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문제 정의
- 그러나 강풍, 난류 등 환경 급변화의 발생에의하여 블레이드 균열발생 및 이종재적층 손상에 따른 수명단축 등이 우려되어 강도향상 문제가 제기 될 수 있다2) .따라서 본 연구는 외부하중을 주로 부담하는 블레이드 박스 스파(Box spar)부에 CFRP를 적용하는 경우 발생되는 파단기구를 파악하기 위하여 DCB(Double Cantilever Bending) 시험을 수행하였다. DCB 시험편을 이용한 연구는 이 평직 CFRP복합재의 층간파괴인성치를 AE(Acoustic Emission) 기법을 사용한 AE 누적카운터 관계식을 구하였다3) .
- 또한 모드 I 에서 균열성장의 영향은 없는 것으로 조사하였다. 본 연구의 목적은 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료의 층간에 존재하는 균열의 초기 균열길이와 CFRP 섬유방향에 따른 층간 분리 현상을 파악하는 것이다. 얻어진 결과는 CFRP/ GFRP 하이브리드 적층 복합재료로 구성된 블레이드의 Box spar부에 대한 적층분리 거동을 평가하는데 유용한 자료로 활용될 것으로 여겨진다.
제안 방법
- CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료의 층간에 존 재하는 균열의 초기균열길이와 CFRP섬유방향에 따른 층간분리 현상을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 유리섬유강화 에폭시 적층재의 비대칭 DCB시험을 수행하여 층간 파괴 특성치를 평가 하였다5). CFRP에 대하여 모드 I 층간 파괴인성을 평가하였다6) . 사용된 수법은 MCC(수정 컴플라이언스 계산) 법을 이용하였으며 에너지해방률로 나타내어 초기 파괴인성치의 측정율을 위한 여러가지 평가 결과를 비교하였다.
- CFRP와 GFRP는 각각 10 ply씩 적층 하였으며 CFRP의 섬유방향은 0° 및 45°로 적층하였고 GFRP는 일방향을 채택하였다.
- 절단된 프리프레그는 평직 CFRP와 GFRP를 각각 10 ply씩 적층하여 최종 20 ply로 적층하였다. CFRP의 섬유방항은 [0]10T, [45]10T 2가지로 하였으며, GFRP는 [0]10T 일방향 적층하였다. 여기서 대괄호 안의 0과 45는 섬유의 방향을, 아래첨자 10T는 프리프레그의 적층수를 나타낸다.
- DCB 시험편에 파괴인성치는 응력확대계수 K 및 에너지 해방율 G를 사용하여 계산하였으며 두 가지 경우를 비교 하였다. K의 계산식은 Kanninen9)에 의한 실험식인 다음 식 (1)을 적용하였다.
- 일방향 유리/폴리에스터 프리프레그를 0°, 30°, 45°로 적층한 복합재에 대하여 적층분리 파괴인성치의 값을 구하여, 일방향 복합재의 경우가 가장 크며 적층 각도가 커짐에 따라 파괴인성치는 감소함을 나타내었다4) . 유리섬유강화 에폭시 적층재의 비대칭 DCB시험을 수행하여 층간 파괴 특성치를 평가 하였다5). CFRP에 대하여 모드 I 층간 파괴인성을 평가하였다6) .
- 5mm로 성형되었다. 적층판은 성형판에 실리콘 오일인 이형재(KS707)를 균일하게 바른후 열 성형기(Hot Press,국내 D사, 500kgf/cm2)를 이용하여 성형 온도와 게이지 압력을 각각 130oC, 5.7kgf/cm2 에서 60분간 성형하였고 잔류응력 완화, 뒤틀림 및 변형을 방지하기 위하여 열 성형기 내에서 2시간 이상 냉각한 후 자연공냉하였다. Table 1에는 CFRP와 GFRP의 0°적층판에 대해 각각의 인장실험을 통해 획득한기계적 물성치를 나타낸다.
