[논문]고체 추진용 입자강화 복합재의 정적 균열 저항 거동 평가

서보휘; 최훈석; 김재훈

doi:10.6108/kspe.2014.18.5.029

고체 추진용 입자강화 복합재의 정적 균열 저항 거동 평가
Assessment of Static Crack Resistance Behavior on Particulate Reinforced Composite for Solid Propellant 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.5, 2014년, pp.29 - 34

서보휘 (Department of Mechanical Design Engineering, Graduate School, Chungnam National University) , 최훈석 (Department of Mechanical Design Engineering, Graduate School, Chungnam National University) , 김재훈 (Department of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University)

초록
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입자강화 복합재는 단단한 입자들과 고분자 매트릭스로 구성되어 있다. 현재 이 재료는 자동차, 건설 및 항공우주 산업까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이 재료의 안전한 사용을 위해서 균열 저항 거동을 평가하는 것은 중요한 일이다. 특히 항공우주 산업에서 이 재료가 고체 로켓 연료로 사용될 때 균열은 심각한 문제를 야기할 수도 있다. 그렇기 때문에 균열 전파의 특성을 평가하는 것은 불가피한 일이다. 본 연구에서는 입자강화 복합재를 사용하여 균열 전파 시험을 수행하였다. 또한 디지털 이미지 상관법을 사용하여 시편 표면의 변형률 분포도를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Particulate reinforced composite is composed of hard particles and polymer matrix. This material has been widely applied for engineering industry such as automobile, construction and aerospace. For the safe application, it is important to assess crack resistance behavior. Especially in aerospace industry, crack could cause significant problem when the material is used for solid rocket fuel. Therefore, it is inevitable to estimate the characteristics of the crack propagation. In this study, crack propagation tests were conducted using particulate reinforced composite under crosshead rate 2.54 mm/min in the range of temperature $-60^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$. The strain contour of surface for specimen was generated using digital image correlation method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고체 연료로 사용되는 Hydroxyl Terminated Polybutadiene(HTPB) 기반의 입자 강화 복합재를 사용하여 균열 성장 시험을 수행하였다. 시편은 얇은 형태의 Single Edge Notched Tension(SENT)로 제작하여 다양한 온도와 변형속도 조건 하에서 진행하였다.
본 논문에서는 고체 추진제의 연료로 사용되는 입자 강화 복합재의 균열 저항 거동을 평가하기 위해 시험 속도와 온도의 변화를 주어서 시험을 수행하였다.

제안 방법

7 mm/min으로 수행되었다. 균열 진전 시험은 INSTRON 5567과 환경챔버를 사용하였고 균열 길이 측정을 위해 고속 카메라로 촬영하였다. 모든 시험은 환경챔버에서 약 3시간 정도 시험 온도를 유지한 후에 수행하였다.
또한 -60℃ 부근에서 유리 전이 거동을 보이기 때문에 다양한 온도와 시험 속도의 영향을 고려해야한다. 따라서 다양한 시험 온도 -60, -40, -20, 20, 60℃에서 시험이 수행되었고, 응력완화의 영향을 고려하기 위해서 시험 속도는 2.54, 12.7 mm/min으로 수행되었다. 균열 진전 시험은 INSTRON 5567과 환경챔버를 사용하였고 균열 길이 측정을 위해 고속 카메라로 촬영하였다.
본 논문에서는 고체 연료로 사용되는 Hydroxyl Terminated Polybutadiene(HTPB) 기반의 입자 강화 복합재를 사용하여 균열 성장 시험을 수행하였다. 시편은 얇은 형태의 Single Edge Notched Tension(SENT)로 제작하여 다양한 온도와 변형속도 조건 하에서 진행하였다. 시험을 통해 얻은 데이터(하중, 시간, 균열길이)로부터 응력확대계수와 균열성장속도 등을 계산하여 균열 성장에 대한 저항성 및 특성들을 분석하였다.
시편은 얇은 형태의 Single Edge Notched Tension(SENT)로 제작하여 다양한 온도와 변형속도 조건 하에서 진행하였다. 시험을 통해 얻은 데이터(하중, 시간, 균열길이)로부터 응력확대계수와 균열성장속도 등을 계산하여 균열 성장에 대한 저항성 및 특성들을 분석하였다.

대상 데이터

시편은 한쪽 끝에 예비균열을 가진 SENT 형상이고 반대편은 균열 열림시에 재료의 밀림 현상을 줄이고 균열 선단에서 중심부 위로 균열 전파를 유도하기 위해 반원 형태 노치를 포함한다. 균열 진전에 미치는 시편 크기의 영향을 최대한 줄이기 위해 시편은 예비 균열 길이에 비해 충분히 긴 너비와 얇은 두께를 가진 형태로 제작이 되었고 시편 치수는 각각 길이 203 mm, 폭 51 mm, 두께 3 mm이고 예비균열은 23 mm이다. 본 재료의 무른 성질 때문에 시험기에 직접적으로 물릴 수 없기 때문에 Fig.
본 연구에 사용된 입자 강화 복합재는 점탄성의 성질을 가지고 있다. 3.
본 연구에 사용된 재료는 고체 로켓 모터에 사용되는 입자 강화 복합재로, HTPB 고분자 결합재 23.84 vol%, AP산화제 및 알루미늄 연료 입자 76.16 vol%로 구성되어 있다. 입자들의 크기는 AP 산화제 6~200 μm이고 알루미늄 연료는 5 μm이다.

이론/모형

시험을 통해 얻은 데이터를 사용하여 응력확대계수와 균열 성장 속도를 구할 수 있다. 균열 성장 속도는 secant method를 이용해서 계산하고, 응력확대계수는 파괴역학에서 널리 사용되는 식인 Eq. 4과 형상보정계수 Eq.
균열이 존재할 때 입자 강화 복합재의 균열 선단에서 변형률을 측정하기 위해 디지털 이미지 상관법을 사용하여 분석하였다. 상온에서 하중방향인 y축 변형률 contour는 Fig.

성능/효과

(2) 응력확대계수는 온도가 낮아짐에 따라 증가하는데 -40℃에서 -60℃로 변할 때 급격하게 증가한다. 이는 유리전이 거동에 의해 강도가 증가했기 때문이다.
(3) 균열은 임계 변형률 상태에서 받은 손상에 의해 미세균열 및 기공들이 결합될 때 진전된다.
(4) 균열은 균열 열림 이후 블런팅-진전-블런팅 현상이 반복적으로 발생한다. 결과적으로 균열 진전 속도는 일정하지 않고 증가와 감소가 반복되는 세레이션 현상이 나타난다.
본 연구에 사용된 입자 강화 복합재는 점탄성의 성질을 가지고 있다. 3.3절에서 언급했듯이 임계 변형률은 균열 선단뿐만 아니라 근방까지 퍼져있기 때문에 손상이 발생한 영역 내부에 발생한 미세 결함 및 균열들이 합쳐질 때 균열이 진전된다고 판단할 수 있다.
(4) 균열은 균열 열림 이후 블런팅-진전-블런팅 현상이 반복적으로 발생한다. 결과적으로 균열 진전 속도는 일정하지 않고 증가와 감소가 반복되는 세레이션 현상이 나타난다.
5를 보면 균열이 진전되지 않는 초기에는 응력확대계수가 급격히 상승하다가 균열 진전이 시작될 때는 상대적으로 일정한 응력확대계수와 함께 균열 성장이 나타난다. 또한 온도가 감소함에 따라서 응력확대계수가 증가하는 것을 확인할 수 있고 특히 -60℃에서 응력확대계수는 -40℃에 비해 급격하게 증가했다. 이는 균열 진전에 필요한 하중이 -60℃ 부근에서 크게 증가하여 발생했다고 판단된다.
5 mm 정도 진전된 시점이다. 시험 초기에 균열 선단을 보면 다른 영역과 큰 차이가 없지만 하중이 점점 증가할수록 균열 선단의 변형률이 커지는 것을 확인할 수 있다. 균열이 진전될 때 균열 선단의 상부와 하부에 임계 변형률 이상의 변형률이 가해지게 되면 극심한 손상이 발생하여 균열이 진전되는데, 이러한 임계 변형률은 (d)와 (e)에서 볼 수 있듯이 균열 선단뿐만 아니라 균열 선단 내부에도 발생하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입자 강화 복합재는 어디에 사용되고 있는가	첨가되는 강화재와 기지의 종류에 따라 다양한 기계적 성질을 갖는다. 최근 이 재료는 자동차, 항공우주, 건설 등 다양한 공학 분야에서 사용되고 있다. 항공우주 산업에서 입자 강화 복합재가 고체 로켓 모터의 연료로 사용되는 경우에 다양한 상황에서 응력을 받는 상황에 노출될 수 있다.
	입자 강화 복합재는 무엇으로 구성되어 있는가	입자 강화 복합재는 강화재로 사용되는 입자들과 결합재(binder)로 사용되는 기지(matrix)로 구성되어 있다. 첨가되는 강화재와 기지의 종류에 따라 다양한 기계적 성질을 갖는다.
	입자 강화 복합재가 고체 로켓 모터의 연료로 사용되는 경우 다양한 상황에서 응력을 받는 상황에 노출될 수 있는데 이러한 응력은 어떠한 문제를 야기하는가	이에 관련된 연구 동향을 살펴보면, Kwon 등은 높은 변형 속도에서 노치를 가지고 있는 고무와 유사한 성질의 입자 강화 복합재의 손상과 균열 성장 등을 연구하였고 수치 시뮬레이션을 통해서 변형률 속도의 영향을 분석하였다[1]. Kakavas는 Ammonium Perchlorate(AP) 입자 강화 복합재의 응력완화 및 크리프 시험을 통해 기계적 특성들을 평가하였다[2]. Liu는 복합 고체 추진제에 대해서 선형 탄성과 선형 점탄성 파괴역학을 기초로 예비균열을 가진 고체추진제의 균열 성장 거동을 다양한 온도 및 시험 속도에 대해 평가하였다[3].

참고문헌 (8)

Kwon, Y.W. and Liu, C.T., "Damage Growth in a Particulate Composite under a High Strain Rate Loading," Mechanics Research Communications, Vol. 25, No. 3, pp. 329-336, 1998.

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Kakavas, P.A., "Mechanical Properties of Propellant Composite Materials Reinforced with Ammonium Perchlorate Particles," International Journal of Solids and Structures, Vol. 51, No. 10, pp. 2019-2026, 2013.
Liu, C.T., "Crack Growth Behavior in a Solid Propellant," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 56, No. 1, pp. 127-135, 1997.

상세보기
Smith, C.W., Wang, L., Mouille, H. and Liu, C.T., "Near-Tip Behavior of Particulate Composite Material Containing Cracks at Ambient and Elevated Temperatures," American Society for Testing and Materials, ASTM STP 1189, pp. 775-787, 1993.
Kim, I.L., Huh, Y.H. and Lee, G.C., "Detectability of Pore Defect in Wind Turbine Blade Composites Using Image Corelation Technique," Transaction of KSME A, Vol. 37, No. 10, pp. 1201-1206, 2013.
Robert, N., "An Extension of the Time-Temperature Superposition Principle to Non-linear Viscoelastic Solids," International Journal of Solids and Structures, Vol. 43, Issue 17, pp. 5295-5306, 2006.

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Anderson, T.L., Fracture Mechanics, 3rd ed., CRC Taylor & Francis Group, New York, N.Y., U.S.A., 2005.
Bohn, M.A. and Elsner, P., "Aging of the Binders GAP-N100 and HTPB-IPDI Investigated by Torsion-DMA," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 24, No. 3, pp. 199-205, 1999.

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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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