[논문]DIC에 의한 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 특성평가

나성현; 최훈석; 오광근; 김재훈

doi:10.6108/kspe.2015.19.6.026

DIC에 의한 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 특성평가
Evaluation of Crack Resistance Properties on Particulate Reinforced Composite Propellant using Digital Image Correlation 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.19 no.6, 2015년, pp.26 - 32

나성현 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 최훈석 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 오광근 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 김재훈 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University)

초록
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본 연구에서는 파괴인성에 대하여 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 특성을 분석하기 위하여 평가되었다. $50^{\circ}C$에서 $-60^{\circ}C$까지 온도 범위에서 WST 시험편을 이용하여 파괴인성시험이 수행되었다. 파괴인성에 대한 평가방법은 선형탄성파괴역학에 기초한 ASTM E399를 이용하여 산출하였다. 추진제의 분열하중과 응력확대계수는 온도가 내려감에 따라 증가하고 있다. 또한 디지털 이미지 상관법을 이용하여 가시화된 변형률장은 온도가 $50^{\circ}C$에서 $-40^{\circ}C$로 내려갈수록 증가하나, $-60^{\circ}C$에서 변형률장은 취성거동으로 인해 크게 감소한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, it is evaluated for fracture toughness to analyze crack resistance properties of particulate reinforced composite propellant. Fracture toughness test using WST specimen is conducted by temperature conditions from $50^{\circ}C$ to $-60^{\circ}C$. Evaluation method for fracture toughness calculated using an equation suggested by ASTM E399 with linear elastic fracture mechanics. From these result, splitting loads and stress intensity factors of propellant increase according to decrease of test temperature. Also, the strain fields of specimen surface using digital image correlation increase as temperature decreased from $50^{\circ}C$ to $-40^{\circ}C$, but it sharply decreases at $-60^{\circ}C$ because of brittle behavior.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 거동을 평가하기 위해 다양한 온도조건에서 WST 시험편을 이용하여 파괴인성시험을 수행하였다. ASTM E399 규격을 이용하여 파괴 인성을 평가하였고, 디지털 이미지 상관법을 통해 균열저항 특성을 분석하였다.

제안 방법

(4) 디지털 이미지 상관법을 이용하여 균열 선단 부근에서 x축 방향에 대한 변형률장을 가시화하였다. 변형률장은 50℃에서 –40℃ 온도로 내려감에 따라 넓은 범위로 증가한다.
본 논문에서는 입자강화 복합재 추진제의 균열저항 거동을 평가하기 위해 다양한 온도조건에서 WST 시험편을 이용하여 파괴인성시험을 수행하였다. ASTM E399 규격을 이용하여 파괴 인성을 평가하였고, 디지털 이미지 상관법을 통해 균열저항 특성을 분석하였다. 본 연구 결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
GOM사의 ARAMIS software를 이용하여 변형률장을 가시화하였다. 시험 온도는 50℃, 20℃,–40℃ 및 –60℃, 인장 속도는 동일하게 50mm/min으로 시험하였다.
추진제의 항복강도는 인장시험 데이터로부터 정의하는 것은 불가능하다. 따라서 파괴인성 계산에서는 하중 모드 I(열림)에 대한 응력확대 계수인 K_I 계산만을 수행하였다.
시험 온도는 50℃, 20℃,–40℃ 및 –60℃, 인장 속도는 동일하게 50mm/min으로 시험하였다. 모든 시험은 3시간 동안 환경 용기에서 열평형을 유지한 후 진행되었다. 디지털 이미지 상관법을 적용하기 위한 얼룩무늬는 흑색과 백색의 래커(lacquer)를 이용하여 Fig.
시험 온도는 50℃, 20℃,–40℃ 및 –60℃, 인장 속도는 동일하게 50mm/min으로 시험하였다.
이를 보완하기 위해 WST 시험편을 이용하였다. 시험 장비는 INSTRON 5567과 온도 조건을 맞춰주는 환경 용기(chamber)를 사용하였고, 결합 소자 카메라(charge-coupled device camera)는 시험편의 표면 균열 부위를 측정하기 위해 사용하였다.
시험은 추진제의 점탄성 특성상온도에 영향을 미치기 때문에 다양한 온도에서 수행하였다. 이를 통해 추진제의 파괴인성치(fracture toughness)를 결정하고 균열저항 거동을 예측하였다. 또한 균열 선단 근처에서 변형률 장(strain fields)예측은 디지털 이미지 상관법을 이용하여 가시화하였다.

대상 데이터

2는 WST 시험편의 형상으로 높이 85 mm, 폭 120 mm, 두께 50 mm이다. 노치는깊이 18 mm, 폭 40 mm로 제작하였다. 예비균열은 25 mm로 예리한 나이프를 사용하였다.
본 논문에서는 입자강화 복합재 추진제의 파괴 역학적 거동을 확인하기 위하여 WST 시험편을 이용하였다. 시험은 추진제의 점탄성 특성상온도에 영향을 미치기 때문에 다양한 온도에서 수행하였다.
본 연구에 사용된 재료는 23.84 vol%의 HTPB고분자 바인더에 76.16 vol%의 AP산화제와 Al 연료 입자들로 구성된 추진제로 제작되었다. 입자들의 크기는 AP 산화제 6~200 μm, Al 연료 5μm이다.
추진제는 일반 금속에 비해서 강도가 매우 약하기 때문에 시험 치구에 직접적으로 물리면 짓눌려버린다. 이를 보완하기 위해 WST 시험편을 이용하였다. 시험 장비는 INSTRON 5567과 온도 조건을 맞춰주는 환경 용기(chamber)를 사용하였고, 결합 소자 카메라(charge-coupled device camera)는 시험편의 표면 균열 부위를 측정하기 위해 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서 진행된 파괴인성에 대한 평가 방법은 선형탄성 파괴역학을 바탕으로 하였다. WST시험편의 파괴인성 평가방법은 명확한 규격이 없기 때문에 ASTM E399[7]에서 제안한 예측식(Eq. 5,6)을 이용하여 계산하였다. ASTM E399에서는 본 시험편과 유사한 컴팩트 인장 시험편에 대한 규격이 규정되어 있다.
이를 통해 추진제의 파괴인성치(fracture toughness)를 결정하고 균열저항 거동을 예측하였다. 또한 균열 선단 근처에서 변형률 장(strain fields)예측은 디지털 이미지 상관법을 이용하여 가시화하였다.
본 연구에서 진행된 파괴인성에 대한 평가 방법은 선형탄성 파괴역학을 바탕으로 하였다. WST시험편의 파괴인성 평가방법은 명확한 규격이 없기 때문에 ASTM E399[7]에서 제안한 예측식(Eq.
6은 다양한 온도에서 추진제의 시간 경과에 따른 균열진전속도를 나타낸 것이다. 추진제의 균열진전속도는 균열길이와 시간에 대하여시컨트법(secant method)을 이용하여 계산하였다. 50℃에서 균열진전의 개시 시간은 20℃에서보다 더 빠른 것을 알 수 있다.

성능/효과

(1) 균열길이에 따른 분열하중 선도를 통해 추진제에 가해지는 하중은 균열의 개시 전까지 증가하다가 균열이 진전 후에 감소한다.
(2) 추진제의 응력확대계수는 50℃에서 –60℃로 온도의 감소에 따라 증가한다.
(3) 50℃에서 균열진전속도는 급격하게 증가하였다가 감소한 후 안정화상태를 보인다. 20℃와 - 40℃에서 균열진전속도의 변화는 초기에 거의 없으나, 20℃에서 먼저 균열이 개시되고 일정한 시간이 지나면서 점차 증가하고 있다.
시험 온도 20℃를 기준으로 50℃에서 응력확대계수는 약 0.8배로 약간 감소하였고,–40℃에서는 약 3.5배 증가하였으며, –60℃에서는 약 6.5배 증가하는 경향을 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추진제의 기계적 특성을 분석하여 사용하는 이유는?	입자강화 복합재료 형태로 제조된 추진제(이하‘추진제’)는 금속연료, 산화제 및 고분자 물질인 바인더가 결합되어 점탄성 특성을 나타내는 재료이다. 추진제는 최근 산업 여러 분야에서 다양하게 사용되기 때문에 기계적 특성을 분석하여 제작 과정, 제작 환경을 개선하는데 중점을 두고 있다. 추진제는 사용 용도에 따라서 다양한 그레인(grain)의 형상으로 제작된다.
	입자강화 복합재료 형태로 제조된 추진제란?	입자강화 복합재료 형태로 제조된 추진제(이하‘추진제’)는 금속연료, 산화제 및 고분자 물질인 바인더가 결합되어 점탄성 특성을 나타내는 재료이다. 추진제는 최근 산업 여러 분야에서 다양하게 사용되기 때문에 기계적 특성을 분석하여 제작 과정, 제작 환경을 개선하는데 중점을 두고 있다.
	추진제의 제작시 그레인의 특징은?	추진제는 사용 용도에 따라서 다양한 그레인(grain)의 형상으로 제작된다. 그레인은 운송,경화반응 중의 열적 변화, 점화 시 급격한 내부압력 상승 등의 내부 및 외부 요인에 의해 그레인의 취약부위에 응력이 집중하여 균열이 발생할 수 있다. 또한 균열의 발생에 의해 연소 표면적이 넓어져서 로켓 모터의 성능 저하가 발생할 수 있다. 결과적으로 추진제의 파괴 역학적 특성을 파악하는 것이 필수적인 요소이다[1].

참고문헌 (9)

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Tussiwand, G.S., Saoirna, V.E., Terzenbach, R. and De Luca, L.T., "Fracture Mechanics of Composite Solid Rocket Propellant Grains: Material Testing," Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, No. 1, pp. 60-73, 2009.

상세보기
Kim, J.I., Huh, Y.K. and Lee, G.C., "Detectability of Pore Defect in Wind Turbine Blade Composites using Image Correlation Technique," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 37, No. 10, pp. 1201-1206, 2013.

원문보기 상세보기
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상세보기
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Liu, C.T., "The Effect of Micro Damage on Time-Dependent Crack Growth in a Composite Solid Propellant," Mechanics of Time-Dependent Materials, Vol. 1, No. 1, pp. 123-136, 1997.
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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