- 27 mm)와 현대카본(주)의 UD 를 이용하였으며, 프리프레그는 원단이 1 m 폭으로 생산되기 때문에, 250 mm×250 mm로 절단하였다. 절단된 프리프레그는 평직 CFRP와 GFRP를 각각 10 ply씩 적층하여 최종 20 ply로 적층하였다. CFRP의 섬유방항은 [0]10T, [45]10T 2가지로 하였으며, GFRP는 [0]10T 일방향 적층하였다.
- 16 MPa·m1/2을 넘지 않는 범위에서 주파수 2Hz로 생성하였다. 파괴 시험에 사용된 시험기는 소형 인장시험기(Tinus Olsen, H5KS) 를 사용하였으며, ASTM D 303958)에서 추천하고 있는 방법인 변위제어 0.2 mm/min로 행하여 졌다. 파괴시험 동안 균열 성장길이 측정은 눈으로 직접 측정된 것으로, 실체 현미경을(Kyowa, ×20) 이동식 현미경(Japan, N.
- 파괴시험 동안 균열 성장길이 측정은 눈으로 직접 측정된 것으로, 실체 현미경을(Kyowa, ×20) 이동식 현미경(Japan, N.O.W사)에 조립하여 사용하였다.
대상 데이터
- 모드 Ⅰ파괴실험에 사용된 재료는 평직 탄소섬유강화(plain woven carbon prepreg) 및 유리섬유강화 프리프레그(glass fiber reinforced plastics prepreg)로 국내 한국카본(주)에서 생산, 시판되는 CF3327EPC(두께: 0.27 mm)와 현대카본(주)의 UD 를 이용하였으며, 프리프레그는 원단이 1 m 폭으로 생산되기 때문에, 250 mm×250 mm로 절단하였다.
- 성형된 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료는 시험편 제작용 다이몬드 정밀 휠커터를 사용하여 120 mm×22 mm로 절단가공 하였으며, Fig. 1과 같이 자체 제작한 알루미늄 블록을 속건성 에폭시 수지인 아랄다이트(Araldite Rapid)로 부착하였다.
- CFRP와 GFRP는 각각 10 ply씩 적층 하였으며 CFRP의 섬유방향은 0° 및 45°로 적층하였고 GFRP는 일방향을 채택하였다. 초기균열(a0)은 평직 CFRP [0]10T, 및 [45]10T와 GFRP[0]10T 사이에 각각 Teflon tape를 초기 노치 길이만큼 a0/L=0.372,0.42 만큼 삽입하여 형성하였으며, 이후 최종 적층하여 [0C/0g]20T, [45C/0g]20T로 된 총 4종류의 적층판을 구성하였다. 대괄호 안의 아래첨자 c는 CFRP를 g는 GFRP를 나타낸다.
데이터처리
- CFRP에 대하여 모드 I 층간 파괴인성을 평가하였다6) . 사용된 수법은 MCC(수정 컴플라이언스 계산) 법을 이용하였으며 에너지해방률로 나타내어 초기 파괴인성치의 측정율을 위한 여러가지 평가 결과를 비교하였다. 층간 하이브리드 복합재를 사용하여 적층분리의 영향을 조사하여단섬유복합재의 경우보다 층간파괴인성치의 값이 더 크다는 것을 밝혔다7) .
이론/모형
- DCB mode I 에너지해방율 G는 ASTM D5528-0110)에의거하여 MBT(Modified Beam Theory) 식 (2)을 이용한다.
- 따라서 본 연구는 외부하중을 주로 부담하는 블레이드 박스 스파(Box spar)부에 CFRP를 적용하는 경우 발생되는 파단기구를 파악하기 위하여 DCB(Double Cantilever Bending) 시험을 수행하였다. DCB 시험편을 이용한 연구는 이 평직 CFRP복합재의 층간파괴인성치를 AE(Acoustic Emission) 기법을 사용한 AE 누적카운터 관계식을 구하였다3) . 일방향 유리/폴리에스터 프리프레그를 0°, 30°, 45°로 적층한 복합재에 대하여 적층분리 파괴인성치의 값을 구하여, 일방향 복합재의 경우가 가장 크며 적층 각도가 커짐에 따라 파괴인성치는 감소함을 나타내었다4) .
