ) , 김대하 ( Daeha Kim ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 311-316 (6 pages)

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본 연구에서는 3 wt.%, 10 wt.% Cr이 함유된 Fe-합금 분말을 기지 금속으로 하여 분말야금공정을 통해 TiC/steel 금속복합재료를 제조하였다. 이후 복합재료의 기계적 물성에 미치는 열처리의 영향을 고찰하고자, 어닐링 열처리 및 칭-템퍼링 열처리를 실시하였다. 인장, 압축 그리고 항절력 시험과 미세조직 분석을 통하여 Cr 함량 및 열처리 조건에 따른 미세조직의 변화와 구조적 강도 변화의 연관성을 고찰하였다. 10 wt.% Cr을 함유한 TiC/steel의 경우, TiC/steel 계면에서 형성된 조대한 Cr carbide의 영향으로 상온 인장강도 및 항절력이 크게 저하하였다. 이에 반해 압축강도에서는 Cr이 3 wt.%, 10 wt.% 함유된 TiC/steel 복합재료 모두 Cr carbide의 유무와 관계없이 어닐링 열처리 시편에 비해 칭-템퍼링 열처리 후 약 4 GPa에 달하는 높은 압축강도를 보였다.


In this study, TiC/steel metal matrix composites were fabricated by powder metallurgy process using Fealloy powders with 3 wt.% Cr and 10 wt.% Cr, respectively, as matrix material. Subsequently, the composite samples were heat treated by the annealing and quenching-tempering(Q-T), respectively, to understand the effect of heat treatment on the mechanical properties of the composites. The correlation between microstructure and structural strength depending on the chromium content and the heat treatment conditions was studied through tensile, compressive, and transverse rupture test and microstructural analysis. In the case of TiC/steel composite containing 10 wt.% Cr, the tensile strength and transverse rupture strength at room temperature were significantly lowered by the influence of coarse chromium carbide formed at the TiC/steel interface. On the other hand, both TiC/steel composites containing 3 wt.% Cr and 10 wt.% Cr showed much higher compressive strength of about 4 GP after quenchingtempering compared to the annealed specimens regardless of the presence of the chromium carbide.

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8I-fiber 스티칭 공법이 적용된 Single-lap Joint의 강도 특성 및 파손 신호 검출 연구

저자 : 최성현 ( Seong-hyun Choi ) , 송상훈 ( Sang-hoon Song ) , 안우진 ( Woo-jin An ) , 최진호 ( Jin-ho Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 317-322 (6 pages)

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적층 복합재의 특성상 두께 방향 물성이 취약하여 비틀림, 저속충격, 피로 하중 등 복합 하중을 받게 되면 재료 내부의 미세크랙 진전을 통해 층간분리 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하고자 Z-pinning, Stitching 등 다양한 3차원 보강 공법과 구조물의 미세균열을 실시간으로 검출하는 구조 건전성 감시 기법이 꾸준히 연구되고 있다. 본 논문에서는 I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 Single-lap joint를 Co-curing 방법으로 제작하였으며, 제작된 시편의 강도 및 파손신호 검출 특성을 평가하였다. 균열과 파손신호 검출을 위하여 전기저항법과 AE법을 사용하였으며, 신호분석을 위한 전용회로를 제작하여 인장시험 중의 파손 신호를 분석하였다. 실험결과, I-fiber 스티칭으로 보강된 Single-lap joint 시편은 보강이 없는 Co-cured singlelap joint 시편에 비해 강도가 약 44.6% 향상되었다. 또한, I-fiber로 보강된 Single-lap joint 시편은 강도 향상과 더불어 전기저항법과 AE법에 의한 파손 검출이 모두 가능하므로 파손 모니터링에도 효과적인 구조임을 확인하였다.


