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문제 정의
- 그리고 수지 혼합비가 굽힘강도에 미치는 영향, 수지 혼합비가 피로수명 거동에 미치는 영향, 응력확대계수범위(Δ K)에 미치는 영향, 피로균열성장률(da/dN)에 미치는 영향 그리고 응력확대계수범위(Δ K)와 피로균열성장률(da/dN)의 관계에 미치는 영향 등을 실험을 통하여 고찰해 보았다.
- 본 논문에서는 프리프레그의 수지 혼합비가 섬유강화금속적층재(FRMLs)의 피로균열진전 특성과 굽힘강도에 미치는 영향을 실험을 통하여 정량적으로 알아보았다. 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 2는 FRMLs의 제작시 적용되는 세 가지의 선처리 조건을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 상용화된 프리프레그를 이용하여 FRMLs를 제작한 경우와 본 실험방법으로 제작한 프리프레그를 이용하여 FRMLs를 제작한 경우를 비교해 보았다. 그 결과, 전자의 경우, 오토크래이브(autoclave) 성형 후 FRMLs의 변형을 관찰할 수 있었지만, 후자의 경우, FRMLs는 경화 후 변형을 관찰할 수 없었다.
- 이상과 같이 열거한 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제를 이용하여 총 8가지의 혼합비로 분류하여 수지용액을 제작했는데 에폭시 수지와 경화제의 혼합비를 5가지의 수지 혼합비로 분류하였고 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제의 혼합비를 3가지의 수지 혼합비로 분류하였다. 이처럼 수지용액의 제작을 크게 에폭시 수지와 경화제를 혼합하여 수지용액을 만드는 방법과 에폭시 수지와 경화제 및 경화촉진제를 혼합하여 만드는 방법으로 분류한 이유는 경화촉진제가 첨가된 시편과 첨가되지 않은 시편의 굽힘강도와 피로특성을 비교해서 경화촉진제의 첨가에 따른 기계적 특성 변화를 정량적으로 연구하기 위함이다. 또한, 가장 우수한 기계적 강도를 갖는 최적의 수지 혼합비를 조사하기 위해서 전자는 에폭시 수지와 경화제의 이상적인 당량비인 <1:1>에 경화제 함량을 25%씩 증감시켜 5가지 수지 혼합비의 수지용액을 제작하였고, 후자는 전자의 수지 혼합비 <1:1>에 경화촉진제를 10, 20, 30%로 증가시켜서 3가지 수지용액을 제작하였다.
제안 방법
- 2.1.1 항에 언급한 8가지 혼합비의 수지용액을 각각 단방향 아라미드 섬유에 함침시켰다. 수지함침은 레진베스를 사용하는 방법이 일반적이나 수지함침률을 정확히 조절하기가 힘들기 때문에 계산에 의해 측정된 수지량을 비이커를 이용해서 직접 수지에 함침시키는 직접함침법을 이용했다.
- Fig. 4에 나타낸 형태와 같이 수지 혼합비에 따라 제작된 FRMLs(l), FRMLs(2)의 중앙에 집중하중을 가하여 최대굽힘강도를 조사했다. 실험은 ASTM D 790M-95(8)에 기초하여 수행하였고 실험 장비는 만능재료 시험기(DDS-10T, Shimadzu Co.
- 따라서 본 연구에서는 섬유강화적충재의 제작에 사용되는 프리프레그 제작용 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제를 이용하여 여러 가지 수지 혼합비의 프리프레그를 제작하고 시험편을 만들었다. 그리고 수지 혼합비가 굽힘강도에 미치는 영향, 수지 혼합비가 피로수명 거동에 미치는 영향, 응력확대계수범위(Δ K)에 미치는 영향, 피로균열성장률(da/dN)에 미치는 영향 그리고 응력확대계수범위(Δ K)와 피로균열성장률(da/dN)의 관계에 미치는 영향 등을 실험을 통하여 고찰해 보았다.
- 그 결과, 전자의 경우, 오토크래이브(autoclave) 성형 후 FRMLs의 변형을 관찰할 수 있었지만, 후자의 경우, FRMLs는 경화 후 변형을 관찰할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 프리-스트레인을 가하지 않은(as cured) 제조 공정을 택하였다. Fig.
