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문제 정의
- 본 연구에서는 일반 취성재료인 PVC 재료에 연 성의 고무를 다양한 비율로 첨가한 폴리머 복합 재료를 사용하여 고무 함유량이 동적 파괴 특성에 미치는 영향을 알아보고자 상온에서 계장화 샤르피 충격 시험기를 사용하여 동적 파괴인성치와 동 적 에너지 해방률의 변화를 검토하였다.
제안 방법
- Fig. 4는 7phr 고무의 함유량에 따른 에너지 해방률을 구하기 위한 직선인데 BD。값과 측정된 파단 에너지값을 이용하여 얻은 각 데이타 점들을 곡선 적합하여 구하였다. 동일한 방법으로 Ophr, 5phr 및 9phr에서 구한 에너지 해방률 값의 결과는 Table 1에 나타내었다.
- 이때 충격 날에 부착된 게이지의 위치는 충격 시 시편 중앙 부와 접촉되는 충격 날의 가운데 위치에 부착시켰다. 게이지에서 나온 신호는 테이터 획득 장치 (GRC 830)를 이용하여 분석하였다.
- 2에서 보는 바와 같다. 계장화된 충격 날과 테이터 획득 장치(GRC830)를 이용하여 각 시편의 파단에너지와 최대하 중을 구하였다. 시편 재료는 충격 보강재 MBS 고무 함량을 Ophr (part/hundred resin), 5phr, 7phr 및 9phr로 변화 시켜 제작하였고 각각의 PVC/MBS 함유량에 따라 시편의 두께를 2t, 3t 및 5t로 각 10개씩 제작하여 실험을 행하였다.
- 시편 재료는 충격 보강재 MBS 고무 함량을 Ophr (part/hundred resin), 5phr, 7phr 및 9phr로 변화 시켜 제작하였고 각각의 PVC/MBS 함유량에 따라 시편의 두께를 2t, 3t 및 5t로 각 10개씩 제작하여 실험을 행하였다. 그리고 동적 파괴인 성치(KQ를 구하기 위하여 각 고무 함유량과 두께에 따른 시편을 액화 질소 안에 약 8시간 넣어 재료를 취성화시킨 후 칼날과 고무해머를 사용하여 시편노치부에 칼날을 대고 고무 해머를 이 용 부드럽게 탭핑하여 각 두께에 대하여 대략 1mm, 2mm 및 3mm의 예비균열을 생성시켰으며 측정은 특수 자와 현미경을 이용하여 l/10mm 범위까지 측정하였다. 에너지 해방률은 식 (9)에 표시된 BD0를 계산한 값과 측정 되어진 파단 에너지 값과의 기울기를 계산하여 구하였다.
- 65J의 Tinius Olsen 사의 92T 샤르피 충격시험기를 사용하였다. 동적 파괴 인성 치를 구하기 위해 샤르피 시험기의 충격 날(tup)에 최대 용량 4.5kN인 반도체용 스트레인게이지를 계장화 하였으며 그 구성도는 Fig. 1 과 같다. 이때 충격 날에 부착된 게이지의 위치는 충격 시 시편 중앙 부와 접촉되는 충격 날의 가운데 위치에 부착시켰다.
- 9phr의 경우 완전한 세로 방향의 긴 타원을 형성하는 것을 확인할 수가 있었다. 따라서 소성영역 길이를 환산하기 위하여 장축과 단축의 거리를 측정하여 타 원의 면적을 구한 다음, 상당 원의 반경으로 환 산하여 상당 반경 길이 s의 값을 구하였다. 고무 첨가량에 따른 “의 값은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 계장화된 샤르피 충격시험기를 이용하여 PVC에 MBS 충격 보강재의 첨가량을 0에서 9phr까지 변화시킨 경우 시편의 동적 파괴인 성치 (Km) 를 계산하였다. 또한 샤르피시험으로 부터 얻어진 파단에너지로 부터 에너지 해방률(G0 을 추정하였고 소성 영역의 크기를 상당반경 길이(S)로 나타내었다.
- 본 연구에서는 계장화된 샤르피 충격시험기를 이용하여 PVC에 MBS 충격 보강재의 첨가량을 0에서 9phr까지 변화시킨 경우 시편의 동적 파괴인 성치 (Km) 를 계산하였다. 또한 샤르피시험으로 부터 얻어진 파단에너지로 부터 에너지 해방률(G0 을 추정하였고 소성 영역의 크기를 상당반경 길이(S)로 나타내었다.
- 본 연구에서는 샤르피충격시험 기를 계장화시 켜 시간과 하중 곡선으로부터 최대하중을 구하고, 이에 따른 샤르피 시편의 동적 파괴 인성 치는 다음 식부터 계산하였다.'지
- 계장화된 충격 날과 테이터 획득 장치(GRC830)를 이용하여 각 시편의 파단에너지와 최대하 중을 구하였다. 시편 재료는 충격 보강재 MBS 고무 함량을 Ophr (part/hundred resin), 5phr, 7phr 및 9phr로 변화 시켜 제작하였고 각각의 PVC/MBS 함유량에 따라 시편의 두께를 2t, 3t 및 5t로 각 10개씩 제작하여 실험을 행하였다. 그리고 동적 파괴인 성치(KQ를 구하기 위하여 각 고무 함유량과 두께에 따른 시편을 액화 질소 안에 약 8시간 넣어 재료를 취성화시킨 후 칼날과 고무해머를 사용하여 시편노치부에 칼날을 대고 고무 해머를 이 용 부드럽게 탭핑하여 각 두께에 대하여 대략 1mm, 2mm 및 3mm의 예비균열을 생성시켰으며 측정은 특수 자와 현미경을 이용하여 l/10mm 범위까지 측정하였다.