When a complex load such as torsion, low-speed impact, or fatigue load is applied, the properties in the thickness direction are weakened through microcracks inside the material due to the nature of the laminated composite material, and delamination occurs. To prevent the interlaminar delamination, various three-dimensional reinforcement methods such as Z-pinning and stitching, and structural health monitoring techniques that detect the microcrack of structures in real time have been continuously studied. In this paper, the single-lap joints with I-fiber stitching process were manufactured by a co-curing method and their strengths and failure detection capability were evaluated. AE and electric resistance method were used for detection of crack and failure signal and electric circuit for signal analysis was manufactured, and failure signal was analyzed during the tensile test of a single-lap joint. From the experiment, the strength of the single lap joint reinforced by I-fiber stitching process was improved by about 44.6% compared to the co-cured single lap joint without reinforcement. In addition, as the single-lap joint reinforced by Ifiber stitching process can detect failure in both the electrical resistance method and the AE method, it has been proven to be an effective structure for failure monitoring as well as strength improvement.

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9복합재 접착 체결 구조의 접착 상태가 모드 I 균열 성장 특성에 미치는 영향에 대한 연구

저자 : 노해리 ( Hae-ri No ) , 전민혁 ( Min-hyeok Jeon ) , 조현준 ( Huyn-jun Cho ) , 김인걸 ( In-gul Kim ) , 우경식 ( Kyeong-sik Woo ) , 김화수 ( Hwa-su Kim ) , 최동수 ( Dong-su Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 323-329 (7 pages)

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본 논문에서는 불균일한 접착 상태를 가지는 복합재 접착 체결 시편에 대하여 모드 I 하중에서의 파괴 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Double Cantilever Beam(DCB) 시험을 수행하였으며 모드 I 파괴 인성을 도출하였다. 불균일한 접착 상태를 갖는 시편의 경우 안정한 균열 성장 구간과 불안정한 균열 성장 구간이 나타남을 확인하였다. DCB 시험에서 구한 하중-변위 선도와 시편의 파손 단면을 통해 각 구간의 파괴 특성을 관찰하였다. 시험에서 측정된 균열 길이를 기준으로 세분화된 구간과 각 구간의 모드 I 파괴 인성을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. DCB 시험 결과와 유한요소해석 결과를 통해 불균일한 접착 상태를 가지는 시편의 파괴 거동을 모사할 수 있음을 확인하였다.


In this paper, the characteristics of fracture in mode I loading were analyzed for adhesively bonded joints with non-uniform adhesion. The Double Cantilever Beam test was performed and mode I fracture toughness was obtained. In the case of non-uniform adhesively bonded joints, the stable crack growth sections and unstable crack growth section were shown. The fracture characteristics of each section were observed through the load-displacement curve of the DCB test and the fracture surface of the specimen. Finite Element Analysis was performed at the section based on segmented section by crack length measured through the test and using the mode I fracture toughness of each section. Through DCB test results and finite element analysis results, it was confirmed that the fracture behavior of specimens with non-uniform adhesion can be simulated.

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10혼합물실험계획법과 가진을 이용한 알루미나 파우더의 충진율 분석

저자 : 전상준 ( Sangjun Jeon ) , 김영신 ( Youngshin Kim ) , 양대종 ( Daejong Yang )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 330-336 (7 pages)

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알루미나 파우더는 산업용으로 널리 사용되는 소재 중 하나이지만 파우더 패킹 상태에 따라 제품의 강도가 변하는 문제점이 있다. 위 문제해결을 위하여 입자 패킹효율을 높이려는 많은 선행연구들이 수행되었지만, 기존 연구는 밀리미터 스케일의 입자의 충진 특성을 분석한 것이 대부분이므로 마이크로미터 스케일과 물리적 특성이 달라, 그 선행연구 결과를 토대로 마이크로미터 스케일에 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 마이크로미터 스케일의 알루미나 파우더를 이용하여 충진률을 높이기 위하여 통계적방법을 이용하여 3단계 실험을 수행하였다. 먼저, 혼합물시험계획법을 이용하여 충진율이 높은 크기 조합 및 혼합 비율을 선정하였으며, 진동 실험장치에서 가진 주파수 변경에 따른 충진 높이 변화를 분석하여 적정 가진 주파수를 선정하였다. 마지막으로 앞서 언급한 실험 결과값을 토대로 알루미나 파우더 충진율 시험을 수행하였다. 그 결과, 최대 높이 변화량은 충진 크기 조합 선정을 위해 수행한 최초의 실험 결과 최댓값보다 42% 향상된 것을 확인하였다.


