[논문]평직 CFRP 적층복합재료의 섬유배열각도에 따른 파괴강도 예측

강민성; 박홍선; 최정훈; 구재민; 석창성

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.8.881

초록
AI-Helper

섬유강화 복합재료는 금속 재료보다 비강성 및 비강도가 높아 경량화가 요구되는 산업에서 수요가 증가하고 있다. 이러한 섬유강화 복합재료는 방향성을 가진 섬유 원사를 일정한 규칙으로 배열하고 에폭시 수지와 같은 레진을 이용하여 경화한 후 사용하게 된다. 섬유강화 복합재료는 구조적인 특성상 섬유배열각도에 따라 서로 다른 재료물성을 나타내기 때문에 섬유강화 복합재료의 강도를 정확히 평가하는 것은 이들을 구성요소로 하는 복합재료 구조물의 설계 또는 파괴에 대응한 설계에서 매우 중요하다. 이에 본 논문에서는 평직 탄소섬유강화 복합재료 적층판을 대상으로 섬유배열각도($0^{\circ}/90^{\circ}$, $30^{\circ}/-60^{\circ}$, $+45^{\circ}/-45^{\circ}$)에 따른 인장시험을 통하여 정적 파괴강도를 평가하였으며, 복합재료를 구성하고 있는 섬유의 구조적인 주기성을 포함하는 Tan과 Cheng의 강도함수와 조화함수를 이용하여 섬유배열각도에 따른 평직 탄소섬유강화 복합재료의 정적 파괴강도를 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

CFRP composite materials have been widely used in various fields of engineering because of their excellent properties. They show high specific stiffness and specific strength compared with metallic materiasl. Woven CFRP composite materials are fabricated from carbon fibers with two orientation angle...

CFRP composite materials have been widely used in various fields of engineering because of their excellent properties. They show high specific stiffness and specific strength compared with metallic materiasl. Woven CFRP composite materials are fabricated from carbon fibers with two orientation angles ($0^{\circ}/90^{\circ}$), which influences the mechanical properties. Therefore, woven CFRP composite materials show different types of fracture behavior according to the load direction. Therefore, the fracture behavior of these materials needs to be evaluated according to the load direction when designing structures using these materials. In this study, we evaluate the fracture strength of plain-woven CFRP composite materials according to the load direction. We performed tests for six different angles (load direction: $0^{\circ}/90^{\circ}$, $30^{\circ}/-60^{\circ}$, $+45^{\circ}/-45^{\circ}$) and estimated the fracture strength for an arbitrary fiber angle by using the modified Tan's theory and harmonic function.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 평직 탄소섬유강화 복합재료의 섬유배열각도에 따른 정적강도를 인장강도시험을 통하여 평가하였다. 또한, 복합재료의 특성인 주기성을 포함하는 Tan과 Cheng의 강도함수와 조화 함수 sin2θ를 이용한 곡선 접합을 통하여 임의의 섬유배열각도에 따른 파괴강도를 예측하였다.