- 파단된 시험편은 현미경을 이용하여 소성 영역을 관찰한 후 그 형태와 크기를 측정하였다.
대상 데이터
- 충격시험기로는 아이 죠드와 샤르피시험 모두가 가능한 용량 5.65J의 Tinius Olsen 사의 92T 샤르피 충격시험기를 사용하였다. 동적 파괴 인성 치를 구하기 위해 샤르피 시험기의 충격 날(tup)에 최대 용량 4.
이론/모형
- 시편의 두께 D는 시편의 폭이다.。는 이론적으 로 또는 실험적으로 구할 수가 있는데 본 연구에서는 Williams(1)가 제안한 실험적 방법을 사용하였다. 샤르피 시편규격에서 구한 보정계수 값은 대략 1.
- 이러한 신소재 중에서도 기존의 금 속 재료를 대신하여 폴리머 재료가 다양한 목적으로 널리 사용되어지고 있다. 폴리머 재료의 파괴 특성을 파악하고 분석하기 위해서는 ASTM -D-256 에 언급된 대로 아이죠 드나 샤르피 충격 시험기를 사용한다. 아이죠 드나 샤르피 충격시험 은 폴리머 시편을 홀더 위에 올려놓고 진 자 (pendulum)을 움직여서 고속으로 충격을 가해 파괴된 시편과 진자에 의한 운동에너지를 측정하고 시편을 파괴시키는데 소요되는 순수한 파괴에 너너 지(breaking energy)를 환산하여 재료의 충격 특성치를 비교 판단하는데 매우 유용한 방법으로 널리 사용되어 져 왔다.
성능/효과
- (1) PVC/MBS 재료에 있어 충격 보강재인 MBS 함유량이 증가될수록 충격 파단에너지 와 동적 파괴 인 성치 및 에너지 해방률이 증가됨을 알 수 있다. 특히 5phr에서부터 9phr 범위에서의 보강효과가 두드러짐을 알수 있다.
- (2) 충격 하중시 MBS 재료가 시편의 균열선단 부근에서 집중 응력을 완화시키며 소성변형을 일으켜 충격 하중과 에너지를 증가시키는 효과를 가져온다고 사료된다.
- (3) MBS 고무 함유량의 증가에 따라 충격 하중 시 소성영역 즉 상당소 성 반경(/>)값이 증가되는 현상을 실험적으로 관찰할 수 있었다. 또한 연성지수값(DI) 역시 증가함을 실험적으로 확인할 수 있었는데 이는 고무보강재가 파단시 균열진전을 방해하여 더 많은 균열진전에너지를 소요케함이라 판단된다.
- 충격시험을 통하여 얻은 DI 값을 Table 1에 나타내었다. 그 결과에 의하면 MBS 충격 보강재의 함유량이 증가될수록 균열진전에 필요한 에너지가 증가됨을 알 수 있다. 즉 미세구조학적으로 보강재인 MBS 고무가 균열진전 시에 방해 또는 둔화시키는 역할을 함으로써 더 많은 균열진전에 너지를 소모시킴을 알 수 있다.
- 그 결과에 의하면 소성 영역 상당 길이 반경의 크기는 MBS 함유량이 증가할수록 증가됨을 알 수 있다. 이는 소성 영역이 커질수록 그만큼 에너지 흡수량이 많아져 시편을 파단 시키는데 더 많은 에너지가 소요됨을 알 수 있다.
- 이는 충격 하중 상승과 연관되었음을 짐작할 수 있다. 반면에 MBS 보강재의 첨가에 따른 탄성계 수값은 실험결과(3) Ophr에서는 3.7GPa, 5phr에서는3.4GPa, 7phr에서는 3.2GPa, 9phr에서는 2.8GPa로 감소됨을 알 수 있다. 이는 비교적 높은 강성계수를 갖는 PVC에 상대적으로 낮은 강성계수의 고무를 첨가함으로, 혼합법칙에 의해서도 예측되듯이, 복합재료인 PVC/MBS의 탄성계수 값은 고 무첨가량의 증가에 따라 감소됨을 알 수 있다.
- 실험 결과에 따르면 동일한 두께, 동일한 노치 및 균열 길이에 대한 최대 충격 하중 값은 MBS 고무 함유량의 증가(0~9phr 범위 내)에 따라 증가함을 알 수 있다. 이는 충격하중이 작용할 경우 MBS 고무함유량이 적은 시편의 경우에는 균열선 단 부근에서 큰 변형을 일으키지 않은 상태 하에서 균열이 진전되지만, 함유량이 많은 경우 균열 선단에 상당한 변형이 발생하여 에너지가 소요되며 이후 균열을 진전시키는데 역시 많은 에너지가 소요됨을 알 수 있다.
- 여기서 파단강도는 파단 에너지로부터 시편의 노 치부분을 제외한 시편의 폭으로 나눈 값을 의미한다. 이 결과에 의하면 보강 재료인 MBS 첨가량의 범위가 0에서 5phr사이(두께가 2t의 경우)에서 는 파단강도가 10.94(J/m)에서 lL84(J/m)로 완만하게 증가되는 반면 5phr에서 9phr까지 첨가량을 증가 시 켰을 경우 파단강도가 11.84(J/m) 에서 21.09(J/m)로 급격하게 증가함을 알 수 있다. 따라서 이 영역에서 첨가량의 보강 효과가 적절하게나 타 남을 알 수 있다.
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