Alumina powder is one of the widely used materials for industry, but there is a problem that the strength of the product changes depending on the powder packing state. To solve the above problem, previous studies have been conducted to increase the particle packing efficiency, but most of the existing studies analyzed the packing characteristics of millimeter-scale particles, so the physical properties are different from those of the micrometer scale. It is difficult to apply to the micrometer scale. In this paper, a three-step experiment was performed using a statistical method to increase packing using micrometer-scale alumina powder. First, a size combination with high packing and a mixing ratio were selected using the mixture test design method, and an appropriate excitation frequency was selected by analyzing the height change according to the frequency change in the vibration test apparatus. Finally, an alumina powder packing experiment was performed based on the experimental results mentioned above. As a result, it was confirmed that the maximum height variation was 42% higher than the maximum value of the 155 measurements performed when selecting the packing size combination. It is thought that this study will serve as basic data for processing and packing research using fine powder.

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1유리섬유/폴리카보네이트 복합재료의 기지 분자량에 따른 함침 및 기계적 물성 평가

저자 : 김늘새롬 ( Neul-sae-rom Kim ) , 장영진 ( Yeong-jin Jang ) , 이은수 ( Eun-soo Lee ) , 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 양성백 ( Seong Baek Yang ) , 이정언 ( Jungeon Lee ) , 염정현 ( Jeong Hyun Yeum )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 1-7 (7 pages)

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열가소성 섬유강화 복합재료는 수송용 기기의 경량화 소재로써 적용 분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 분자량이 다른 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 연속섬유 강화 유리섬유(GF)/폴리카보네이트(PC) 복합소재의 함침성 및 기계적 물성에 대한 평가를 진행하였다. GF 직물과 PC 필름을 제조한 후, 이를 이용하여 연속가압성형법으로 연속섬유 강화 GF/PC 복합재 평판을 제조하였다. PC 분자량에 따른 용융지수를 측정 및 평가하였고, GF제직물 강화 GF/PC 복합재료의 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 및 기공체적률을 평가하였다. 전계방사형 주사전자 현미경을 이용하여 인장파괴된 GF/PC 복합재료의 형태를 분석하여 파괴거동을 확인하였다. 분자량이 20,000일 때 최적의 기계적 특성이 발현되는 것을 확인하였다.

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2LNGC 경량화를 위한 파이프 지지용 클램프의 복합소재 적용 연구

저자 : 배경민 ( Kyong-min Bae ) , 임윤지 ( Yoon-ji Yim ) , 윤성원 ( Sung-won Yoon ) , 하종록 ( Jong-rok Ha ) , 조제형 ( Je-hyoung Cho )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 8-15 (8 pages)

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조선해양 산업에서 선박의 에너지 절감과 운항효율 향상을 위한 부품의 경량화 기술이 요구됨에 따라서, 고강도의 경량소재인 섬유강화 복합소재를 부품소재로 적용하는 방안이 검토될 수 있다. 본 연구에서는 LNGC 경량화를 위해 파이프 지지용 클램프의 섬유강화 복합소재 적용 가능성을 평가하였다. 탄소섬유 및 유리섬유를 강화섬유로 하여 섬유강화 복합소재를 제조하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 통해 복합소재의 강화재료와 기지재료의 물성을 역계산하여 섬유 적층 패턴별 물성 변화에 따른 성능 예측을 수행하였다. 또한, 유한요소해석 프로그램를 통해 복합소재 두께에 따른 클램프의 구조해석을 수행하였다. 연구결과 경량화를 위해 클램프의 섬유강화 복합소재의 적용시 두께 선정에 주의가 필요함을 확인할 수 있었다. 향후 보완 설계 시 구조물의 형상변경 및 경량화를 위한 구조변경에 용이할 것으로 판단된다.

