탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 공기결합 초음파탐상검사(air coupled ultrasonic testing; 이하 ACUT) 시스템을 이용하여 흡습된 CFRP의 비파괴적 특성을 평가하고자 하였다. CFRP 시험편을 직접 제작한 후 고온다습한 환경을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 $75^{\circ}C$의 증류수에 30일, 60일, 120일간 침지하였고, ACUT를 이용하여 흡습에 의한 CFRP 시험편의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지와 흡습 전과 후의 신호의 전파시간 변화를 통해 초음파 신호 특성 변화를 고찰하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다.
탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 공기결합 초음파탐상검사(air coupled ultrasonic testing; 이하 ACUT) 시스템을 이용하여 흡습된 CFRP의 비파괴적 특성을 평가하고자 하였다. CFRP 시험편을 직접 제작한 후 고온다습한 환경을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 $75^{\circ}C$의 증류수에 30일, 60일, 120일간 침지하였고, ACUT를 이용하여 흡습에 의한 CFRP 시험편의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지와 흡습 전과 후의 신호의 전파시간 변화를 통해 초음파 신호 특성 변화를 고찰하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다.
Carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) composites are increasingly being used in a variety of industry applications, such as aircraft, automobiles, and ships because of their high specific stiffness and high specific strength. Aircraft are exposed to high temperatures and high humidity for a long du...
Carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) composites are increasingly being used in a variety of industry applications, such as aircraft, automobiles, and ships because of their high specific stiffness and high specific strength. Aircraft are exposed to high temperatures and high humidity for a long duration during flights. CFRP materials of the aircraft can absorb water, which could decrease the adhesion strength of these materials and cause their volumes to change with variation in internal stress. Therefore, it is necessary to estimate the characteristics of CFRP composites under actual conditions from the viewpoint of aircraft safety. In this study air-coupled ultrasonic testing (ACUT) was applied to the evaluation of water absorption properties of CFRP composites. CFRP specimens were fabricated and immersed in distilled water at $75^{\circ}C$ for 30, 60, and 120 days, after which their ultrasonic images were obtained by ACUT. The water absorption properties were determined by quantitatively analyzing the changes in ultrasonic signals. Further, shear strength was applied to the specimens to verify the changes in their mechanical properties for water absorption.
Carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) composites are increasingly being used in a variety of industry applications, such as aircraft, automobiles, and ships because of their high specific stiffness and high specific strength. Aircraft are exposed to high temperatures and high humidity for a long duration during flights. CFRP materials of the aircraft can absorb water, which could decrease the adhesion strength of these materials and cause their volumes to change with variation in internal stress. Therefore, it is necessary to estimate the characteristics of CFRP composites under actual conditions from the viewpoint of aircraft safety. In this study air-coupled ultrasonic testing (ACUT) was applied to the evaluation of water absorption properties of CFRP composites. CFRP specimens were fabricated and immersed in distilled water at $75^{\circ}C$ for 30, 60, and 120 days, after which their ultrasonic images were obtained by ACUT. The water absorption properties were determined by quantitatively analyzing the changes in ultrasonic signals. Further, shear strength was applied to the specimens to verify the changes in their mechanical properties for water absorption.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 고온다습한 환경에서의 노출을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 75℃의 증류수에 CFRP를 장기간 잠기게 하였다. 그리고 이런 환경에 CFRP가 장기간 노출되었을 때, 기계적 성질의 변화로 인해 발생하는 초음파신호 특성 변화에 중점을 두고 연구를 진행하였다. ACUT를 이용하여 침지 기간별로 흡습 전과 후의 CFRP의 특성 변화를 이미지화 하고, 흡습에 따른 초음파 신호의 변화를 전파시간 변화를 통해 확인하였다.
ACUT를 이용하여 침지 기간별로 흡습 전과 후의 CFRP의 특성 변화를 이미지화 하고, 흡습에 따른 초음파 신호의 변화를 전파시간 변화를 통해 확인하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 검증하고자 하였다.
