[논문]고체추진제의 파괴인성에 대한 온도 및 두께의 영향

서보휘; 김재훈

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.11.1355

[국내논문] 고체추진제의 파괴인성에 대한 온도 및 두께의 영향
Effect of Temperature and Thickness on Fracture Toughness of Solid Propellant 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.11, 2013년, pp.1355 - 1360

서보휘 (충남대학교 기계설계공학과) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과)

초록
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균열이 발생된 고체추진제는 연소면적 증가에 따른 과연소 현상으로 인해 로켓의 손상 또는 파괴까지 일어날 수 있기 때문에 파괴인성을 평가하는 것은 매우 중요하다. 이 재료에 파괴인성에 미치는 온도 및 두께의 영향을 확인하기 위하여, 시험 온도는 $-60^{\circ}C$에서 $60^{\circ}C$ 범위, 시편의 두께는 4, 12.5, 24.5 mm 의 3 종류로 변화하여 Center cracked tension(CCT) 시편을 이용하여 파괴인성을 평가하였다. 본 시험 결과로부터 파괴인성은 온도 증가와 함께 감소하는 경향을 보이고 두께 변화에 대한 파괴인성은 $-60^{\circ}C$를 제외한 다른 온도조건에서 두께 12.5 mm 일 때 가장 크게 나타나고 있다. 고체추진제의 파괴인성은 $-60^{\circ}C$부근에서 유리전이거동에 의한 변화하는 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A cracked solid propellant would have failure or fracture of rocket because of excessive combustion according to increase of burning area, therefore it is important to evaluate the fracture toughness of solid propellant. A procedure is used to investigate the material under a range of test temperatures between -60 and $60^{\circ}C$, three kind of specimen thickness, 4, 12.5 and 24.5 mm to determine the effect of two parameters on the fracture toughness. A center cracked tension (CCT) specimen is used in these tests, which were conducted using INSTRON 5567 testing machine and environmental chamber to evaluate the fracture toughness. The experimental results show that the fracture toughness tends to decreases with an increase in the temperature, and the effect of thickness indicates that the fracture toughness is highest at 12.5 mm under various temperatures except $-60^{\circ}C$. It is found that the fracture toughness of solid propellant is changed due to glass transition behavior around $-60^{\circ}C$.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CCT 시편을 사용하여 온도와 추진제의 두께가 파괴인성에 미치는 영향을 확인하고 그에 따른 파괴인성을 평가하기 위해서 온도와 시편 두께를 변수로 하여 수행하고 얻어진 시험 결과로부터 ASTM E399 규정에 따라 파괴인성을 평가하고 SEM 관찰을 통하여 파괴기구를 분석하였다.
본 논문에서 인용한 ASTM E399 규정은 선형 탄성재료에 대한 시험방법을 정의해놓은 것이다. 이를 점탄성 재료인 고체추진제에 적용하기 위해서는 점탄성 재료가 가지고 있는 응력완화를 고려해야만 한다.
본 논문에서는 혼합형 입자강화복합제인 고체추진제에 대한 파괴인성평가를 다음 조건과 같이 시행하였다. 3 개의 다른 두께를 가진 CCT 시편을 다양한 온도조건 하에서 파괴인성 시험을 진행하였고 ASTM E399 규격을 따라서 파괴인성을 평가하였다.

제안 방법

고체 추진제는 연료와 산화제를 혼합하여 산소 없이도 연소가 가능하게 만든 복합재료이다. 주재료인 연료와 산화제외에도 소량으로 첨가되는 다양한 첨가제의 종류와 성분비에 따라 추진제의 성능이 많이 달라지기 때문에 사용하는 목적에 따라 재료의 성분비를 조절하여 제작된다.
응력완화는 재료에 일정한 변형률을 유지하는 힘을 지속적으로 가할 때 그 응력이 시간이 지남에 따라 점차 감소하는 현상을 말한다. 이 현상을 고려하여 실제 변위를 가상 탄성변위로 변환하기 위해 응력완화 시험을 진행하였다. 시편은 길이 254 mm, 너비 12.
5 mm 인 직사각형 형상을 사용했다 시험은 2%의 일정한 변형률로 600 초 동안 힘을 가하여 파괴인성시험과 같은 온도 조건하에서 시행하였다. 얻어진 데이터를 통해서 다양한 온도에서 시간에 따른 응력완화계수를 구했다.
파괴인성 시험은 시험결과에 대한 온도 및 두께의 영향을 분석하기 위해 시험온도를 점탄성 소재의 재료물성이 크게 변화되는 Tg 영역까지인 60 °C, 20 °C, 0 °C, -20 °C, -40 °C, -60 °C로 수행하였고 시편의 두께는 4 mm, 12.5 mm, 24.5 mm 이며 시험 속도는 5 mm/min 로 Fig. 2 에 있는 INSTRON 5567 시험기 및 INSTRON 3119 환경챔버를 사용하여 수행하였다.
본 논문에서는 혼합형 입자강화복합제인 고체추진제에 대한 파괴인성평가를 다음 조건과 같이 시행하였다. 3 개의 다른 두께를 가진 CCT 시편을 다양한 온도조건 하에서 파괴인성 시험을 진행하였고 ASTM E399 규격을 따라서 파괴인성을 평가하였다. 또한, 온도와 시편의 두께가 파괴인성에 미치는 영향을 고찰하였다.
3 개의 다른 두께를 가진 CCT 시편을 다양한 온도조건 하에서 파괴인성 시험을 진행하였고 ASTM E399 규격을 따라서 파괴인성을 평가하였다. 또한, 온도와 시편의 두께가 파괴인성에 미치는 영향을 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 혼합형 입자강화 복합재료로 HTPB(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene) 고분자 바인더 내에 AP 산화제, Al 연료 미립자들이 결합되어 있다. 자세한 특성은 Table 1 에서 설명하고 있다.
시편은 폭 24.5 mm, 높이 80 mm 이고 두께는 시험 조건에 따라 다르다. 모든 시편에 대해서 예리한 칼날로 12.
5 mm, 높이 80 mm 이고 두께는 시험 조건에 따라 다르다. 모든 시편에 대해서 예리한 칼날로 12.4 mm 의 예비균열을 가진 CCT 시편을 사용하였다.
이 현상을 고려하여 실제 변위를 가상 탄성변위로 변환하기 위해 응력완화 시험을 진행하였다. 시편은 길이 254 mm, 너비 12.5 mm, 두께 12.5 mm 인 직사각형 형상을 사용했다 시험은 2%의 일정한 변형률로 600 초 동안 힘을 가하여 파괴인성시험과 같은 온도 조건하에서 시행하였다. 얻어진 데이터를 통해서 다양한 온도에서 시간에 따른 응력완화계수를 구했다.