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3교반기의 임펠러 형태에 따른 폴리우레탄 폼의 미세구조와 물성 연구

저자 : 이채림 ( Chae-rim Lee ) , 김정수 ( Jung Soo Kim ) , 박병호 ( Byeongho Park ) , 엄문광 ( Moon-kwang Um ) , 박태훈 ( Teahoon Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 16-22 (7 pages)

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폴리우레탄폼(PUF)은 연질, 반경질, 경질 형태로 제작이 가능하여 산업적으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서도 경질 폴리우레탄폼은 우수한 기계적 특성과 낮은 열전도도를 가지고 있어, 건축물의 단열재와 천연가스 운수송 분야에서 보냉재로 사용되고 있다. 해당 분야에서는 기계적 강도는 높이고 열전도도는 낮추고자 하는 기술적 수요가 꾸준히 요구되고 있다. 본 연구에서는 경질 폴리우레탄폼을 제작하고, 교반기의 임펠러 형태(Propeller, Dispersed turbine)에 따른 폼의 미세구조와 물성 변화를 연구하였다. FE-SEM 이미지 및 Micro-CT 분석을 통해 Dispersed turbine으로 제조한 폼의 평균 기공 크기가 Propeller로 제조한 기공보다 21.5% 작은 것을 확인하였다. 압축 강도는 작은 기공을 가진 폼에서 15.4% 향상되었고, 열전도도는 3.1% 감소하였다. 이러한 결과는 PUF 복합재 제조에 활용될 수 있다.

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4플라즈마 처리 방법을 이용한 PAN 전구체 특성 변화 연구

저자 : 강효경 ( Hyo-kyoung Kang ) , 김정연 ( Jung-yeon Kim ) , 김학용 ( Hak-yong Kim ) , 최영옥 ( Yeong-og Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 23-29 (7 pages)

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탄소섬유는 단위 중량 당 높은 강도 및 모듈러스를 갖기 때문에 고성능 복합 재료 제조 시 탄소보강재로 많이 사용된다. 그러나 탄소 섬유를 제조하는 공정에서 많은 시간과 높은 에너지를 소모하여 제조비용이 크게 증가하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 생산 비용 절감을 위하여 제조 공정에 사용되는 에너지를 대체할 수 있는 고속의 저 에너지원을 적극적으로 찾아 연구할 필요가 높아졌다. 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체(Precursor)로 상용화 된 탄소 섬유는 180~300℃의 대기 분위기에서 안정화 과정이 이루어지고, 1600℃ 이하의 불활성 가스 분위기에서 탄화하여 탄소 섬유를 생산할 수 있다. 이 두 공정은 많은 시간과 높은 에너지를 사용하지만, 고성능 탄소 섬유를 생산하는 데 필수적이며 중요하다. 따라서 최근에는 공정 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄일 수 있는 플라즈마, 전자 빔 및 마이크로파와 같은 다양한 다른 에너지원을 보조적으로 사용 함으로써 저 에너지·고속 안정화 공정 기술이 시도되고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 공정과 열처리를 연속적으로 수행하여 PAN 전구체 안정화 공정을 연구하였으며, 모폴로지, 구조적 변화, 열적 및 물리적 특성 변화를 연구하였다.

