[논문]평직 CFRP 복합재료의 충격잔류강도 평가

최정훈; 강민성; 구재민; 석창성

doi:10.7736/kspe.2012.29.6.654

[국내논문] 평직 CFRP 복합재료의 충격잔류강도 평가
Evaluation of Residual Strength Under Impact Damage in Woven CFRP Composites 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.6, 2012년, pp.654 - 663

최정훈 (현대기아자동차 기술연구소 내구신뢰성팀) , 강민성 (넥센타이어(주) 연구개발본부 설계해석팀) , 구재민 (성균관대학교 기계공학부) , 석창성 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Damage induced by low velocity impact loading in aircraft composite is the form of failure which is frequently occurred in aircraft. As the consequences of impact loading in composite laminates, matrix cracking, delamination and eventually fiber breakage for higher impact energies can be occurred. Even when no visible impact damage is observed, damage can exist inside of composite laminates and carrying load of the composite laminates is considerably reduced. The objective of this study is to evaluate and predict residual strength behavior of composite laminates by impact loading and for this, tensile test after impact was carried out on composite laminates made of woven CFRP.

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문제 정의

이상의 연구와 같이 동일한 충격에너지를 받은 복합재료일지라도 충격손상 변수에 따라 잔류강도 특성이 달라지므로 기존의 잔류강도 예측모델의 적용여부는 매우 불투명하다. 이에 본 연구에서는 평직 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic) 복합재료의 인장 시험을 통해 충격손상이 없는 복합재료의 인장 물성치를 획득하고, 충격손상을 받은 복합재료에 대하여 충격에너지의 변화에 따른 충격손상 거동을 미세조직적인 측면에서 관찰하였다. 또한 인장시험을 통해 충격잔류강도저하 거동을 분석하고 Caprino 모델을 적용하여 비교, 검토하였다.
Maiti 등 ¹⁵ 은 직교이방성 Carbon/Epoxy 복합재료의 경우 주로 복합재료 내부에 충격손상이 발생하지만, 평직 Glass/Epoxy 복합재료의 경우에는 충격점 반대면에서 가장 크게 발생한다고 보고하였다. 본 연구에서는 평직 Carbon/Epoxy 복합재료의 충격에너지의 변화에 따른 충격면 및 뒷면과 충격후 인장 파단면을 관찰하였다. Fig.
이는 동일한 충격에너지가 가해지더라도 충격손상 변수가 달라지면 E_th 와 η 가 변한다는 것을 의미한다. 따라서 충격손상 변수에 따른 충격잔류강도의 저하 특성을 평가하고자 충격자의 질량과 크기(직경)의 변화에 따른 충격잔류강도의 저하특성을 평가하였다. 충격자의 질량의 변화(동일 직경/다른 속도)에 따른 잔류강도특성을 평가하기 위해서 23.
본 연구에서는 충격손상을 받은 복합재료 시험편의 잔류강도를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

4mm 로서 끝이 둥근 반구 형태를 사용하였으며, 정확한 위치에 충격이 가해질 수 있도록 충격자 가이드를 사용하였다. 충격에너지를 조절하기 위해 본 연구에서는 낙하 높이를 조절하였으며, 입사충격에너지가 시험편에 모두 흡수된다는 가정하에 충격에너지를 계산하였다. 한편, 잔류강도 평가를 위해 ASTM D-3039⁸ 규정에 따라 Shimadzu 사의 250kN 용량의 만능시험기를 사용하여 상온에서 2mm/min 의 속도로 인장시험을 수행하였다.