가설 설정
V : 재료의 음속 (m/s)이다.
서론에 언급하였듯이 CFRP는 고온다습한 환경에서 매우 취약함을 보이는바, 이러한 환경에서 장시간 사용되는 것을 가정하여 항온수조를 사용하였다. 김명호 등[14]에 의하면 항공기가 실제 운항 시, 외부 온도가 약 80℃까지 올라가는 것으로 보고하였다.
제안 방법
ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습에 따른 변화를 비파괴적인 방법으로 확인하였고 전단강도 평가를 통해 흡습으로 인한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다. 비파괴적인 흡습 분석 결과와 전단강도 평가 결과를 비교해 본 결과, 침지시간이 증가함에 따라 신호의 전파시간과 전단 강도가 비슷한 경향으로 저하하는 것을 알 수 있었다.
그리고 이런 환경에 CFRP가 장기간 노출되었을 때, 기계적 성질의 변화로 인해 발생하는 초음파신호 특성 변화에 중점을 두고 연구를 진행하였다. ACUT를 이용하여 침지 기간별로 흡습 전과 후의 CFRP의 특성 변화를 이미지화 하고, 흡습에 따른 초음파 신호의 변화를 전파시간 변화를 통해 확인하였다. 또한 전단강도 평가를 통해 흡습에 의한 기계적 특성 변화를 검증하고자 하였다.
CFRP시험편의 흡습률을 구하기 위해 흡습전 무게(초기 값)와 일정기간 흡습후의 무게를 측정하였다. 무게 측정 시에는 오차를 줄이기 위해 수조에서 꺼낸 후 가능한 빠른 시간 내에 측정하였으며 시험편 표면의 수분을 제거한 후에 측정하였다.
본 연구에서는 ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습에 따른 변화를 초음파 C-scan 이미지로 나타냈다. 그리고 초음파 신호의 전파시간 변화와 흡습에 따른 기계적 특성 변화와의 상관성을 분석하였다. 또한 흡습에 따른 기계적 특성 변화를 검증하기 위해 전단강도를 평가하고 비파괴검사 결과와 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이때 초음파 회절신호는 투과 신호보다 매우 크기 때문에 흡습으로 인한 이미지 변화를 측정할 수 없다. 따라서 Fig. 5와 같이 양 옆으로 2개의 시험편을 같이 고정시켜 총 3개의 시험편을 고정시킬 수 있도록 아크릴케이스를 제작하였다.
공기 중을 전파하는 초음파는 공기에서의 신호 감쇠와 공기와 시험편의 음향 임피던스 차이로 인해 시험편 내부로 충분한 신호를 투과시킬 수 없다. 따라서 고출력의 톤버스트 파를 송신하는 펄서리시버와 효율적으로 공기 중에서 초음파를 송수신할 수있는 ACUT 탐촉자, 그리고 필요한 신호만을 효율적으로 증폭시키는 외부 프리앰프로 시스템을 구성하여 투과신호의 송수신이 가능하도록 하였다[11,12].
본 연구에서 사용되는 점집속형 탐촉자의 경우 초음파를 집속시켜서 송수신하기 때문에 탐촉자 간의 최적초점거리로 탐상을 하여야 높은 감도의 신호와 높은 분해능의 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 최적초점거리를 확인하기 위해 수신 탐촉자를 고정시킨 상태에서 송신 탐촉자만을 이동하면서 탐촉자간 거리를 변경하여 Table 2의 조건으로 탐촉자 사이에 시험편 없이 공기 중으로 전파하는 신호를 취득하였다. 탐촉자간 거리에 따라 수신되는 초음파 신호의 진폭 크기와 초점 사이즈를 측정하여 이 결과를 통해 탐촉자간의 최적거리를 확인하였다.
4와 같다. 또한 시험편을 구별하기 위해 각 시험편의 좌측 상단에 + 표시와 넘버링을 레이저 각인하였고 흡습 전과 후에 같은 위치에서 데이터를 취득할 수 있도록 + 표시를 영점으로 기준을 잡았다.
