[논문]SiC 강화 CFRP 복합재의 파괴거동에 관한 음향방출 적용

류영록; 윤유성; 권오헌

doi:10.14346/jkosos.2016.31.3.16

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Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP) composite with a higher specific strength and rigidity is more excellent than conventional metallic materials or other organic polymer of FRP. It has been widely used in vehicles, aerospaces and high technology industries which are associated with nuclear power ...

Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP) composite with a higher specific strength and rigidity is more excellent than conventional metallic materials or other organic polymer of FRP. It has been widely used in vehicles, aerospaces and high technology industries which are associated with nuclear power fields. However, CFRP laminated composite has several disadvantages as like a delamination, matrix brittleness and anisotropic fibers that are the weak points of the crack initiation. In this present work, the reinforced silicon carbide(SiC) particles were added to the interlayer of CFRP laminates in order to mitigate the physical vulnerability affecting the cracking and breaking of the matrix in the CFRP laminated composite because of excellent specific strength and thermal shock resistance characteristics of SiC. The 1wt% of SiC particles were spread into the CFRP prepreg by using a spray coating method. After that, CFRP prepregs were laminated for the specimen. Also, the twill woven type CFRP prepreg was used because it has excellent workability. Thus the mechanical and fracture behaviors of the twill woven CFRP laminated composite reinforced with SiC particles were investigated with the acoustic emission(AE) method under a fracture test. The results show that the SiC particles enhance the mechanical and fracture characteristics of the twill CFRP laminate composite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 능직구조 CFRP복합재에 대한 연구와 SiC 첨가에 따른 평가 연구는 아직 미비한 상태 이다. 따라서 본 연구에서는 능직 구조 CFRP 적층복합재 층간에 SiC 입자분말을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 두 가지의 경우에 대하여 AE법을 적용한 파괴시험을 수행하고 파괴 특성을 파악하여 재료 내부의 손상을 평가하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

25 mm인 박판 CT 시험편은 좌굴방지용 지그를 부착하여 파괴시험을 수행하였다. CT 시험편을 이용한 파괴시험 동안 균열 성장길이는 최고 40 배율인 이동식 실체 현미경(N. O. Works Co.)을 이용하여 일정 균열성장에 따라 측정되어 디지털변환기(IT-005D, M. Co.)를 거쳐 PC에 저장되었다.
AE 신호해석에는 AE 시스템 (AEDSP-32/16B & MISTRAS2001, PAC. Co.)을 이용하였다. AE기법은 고체 내부의 변화에 의해 발생한 탄성파를 획득하여 검사하는 방법이기 때문에 실시간으로 결함의 발생유무를 관측하는 것이 가능하다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 CFRP는 능직 탄소섬유강화 프리프레그(prepreg)(HD520-14, HD. Fiber Co., Ltd)이며, CFRP에 첨가된 SiC 분말입자(#10000, HB. World Co., Ltd)는 입도가 1 μm인 입자를 사용하였다. Table 1과 2는 CFRP프리프레그에 대한 수지 및 섬유 함유량과 SiC 분말입자의 물리적 특성을 나타낸다.

이론/모형

AE센서는 공진 주파수가 150 kHz의 R15 센서와 공진주파수가 750 kHz인 Pico 센서를 사용하였다. AE 계측의 전기 및 기계적인 잡음을 제거하기 위하여 Hsu-Nielsen source법¹¹⁾을 이용하여 44 dB로 임계값(threshold)을 정하였다.
능직 CFRP 프리프레그는 폭 1 m의 원단으로 생산되기 때문에 압착성형 작업을 위해 성형판의 크기에 맞추어 가로 세로 각각 250 mm로 절단하였다. SiC 분말 입자로 강화한 것과 비교 평가하기 위하여 SiC 입자를 프리프레그에 함량된 수지의 1wt%만큼 프리프레그 표면에 Spray Coating법을 이용하여 균일하게 도포하였다. Spray Coating법의 개략도는 Fig.
본 연구에 사용된 능직 CFRP 복합재료에서는 강화섬유 배열에 의한 현저한 이방성으로 ASTM E 399에 제시된 식(1)의 K의 적용은 곤란하다. 따라서 능직 CFRP 복합재료에 대한 응력확대계수 K를 Kageyama 등¹²⁾이 실험식으로 제시한 다음 형상계수 식 (4) f^k(a/w)을 이용하여 평가하였다.

성능/효과

1) CFRPS 및 CFRPC의 탄성계수와 극한강도는 각각 약 65.9 GPa, 53.1 GPa, 및 505.4 MPa, 479.8 MPa이다.
2) CT시험편 파괴시험에서 발생된 균열은 CFRPC경우보다 CFRPS경우가 보다 더 안정적으로 진전되었다.
3) 파괴인성치는 CFRPS경우가 CFRPC보다 약 38% 증가하였다. 이것은 SiC 분말입자를 첨가함으로써 파괴저항치를 보다 더 향상시킬 수 있음을 나타낸다.