- 또한, 가장 우수한 기계적 강도를 갖는 최적의 수지 혼합비를 조사하기 위해서 전자는 에폭시 수지와 경화제의 이상적인 당량비인 에 경화제 함량을 25%씩 증감시켜 5가지 수지 혼합비의 수지용액을 제작하였고, 후자는 전자의 수지 혼합비 에 경화촉진제를 10, 20, 30%로 증가시켜서 3가지 수지용액을 제작하였다.
- )를 사용했다. 반복하중에 의해 인공노치로부터 진전되는 균열길이의 변화량을 접안식 이동현미경을 이용하여 1 × 103 cycle 증가마다 측정하였다. 균열진전은 시험편 중앙에서 양방향으로 거의 동일하게 진전함을 관찰할 수 있었고 양방향의 균열길이를 측정한 후 평균값을 취하였다.
- 또한, 에폭시 수지의 경화반응을 촉진시키고 화학적으로 안정된 반응을 유도하기 위한 경화제로는 메틸렌 디아닐린(methylene dianiline, MDA-150, KUKDO Chemical)을 사용했고, 경화의 촉매역할을 하는 경화촉진제로는 방향성 3급 아민계에 속하는 트리스(디메틸아미노 메틸) 페놀(tris(dimethyl amino methyl) phenol, K-54, KUKDO Chemical)을 사용했다. 이상과 같이 열거한 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제를 이용하여 총 8가지의 혼합비로 분류하여 수지용액을 제작했는데 에폭시 수지와 경화제의 혼합비를 5가지의 수지 혼합비로 분류하였고 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제의 혼합비를 3가지의 수지 혼합비로 분류하였다. 이처럼 수지용액의 제작을 크게 에폭시 수지와 경화제를 혼합하여 수지용액을 만드는 방법과 에폭시 수지와 경화제 및 경화촉진제를 혼합하여 만드는 방법으로 분류한 이유는 경화촉진제가 첨가된 시편과 첨가되지 않은 시편의 굽힘강도와 피로특성을 비교해서 경화촉진제의 첨가에 따른 기계적 특성 변화를 정량적으로 연구하기 위함이다.
- 실험은 ASTM E 647-95(9)를 기초로 수행하였다. 작용하중은 ASTM B 209-95(10)에 제시된 Al 5052-H34의 항복강도인 180MPa의 45%를 적용하였다. 따라서 최대응력은 81MPa이다.
대상 데이터
- 8가지 수지 혼합비에 의해 제작된 각각의 프리프레그를 두께가 0.5 mm인 알루미늄 판재(A1 5052-H34)와 2/1의 형태로 섬유방향과 압연방향이 일치되게 적층했다. 적층형태는 Fig.
- YD-128, KUKDO Chemical)이다. 또한, 에폭시 수지의 경화반응을 촉진시키고 화학적으로 안정된 반응을 유도하기 위한 경화제로는 메틸렌 디아닐린(methylene dianiline, MDA-150, KUKDO Chemical)을 사용했고, 경화의 촉매역할을 하는 경화촉진제로는 방향성 3급 아민계에 속하는 트리스(디메틸아미노 메틸) 페놀(tris(dimethyl amino methyl) phenol, K-54, KUKDO Chemical)을 사용했다. 이상과 같이 열거한 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제를 이용하여 총 8가지의 혼합비로 분류하여 수지용액을 제작했는데 에폭시 수지와 경화제의 혼합비를 5가지의 수지 혼합비로 분류하였고 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제의 혼합비를 3가지의 수지 혼합비로 분류하였다.
- )를 사용했다. 본 실험에 적용된 아라미드 섬유의 원단두께는 1.0 mm에 해당되며, 기계적 특성은 Table 1과 같다.
- 사용된 에폭시 수지는 열경화성 에폭시 수지인 비스페놀 A계 수지(diglycidylether of bisphenol A(DGEBA)type, YD-128, KUKDO Chemical)이다. 또한, 에폭시 수지의 경화반응을 촉진시키고 화학적으로 안정된 반응을 유도하기 위한 경화제로는 메틸렌 디아닐린(methylene dianiline, MDA-150, KUKDO Chemical)을 사용했고, 경화의 촉매역할을 하는 경화촉진제로는 방향성 3급 아민계에 속하는 트리스(디메틸아미노 메틸) 페놀(tris(dimethyl amino methyl) phenol, K-54, KUKDO Chemical)을 사용했다.
- 5는 피로균열전파시험에 사용된 CCT 시험편의 형상이다. 시험편은 중앙에 지름 3mm의 원공노치를 낸 후 예리한 톱날을 이용하여 원공에서 양방향으로 13.5mm의 인공노치를 만들었다. 실험은 ASTM E 647-95(9)를 기초로 수행하였다.