그리고 초음파 신호의 전파시간 변화와 흡습에 따른 기계적 특성 변화와의 상관성을 분석하였다. 또한 흡습에 따른 기계적 특성 변화를 검증하기 위해 전단강도를 평가하고 비파괴검사 결과와 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
CFRP시험편의 흡습률을 구하기 위해 흡습전 무게(초기 값)와 일정기간 흡습후의 무게를 측정하였다. 무게 측정 시에는 오차를 줄이기 위해 수조에서 꺼낸 후 가능한 빠른 시간 내에 측정하였으며 시험편 표면의 수분을 제거한 후에 측정하였다. 흡습률은 흡습 전과 후의 무게를 식(4)에 대입하여 계산하였다[15].
흡습 전과 후의 기계적 특성 변화를 확인하기 위해 만능시험기(Instron4467, Instron, Norwood, MA, USA)를 이용하여 상온에서 2 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 변형률 측정을 위해 시험편에 extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집장치(data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다. 시험편 끝단에는 그립으로부터의 손상과 슬립을 방지하기 위하여 Fig.
본 연구에서는 ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습에 따른 변화를 초음파 C-scan 이미지로 나타냈다. 그리고 초음파 신호의 전파시간 변화와 흡습에 따른 기계적 특성 변화와의 상관성을 분석하였다.
본 연구에서는 고온다습한 환경에서의 노출을 설정하기 위해 항온수조를 이용하여 75℃의 증류수에 CFRP를 장기간 잠기게 하였다. 그리고 이런 환경에 CFRP가 장기간 노출되었을 때, 기계적 성질의 변화로 인해 발생하는 초음파신호 특성 변화에 중점을 두고 연구를 진행하였다.
시험편을 제작하기 위해서 prepreg sheet를 250 mm ×250 mm의 크기로 절단하였고 이를 이용하여 시험편의 최종 두께가 2 mm가 되도록, 절단된 prepreg sheet를 16 ply로 적층하였다.
따라서 이러한 고온의 외부온도에 더하여 습도가 높은 상태를 모사하기 위해, 제작한 CFRP시험편을 75℃(± 2℃)의 증류수 속에 침지시켰다. 시험편의 구성은 침지시키지 않은 시험편과 일정기간 침지시킨 시험편을 침지기간 별로 나누었고 1set당 4개씩 구성하였다(Table 1).
5 mm 간격으로 이동하며 초음파 신호를 취득하였다. 이 취득한 신호의 흡습 전과 후의 전파시간 변화를 분석하여 이를 통해 흡습에 의한 CFRP의 신호 특성 변화를 확인하였다.
초음파 C-scan 이미지 변화만으로는 기계적 특성 변화를 정량적으로 측정할 수 없기 때문에 정량적인 흡습 평가를 위해 초음파 신호의 특성 변화를 분석하였다. 이를 위해 흡습 전과 후의 시험편을 투과한 신호로부터 전파시간차를 측정하여 흡습에 의한 기계적 특성 변화와의 상관성을 분석하였다. Fig.
초음파 C-scan 이미지 취득 방법은 시험편을 고정시킨 케이스를 ACUT 스테이지에 고정시킨 후 탐촉자 음장 특성 실험을 통해 확인한 탐촉 자간 최적거리 33 mm로 송수신 탐촉자를 세팅 후 CFRP를 투과하여 최적의 수신감도를 보이는 주파수로 조절하였으며, Table 3에 나타낸 탐상조건으로 탐상 소프트웨어를 실행하여 CFRP를 탐상하였다. 이를 통해 취득한 초음파 C-scan 이미지를 분석하여 각 시험편의 흡습 전과 후의 CFRP의 특성변화를 확인하였다.
적층된 시험편을 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 경화하였고 시험편의 성형 조건은 경화온도 120℃, 경화시간은 총 230분이며, 100℃에서부터 5 kg/cm2 의 압력을 가하여 성형하였다. 시험편을 완전히 성형시킨 후 다이아몬드 커터를 이용하여 25 mm × 240 mm (폭 × 길이)의 시험편 크기로 절단하였으며 제작된 시험편의 사이즈는 Fig.