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5Unit Cell FEM Analysis Using I-Fiber Single Stitch with Different Thickness

저자 : Jonathan Tapullima , Gyu Yeong Park , Dong Hwan Yoon , Jin Ho Choi

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 30-34 (5 pages)

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This paper present a three-dimensional unit cell finite element analysis to predict the pull-out behavior of a single stitch in a composite laminate. The stitching process used for this study correspond to the I-fiber stitching method that has been studied by the Composite Structures Lab (CSL) as a new through-thickness reinforced method. A total of six cases were analyzed, which were divided in two groups by the stitching yarn used, 6k and 12k. Each group of cases have three different thickness according to the amount of plies; 16 plies, 32 plies and 64 plies. The finite element analysis used the cohesive zone method to characterize the single stitch reinforcement in the interface. Due to the complexity of the load vs displacement curves taken from the experimental results, a bilinear and trilinear bridging laws were implemented in the models. The cohesive parameters used for each case showed a good agreement with the experimental data and can be used for future studies.

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6복합소재를 활용한 B필러 강화재의 구조해석 및 설계

저자 : 강지헌 ( Ji Heon Kang ) , 김건우 ( Kun Woo Kim ) , 장진석 ( Jin Seok Jang ) , 김지욱 ( Ji Wook Kim ) , 양민석 ( Min Seok Yang ) , 구윤식 ( Yoon Sik Gu ) , 안태민 ( Tae Min Ahn ) , 권순덕 ( Sun Deok Kwon ) , 이재욱 ( Jae Wook Lee )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 35-46 (12 pages)

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본 논문은 차량에 사용되는 B필러의 강화재를 기존의 스틸 소재에서 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)와 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)로 대체하여 경량화하는 것이 목표다. 이를 위해서는 무게는 감소시키면서 기존 B필러를 대체할 수 있는 구조안정성을 확보해야 한다. 기존 B필러는 스틸 아우터(outer)를 포함하여 다양한 형상의 스틸 강화재로 구성되며, 이와 같은 스틸 강화재 중 2가지의 스틸 강화재를 복합재로 대체하고자 한다. 이와 같은 스틸 강화재는 강화재 각각을 따로 제작하여 용접을 통해 결합되지만, 복합재 강화재는 패치(patch) 형태의 CFRP와 리브(rib) 구조의 GFRP를 활용하여 압축과 사출 공정을 통해 한번에 제작된다. CFRP는 B필러의 고강도부에 부착되어 측면 하중에 저항하도록 하였으며, GFRP 리브는 위상 최적화(Topology optimization) 기법을 통해 비틀림과 측면 하중을 저항하도록 설계하였다. 구조해석을 통해 기존 스틸 강화재와 비교 분석을 수행하였고, 경량화율을 산출하였다.

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7초박형 반도체 패키지의 EMC encapsulation을 위한 경화 공정 개발

저자 : 박성연 ( Seong Yeon Park ) , 온승윤 ( Seung Yoon On ) , 김성수 ( Seong Su Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 47-50 (4 pages)

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본 연구에서는 면상 발열체인 CNT Heater를 이용한 EMC 패키지 경화 공정 시스템을 개발하기 위하여, 기존 Hot Press 공정과 CNT Heater 공정 시스템을 통해 제작한 EMC/Cu Bi-layer 패키지의 성능을 비교하여 CNT Heater 공정 시스템의 가능성을 확인하였다. CNT Heater 공정의 경화 사이클을 도출하기 위해 Rheometer를 이용해 EMC의 점성을 측정하였다. 앞서 언급한 두 공정에 의해 성형된 EMC/Cu Bi-layer 패키지에서 EMC 내부의 Void를 광학 현미경으로 분석하였다. 또한, C-Scanning Acoustic Microscope와 3D-Digital Image Correlation를 통해 EMC/Cu Bilayer 패키지의 계면 Void와 휨을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로, EMC 내부 및 EMC/Cu Bi-layer의 계면에서 Void가 없음을 확인하였으며, 상온에서의 휨 크기, Zero 휨 온도와 휨 크기 변화에서 차이가 없음을 확인하였다.