- 프리프레그의 제작에 사용된 강화재로는 아라미드 섬유(aramid fiber : Twaron®, type- 2200, AKZO-NOBEL Co.)를 사용했다. 본 실험에 적용된 아라미드 섬유의 원단두께는 1.
데이터처리
- 반복하중에 의해 인공노치로부터 진전되는 균열길이의 변화량을 접안식 이동현미경을 이용하여 1 × 103 cycle 증가마다 측정하였다. 균열진전은 시험편 중앙에서 양방향으로 거의 동일하게 진전함을 관찰할 수 있었고 양방향의 균열길이를 측정한 후 평균값을 취하였다. 섬유의 적층형태가 주응력방향의 법선 방향이므로 직선에 가까운 균열진전을 관찰할 수 있었다.
이론/모형
- (11) 피로균열성장률(da/dN)은 시컨트 법을 이용하여 구하였다.
- 1 항에 언급한 8가지 혼합비의 수지용액을 각각 단방향 아라미드 섬유에 함침시켰다. 수지함침은 레진베스를 사용하는 방법이 일반적이나 수지함침률을 정확히 조절하기가 힘들기 때문에 계산에 의해 측정된 수지량을 비이커를 이용해서 직접 수지에 함침시키는 직접함침법을 이용했다. 이때 수지함침률은 45%로 적용했다.
- 4에 나타낸 형태와 같이 수지 혼합비에 따라 제작된 FRMLs(l), FRMLs(2)의 중앙에 집중하중을 가하여 최대굽힘강도를 조사했다. 실험은 ASTM D 790M-95(8)에 기초하여 수행하였고 실험 장비는 만능재료 시험기(DDS-10T, Shimadzu Co.)를 사용하였다.
- 5mm의 인공노치를 만들었다. 실험은 ASTM E 647-95(9)를 기초로 수행하였다. 작용하중은 ASTM B 209-95(10)에 제시된 Al 5052-H34의 항복강도인 180MPa의 45%를 적용하였다.
성능/효과
- (1) 수지 혼합비에 따른 굽힘강도를 비교해 본 결과, FRMLs(1)에서 수지 혼합비 은 A1 5052-H34보다 2배의 굽힘강도 증가가 나타났고, FRMLs(2)에서 수지 혼합비 는 2.2배의 굽힘강도 증가가 나타났다.
- (2) 피로수명은 FRMLs(1)에서 수지 혼합비 이 가장 우수하였고, FRMLs(2)에서 수지 혼합비 가 가장 우수하였으며, 보다 16%의 피로수명 향상이 나타났다.
- (3) FRMLs(1)과 FRMLs(2)에서 수지 혼합비에 따른 응력확대계수범위(Δ K)는 유사한 값을 보였으나 피로균열성장률(da/dN)은 큰 차이를 보였다.
- (4) da/dN과 Δ K의 관계에서 FRMLs는 균열초기에 섬유가교효과 증대로 인한 da/dN 감소를 보였고, 균열후기에 섬유가교효과 저하와 충간분리영역 증가로 인한 da/dN 증가를 보였다.
- FRMLs(l)에서 수지 혼합비 이 가장 낮은 피로균열성장률 값을 보였고, FRMLs(2)에서 수지 혼합비 는 , 보다 Δ K값이 20 MPa· m1/2 낮아졌다.
- 가장 우수한 피로특성을 보이는 수지 혼합비 과 가장 낮은 피로특성을 보이는 는 Δ K값이 40 MPa· m1/2 차이가 나타남을 알 수 있다.
- 경화촉진제가 첨가된 FRMLs(2) 가 경화촉진제가 첨가되지 않은 FRMLs(1)보다 10%정도의 굽힘강도 향상이 발생하였다. 따라서 경화촉진제의 첨가가 굽힘강도의 증가를 야기함을 알 수 있었고, 제조공정의 시간단축과 경화의 촉매역할을 할뿐만 아니라 시험편의 굽힘강도 특성도 크게 향상시킴을 알 수 있다.
- 곡선의 기울기가 가장 완만한 수지 혼합비 가 가장 최적의 피로파괴특성을 보였고 은 기울기가 급증함을 볼 수 있는데 이는 경화촉진제의 30% 이상 첨가시에는 오히려 피로특성이 떨어짐을 의미한다.