전단강도는 ASTM D3518–3518M–94[16]에서 제시하는 식을 이용하였고 이를 통해 흡습하지 않은 시험편과 일정기간 흡습 후의 CFRP의 기계적 특성 변화를 확인하였다.
초음파 C-scan 이미지 변화만으로는 기계적 특성 변화를 정량적으로 측정할 수 없기 때문에 정량적인 흡습 평가를 위해 초음파 신호의 특성 변화를 분석하였다. 이를 위해 흡습 전과 후의 시험편을 투과한 신호로부터 전파시간차를 측정하여 흡습에 의한 기계적 특성 변화와의 상관성을 분석하였다.
초음파 C-scan 이미지 취득 방법은 시험편을 고정시킨 케이스를 ACUT 스테이지에 고정시킨 후 탐촉자 음장 특성 실험을 통해 확인한 탐촉 자간 최적거리 33 mm로 송수신 탐촉자를 세팅 후 CFRP를 투과하여 최적의 수신감도를 보이는 주파수로 조절하였으며, Table 3에 나타낸 탐상조건으로 탐상 소프트웨어를 실행하여 CFRP를 탐상하였다. 이를 통해 취득한 초음파 C-scan 이미지를 분석하여 각 시험편의 흡습 전과 후의 CFRP의 특성변화를 확인하였다.
흡습에 의한 CFRP의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지로 확인하기 위해 ACUT을 이용하여 CFRP를 측정하였다. 탐상 방법으로는 두 개의 탐촉자 사이에 시험편을 두고 탐상하는 투과법을 사용하였다. C-scan 탐상 시, 탐촉자의 사이즈가 시험편의 사이즈보다 크기 때문에 시험편을 투과한 신호뿐만 아니라 시험편 주위로 회절된 신호가 수신된다.
따라서 최적초점거리를 확인하기 위해 수신 탐촉자를 고정시킨 상태에서 송신 탐촉자만을 이동하면서 탐촉자간 거리를 변경하여 Table 2의 조건으로 탐촉자 사이에 시험편 없이 공기 중으로 전파하는 신호를 취득하였다. 탐촉자간 거리에 따라 수신되는 초음파 신호의 진폭 크기와 초점 사이즈를 측정하여 이 결과를 통해 탐촉자간의 최적거리를 확인하였다.
흡습 전과 후의 기계적 특성 변화를 확인하기 위해 만능시험기(Instron4467, Instron, Norwood, MA, USA)를 이용하여 상온에서 2 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 변형률 측정을 위해 시험편에 extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집장치(data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다.
흡습에 의한 CFRP 특성 변화를 초음파의 신호 변화로 확인하기 위해 C-scan 탐상 후에 동일한 조건에서 ACUT시스템에 오실로스코프를 연결하여 시험편을 투과하는 초음파신호를 취득하였다.
흡습에 의한 CFRP의 특성 변화를 초음파 C-scan 이미지로 확인하기 위해 ACUT을 이용하여 CFRP를 측정하였다. 탐상 방법으로는 두 개의 탐촉자 사이에 시험편을 두고 탐상하는 투과법을 사용하였다.
흡습으로 인한 CFRP시험편의 특성 변화를 ACUT를 이용하여 초음파 C-scan 이미지와 초음파 신호의 전파시간 변화를 통해 비파괴적으로 확인하고, CFRP 시험편의 기계적 특성 변화를 검증하기 위해 침지기간별로 전단강도를 분석하였다. 전단강도를 평균값으로 계산하여 Table 4에 나타내었고 평균값을 이용하여 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 CFRP는 [± 45°]8로 적층된 시험 편으로 전단강도를 측정하였다.
