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문제 정의
- 이와 같이 여러 연구가 진행되고 있으나 이종 적층판의 두께 차이에서 오는 파괴특성에 대하여서는 아직 많은 연구가 이루어져 있지 않다. 따라서 본 연구는 복합재료의 많은 문제점 중에서 적층 두께가 다른 이종재료의 접합으로 이루어진 CFRP/GFRP 적층 복합재료에 대하여 혼합모드에서 파괴인성치를 획득함과 동시에 파손현상을 AE에 의한 특성치로 평가하였다.
제안 방법
- 손상기구해석을 위한 AE 특성평가는 AE 전용해석 보드인 AEDSP 장착 PC와 프리앰프 및 센서(R 15)로 구성된 AE 시스템을 사용하였다. AE 특성 평가 시 시험편 표면과 AE 센서 사이의 공기층을 제거하고 밀착시키기 위해 실리콘 접착매질을 바르고 천테이프로 압착하여 고정하였다. Fig.
- 이때 알루미늄 블록의 접착강도를 강화하기 위하여 약 100℃에서 약 30분간 열처리를 수행하여 사용하였다. 균열을 안정적으로 진전시키기 위하여 만능동적시험기(국내 H사)를 통해 a0/L비가 0.43으로 피로예비균열을 삽입하였다.
- 두께 영향을 고려한 이종 적층 복합재료를 구성하기 위해 GFRP는 모두 10 ply로 일정하게 하고 CFRP는 각각 20, 15, 12 및 10 ply로 변화시켜 GC20, GC15, GC12 및 GC10의 4가지 종류로 명명한 후 시험편을 제작하고 파괴시험을 수행하였다. 파괴시험은 혼합모드 굽힘 상태에서 이루어졌으며, 얻어진 하중과 하중선 변위 및 균열성장 길이를 Fig.
- 두께비가 다른 CFRP/GFRP 이종 적층 복합재의 혼합모드 시험편에 대한 파괴시험을 수행하여 파괴거동 및 AE 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 시험편 제작을 위해 가로 · 세로 각각 125×250 mm로 절단하였다.
- 7 (a), (b) 및 (c)는 각 CFRP/GFRP 적층판에 대하여 혼합모드 파괴시험 동안 실시간으로 획득된 AE 특성치인 AE 진폭과 AE 카운트를 균열성장길이, Δa에 대하여 평가한 관계를 나타낸다. 문턱값(threshold 값)인 46 dB 이하의 저 진폭은 무시하도록 설정하여 잡음은 최소화한 상태로 측정하였다. AE 특성 중 AE 카운트는 구조물이나 재료에 외력이 가해짐으로써 나타나는 손상 빈도를 나타내는 척도이다.
- 06mm로 성형되었다. 성형된 CFRP/GFRP 이종 적층 복합재료는 ASTM D6671-M068)을 참고하여 Fig. 1과 같은 형상과 치수로 절단 가공하였다.
- 따라서 시험편 제작을 위해 가로 · 세로 각각 125×250 mm로 절단하였다. 절단된 GFRP 프리프레그는 단일 방향으로 10 ply(겹) 적층하였고, CFRP 프리프레그는 10, 12, 15 및 20 ply로 4가지 종류로 적층하여 두께 변화에 대한 파괴거동 및 AE 특성치에 대한 영향을 검토하였다. Table 1은 프리프레그에 대한 기계적 특성치를 나타낸다.
- 혼합모드를 적용하기 위해 ASTM D6671-M068)을 참고하여 혼합모드용 지그를 자체적으로 변형 · 제작하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 실험재료는 이종접합복합재료를 만들기 위해 한국카본(주)에서 생산 · 시판되고 있는 직물구조의 CFRP 프리프레그와 현대카본에서 생산 · 시판되는 GFRP 프리프레그를 사용하였다.
- 균열길이는 디지털변환기가 부착된 이동식 실체현미경(Kyowa, ×20)을 이용하여 측정하였다. 손상기구해석을 위한 AE 특성평가는 AE 전용해석 보드인 AEDSP 장착 PC와 프리앰프 및 센서(R 15)로 구성된 AE 시스템을 사용하였다. AE 특성 평가 시 시험편 표면과 AE 센서 사이의 공기층을 제거하고 밀착시키기 위해 실리콘 접착매질을 바르고 천테이프로 압착하여 고정하였다.
- 시험편을 제작할 때 CFRP/GFRP 이종 적층판 사이에 두께 약 80 ㎛의 테프론을 50 mm 길이로 삽입하여 초기균열을 형성한 후 각각 적층된 CFRP/GFRP 이종 적층 복합재료는 열성형기에서 성형온도 약 130℃, 성형압력 약 2 MPa로 하여 60분 동안 가압 성형하였다. 시험편의 최종 두께는 GFRP는 1.2 mm로 성형되었고,여러 두께의 CFRP층의 경우에 10 ply는 2.09 mm, 12 ply는 2.33 mm, 15 ply와 20 ply는 각각 3.03 mm와 4.06mm로 성형되었다. 성형된 CFRP/GFRP 이종 적층 복합재료는 ASTM D6671-M068)을 참고하여 Fig.
데이터처리
- AE 신호는 프리앰프에서 40 dB로 증폭하였고 AE 문턱값(threshold)은Hsu-Nielsen source 법9)을 사용하여 46 dB로 설정하였다. AE 신호해석은 MISTRAS 프로그램10)을 이용하여 평가하였다.
이론/모형
- R15 센서는 공진주파수가 150 kHz이고 100 kHz∼300kHz의 밴드패스 필터를 사용하였다. AE 신호는 프리앰프에서 40 dB로 증폭하였고 AE 문턱값(threshold)은Hsu-Nielsen source 법9)을 사용하여 46 dB로 설정하였다. AE 신호해석은 MISTRAS 프로그램10)을 이용하여 평가하였다.
- 균열길이는 디지털변환기가 부착된 이동식 실체현미경(Kyowa, ×20)을 이용하여 측정하였다.
- 혼합모드 에너지 해방률 평가식은 Williams 해석식을 기본으로 유도한 Marannano11)의 하이브리드 직교 이방성 적층판 적용식 (1)∼(4)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 시험편의 최대하중은 GC20의 150.4 N에서부터 GC10의 61.2 N까지 두께가 작아짐에 따라 점차 감소하였으며, 균열개시 시점은 모든 경우에서 최대 하중에 도달하기 전에 나타났고, 균열진전크기는 두께가 두꺼워질수록 균열은 더 크게 진전하였다.
- 2) Mode I 에너지 해방률 파괴인성치 #은 GC20,GC15, GC12 및 GC10의 순서로 1531.51, 786.16, 697.94 및 468.96 kJ/m2 얻어져 CFRP 적층 수가 가장 높은 GC20 시험편의 에너지 해방율이 가장 높게 나타났다.
- 4) 재료의 손상크기를 나타내는 AE 특성인 최대 AE 진폭은 GC20, GC12 및 GC10의 순으로 각각 63.4, 69.2 및 70 dB로 나타났으며, 이것은 CFRP적층부의 강성이 낮아짐에 따라 손상정도가 더 크게 발생되고 있음을 나타낸다고 여겨진다.
- 2 dB의 큰 진폭이 측정되었다. GC10인 경우에도 마찬가지로 하중 증가율이 약간 감소한 구간에서 AE 진폭이 조금씩 관찰되기 시작했으며 하중이 급감하게 된 지점인 약 1,600 sec에서 최대 AE 진폭인 70 dB이 측정되었고 이후 계속된 하중의 증감형태에서 감소하는 지점마다 큰 진폭이 관찰되었다. 두께에 따른 AE 진폭크기를 비교해 볼 때 GFRP에 대한 CFRP의 두께비가 낮을수록 최대 AE 진폭은 더 크게 나타났으며 이것은 CFRP적층부의 강성이 낮아짐에 따라 손상정도가 더 크게 발생되고 있음을 나타내는데 이것은 단면적의 감소로 섬유소의 부피분율이 감소하게 되고 기지의 계면분리현상이 증가하여 손상이 증가한다고 여겨진다.
- AE 카운트가 재료의 손상빈도를 나타낸다면 AE 진폭의 경우에는 그 손상의 크기를 나타내는 척도이다. GC20에서 하중이 처음으로 감소하는 구간인 약 900 sec 지점에서 59.3 dB의 큰 진폭을 확인하였고 그 이후 하중이 다시 증가하는 형태를 보이다가 다시 감소하는 약 1,130 sec 구간에서 63.3 dB의 큰 진폭이 관찰되었다. 이후 계속된 증감형태의 하중을 보이다가 변위가 13.