후속연구

이것은 SiC 분말입자를 첨가함으로써 파괴저항치를 보다 더 향상시킬 수 있음을 나타낸다. 따라서 SiC 분말입자가 강화재로서 CFRP 적층복합재의 강도 및 균열성장 안정성 향상에 기여하며, 또한 AE 진폭특성 평가는 구조물의 균열발생 및 진전에 따른 안전성 확보기법에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유 강화 플라스틱의 장점은?	탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 유리섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic, GFRP)에 비하여 약 4∼9배의 높은 비탄성계수를 가지며, 철강에 비하여 강도는 약 3배에 달한다1). 이러한 장점으로 스포츠 레저분야, 자동차 제조 분야, 우주 항공분야 및 원자력 발전 등 많은 산업분야에서 사용되어지고 있다.
	석뮤복합재료 중 능직구조는 어떻게 직조되는 것인가?	섬유복합재료는 평직(plain), 능직(twill), 견직(satin) 등 다양한 구조로 직조되어 사용되고 있다. 그 중에서 능직구조는 평직이 씨실과 날실이 하나씩 교차되는 것에 비해 두 개 혹은 그 이상의 섬유가 교차되어 직조된다. 따라서 구조적 안전성은 떨어지지만 비교적 수지의 함침성이 좋아서 강화재로 사용되는 섬유의 변형이 작고 표면이 원활하며 기계적 가공이 용이하다.
	능직구조의 장점은?	그 중에서 능직구조는 평직이 씨실과 날실이 하나씩 교차되는 것에 비해 두 개 혹은 그 이상의 섬유가 교차되어 직조된다. 따라서 구조적 안전성은 떨어지지만 비교적 수지의 함침성이 좋아서 강화재로 사용되는 섬유의 변형이 작고 표면이 원활하며 기계적 가공이 용이하다. Nicoletto 등8)은 능직구조 graphite-epoxy 적층복합재에 대하여 인장실험과 수치해석을 수행하여 강성 및 강도가 섬유 꼬임형태와 직조방법에 어떻게 영향을 받는지를 평가하였다.

참고문헌 (12)

R. M. Jones, Mechanics of composite materials, McGrawHill, Washington, D.C., pp.2-3, 1975.
J. L. Y. Tan, V. S. Deshipande and N. A. Fleck, "Failure Mechanisms of a Notched CFRP Laminate under Multiaxial Loading", Composite: Part A, Vol. 77, pp.56-66, 2015.

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D. J. Kwon, Z. J. Wang, J. J. Kim, K. W. Jang and J. M. Park, "Improvement of Mechanical and Interfacial Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites by Adding Nano SiC Fillers", Adgesion and Interface, Vol. 14, No. 2, pp.75-81, 2013.

원문보기 상세보기
S. J. Park, J. S. Oh, J. R. Lee and K. Y. Rhee, "Effect of Surface Treated SiC on Thermal Stability and Mechanical Interfacial Properties of Carbon Fiber/Epoxy Resin Composites", Composites Research, Vol. 16, No.3, pp.25-31, 2003.
D. Liu, G. Li, B. Li, Y. Luan, H. Ling and X. Yang, " In-situ Toughened CFRP Composites by Shear-calender Orientation and Fiber Bundle Filtration of PA Microparticles at Prepreg Interlayer", Composites: Part A, Vol. 84, pp. 165-174, 2016.

상세보기
K. Y. Jang, H. W. Lee and J. D. Kim, "AE Source on Line Localization on Material with Unknown Acoustic Wave Propagation Velocity", KSME(A), Vol. 22, No. 3, pp. 688-694, 1998.
Y. S. Yun and O. H. Kwon, "The Evaluation of Interlaminar Fracture toughness and AE Characteristics in a Plain Woven CFRP Composite with DCB Specimen", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 20, No.1, pp.49-54, 2005.
G. Nicoletto and E. Riva, "Failure Mechanism in Twill-weave Laminates:FEM Prediction vs. Experiments", Composites: Part A, Vol. 35, pp.787-795, 2004.

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Standard Test Method for "Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials", ASTM D 3039, 2000.
Standard Test Method for "Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials", ASTM E 399, 1997.
T. L. Anderson, Fracture Mechanics:Fundamentals and Applications, CRC Press, Florida, 1994.
K. Kageyama, K. Nonaka, S. Shimamura and S. Fukuda, "Fracture Toughness and Acoustic Emission of Carboncloth/poxy Composite", The Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 50, pp. 1260-1266, 1984.

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