3은 실제 구성된 시스템을 나타낸다. 시스템 구성은 일본 Japan Probe사에서 개발한 ACUT 탐촉자 (AR0.8K20N R20), 펄서리시버 (JPR10CN), 프리앰프 (PR-60A), 고속 디지타이저 (PXI-5114) 등으로 이루어져 있다. 공기 중을 전파하는 초음파는 공기에서의 신호 감쇠와 공기와 시험편의 음향 임피던스 차이로 인해 시험편 내부로 충분한 신호를 투과시킬 수 없다.
변형률 측정을 위해 시험편에 extensometer를 부착하였고 시험기와 연결된 데이터 수집장치(data acquisition system)를 통해 하중 및 변위 데이터를 저장하였다. 시험편 끝단에는 그립으로부터의 손상과 슬립을 방지하기 위하여 Fig. 7과 같이 유리섬유강화 플라스틱 (GFRP) 탭(두께: 2 mm)을 부착하였고, 인장시험을 통해 흡습하지 않은 시험편과 침지기간별 흡습시험편에서 인장강도 데이터를 얻었다. 본 연구에서 사용된 CFRP는 [± 45°]8로 적층된 시험 편으로 전단강도를 측정하였다.
시험편은 SK Chemical (주)에서 시판되는 USN 125B prepreg sheet를 이용하여 오토클레이브 (autoclave) 성형 방법으로 제작하였다. 시험편을 제작하기 위해서 prepreg sheet를 250 mm ×250 mm의 크기로 절단하였고 이를 이용하여 시험편의 최종 두께가 2 mm가 되도록, 절단된 prepreg sheet를 16 ply로 적층하였다.
2 mm)방향으로 이동하여 탐촉자를 시험편의 중앙 부분에 위치시킨다. 신호 취득 범위는 탐촉자가 이동한 곳에서 X축 방향으로 10 mm, Y축 방향으로 25 mm이다(Fig. 6). 초음파 C-scan 이미지 측정 때와 같이 scan pitch 0.
이론/모형
적층 순서는 [± 45°]8 로 ASTM D3518M[13]의 기준에 맞추어 시험편을 제작하였다.
성능/효과
1) 흡습에 따른 재료의 음향 임피던스 변화로 초음파의 투과율 변화가 발생하기 때문에 초음파 C-scan 이미지로 CFRP의 변화를 측정할 수 있음을 확인하였다.
2) 흡습 전에 비해 흡습 후 신호의 전파시간이 감소하는 것을 확인하였다. 침지시간이 증가할수록 초음파의 전파시간은 감소하였으며, 침지시간이 120일 경과 후의 경우는 전파시간이 약 17%정도 감소하는 것을 확인하였다.
3) 흡습으로 인한 재료의 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하기 위해 전단강도를 평가한 결과, 침지시간이 증가할수록 시험편의 전단강도가 저하하였으며 침지시간이 120일 경과 후의 경우는 전단강도가 약 10%정도 저하하는 것을 확인하였다.
11은 흡습에 따른 신호의 전파시간 변화를 이미지화한 것이다. 그 결과 흡습 전에 비해 흡습 후 신호의 전파시간이 감소하는 것을 확인 하였다. 신호의 전파시간 변화는 Fig.
따라서 초음파의 전파시간이 감소한 것은 흡습으로 인해 재료에서의 음속이 증가하는 변화를 나타내며, 이는 곧 재료의 음향 임피던스의 변화로 나타나게 된다. 그러므로 흡습에 따른 CFRP의 전파시간 변화를 분석하여 비파괴적인 흡습 평가가 가능함을 확인하였다.
초음파 C-scan 이미지 측정 결과로부터 점선으로 표시된 위치의 흡습 전 시험편과 이를 고정하고 회절신호를 억제하기 위해 사용된 시험편 모두 비슷한 음압강도로 이미지 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 그와 달리 흡습 후 이미지에서는 점선 위치의 흡습된 시험편이 흡습 전보다 적색 부분이 더욱 진하고 넓게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
비파괴적인 흡습 분석 결과와 전단강도 평가 결과를 비교해 본 결과, 침지시간이 증가함에 따라 신호의 전파시간과 전단 강도가 비슷한 경향으로 저하하는 것을 알 수 있었다. 따라서 ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습 특성을 비파괴적으로 평가가 가능하다는 것을 실험적으로 검증하였다.