- 본 연구에서는 상용화된 프리프레그를 이용하여 FRMLs를 제작한 경우와 본 실험방법으로 제작한 프리프레그를 이용하여 FRMLs를 제작한 경우를 비교해 보았다. 그 결과, 전자의 경우, 오토크래이브(autoclave) 성형 후 FRMLs의 변형을 관찰할 수 있었지만, 후자의 경우, FRMLs는 경화 후 변형을 관찰할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 프리-스트레인을 가하지 않은(as cured) 제조 공정을 택하였다.
- 6은 수지 혼합비에 따른 최대굽힘강도를 나타낸 것이다. 동일 두께의 Al 5052-H34와 FRMLs(1)을 비교해보면, FRMLs(l)이 Al 5052-H34보다 약 2배의 굽힘강도 증가가 발생했음을 알 수 있고, 동일 두께의 Al 5052-H34와 FRMLs(2)를 비교해보면, FRMLs(2)가 Al 5052-H34보다 약 2.2배의 굽힘강도 증가가 발생했음을 알 수 있다.
- 첨가되지 않은 FRMLs(1)보다 10%정도의 굽힘강도 향상이 발생하였다. 따라서 경화촉진제의 첨가가 굽힘강도의 증가를 야기함을 알 수 있었고, 제조공정의 시간단축과 경화의 촉매역할을 할뿐만 아니라 시험편의 굽힘강도 특성도 크게 향상시킴을 알 수 있다.
- 또한, FRMLs(l)에서 최대굽힘강도는 수지혼합비 이 가장 우수하였으나 수지 혼합비별로 경화제의 함량에 따른 굽힘강도의 변동폭은 그리 크지 않다.
- 또한, 수지혼합비 일 때 가장 우수한 굽힘강도를 나타내었고 수지혼합비 일 때에는 오히려 굽힘강도가 저하됨을 볼 수 있다.
- 수지 혼합비 와 사이에 경화촉진제의 함량 10% 차이에 따라 대략 4 × 104 cycle 정도의 피로수명의 차이가 발생함을 알 수 있었다.
- 9(b)~(f)는 FRMLs(1)의 피로균열성장률(da/dN)과 응력확대계수범위(Δ K)의 관계를 나타낸 그래프이다. 이들을 비교해보면 FRMLs(1)은 Al 5052-H34에 비해 데이터의 분산이 심하게 나타나고, 양 축에 로그-로그 좌표를 취하여도 비선형적인 곡선이 나타남을 볼 수 있다. 또한, FRMLs(l)은 초기균열시에 피로균열성장률이 저하하는 특이한 현상을 볼 수 있는데 이는 일반 금속재료에서 볼 수 없는 현상으로 균열 초기에 섬유가교효과가 크게 작용하기 때문이다.
- 1>의 Δ K값이 비슷한 경향을 보이나 5 × 104 cycle 이상부터 차이를 보이기 시작하고 사이클이 증가할수록 <1:1>의 기울기가 심해진다. 이상의 결과로 경화촉진제는 균열선단에 작용하는 응력확대계수의 범위를 낮추는 인자로 작용할 수 있다고 생각할 수 있다.
- 전체적으로 보면, 수지 혼합비에 따른 응력확대계수범위(Δ K)는 유사한 값을 보였으나, 피로균열성장률(da/dN)은 수지 혼합비에 따라 큰 차이를 보였다. FRMLs(l)에서 수지 혼합비 <1:1>이 가장 낮은 피로균열성장률 값을 보였고, FRMLs(2)에서 수지 혼합비 <1:1:0.
- 전체적으로 수지 혼합비 이 가장 우수한 피로거동을 보였고, 가장 낮은 피로거동을 보이는 와 비교했을 때 약 6 × 104, cycle 이상 피로수명이 향상됨을 볼 수 있었다.
- 3>일 때에는 오히려 굽힘강도가 저하됨을 볼 수 있다. 즉, 최적의 경화촉진제의 함량은 에폭시 수지 함량기준으로 20%임을 알 수 있었다.
후속연구
- 특히, 에폭시 수지계의 혼합비 변화가 재료의 피로균열진전 거동과 굽힘강도에 미치는 영향에 관한 정량적인 연구는 아직 보고된 바가 없다. 또한, 본 연구에서 사용된 기지재인 비스페놀 A계 에폭시 수지 (epoxy resin of bisphenol A type)와 아민계 경화제(curing agent of amine type)는 범용적이고 경제적인 재료라서 실용가치가 높다고 판단된다.
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