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문제 정의
- 복합재료는 두 가지 이상의 물성이 다른 재료가 혼합되어 있으며 파괴적 현상은 섬유절단, 기지균열, 층간분리, 섬유박리 등으로 다양하게 나타나므로 손상 메커니즘을 구분하고 정량적으로 평가하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 주 강화재료인 유리섬유/에폭시 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출 신호의 특성을 알아보기 위하여 실제 용기에서 복합재료를 분리 가공한 시편과 유리섬유묶음의 파괴시 발생하는 음향방출신호를 획득하고 분석하였다.
제안 방법
- 사용하지 않은 건전한 가스실린더의 복합재료층을 가로세로 각 200 mm 크기로 절단하고 시편의 복합재료층의 표면에 약 1 mm 두께의 수직방향(longitudinal direction) 유리섬유와 레진(resin) 코팅층이 있어서, 감긴방향(hoop direction)의 유리섬유와 기지(matrix) 파괴시 발생하는 음향방출신호만을 수집하기 위해 시편 중앙부 표면을 일부 제거하였다. 그라인딩을 한 시편의 중앙부에 유리섬유가 감긴방향과 수직방향으로 일정간격을 두고 각각 11회씩 인덴터의 칼날을 2 kgf/min 속도로 수동으로 하강시켜 5 kgf에 도달할 때까지 압입하고, 유리섬유와 기지가 파괴될 때 발생되는 음향방출 신호를 획득하였다. 이 때의 신호문턱값은 40 dB와 32 dB로 설정하고, 광대역(WDI, 100~1000 kHz)센서를 사용하였으며 이 때 감도는 센서로부터 25 mm이내 거리에서 평균 98 dB였다.
- 또한 실험용기 복합재료의 유리섬유 절단시 발생하는 음향방출신호 특성을 파악하기 위해 섬유묶음을 Fig. 4와 같이 정렬하고 Fig. 3의 실험 장치에서 칼날을 유리섬유묶음의 길이방향에 대해 0°, 30°, 45° 그리고 60° 방향으로 절단각을 증가시켜 섬유를 절단시키고 그때 발생하는 음향방출신호를 획득하였다.
- 2와 같이 시편을 제작 가공하였다. 사용하지 않은 건전한 가스실린더의 복합재료층을 가로세로 각 200 mm 크기로 절단하고 시편의 복합재료층의 표면에 약 1 mm 두께의 수직방향(longitudinal direction) 유리섬유와 레진(resin) 코팅층이 있어서, 감긴방향(hoop direction)의 유리섬유와 기지(matrix) 파괴시 발생하는 음향방출신호만을 수집하기 위해 시편 중앙부 표면을 일부 제거하였다. 그라인딩을 한 시편의 중앙부에 유리섬유가 감긴방향과 수직방향으로 일정간격을 두고 각각 11회씩 인덴터의 칼날을 2 kgf/min 속도로 수동으로 하강시켜 5 kgf에 도달할 때까지 압입하고, 유리섬유와 기지가 파괴될 때 발생되는 음향방출 신호를 획득하였다.
- 유리섬유강화 복합재료 가스실린더에서 주 강화재인 유리섬유강화 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출신호의 특성 파악을 위해 Fig. 2와 같이 시편을 제작 가공하였다. 사용하지 않은 건전한 가스실린더의 복합재료층을 가로세로 각 200 mm 크기로 절단하고 시편의 복합재료층의 표면에 약 1 mm 두께의 수직방향(longitudinal direction) 유리섬유와 레진(resin) 코팅층이 있어서, 감긴방향(hoop direction)의 유리섬유와 기지(matrix) 파괴시 발생하는 음향방출신호만을 수집하기 위해 시편 중앙부 표면을 일부 제거하였다.
- 칼날은 반원형(half)이고 측정시편의 유리섬유와 수직 또는 수평하게 위치시키고 복합재료 파괴시 발생된 음향방출신호는 Sensor 1과 2로 측정하였다. 이 때 획득된 신호 중에서 선형위치표정(linear source location) 방법을 사용하여 파단 위치에서 표정된 이벤트 신호만을 추출하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 실험용기는 Fig. 1과 같은 53 리터 유리섬유강화 복합재료 가스실린더이다. 용기의 몸통부에서의 금속라이너(metal liner)의 두께는 약 6 mm이며, 34CrMo4 판재(Plate)를 사용하여 딮드로잉(Deep Drawing)방식으로 제작되었고, 금속라이너의 화학 조성은 Table 1과 같으며 용기의 사용압력은 20.
- 실험장치는 Fig. 3과 같이 48 mm 강판위에 복합재료 시편을 위치시키고 유리섬유와 기지 파괴를 위한 인덴터(indentor)는 칼날(knife)과 로드셀(Loadcell)로 구성되어 있다.
- 1과 같은 53 리터 유리섬유강화 복합재료 가스실린더이다. 용기의 몸통부에서의 금속라이너(metal liner)의 두께는 약 6 mm이며, 34CrMo4 판재(Plate)를 사용하여 딮드로잉(Deep Drawing)방식으로 제작되었고, 금속라이너의 화학 조성은 Table 1과 같으며 용기의 사용압력은 20.7 MPa이다. 용기의 몸통부는 둘레방향으로 유리섬유가 Fig.