제안 방법

Fig. 3과 같이 시마즈(Shimadzu, Japan)사 25ton 용량의 전기모터식 만능시험기(Model AG-25TG) 를 사용하여 상온에서 2mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 변형률 측정을 위해 시험편에 Extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집 장치(Data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다.
또한, 복합재료의 특성인 주기성을 포함하는 Tan과 Cheng의 강도함수와 조화 함수 sin2θ를 이용한 곡선 접합을 통하여 임의의 섬유배열각도에 따른 파괴강도를 예측하였다.
3과 같이 시마즈(Shimadzu, Japan)사 25ton 용량의 전기모터식 만능시험기(Model AG-25TG) 를 사용하여 상온에서 2mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 변형률 측정을 위해 시험편에 Extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집 장치(Data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다. 정적 파괴시험은 섬유배열각도에 따라 각 3회씩 시험을 수행하였으며 그 평균값을 해당 섬유배열각도의 정적강도로 정의하였다.
시험편의 채취방향은 Fig. 2와 같이 본 연구에 사용된 평직 적층판의 구조와 섬유배열각도와 하중 방향에 대한 정의에 따라 0°/90°와 5°/-85°, 10°/-80°, 15°/-75°, 30°/-60°, +45°/-45°이며, 시험편 끝단에는 그립으로부터의 손상과 슬립을 방지하기 위하여 시험편 그립부에 #100의 에머리 페이퍼로 거칠게 연마하고 GFRP탭(두께: 2mm)을 부착하였다.
변형률 측정을 위해 시험편에 Extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집 장치(Data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다. 정적 파괴시험은 섬유배열각도에 따라 각 3회씩 시험을 수행하였으며 그 평균값을 해당 섬유배열각도의 정적강도로 정의하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 재료는 Table 1과 같은 조성비를 갖는 SK chemical(주)에서 시판되는 직물구조 탄소섬유 프리프레그(Plain Woven Carbon Fiber Prepreg)인 WSN-3K(두께 0.227mm)이다. 이를 이용하여 시험편은 최종 두께가 3.
제작된 시험편의 각 성분의 함량은 Table 2와 같으며, 기계적인 특성은 Table 3과 같다. 시험편은 ASTM D3039(Standard Test Methods for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials)⁽⁷⁾에 준하여 Fig. 1과 같은 형상으로 NC 머신으로 절단 및 가공하여 제작하였다. 시험편의 채취방향은 Fig.

성능/효과

Table 5와 Figs. 6~7에서 보는 바와 같이 탄성계수는 각도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, 전단계수는 반대로 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 섬유배열각도가 증가함에 따라 하중을 지지하는 섬유의 지지 능력 감소에 기인한 것으로 판단된다.
두 예측식은 시험을 통해 획득한 파괴강도를 잘 모사하고 있는 것으로 보이나, Fig. 13과 같이 0°와 45°의 탄성계수, 인장강도를 조화함수 형태로 전개한 Mohr's Circle을 이용한 예측 결과에 비해 Fourier급수 형태로 0°/90°와 45°/-45°의 인장 강도, 임의의 각도에서의 인장강도를 이용한 수정된 Tan의 예측결과가 시험결과를 보다 잘 예측하는 것을 알 수 있다.
따라서 두 식은 섬유배열각도에 따른 강도를 잘 예측하는 것으로 나타났으나 수정된 Tan의 예측식이 섬유배열각도에 따른 강도를 예측하는데 적은 수의 인수를 요구하므로, 수정된 Tan의 예측식을 적용하는 것이 더 유용하다고 판단된다.
10에 나타낸 것과 같이 평활재의 파괴강도 예측식은 인장시험으로 획득한 강도값을 비교적 잘 예측하고 있는 것으로 볼 수 있다. 또한, 예측식은 임의의 섬유배열각도에 따른 강도 변화 거동에 대한 경향을 잘 보여주고 있는 것으로 평가된다. 시험 및 예측 결과를 살펴보면, 섬유배열각도가 0°~30° 구간에서는 섬유배열각도에 따라 인장강도가 급격하게 변화하고, 30°~45° 구간에서는 다소 완만하게 감소하는 경향을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
섬유배열각도가 15°인 인장강도를 사용하여 구한 식 (11)에 의한 결과가 인장강도가 급격하게 변화하는 0°와 30°사이의 강도 변화 경향을 더욱 잘 모사하는 것으로 나타났으며, 수정된 Tan의 식을 이용하여 임의의 섬유배열각도에 따른 인장강도를 구하는 데 있어서, 급격하게 변화하는 구간에 있는 인장강도를 이용하여 예측하는 것이 더 유용하다고 판단된다.
시험 및 예측 결과를 살펴보면, 섬유배열각도가 0°~30° 구간에서는 섬유배열각도에 따라 인장강도가 급격하게 변화하고, 30°~45° 구간에서는 다소 완만하게 감소하는 경향을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
11에 나타내었다. 시험결과와 예측결과는 오차율 2% 이내로 일치하는 것을 알 수 있다. 또한, 섬유배열각도가 0°/90°와 30°/-60°, 45°/-45°인 인장강도를 이용하여 구한 식 (6)과 섬유배열각도가 30°/-60° 인장강도 대신에 15°/-75°인 인장강도를 이용하여 구한 식 (11)의 예측결과를 시험결과와 함께 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유강화 복합재료의 구조적 특성으로 인한 특징은 무엇인가?	섬유강화 복합재료는 금속재료에 비해 비강성 및 비강도가 좋기 때문에 구조물의 경량화를 위하여 산업 각 분야에서의 적용 비율이 급격히 증가하고 있다. 이러한 섬유강화 복합재료는 구조적 특성으로 인해 섬유배열각도에 따라 기계적 물성이 변한다. 따라서 복합재료 구조물의 설계를 위해서는 섬유배열각도의 변화에 따른 강도를 예측하고, 복합 하중이 작용하는 경우에 강도를 계산하는 것이 매우 중요하지만 조직의 불연속성과 공정 상 발생하는 결함 때문에 정확한 결과를 얻기 어렵다.
	본 연구에서 사용한 직물구조 탄소섬유 프리프레그 시험편은 어떻게 제작되었는가?	227mm)이다. 이를 이용하여 시험편은 최종 두께가 3.52mm로 되도록 16Ply로 적층하여 Autoclave에서 140℃, 5.89MPa의 온도와 압력에서 60분간 성형하였다. 제작된 시험편의 각 성분의 함량은 Table 2와 같으며, 기계적인 특성은 Table 3과 같다.
	섬유강화 복합재료의 사용이 증가하는 이유는 무엇인가?	섬유강화 복합재료는 금속재료에 비해 비강성 및 비강도가 좋기 때문에 구조물의 경량화를 위하여 산업 각 분야에서의 적용 비율이 급격히 증가하고 있다. 이러한 섬유강화 복합재료는 구조적 특성으로 인해 섬유배열각도에 따라 기계적 물성이 변한다.