제안 방법

Shim 과 Yang⁵ 은 충격자의 크기가 클수록 충격 후 잔류강도가 높아지는 원인을 검토하였다. Simple clamping support 와 같은 조건일 경우, 충격에 의해 굽힘이 발생하는데, 이때 충격자의 직경이 클수록 접촉부위의 곡률반경이 커서 굽힘이 작아지고, 이에 따라 손상도 작아져 잔류강도의 감소가 적기 때문이라고 하였다.
이에 본 연구에서는 평직 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic) 복합재료의 인장 시험을 통해 충격손상이 없는 복합재료의 인장 물성치를 획득하고, 충격손상을 받은 복합재료에 대하여 충격에너지의 변화에 따른 충격손상 거동을 미세조직적인 측면에서 관찰하였다. 또한 인장시험을 통해 충격잔류강도저하 거동을 분석하고 Caprino 모델을 적용하여 비교, 검토하였다. 나아가 충격손상변수(질량/직경)에 따른 충격잔류강도 특성과 이를 평가할 수 있는 예측 모델을 검토하여 충격손상을 받은 복합재료의 잔류강도 예측식을 제안하였다.
또한 인장시험을 통해 충격잔류강도저하 거동을 분석하고 Caprino 모델을 적용하여 비교, 검토하였다. 나아가 충격손상변수(질량/직경)에 따른 충격잔류강도 특성과 이를 평가할 수 있는 예측 모델을 검토하여 충격손상을 받은 복합재료의 잔류강도 예측식을 제안하였다.
충격에너지를 조절하기 위해 본 연구에서는 낙하 높이를 조절하였으며, 입사충격에너지가 시험편에 모두 흡수된다는 가정하에 충격에너지를 계산하였다. 한편, 잔류강도 평가를 위해 ASTM D-3039⁸ 규정에 따라 Shimadzu 사의 250kN 용량의 만능시험기를 사용하여 상온에서 2mm/min 의 속도로 인장시험을 수행하였다.
5 는 충격후 인장 파단면으로서 충격에너지가 증가할수록 파단면의 백화현상 영역이 증가되는 것을 알 수 있으며, 이는 충격손상으로 인해 국부적인 섬유파손과 기지균열 현상이 함께 발생하기 때문이라고 판단된다. 이러한 백화현상이 발생하는 원인을 정확히 분석하기 위해 SEM 을 이용하여 충격후 인장 파단면을 관찰하였다.
따라서 충격손상 변수에 따른 충격잔류강도의 저하 특성을 평가하고자 충격자의 질량과 크기(직경)의 변화에 따른 충격잔류강도의 저하특성을 평가하였다. 충격자의 질량의 변화(동일 직경/다른 속도)에 따른 잔류강도특성을 평가하기 위해서 23.5J 의 동일한 충격에너지로 충격손상을 가한 후 인장시험을 통해 잔류강도를 평가하였다. Fig.
따라서 충격에너지가 충분히 클 경우 충격자의 질량은 충격잔류강도에 큰 영향을 미치지 않는다고 판단된다. 한편 충격자의 크기(동일 질량/같은 속도)의 변화에 따른 잔류강도 특성을 평가하기 위해서 23.5J의 동일한 충격에너지로 충격손상을 가한 후 인장시험을 수행하였다. Fig.
이에 동일한 홀(Hole) 노치를 갖는 재료의 강도를 평가하기 위하여 Fig. 18 과 같이 시험편의 중앙에 직경 1∼32mm의 홀 노치를 갖는 시험편을 제작하여 인장시험을 수행하였다.
20 에 나타난 바와 같이 하한계 충격에너지( E_th ) 이상에서는 충격자 직경의 변화에 따라 충격잔류강도가 비선형적으로 감소하는 경향이 나타났다. Fig. 20 의 예측결과를 검증하기 위하여 직경(D_I-25.4) 25.4mm 의 충격자를 사용하여 충격잔류강도 시험을 수행하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 시험편에 가해진 입사충격 에너지( E_i )를 각각의 충격손상 변수에 따른 하한계 충격에너지( E_th )로 정규화(Normalization : E_th / E_i )하여 Fig. 17 에 나타내었다. Fig.

대상 데이터

충격자의 직경은 15.8mm∼25.4mm 로서 끝이 둥근 반구 형태를 사용하였으며, 정확한 위치에 충격이 가해질 수 있도록 충격자 가이드를 사용하였다.
평직 탄소섬유 프리프레그(Plain woven carbon fiber prepreg)인 WSN-3K(두께 0.22mm)를 16 Ply(두께 3.5mm)로 적층하였으며, Fig. 1 과 같이 ASTM D3039⁸ 에 준하여 시험편을 제작하였다. 본 연구에 사용된 프리프레그의 일반 조성비를 Table 1 에 나타내었다.
13 의 충격자 직경변화에 따른 충격잔류강도의 실험결과 범위내에 일치한다는 것을 알 수 있다. 본 연구에 사용된 평직 CFRP 복합재료의 인장강도(860MPa) 대비 370MPa (D_i-15.8=6.4mm)과 301MPa(D_i-25.4=7.6mm)은 43%, 35% 수준이다.

데이터처리

2 차 곡선에 의한 2 변수 함수중 x → ∞ 일 때 y0 로 수렴하는 점근식 형태를 이용하여 Fig. 17 의 실험결과를 최소자승법을 이용한 회귀분석으로 적합하여 식 (2)와 같은 곡선식을 도출하였다.

이론/모형

충격손상으로 인해 저하된 복합재료의 잔류강도 평가에 관한 연구는 선형탄성파괴역학(Linear elastic fracture mechanics, : LEFM)적인 개념에 의한 잔류강도 예측모델들을 기본으로 하여 수행되었다.^1-3 특히, Caprino 등 ⁴ 은 충격잔류강도 예측모델을 식 (1)과 같이 제시하였는데, 시험편 또는 구조물의 형상, 크기와 경계조건, 충격자의 형상과 크기 등과 같은 구속조건들이 일정하게 유지된다면 하한계 충격에너지와 상수가 특성상수(Characteristic property)로 사용될 수 있다고 보고하였다.
본 연구에 사용된 프리프레그의 일반 조성비를 Table 1 에 나타내었다. 복합재료 시험편에 충격손상을 가하기 위하여 Fig. 2 와 같이 ASTM D-7136⁹에 준하여 낙하 충격식 시험기를 제작하였다. 충격자의 직경은 15.