데이터처리

각각의 시험온도에서 시편의 두께가 파괴인성에 얼마나 영향을 미치는지 확인하기 위해 표준편차를 계산해 보았다. Table 2 는 표준편차를 정리해 놓은 것이다.

성능/효과

등은 ASTM E399 규격을 기준으로 선형탄성파괴역학적인 관점에서 MT(Middle Tension)시편을 사용하여 파괴인성시험을 수행하였다. 이러한 연구동향을 보면 고체 추진제를 선형 탄성 파괴역학적인 관점으로 파괴인성 시험을 수행하였다는 것을 알 수 있다.
3 에 나타내었다. 이를 분석해보면, 모든 조건에서 시간이 지남에 따라 점차 완화계수가 낮아지다가 일정 수준으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 또한 -60°C 에서 60°C까지 온도가 올라가면서 완화계수는 낮아지는 경향을 보인다.
이러한 결과로부터 60, 20, -20 °C 에서는 두께 12.5, 24.5, 4 mm 순으로 파괴인성이 높게 나타나는 것으로 확인되었다.
(2) 온도가 파괴인성에 미치는 영향으로는 파괴인성이 온도의 감소에 따라 서서히 증가하다가 -40°C 에서 -60°C 로 변하는 구간에서 값이 거의 2 배가까이 급격하게 증가했다.
(1) 다양한 온도조건 하에서 응력완화시험을 해본 결과, 온도가 올라감에 따라 완화계수는 감소한다. 응력완화계수를 사용하여 실제 점탄성 변위에서 응력완화거동을 제거해서 가상탄성 변위로 변환했을 때 전체적인 변위는 상대적으로 낮아진다.
파단면을 SEM 으로 관찰해본 결과 60°C 에서 -40°C 까지는 입자의 파괴가 아닌 입자와 바인더 사이에 발생하는 드웨팅에 의해 균열이 전파되고, -60°C 에서는 드웨팅이 발생하지 않은 채 입자가 파괴되면서 균열이 전파된다. 재료의 온도가 유리전이온도에 가까워 짐에 따라 강도가 증가하여 파괴인성이 비교적 크게 증가했다.
(3) 두께가 파괴인성에 미치는 영향은 시편의 두께 12.5, 24.5, 4 mm 의 순으로 파괴인성이 높게 나타난다. 이는 비교적 얇은 두께에서는 균열선단의 응력상태가 평면응력, 평면변형률 상태가 혼합되어 있고 두께가 증가함에 따라 평면변형률 상태로 변하기 때문이다.
파단면을 SEM 으로 관찰해본 결과 60°C 에서 -40°C 까지는 입자의 파괴가 아닌 입자와 바인더 사이에 발생하는 드웨팅에 의해 균열이 전파되고, -60°C 에서는 드웨팅이 발생하지 않은 채 입자가 파괴되면서 균열이 전파된다.

참고문헌 (7)

Rao, S., Krishna, Y and Rao, B. N., 2005, "Fracture Toughness of Nitramine and Composite Solid Propellants," Material Science and Engineering A, Vol. 403, Issues 1-2, pp. 125-133

상세보기
Tussiwand, G. S., Saouma, V. E., Terzenbach, R. and De Luca, R. E., 2009, "Fracture Mechanics of Composite Solid Rocket Propellant Grains: Material Testing," Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, No. 1, pp. 60-73

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Anderson, T. L., 2005, Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, 3rd edition, CRC Press
ASTM, 2009, "Standard Test Method for Linear- Elastic Plane-strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials," Annual Book of ASTM Standards, ASTM E399, pp. 1-33
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Bohn, M. A. and Elsner, P. 1999 "Aging of the Binders GAP-N100 and HTPB-IPDI Investigated by Torsion-DMA" Propellants, Explosives, Pyrotechnics 24, 199-205

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Liu, C. T. 1997, "Crack Growth Behavior in a Solid Propellant" Engineering Fracture Mechanics, Vol. 56, No 1, pp. 126-135

저자의 다른 논문 :

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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