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8콜타르를 결합재 및 함침재로 이용한 벌크 흑연 제조

저자 : 이상민 ( Sang-min Lee ) , 이상혜 ( Sang-hye Lee ) , 강동수 ( Dong-su Kang ) , 노재승 ( Jae-seung Roh )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 51-56 (6 pages)

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석탄 핏치의 전구체인 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크흑연을 제조할 수 있는 가능성을 검토하고자 하였다. 충전재로 천연흑연을 이용하였으며, 천연흑연과 콜타르를 혼합 및 성형한 후 탄화 열처리를 실시하였다. 탄화 열처리 후 함침-재탄화를 5회 실시하여 밀도, 기공율, 압축강도, 그리고 이방성비를 측정하였다. 탄화체의 최고 밀도는 1.76 g/cm3였고, 기공율은 최소 15.6%로써 공정 제어에 의해 조절이 가능하였다. 압축강도는 최고 20.3 MPa이 얻어졌다. 탄화체의 이방비는 최대 0.34로써 강한 이방성 탄화체를 얻을 수 있었다. 따라서 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크 형태의 인조흑연 제조가 가능하다는 것을 확인하였다. 또한 탄화체의 이방성을 조절하여 전기적, 기계적 방향 특성을 조절한다면 적절한 재료 설계를 통하여 다양한 분야에 응용할 수 있을 것이라 판단된다.

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9조선해양 파이프 단열재 커버 적용을 위한 내화/난연 성능을 갖는 친환경 바잘트섬유 강화 퓨란계 복합재료 개발 연구

저자 : 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 서형석 ( Hyoung-seock Seo )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 57-62 (6 pages)

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조선해양산업에서 친환경 선박 및 경량화 기자재에 관한 관심이 높아짐에 따라 파이프 등의 기자재에 복합재료를 적용하고 있다. 본 연구에서는 친환경 및 내열/난연 성능을 요구하는 파이프 단열재 커버에 적용하기 위해 친환경 소재인 바잘트 섬유강화 퓨란복합재료(BFC, basalt fiber reinforced furan composite)를 제조하였다. BFC 소재의 낮은 물성을 강화시키기 위해 후경화 조건의 최적화 연구를 수행하였고, BFC 소재의 기계적강도, 내열/난연 특성 강화, 친화경 특성에 대한 실험과 평가를 진행하였다. 최종적으로 연구 결과 조선해양기자재인 파이프 단열재 커버에 BFC 소재의 적용이 가능함을 확인하였다.

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10필러 네트워크 형성 및 배향이 복합소재 열전도도와 산소투과도에 미치는 영향 고찰

저자 : 신하은 ( Haeun Shin ) , 김채빈 ( Chae Bin Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 63-69 (7 pages)

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일체형 방열 및 기체 차단 재료 개발을 위하여 신규 고분자를 합성하고 판상형 육방정 질화 붕소(hBN) 필러를 포함하는 복합소재를 제조하였다. 복합소재는 필러의 크기 및 함량에 따라 열전도도 및 산소투과도 조절이 가능하였다. 복합소재는 최대 28.0 W·m-1·K-1의 높은 열전도도를 지녔으며 필러 미포함 샘플 대비 산소투과도는 62% 감소하였다. 열전도도 및 기체투과도 실험 측정값과 모델 예측값 비교를 통해 복합소재 내 필러의 종횡비를 계산하였다. 이러한 결과를 토대로 높은 열전도도 및 낮은 기체투과도는 필러 간 효과적인 네트워크 형성 때문이며 이는 복합소재 제조 시 전단 응력 극대화가 가능한 신규 수지의 특성으로부터 유래된것으로 사료된다. 또한, 열전도도로부터 계산된 필러 종횡비와 산소 투과도로부터 계산된 필러 종횡비 값이 서로 다름을 확인하였고 이에 관련하여 복합소재에서 열 전달 및 기체 투과 메커니즘에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서 개발된 높은 열전도도 및 낮은 산소투과도를 갖는 고분자 복합소재는 전자 제품의 일체형 방열 및 산화 방지 재료로 사용 될 수 있다.

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