본 논문에서는 금속 핀으로 보강된 일체성형 복합재 단일겹침 체결부에 대해, 보강 핀이 체결부의 파손거동에 미치는 영향을 시험으로 연구하였다. 핀의 지름(0.3, 0.5, 0.7 mm)과 밀도(0.5, 2.0, 4.0%)를 달리하여 총 6종류의 시편을 제작하였다. 복합재료와 보강핀은 각각 Toray사의 일방향 탄소-에폭시 프리프레그 T700-12K-31E#2510와 스테인리스 강이다. 핀 밀도가 매우 낮은 한 경우(0.5%)를 제외하고는, 모든 체결부에서 두께방향 핀의 보강으로 인해 초기균열의 발생이 더 빨라지는 것으로 나타났다. 그러나 극한강도는 최대 45%까지 증가하고, 특히 접착면의 완전한 분리 후에도 대변형 상태에서 핀이 추가적인 하중을 지지함으로써, 구조물이 안정적 파괴거동을 갖도록 하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 금속 핀으로 보강된 일체성형 복합재 단일겹침 체결부에 대해, 보강 핀이 체결부의 파손거동에 미치는 영향을 시험으로 연구하였다. 핀의 지름(0.3, 0.5, 0.7 mm)과 밀도(0.5, 2.0, 4.0%)를 달리하여 총 6종류의 시편을 제작하였다. 복합재료와 보강핀은 각각 Toray사의 일방향 탄소-에폭시 프리프레그 T700-12K-31E#2510와 스테인리스 강이다. 핀 밀도가 매우 낮은 한 경우(0.5%)를 제외하고는, 모든 체결부에서 두께방향 핀의 보강으로 인해 초기균열의 발생이 더 빨라지는 것으로 나타났다. 그러나 극한강도는 최대 45%까지 증가하고, 특히 접착면의 완전한 분리 후에도 대변형 상태에서 핀이 추가적인 하중을 지지함으로써, 구조물이 안정적 파괴거동을 갖도록 하는 것을 확인하였다.
The main objective of this study is to investigate the effect of metal z-pinning on the failure behavior of cocured composite single-lap joints. Three different pin diameters (0.3, 0.5, and 0.7 mm) and three pin areal densities (0.5, 2.0, and 4.0%) were examined. The specimens were fabricated by T70...
The main objective of this study is to investigate the effect of metal z-pinning on the failure behavior of cocured composite single-lap joints. Three different pin diameters (0.3, 0.5, and 0.7 mm) and three pin areal densities (0.5, 2.0, and 4.0%) were examined. The specimens were fabricated by T700-12K-31E#2510 unidirectional prepreg from Toray. Stainless steel pins were used for z-pinning. Test results showed that except one case with extremely low pin density of 0.5%, all other z-pinned joints exhibited lower initial crack stresses than those of the unpinned joint. However the ultimate strength of the z-pinned joint increased up to 45% at most. Furthermore, even after the complete failure of the joint, the z-pins sustained the carried load to a certain degree experiencing large deformation and provided the stable fracture behavior for the composite joint.
The main objective of this study is to investigate the effect of metal z-pinning on the failure behavior of cocured composite single-lap joints. Three different pin diameters (0.3, 0.5, and 0.7 mm) and three pin areal densities (0.5, 2.0, and 4.0%) were examined. The specimens were fabricated by T700-12K-31E#2510 unidirectional prepreg from Toray. Stainless steel pins were used for z-pinning. Test results showed that except one case with extremely low pin density of 0.5%, all other z-pinned joints exhibited lower initial crack stresses than those of the unpinned joint. However the ultimate strength of the z-pinned joint increased up to 45% at most. Furthermore, even after the complete failure of the joint, the z-pins sustained the carried load to a certain degree experiencing large deformation and provided the stable fracture behavior for the composite joint.
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문제 정의
그러므로 앞에서 소개한 z-피닝이 겹침 체결부의 전단강도 개선에 기여할 수 있는지를 연구하는 것은 의미 있는 작업이 될 것이다. 따라서 본 연구에서는 스테인리스강(stainless steel) 핀의 지름과 면적밀도를 달리하면서 총 6종, 36개의 탄소/에폭시 일체성형 단일겹침 시편을 제작하여 z-피닝이 체결부의 접착분리 혹은 층간분리 파손에 미치는 영향을 체계적으로 연구하고자 한다. 결과는 초기균열의 발생응력, 극한강도, 파손 후 하중전달에서의 핀의 역할 등의 측면에서 분석한다.