참고문헌 (7)

Kim, S. J. and Jang, S. H., 2006, "The Effect of Bias and Shear Angles on Compressive Characteristics of Carbon/Epoxy Plain Weave Fabrics," Trans. of the KSME(A), Vol. 30, No. 7, pp. 857-864.

원문보기 상세보기
Jeong, W. K. and Lim, W. K., 2005, "Failure Criteria of Fibrous Composites Under Combined Stress," KSME proceeding of annual fall conference.
Tan, S. C. and Cheng, S., 1997, "Failure Criteria for Fibrous Anisotropic Materials," International J. of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol.5, No.2, pp.198-211.
Kim, S. Y., Park, H. S., Kang, M. S., Choi, J. H., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2009, "Evaluation of Failure Strength of Woven CFRP Composite Plate Subject to Axial Load by Tan-Cheng Failure Criterion," Trans. of the KSME(A), Vol. 33, No. 4, pp. 360-365.

원문보기 상세보기
Hankinson, R. L., 1929, "Investigation of Crushing Strength of Spruce at Varying Angles of Grain," Air Service Information Circular, No. 259, US air Service
Lim, W. K., Lee, S. K. and Jeong, W. K., 2005, "Simple Analysis of the Tan''s Failure Criterion on Fibrous Anisotropic Materials," KSME proceeding of annual spring conference, pp. 518-523
ASTM D3039-93, 1993, "Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Resin Composite,"

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

평직 CFRP 적층복합재료의 섬유배열각도에 따른 파괴강도 예측
Prediction of Fracture Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

평직 CFRP 적층복합재료의 섬유배열각도에 따른 파괴강도 예측 Prediction of Fracture Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

구재민 (64) 석창성 (126)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

평직 CFRP 적층복합재료의 섬유배열각도에 따른 파괴강도 예측
Prediction of Fracture Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper