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문제 정의
- 토목분야에서 널리 사용되는 섬유로는 유리섬유, 탄소섬유이다. 본 연구에서는 가격이 저렴하고 충분히 목표성능을 만족하는 유리섬유 복합재료의 재료시험을 수행하였다.
제안 방법
- 단일방향 복합재료의 재료성능을 측정하기 위해 인장, 압축, 평면전단 시험을 실시하였고, 섬유의 종과 횡 비율을 달리하여 적층한 직물복합재료의 섬유의 재료시험을 수행하였다. 모든 시험은 ASTM규준을 따라 수행하였다.
- 단일방향의 복합재료를 ASTM 시험방법기준에 따라 인장, 압축, 평면전단시험을 수행하고, 섬유의 종과 횡 적층 비율에 따른 직물복합재료의 재료시험을 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 직물로 구성된 복합재료는 섬유의 종과 횡 비율에 따라 다른 파괴특성을 보이기 때문에 비율에 따른 기계적 물성의 거동을 고려해야한다. 따라서 섬유의 종과 횡 비율을 9:1, 8:2, 6:4를 변수로 시험을 수행하였다. Table 3에 시험변수를 나타내었다.
- 본 연구에서는 제작한 단일방향 복합재료의 인장, 압축, 면내전단시험을 수행하였고 섬유의 종과 횡 비율을 달리하여 적층한 직물복합재료의 인장시험을 수행하였다. 모든 시험은 ASTM에서 제시한 시험규준을 따라 수행하였고, 이를 통하여 단일방향 복합재료의 재료특성과 섬유의 종과 횡 비율에 따른 직물복합재료의 재료특성을 분석하였다.
- 모든 시험은 UTM을 이용하여 상온에서 수행하였다. 인장과 압축시험의 시험속도는 2mm/min, 면내전단시험은 4mm/min으로 변위제어를 하였고 중앙부에 1축 스트레인게이지를 하중작용방향으로 부착하여 변형률을 측정하였다.
- 본 연구에서는 제작한 단일방향 복합재료의 인장, 압축, 면내전단시험을 수행하였고 섬유의 종과 횡 비율을 달리하여 적층한 직물복합재료의 인장시험을 수행하였다. 모든 시험은 ASTM에서 제시한 시험규준을 따라 수행하였고, 이를 통하여 단일방향 복합재료의 재료특성과 섬유의 종과 횡 비율에 따른 직물복합재료의 재료특성을 분석하였다.
- 인장 및 압축시험의 시편은 유리섬유가 하중작용방향과 0°를 이루도록, 면내전단시험의 시편은 유리섬유가 하중작용방향과 ±45°를 이루도록 적층하였다. 시편 양단의 보강대는 시편 물림구 부분에 작용되는 응력을 감소시키고 시편의 중앙부에 파단을 유도하기 위하여 제작하였다.
- 모든 시험은 UTM을 이용하여 상온에서 수행하였다. 인장과 압축시험의 시험속도는 2mm/min, 면내전단시험은 4mm/min으로 변위제어를 하였고 중앙부에 1축 스트레인게이지를 하중작용방향으로 부착하여 변형률을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- D3518 시편형상은 D3039시편과 유사하나, 섬유를 하중방향의 ±45°로 적층하여 제작한다.
- 시험규준에 따라 인장시험체의 크기는 두께 2mm, 폭 15mm, 총 길이 250mm로 하였고, 5개 제작하였다.
- 시험규준에 따라 인장시험체의 크기는 두께 3mm, 폭 15mm, 총 길이 250mm, 물림구의 길이 56mm로 하였고, 압축시험체의 크기는 평균 두께 3mm, 폭 10mm, 총 길이 142mm, 물림구의 길이 65mm로 하였으며, 면내전단시험체의 크기는 두께 4.7mm, 폭 25mm, 총 길이 250mm로 하였다. 각 시험규준에 따른 시편형상을 Fig.
- 시험체 제작에 섬유는 유리섬유를 사용하였고 매트릭스는 에폭시수지를 사용하였다. 인장 및 압축시험의 시편은 유리섬유가 하중작용방향과 0°를 이루도록, 면내전단시험의 시편은 유리섬유가 하중작용방향과 ±45°를 이루도록 적층하였다.
이론/모형
- 단일방향 복합재료의 재료성능을 측정하기 위해 인장, 압축, 평면전단 시험을 실시하였고, 섬유의 종과 횡 비율을 달리하여 적층한 직물복합재료의 섬유의 재료시험을 수행하였다. 모든 시험은 ASTM규준을 따라 수행하였다.
- 시험편의 면내전단시험은 ASTM D3518(ASTM D3518/D3518M, 2008)규준에 따라 구한다. D3518 시편형상은 D3039시편과 유사하나, 섬유를 하중방향의 ±45°로 적층하여 제작한다.
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1.2 압축시험
시험편의 압축강도는 ASTM D3410(ASTM D3410/D3410M, 2008)규준에 따라 단축압축시험을 통해 구한다
. D3410시편의 형상은 Fig. -
2.2 직물복합재료 시험방법
시험편의 인장강도는 ASTM D3039 규준에 따라 단축 인장시험으로부터 구하였다.
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1.2 시험방법
시험편의 인장강도는 ASTM D3039 규준에 따라, 압축강도는 ASTM D3410규준에 따라, 면내전단강도는 ASTM D3518규준에 따라 단축 시험으로부터 구하였다.
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1.1 인장시험
시험편의 인장강도는 ASTM D3039(ASTM D3039/D3039M, 2007)규준에 따라 단축인장시험을 통해 구한다
. D3039시편의 형성은 Fig.
성능/효과
- 1. 각 시험별 ASTM 시험규준에 따라 단일방향복합재료를 인장, 압축, 면내전단시험을 한 결과 인장과 압축시험의 응력-변형률은 파괴시까지 선형거동을 보이지만, 면내전단시험은 초기에 선형거동을 보이다 파괴시까지 비선형거동을 보였다.
- 2. 단일방향복합재료의 시험결과 인장과 압축시험의 탄성계수는 유사하고 최대압축강도와 변형률이 인장시험보다 작게 측정되었다.
- 3. 직물복합재료의 종과 횡 적층비율에 따른 인장시험결과 9:1과 8:2의 응력-변형률은 시험체 파괴시까지 선형을 보이지만, 적층비율이 6:4인 경우 초기에 선형거동을 보이다 파괴시까지 비선형거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
- 4. GFT-64는 최대인장변형률은 크게 측정되었으나, 최대인장강도와 탄성계수가 다른 변수에 비하여 작게 측정되었고, GFT-82는 최대인장강도와 탄성계수는 가장 크게 측정되었으나 최대인장변형률은 가장 작게 측정되었다. GFT-91은 최대인장강도, 변형률과 탄성계수가 비교적 크게 측정되었다.
- GFT-64는 최대인장변형률은 크게 측정되었으나, 최대인장강도와 탄성계수가 다른 변수에 비하여 작게 측정되었고, GFT-82는 최대인장강도와 탄성계수는 가장 크게 측정되었으나 최대인장변형률은 가장 작게 측정되었다. GFT-91은 최대인장강도, 변형률과 탄성계수가 비교적 크게 측정되었다. 이를 바탕으로 용도에 적합한 직물복합재료를 제작할 수 있다.
- Table 4는 각 변수별 시험결과를 평균하여 나타낸 것이다. 섬유의 종과 횡 비율을 변수로 인장강도 시험을 수행한 결과 GFT-64는 최대인장변형률은 크게나왔으나, 최대인장강도와 탄성계수가 다른 변수에 비하여 작게 측정되었고, GFT-82는 최대인장강도와 탄성계수는 가장 크게 측정되었으나 최대인장변형률은 가장 작게 측정되었다. GFT-91은 최대인장강도, 최대인장변형률과 탄성계수가 비교적 크게 측정되었음을 확인할 수 있다.
- 각 시험별 5개 시편의 시험결과 응력-변형률 관계곡선은 유사하게 측정되었다. 인장과 압축시험결과 응력-변형률은 파괴시까지 선형거동을 보이지만, 면내전단시험은 초기에 선형거동을 보이다 파괴시까지 비선형거동을 보였다.
- 8은 직물복합재료의 인장시험을 통한 응력-변형률 관계그래프를 나타낸 것이다. 직물복합재료의 종과횡 적층비율이 9:1과 8:2의 응력-변형률은 시험체 파괴시까지 선형을 보이지만, 적층비율이 6:4인 경우 초기에 선형거동을 보이다 파괴시까지 비선형거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
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