본 논문에서는 금속 핀으로 보강한 복합재 단일겹침 체결부의 파손강도에 대한 시험을 수행하였다. 핀의 지름에 따라 3종류, 핀의 밀도에 따라 3종류 등 총 6종류의 시편을 제작하고 시험을 수행하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 스테인리스강(stainless steel) 핀의 지름과 면적밀도를 달리하면서 총 6종, 36개의 탄소/에폭시 일체성형 단일겹침 시편을 제작하여 z-피닝이 체결부의 접착분리 혹은 층간분리 파손에 미치는 영향을 체계적으로 연구하고자 한다. 결과는 초기균열의 발생응력, 극한강도, 파손 후 하중전달에서의 핀의 역할 등의 측면에서 분석한다.
적층판은 총 24층이며, 적층순서는 [45/0/-45/90]3S 이다. 본 연구에서는 수정된 UAZ(Ultrasonicaaly Assisted Z-fibre) 기술을 적용 하여 복합재에 z-핀을 삽입하였다. 두께방향보강을 위해 사용한 초음파 장비는 Branson 사의 초음파 핸드건 용착기 2000LPt 이며, 체결부의 겹침부에 스테인리스강 핀을 삽입하였다.
삽입되는 핀의 지름 3종류(d=0.3, 0.5, 0.7 mm / 면적밀도 ρ=2.0%)와 삽입 핀의 면적밀도 3종류(ρ=0.5, 2.0, 4.0% / d=0.5 mm)를 고려하여 총 6종류, 32개의 시편을 제작하였다.
시편 제작에 사용된 재료는 Toray사의 일방향 프리프레그 T700GC-12K-31E/#2510이고, 일체성형 방식으로 시편의 탭까지 동시에 성형하였기 때문에 별도의 접착제를 사용하지 않았다. 적층판은 총 24층이며, 적층순서는 [45/0/-45/90]3S 이다.
시편 제작에 사용된 재료는 Toray사의 일방향 프리프레그 T700GC-12K-31E/#2510이고, 일체성형 방식으로 시편의 탭까지 동시에 성형하였기 때문에 별도의 접착제를 사용하지 않았다. 적층판은 총 24층이며, 적층순서는 [45/0/-45/90]3S 이다. 본 연구에서는 수정된 UAZ(Ultrasonicaaly Assisted Z-fibre) 기술을 적용 하여 복합재에 z-핀을 삽입하였다.
본 논문에서는 금속 핀으로 보강한 복합재 단일겹침 체결부의 파손강도에 대한 시험을 수행하였다. 핀의 지름에 따라 3종류, 핀의 밀도에 따라 3종류 등 총 6종류의 시편을 제작하고 시험을 수행하였다. 시험 결과 육안으로 관찰 가능한 수준의 균열이 처음으로 발생하는 초기균열응력은 핀을 삽입하지 않은 경우보다 10% 가량 감소하였으나, 최고 지지하중을 기준으로 한 파손강도는 최대 45%가 증가하였다.
성능/효과
5는 핀 지름에 따른 초기균열응력의 변화를 보인 것이다. 단일겹침 체결부에 삽입된 핀의 밀도가 2.0%일 때, 0.3, 0.5, 0.7 mm로 핀의 지름을 달리하면 초기균열응력은 각각 14.4, 13.8, 15.4 MPa로, 핀이 삽입되지 않은 체결부 대비 89.5, 85.7, 95.7% 수준을 보였다. 핀이 없는 경우에 비해 전반적으로 초기균열응력이 낮아지는 것은 삽입된 핀의 면적만큼 접착면적이 줄어들었기 때문으로 볼 수 있다.
5%)의 경우는 초기균열 응력과 파손강도가 모두 증가하였다. 본 연구의 결과로부터 초기균열응력을 설계기준으로 설정할 경우, 낮은 밀도로 핀을 삽입하게 되면 높은 설계허용치를 획득할 수 있음을 알 수 있었다. 전체적으로는 핀과 복합재의 접착면적을 늘리면 파손 강도가 향상될 뿐만 아니라 접착면의 분리 후에도 파손하중에 가까운 하중을 지지할 수 있어서, 구조물의 수리를 위한 시간적 여유를 확보하는 데에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
핀의 지름에 따라 3종류, 핀의 밀도에 따라 3종류 등 총 6종류의 시편을 제작하고 시험을 수행하였다. 시험 결과 육안으로 관찰 가능한 수준의 균열이 처음으로 발생하는 초기균열응력은 핀을 삽입하지 않은 경우보다 10% 가량 감소하였으나, 최고 지지하중을 기준으로 한 파손강도는 최대 45%가 증가하였다. 낮은 핀 밀도를 가지는 체결부(d=0.
8은 핀 밀도에 따른 파손강도 결과이다. 핀 밀도가 0.5, 2.0, 4.0%로 증가할 경우 최종 파손강도는 각각 18.9, 19.0, 23.3 MPa로, 핀이 삽입되지 않은 체결부 대비 17.5, 18.7, 45.3% 증가하였다.