이론/모형
- 칼날은 반원형(half)이고 측정시편의 유리섬유와 수직 또는 수평하게 위치시키고 복합재료 파괴시 발생된 음향방출신호는 Sensor 1과 2로 측정하였다. 이 때 획득된 신호 중에서 선형위치표정(linear source location) 방법을 사용하여 파단 위치에서 표정된 이벤트 신호만을 추출하여 분석하였다. 또한 실험용기 복합재료의 유리섬유 절단시 발생하는 음향방출신호 특성을 파악하기 위해 섬유묶음을 Fig.
성능/효과
- 1) 유리강화섬유에 칼날을 압입시켜 섬유가 파괴될 때 발생하는 음향방출 신호의 진폭은 섬유가 칼날과 수직방향(0°)으로 절단되었을 때 43.6 dB로 가장 낮았으며 점차 절단 각도를 증가시켜 절단할수록 음향방출신호의 진폭값이 증가함을 알 수 있다.
- 2) 시편을 유리섬유가 감긴 방향과 수직한 방향으로 칼날을 압입하여 시편이 파괴될 때 발생하는 음향방출 신호의 수는 수직방향이 감긴방향보다 많이 나타났으나 진폭은 감긴방향이 수직방향보다 높게 나타나고 있다. 이는 섬유 파괴시 감긴방향의 섬유 절단각이 수직방향에 비해 커서 비록 신호수는 적었지만 섬유 절단에 따른 신호가 포함되어 진폭은 오히려 높게 나타나는 것으로 보인다.
- 3) 섬유감긴 방향의 시편파괴에서 신호문턱값을 32 dB로 설정하였을 경우에는 40 dB에서 나타나지 않았던 기지의 파괴신호가 급증하였음을 볼 때 유리섬유의 파괴시 신호의 진폭은 40 dB 이상이고 기지 파괴시 신호의 진폭은 40 dB 이하임을 알 수 있었다.
- 4) 음향방출 신호의 진폭 기울기는 음향방출원과 관련이 있으며, 감긴방향으로 칼날을 압입했을 때 그 기울기는 0.08이며 수직방향일 때는 0.16로 그 차이가 구분되었다. 특히 수직방향의 경우 유리섬유의 파괴시 나타나는 진폭 기울기와 같으므로 수직방향 파괴시 주된 음향방출원은 유리섬유 절단으로 추정할 수 있다.
- Table 2와 Table 3을 참고해서 보면 감긴방향 파단신호의 평균 진폭이 수직방향보다 높게 나타나고 있는데 이는 시편의 유리섬유 절단량은 칼날의 압입방향이 수직방향일 때가 수평방향일 때보다 많으며, 기지의 파괴량은 거의 비슷함을 볼 수 있으며 그에 따라 신호진폭의 차이를 나타내고 있다. 감긴방향 파단에서 신호의 진폭값이 유리섬유의 파괴가 적음에도 높게 나타나는 것은 앞의 Fig. 6에서 살펴본 바와 같이 유리섬유의 절단방향에 따른 절단각이 증가할수록 신호의 진폭이 증가되므로 신호수(hit)는 수직방향에 비해 작으나 신호의 진폭은 높음을 관찰할 수 있었다.
- 또한 신호문턱값이 40 dB일 때는 기지파괴에서 나타나지 않았던 음향방출 신호가 문턱값을 32 dB로 설정하였을 때는 잘 나타나고 있음을 관찰할 수 있으며, 섬유 수직방향으로 시편이 파괴될 경우 40 dB이하의 신호가 32 dB일 때와 비교하여 많이 증가함을 볼 수 있으며, 이는 본 실험에서 사용된 복합재료 압력용기 시편의 복합재료 기지 파괴시 발생되는 음향방출 신호의 진폭은 40 dB 이하이고 유리섬유 파단시는 40 dB 이상임을 알 수 있다.
- 신호의 평균진폭은 섬유묶음이 칼날과 수직방향 (0°)으로 절단되었을 때 43.6 dB로 가장 낮았으며 30, 45, 60 °로 점차 절단각도를 증가시킬수록 44.2, 45.9, 46.8 dB로서 발생되는 음향방출신호의 진폭값이 증가함을 알 수 있다.
- 그라인딩을 한 시편의 중앙부에 유리섬유가 감긴방향과 수직방향으로 일정간격을 두고 각각 11회씩 인덴터의 칼날을 2 kgf/min 속도로 수동으로 하강시켜 5 kgf에 도달할 때까지 압입하고, 유리섬유와 기지가 파괴될 때 발생되는 음향방출 신호를 획득하였다. 이 때의 신호문턱값은 40 dB와 32 dB로 설정하고, 광대역(WDI, 100~1000 kHz)센서를 사용하였으며 이 때 감도는 센서로부터 25 mm이내 거리에서 평균 98 dB였다.
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