성능/효과

한편 실험결과를 토대로 강도저하가 발생하는 하한계 충격에너지를 계산한 결과, 약 2.6J 이상의 충격 에너지에서는 이의 증가에 따라 잔류 강도가 감소하며 최종적으로 인장강도의 43%까지 저하됨을 알 수 있다.
Table 2 와 Fig. 12 에서와 같이 충격자 직경의 증가에 따라 압흔의 면적은 증가하였으며, Fig. 13과 같이 충격자의 직경이 15.8mm 에서 25.4mm 로 증가할수록 평균잔류강도가 14%까지 저하되는 경향을 나타내었다. 이는 Shim 과 Yang 등 ⁵ 의 연구 결과와 상반되는 결과로써, 이들은 충격자 직경이 작아질수록 손상이 증가한다고 보고하였다.
또한 시험편 폭의 변화에 따른 충격잔류강도비의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 충격자 직경변화에 따라 충격잔류강도비의 수렴값이 다르므로 충격자 직경변화에 따른 충격잔류 강도비의 수렴구간에 대한 고찰이 필요하다.
(1) 평면지지 조건하에서 충격손상을 받은 복합재료의 충격후 인장파단면을 분석한 결과, 충격손상을 받은 부위에 백화현상이 발생하였으며 충격에너지가 증가할수록 백화현상의 발생영역이 증가하였다.
(2) 충격손상으로 인한 강도저하 거동을 Caprino 모델을 적용하여 검토한 결과, 약 2.6J 이하의 충격에너지 범위에서는 강도저하가 발생하지 않으나 2.6J 이상의 충격 에너지에서는 이의 증가에 따라 잔류 강도가 감소하며 인장강도의 43%까지 저하되었다.
(3) 충격자 질량변화에 따른 충격잔류강도의 변화는 미미하였으나, 충격자 직경이 증가함에 따라 잔류강도가 감소하였다.
(4) 충격자 직경변화와 시험편 폭의 크기의 변화를 고려할 수 있는 잔류강도 예측모델을 제안하였으며 이의 유용성을 시험을 통해 확인하였다. 따라서 충격후 복합재료의 표면에 남아 있는 압흔의 크기와 압입량을 측정한다면 충격잔류강도 저하 거동을 예측할 수 있다고 판단된다.

후속연구

(4) 충격자 직경변화와 시험편 폭의 크기의 변화를 고려할 수 있는 잔류강도 예측모델을 제안하였으며 이의 유용성을 시험을 통해 확인하였다. 따라서 충격후 복합재료의 표면에 남아 있는 압흔의 크기와 압입량을 측정한다면 충격잔류강도 저하 거동을 예측할 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층 복합재료의 충격손상 중 가장 먼저 발생하는 손상은 무엇인가?	일반적으로 적층 복합재료의 충격손상은 기지 균열(Matrix cracking), 층간박리(Delaminati-on) 및 매우 높은 충격에너지에서 주로 발생하는 섬유파손(Fiber breakage)으로 구성된다.10 이들 충격손상 중에서 가장 먼저 발생하는 손상은 플라이(Ply) 내부의 기지균열이며 추후 경계면(Interface)으로 균열이 진전하여 국부적인 응력집중을 야기한다. 이로부터 적층 복합재료의 주된 충격손상으로 보고되는 층간박리가 발생되어 진전하게 된다.
	적층 복합재료의 충격손상은 어떻게 구성되는가?	일반적으로 적층 복합재료의 충격손상은 기지 균열(Matrix cracking), 층간박리(Delaminati-on) 및 매우 높은 충격에너지에서 주로 발생하는 섬유파손(Fiber breakage)으로 구성된다.10 이들 충격손상 중에서 가장 먼저 발생하는 손상은 플라이(Ply) 내부의 기지균열이며 추후 경계면(Interface)으로 균열이 진전하여 국부적인 응력집중을 야기한다.
	본 논문에서 충격손상을 받은 복합재료 시험편의 잔류강도를 평가를 통해 얻은 결론은?	(1) 평면지지 조건하에서 충격손상을 받은 복합재료의 충격후 인장파단면을 분석한 결과, 충격손상을 받은 부위에 백화현상이 발생하였으며 충격에너지가 증가할수록 백화현상의 발생영역이 증가하였다. (2) 충격손상으로 인한 강도저하 거동을 Caprino 모델을 적용하여 검토한 결과, 약 2.6J 이하의 충격에너지 범위에서는 강도저하가 발생하지 않으나 2.6J 이상의 충격 에너지에서는 이의 증가에 따라 잔류 강도가 감소하며 인장강도의 43%까지 저하되었다. (3) 충격자 질량변화에 따른 충격잔류강도의 변화는 미미하였으나, 충격자 직경이 증가함에 따라 잔류강도가 감소하였다. (4) 충격자 직경변화와 시험편 폭의 크기의 변화를 고려할 수 있는 잔류강도 예측모델을 제안하였으며 이의 유용성을 시험을 통해 확인하였다. 따라서 충격후 복합재료의 표면에 남아 있는 압흔의 크기와 압입량을 측정한다면 충격잔류강도 저하 거동을 예측할 수 있다고 판단된다.