핀 지름과 핀 삽입밀도에 대한 효과를 종합해볼 때, 파손 강도는 삽입되는 핀과 복합재 모재의 총 접착면적과 밀접한 관계가 있는 것을 알 수 있다. 동일한 핀 밀도일 경우 핀의 지름을 작게 하고, 같은 지름일 경우 고밀도로 삽입하면 핀과 복합재 모재의 총 접착면적이 증가하고 이에 따라 파손강도 역시 증가한다.
6은 핀 밀도에 따른 초기균열응력의 변화를 보인 것이다. 핀의 지름을 0.5 mm로 고정하고, 핀의 면적밀도를 0.5, 2.0, 4.0%로 변화시켰을 때 초기균열응력은 각각 18.1, 13.8, 13.2 MPa로 핀이 삽입되지 않은 체결부 대비 112.7, 85.7, 82.5% 수준을 보였다. 밀도가 0.
후속연구
본 연구의 결과로부터 초기균열응력을 설계기준으로 설정할 경우, 낮은 밀도로 핀을 삽입하게 되면 높은 설계허용치를 획득할 수 있음을 알 수 있었다. 전체적으로는 핀과 복합재의 접착면적을 늘리면 파손 강도가 향상될 뿐만 아니라 접착면의 분리 후에도 파손하중에 가까운 하중을 지지할 수 있어서, 구조물의 수리를 위한 시간적 여유를 확보하는 데에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
5% 인 경우, 핀이 없는 체결부보다 13% 가량 초기균열응력이 상승하는 특이한 현상이 나타났다. 추가적인 연구가 필요하겠지만, 핀 밀도가 일정 수준 이하로 낮아지면 체결부의 접착면적 감소 효과보다는 핀 삽입으로 인한 체결부의 보강 효과가 더 크게 나타나는 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Z-피닝 기술은 어떤 기술인가?
이러한 방법 중 프리프레그 (prepreg)를 이용하여 제작하는 구조물에 적용하기 가장 용의한것이 z-피닝 기술이다[11]. Z-피닝 기술은 두께방향으로 금속 혹은 탄소섬유 핀을 삽입하여 복합재의 층간강도를 향상시키는 기술이다. Z-피닝 기술을 사용하면 보강섬유의 손상을 최소화하고, 간단하게 국부적인 보강을 할 수 있다.
두께 방향 층간강도를 보강하는 기술은 어떤 종류가 있는가?
이러한 문제의 해결책으로 두께 방향 층간강도를 보강하려는 새로운 기술들이 꾸준히 개발되고 있다. 니팅(knitting), 위빙(weaving), 브레딩(braiding), 스티칭(stitching), 터프팅(tufting), z피닝(pinning) 등이 그 예이다[7-11]. 이러한 방법 중 프리프레그 (prepreg)를 이용하여 제작하는 구조물에 적용하기 가장 용의한것이 z-피닝 기술이다[11].
일체형 체결부의 단점은?
일체성형 공법으로 제작된 체결부는 접착 체결부의 한 종류로서 응력집중을 줄일 수 있고, 체결재(fastener)의 무게를 줄일 수 있다. 그러나 체결재가 없는 일체형 체결부는 두께방향의 파손에 취약하다는 단점이 있다[6]. 복합재 적층판이 두께방향으로 인장이나 전단응력을 받게 되면 기지에 의해 접착되어 있는 층과 층사이의 면이 떨어지는 층간분리(delamination)가 쉽게 발생할 수 있다.
참고문헌 (13)
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김태환, 성명수, 권진회, 최진호, "탄소 복합재-알루미늄 단일겹침 접착 체결부의 강도에 관한 인자연구," 한국복합재료학회지, 제20권 제5호, 2007, pp. 34-42.
김건희, 임도완, 최진호, 권진회, 이태주, 송민환, 신상준, "모자(Hat)형 보강재를 가진 복합재 패널의 제작과 평가," 한국복합재료학회지, 제23권 제2호, 2010, pp. 31-39.
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Jones, R.M., Mechanics of Composite Materials, 2nd ed., Taylor & Framcis Inc., New York, 1999, pp. 417-422.
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Mouritz, A.P., Leong, K.H., and Herszberg, I., "A review of the effect of stitching on the in-plane mechanical properties of fibre-reinforced polymer composites," Composites: Part A, Vol. 28, No. 12, 1997, pp. 979-999.
Stickler, P.B., Ramulu, M., and Johnson, P.S., "Experimental and numerical analysis of transverse stitched T-joints in bending," Composite Structures, Vol. 50, No. 1, 2000, pp. 17-27.
ASTM D1002-01, "Standard test method for apparent shear strength of single-lap-joint adhesively bonded metal specimens by tension loading(metal-to-metal)".
ASTM D5868-01, "Standard test method for lap shear adhesion for fiber reinforced plastic (FRP) bonding".
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