CFPF에 비해 물은 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 갖고 있어 흡습으로 인해 시험편의 음향 임피던스가 낮아져 공기와의 음향 임피던스 차가 작아져서 초음파 투과율이 증가된 것으로 판단된다. 따라서 재료의 음향 임피던스 변화로 초음파 투과율의 변화가 일어나 Fig. 9과 같이 흡습에 따른 CFRP의 변화를 초음파 C-scan 이미지 변화로 측정할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 사용되는 점집속형 탐촉자의 경우 초음파를 집속시켜서 송수신하기 때문에 탐촉자 간의 최적초점거리로 탐상을 하여야 높은 감도의 신호와 높은 분해능의 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 최적초점거리를 확인하기 위해 수신 탐촉자를 고정시킨 상태에서 송신 탐촉자만을 이동하면서 탐촉자간 거리를 변경하여 Table 2의 조건으로 탐촉자 사이에 시험편 없이 공기 중으로 전파하는 신호를 취득하였다.
ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습에 따른 변화를 비파괴적인 방법으로 확인하였고 전단강도 평가를 통해 흡습으로 인한 기계적 특성 변화를 실험적으로 검증하였다. 비파괴적인 흡습 분석 결과와 전단강도 평가 결과를 비교해 본 결과, 침지시간이 증가함에 따라 신호의 전파시간과 전단 강도가 비슷한 경향으로 저하하는 것을 알 수 있었다. 따라서 ACUT를 이용하여 CFRP의 흡습 특성을 비파괴적으로 평가가 가능하다는 것을 실험적으로 검증하였다.
그 결과 흡습 전에 비해 흡습 후 신호의 전파시간이 감소하는 것을 확인 하였다. 신호의 전파시간 변화는 Fig. 12와 같이 30일에서는 흡습 전 전파시간에 비해 변화가 거의 없으나, 60일에서는 15.2%, 120일에서는 16.7%로 침지시간이 길어짐에 따라 신호의 전파시간이 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
13에 그래프로 나타내었다. 이 결과로부터 흡습하지 않은 시험 편에 비해, 30일 동안 흡습된 CFRP 시험편에 서는 전단강도의 큰 변화는 나타나진 않았지만 60일과 120일로 침지기간이 길어짐에 따라 전단강도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
오른쪽 컬러바는 수신되는 초음파의 에너지, 즉 음압강도에 따라 표시되며, 기준 음압강도를 1로 표시하였다. 초음파 C-scan 이미지 측정 결과로부터 점선으로 표시된 위치의 흡습 전 시험편과 이를 고정하고 회절신호를 억제하기 위해 사용된 시험편 모두 비슷한 음압강도로 이미지 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 그와 달리 흡습 후 이미지에서는 점선 위치의 흡습된 시험편이 흡습 전보다 적색 부분이 더욱 진하고 넓게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
2) 흡습 전에 비해 흡습 후 신호의 전파시간이 감소하는 것을 확인하였다. 침지시간이 증가할수록 초음파의 전파시간은 감소하였으며, 침지시간이 120일 경과 후의 경우는 전파시간이 약 17%정도 감소하는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 복합재료의 적용이 증가하는 이유는?
탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다.
CFRP의 단점은?
탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastics; 이하 CFRP)는 금속재료에 비해 중량이 가벼우면서도 비강도와 비강성이 높은 재료로 항공기, 자동차, 선박 등의 다양한 분야에서 적용이 증가하고 있다. CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다.
CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위한 특성 변화 연구가 필요한 이유는?