- 02 mm 까지 성장하여 두께가 두꺼워질수록 균열은 더 크게 진전하였다. GC20의 균열진전크기에 해당되는 1,860 sec에서 같은 시간의 GC15, GC12 및 GC10의 균열진전크기는 각각 19.48, 10.63 및 7.48 mm로 얻어졌으며, GC20의 경우 상대적으로 두께가 두꺼워 동일한 변위에 대하여 컴플라이언스가 작으므로 더 많은 하중이 작용되어 균열진전이 많이 진행된 것으로 여겨진다.
- 각각의 시험편 GC20, GC12 및 GC10의 실험종료 시점까지 누적된 AE 카운트는 각각 7.13×105, 12.46×105 및 2.26×105으로 얻어졌으나, GC20의 최대 누적 AE 카운트에 해당되는 1,860 sec와 같은 동일시간대에서는 GC12의 AE 카운트가 6.26×105, GC10의 경우는 1.40×105으로 얻어져, GC20의 AE 카운트가 비교적 많은 카운트 수가 얻어진 결과로 보아 높은 하중을 받아 손상빈도가 많은 것으로 여겨진다.
- GC10인 경우에도 마찬가지로 하중 증가율이 약간 감소한 구간에서 AE 진폭이 조금씩 관찰되기 시작했으며 하중이 급감하게 된 지점인 약 1,600 sec에서 최대 AE 진폭인 70 dB이 측정되었고 이후 계속된 하중의 증감형태에서 감소하는 지점마다 큰 진폭이 관찰되었다. 두께에 따른 AE 진폭크기를 비교해 볼 때 GFRP에 대한 CFRP의 두께비가 낮을수록 최대 AE 진폭은 더 크게 나타났으며 이것은 CFRP적층부의 강성이 낮아짐에 따라 손상정도가 더 크게 발생되고 있음을 나타내는데 이것은 단면적의 감소로 섬유소의 부피분율이 감소하게 되고 기지의 계면분리현상이 증가하여 손상이 증가한다고 여겨진다.
- 시험편을 제작할 때 CFRP/GFRP 이종 적층판 사이에 두께 약 80 ㎛의 테프론을 50 mm 길이로 삽입하여 초기균열을 형성한 후 각각 적층된 CFRP/GFRP 이종 적층 복합재료는 열성형기에서 성형온도 약 130℃, 성형압력 약 2 MPa로 하여 60분 동안 가압 성형하였다. 시험편의 최종 두께는 GFRP는 1.
- 4종류의 시험편은 피로예비균열이 삽입된 지점까지 두께 변화와 관계없이 선형적으로 하중이 증가하였다. 시험편의 최대 하중은 GC20의 150.4 N에서부터 GC10의 61.2 N까지 두께가 작아짐에 따라 당연한 결과로써 점차 감소하였으며 최대 하중에 대응되는 하중점 변위는 8.84,12.30, 13.57 및 15.70 mm로 점점 커지고 있음을 알 수 있다. 또한 하중은 최대 하중 이후 감소하는데 GC20인 경우에는 다소 급속히 저하하지만 CFRP의 두께가 얇아짐에 따라 점점 저하속도가 완만하게 나타난다.
- 3 dB의 큰 진폭이 관찰되었다. 이후 계속된 증감형태의 하중을 보이다가 변위가 13.2 및 15.1 mm인 최대 균열 직전의 1,570 및 1,820 sec 지점에서 62.5 및 63.4 dB의 최대 AE 진폭을 확인하였다. GC12의 경우에는 초기균열이 일어나기 전 하중증가율이 다소 감소한 구간에서 AE 진폭이 점차 관찰되기 시작하였으며 초기균열이 발생하여 하중 감소가 이루어진 지점인 약 1,660 sec에서 최대 AE 진폭인 69.
후속연구
- 여기서 얻어진 결과는 혼합모드를 받는 이종 적층복합재료의 적층분리 및 손상평가를 위한 AE 특성치의 적용에 대한 기초적인 자료를 제공할 것으로 판단된다.
- 5에서 결과의 타당성을 나타낸다. 이 결과에 대하여 향후 CFRP의 적층 수를 더 적게 한보다 더 많은 경우의 여러 시험편을 제작하여 확인 실험을 수행할 예정이다. Mode Ⅱ 에너지 해방률 GⅡ에 있었어도 GC15의 경우에 가장 안정적인 저항곡선을 나타내고 있음을 알 수 있다.
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