참고문헌 (19)

Husman, G. E., Whitney, J. M., and Halpin, J. C., "Residual Strength Characterization of Laminated Composite Subjected to Impact Loading," ASTM Special Technical Publication, No. 568, pp. 92-113, 1975.
Caprino, G., "On the Prediction of Residual Strength for Notched Laminates," Journal of Material Science, Vol. 18, No. 8, pp. 2269-2273, 1983.

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Avva, V. S., Vala, J. R., and Jeyaseelan, M., "Effect of Impact and Fatigue Loads on the Strength of Graphite/Epoxy Composites," ASTM Special Technical Publication, No. 893, pp. 196-206, 1986.
Caprino, G., "Residual Strength Prediction of Impacted CFRP Laminates," Journal of Composite Materials, Vol. 18, No. 6, pp. 508-518, 1984.

상세보기
Shim, V. P. W. and Yang, L. M., "Characterization of the Residual Mechanical Properties of Woven Fabric Reinforced Composites after Low-Velocity Impact," International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 47, No. 4-5, pp. 647-665, 2005.

상세보기
Minak, D. G., "Influence of Diameter and Boundary Conditions on Low Velocity Impact Response of CFRP Circular Laminated Plates," Composite : Part B, Vol. 39, No. 5, pp. 962-972, 2008.

상세보기
Naik, N. K., Borade, S. V., Arya, H., Sailendra, M., and Prabhu, S. V., "Experimental Studies on Impact Behavior of Woven Fabric Composites: Effect of Impact Parameters," Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 21, No. 15, pp. 1347-1362, 2002.

상세보기
ASTM D 3039-02, "Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Resin Composite," 2008.
ASTM D 7136-03, "Measuring the Damage Resistance of a Fiber- Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event," 2007.
Tai, N. H., Yip, M. C., and Lin, J. L., "Effects of Low-Energy Impact on the Fatigue Behavior of Carbon/Epoxy Composites," Composites Science and Technology, Vol. 58, No. 1, pp. 1-8, 1998.

상세보기
Bahei-El-Din, Y. A., Zikry, M. A., and Rajendran, A. M., "Impact-Induced Deformation Fields in 3D Cellular Woven Composites," Composite, Part A, Vol. 34, No. 8, pp. 765-778, 2003.

상세보기
Hosur, M. V., Islam, S. M. W., and Vaidya, U. K., "Experimental Studies on the Punch Shear Characterization of Satin Weave Graphite/Epoxy Composites at Room and Elevated Temperatures," Material Science and Engineering A, Vol. 368, No. 1-2, pp. 269-279, 2004.

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Shahkarami, A. and Vaziri, R. A., "Continuum Shell Finite Element Model for Impact Simulation of Woven Fabrics," Journal of Impact Engineering, Vol. 34, No. 1, pp. 104-119, 2007.

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Yang, J. N. and Jones, D. L., "Statistical Fatigue of Graphite/Epoxy Angle-Ply Laminates in Shear1," Journal of Composite Materials, Vol. 12, No. 4, pp. 371-389, 1978.

상세보기
Yang, J. N. and Du, S., "An Exploratory Study into the Fatigue of Composites under Spectrum Loading," Journal of Composite Materials, Vol. 17, No. 6, pp. 511-526, 1983.

상세보기
Cantell, W. J. and Morton, J., "The influence of varying projectile mass on the impact response of CFRP," Composite Structures, Vol. 13, No. 2, pp. 101-114, 1989.

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Yigit, A. S. and Christoforou, A. P., "On the impact between a rigid sphere and a thin composite laminate supported by a rigid substrate," Composite Structures, Vol. 30, No. 2, pp. 169-177, 1995

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Kang, K. W. and Kim, J. K., "Impact Damage Behavior and Evaluation of Residual Strength in Plain Woven Glass/Epoxy Composites," Key Engineering Materials, Vol. 183-187, pp. 271-276. 2000.

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Air force, IL-A-83444, "Airplane Damage Tolerance Requirements," 2002.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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