- DCB 시험편에 파괴인성치는 응력확대계수 K 및 에너지 해방율 G를 사용하여 계산하였으며 두 가지 경우를 비교 하였다. K의 계산식은 Kanninen9)에 의한 실험식인 다음 식 (1)을 적용하였다.
- G는 하중이 파괴하중에 도달할 때 임계값 GIC mode I 파괴인성치가 된다. 그러나 식 (2)는 전체 에너지해방율의 값을 나타내며, 현재의 실험에서처럼 CFRP적층부와 GFRP 적층부의 두께가 상이한 경우는 혼합모드의 상태가 나타나므로 식 (2)를 그대로 적용할 수 없다 따라서 Mollon 등11)이 제시한 수정식 (3) 을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 균열진전형태는 CFRP와 GFRP의 계면을 따라 진전하다가 멈추고 다시 GFRP층에서 균열이 개시 되어 계면 쪽으로 진전하였다. GFRP적층부의 섬유소는 CFRP 적층부에서 일부 분리가 지연됨에 따라 섬유소 가닥이 pull-out 되면서 CFRP와 GFRP 적층부를 연결하는 가교(bridging)현상을 나타내었고 일부 섬유소는 절단 형태를 나타내었다.
- 2) CFRP 섬유소 방향에 관계없이 a0/L 비 0.375는 변위 약 3 mm에서 부터, 0.42의 경우는 약 5 mm에서부터 균열이 진전하기 시작하였다. 하중변위에 대한 균열 성장속도율 da/du 는 0° 및 45° 경우에 대하여 45° 경우가 균열 성장속도가 저하되었다.
- 3) DCB시험편을 이용한 modeⅠ층간파괴인성치 는 CFRP 적층부의 섬유방향이 0°가 45°의 경우보다 KIC가 높게 나타나, 섬유방향이 균열의 층간파괴에 영향을 미치는 것을 알 수있었다.
- 4) 섬유방향 0°, a0/L=0.42의 경우에 대한 전체 에너지해방률 GT는 0.67 kJ/m2 , mode I 기여분 GI 는 0.664 kJ/m2로 얻어져, 이 경우 층간 파괴는 대부분 mode I 지배를 받는 것으로 나타났다.
- 또한 모든 경우에 있어서약 ±0.6~1 kJ/m2 사이의 범위에서 주어져, 본 실험에서 구성된 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재의 파괴인성치는 평균값 0.85 kJ/m2로 얻어졌다.
- 초기균열 길이와 CFRP섬유방향이 다른 4가지 경우 모두에 대하여 하중-변위곡선은 초기균열이 진전 개시되는 지점까지 거의 선형적으로 변화하며 균열진전개시와 더불어 감소하기 시작한다. 이후 균열이 성장함에 따라 하중은 다소 증감을 나타내며 서서히 감소하지만 변위가 10~12 mm가 됨에도 불구하고 최대하중의 약 60~70%까지의 하중을 유지함을 알 수 있다.
- 전체 에너지해방율 G는 [0C/0g]20T 에서 a0/L=0.375 및 0.42의 경우, 0.704 kJ/m2 , 0.673 kJ/m2 로 얻어졌으며, [45C/0g]20T에서는 a0/L=0.375 및 0.42의 경우 각각 0.86 kJ/m2 ,0.679kJ/m2로 얻어졌다. 같은 초기균열길이 시험편에 대하여 CFRP 적층부의 섬유방향이 0°인 경우가 45°의 경우보다 약간 낮게 얻어졌으나 같은 방향에 있어서는 초기균열길이가 길어짐에 따라 더 낮은 에너지해방율이 얻어졌다.
- 즉 CFRP 적층부의 섬유방향이 0°가 45°의 경우보다 KIC가 높게 나타났다.
후속연구
- 본 연구의 목적은 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료의 층간에 존재하는 균열의 초기 균열길이와 CFRP 섬유방향에 따른 층간 분리 현상을 파악하는 것이다. 얻어진 결과는 CFRP/ GFRP 하이브리드 적층 복합재료로 구성된 블레이드의 Box spar부에 대한 적층분리 거동을 평가하는데 유용한 자료로 활용될 것으로 여겨진다.
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