CFRP는 정적부하에 대해서는 우수한 역학적 특성을 가진 반면에 고온 다습한 환경에서는 우수한 역학적 특성을 기대할 수 없고, 복합재료의 유용한 기계적 성질이 장시간 주위 환경에 놓여 있어도 충분히 유지되어야 하지만 온도, 습도 등과 같은 환경적 요인으로 수분이 복합재료 내로 침투하여 기지의 분자 배열 및 화학적 성질을 변화시키고 복합재료의 계면 특성 및 구성 재질의 기계적 성질을 저하시킨다. 항공기의 경우 운항 시에 CFRP가 고온 다습한 환경조건에 장시간 노출되게 되면 CFRP 내부로 수분이 흡수되게 되는데 CFRP 내부에 흡수된 수분은 체적팽창을 야기시키고 내부 응력상태를 변화시킬 뿐만 아니라 섬유와 기지의 화학적 결합을 분리시킴으로써 접합강도를 급격히 저하시키게 된다. 따라서 CFRP를 사용하는 항공기의 구조 건전성 확보를 위하여 실제 환경에서의 특성 변화를 연구할 필요가 있다.
참고문헌 (16)
S. W. Choi, K. C. Seo, J. H. Lee, J. H. Byeon and Y. H. Cho, "A study on lasergenerated ultrasonic wave for inspecting delamination in CFRP," Proceedings of Spring Conference of KSNT, pp. 211-218 (2005)
H. S. Park, J. H. Choi, J. M. Koo and C. S. Seok, "Fatigue damage evaluation of woven carbon-fiber-reinforced composite materials by using fatigue damage model," Trans. of the KSME, Vol. 34, No. 6, pp. 757-762 (2010)
S. J. Lee, J. H. Lee and J. H. Byeon, "Study on delamination for on-line monitoring on manufacturing CFRP," Proceedings of Fall Conference of KSNT, pp. 168-173 (2006)
C. H. Shen and G. S. Springer, "Effects of moisture and temperature on the tensile strength of composite materials," Journal of Composite Materials, Vol. 11, pp. 2-16 (1977)
B. G. Kim and C. K. Moon, "Influence of moisture absorption on the mechanical properties in the laminated composites," Korean Society for Power System Engineering, pp. 91-97 (1997)
C. K. Moon and J. S. Goo, "Study on the durability of fiber reinforced plastics by moisture absorption," Korean Society of Ocean Engineers, Vol. 11, pp. 48-56 (1997)
H. S. Choi and Y. H. Cho, "Structural health monitoring techiniques for composite aircraft," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 30, No. 1, pp. 54-59 (2010)
S. H. Choi, J. Y. Kim, N. S. Kwak. S. H. Ki and S. You, "NDE of brake pad bonded area defect that apply non contact air coupled ultrasonic testing," KSTLE, Vol. 54, pp. 71-72 (2012)
A. Poudel, J. Strycek and T. P. Chu, "Air-coupled ultrasonic testing of carbon-carbon composite aircraft brake disks," Materials Evaluation, Vol. 71, No. 8, pp. 987-994 (2013)
M. Takahashi, H. Hoshino and Y. Ogura, "Development of non contact air coupled ultrasonic testing," Proceedings of JSAE, pp. 320-321 (2009)
S. Y. Na and J. Y. Kim "The research on NAUT characteristics evaluation by defection image," KSTLE, Vol. 26, No. 6, pp. 341-345 (2010)
N. R. Jung, J. Y. Kim, S. H. Choi and S. H. Kim, "A study for selecting spot welding zone fault detection optimum frequency using NAUT," Proceedings of KSAE, pp. 55-56 (2010)
ASTM D 3039-39M-07., "Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials"
M. H. Kim and S. W. Park, "Estimation of thermal environment of T-50 aircraft in extreme high temperature condition," The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 2, pp. 1180-1183 (2008)
S. W. Hong, S. S. Ahn, J. M. Koo and C. S. Seok, "Analysis of characteristics of CFRP composites exposed under high-temperature and high-humidity environment for a long period," Trans. Korean Soc. Mech., Eng. B., Vol. 36, No. 8, pp. 889-895 (2012)
ASTM D 3518-3518M-94., "Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ${\pm}45^{\circ}$ laminate"
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.