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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 일방향 CFRP와 GFRP를 혼합 적층한 하이브리드 복합재의 파괴인성치를 정량적으로 비교하여 하이브리드 효과를 확인하고, 제안된 4가지 적층구조에서의 강도를 비교 평가하여 최적의 적층조합을 확인한다. 또한 CFRP와 GFRP에 CNT 분말을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 두 가지의 경우로 파괴 시험을 수행하여 CNT 입자가 층내파괴에 미치는 영향을 평가한다.
- 본 실험에서 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재의 적층 구조가 파괴인성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 모두 같은 섬유방향으로 적층하였다. 따라서 Fig.
- 본 연구에서는 Mode I 굽힘 실험을 통해 4가지 적층 구조의 일방향 CFRP/GFRP 샌드위치 하이브리드 복합재와 CNT를 첨가한 하이브리드 복합재의 층내 파괴에 미치는 영향을 평가하였으며, 현미경 관찰을 통해 층내파괴에서의 균열진전의 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 4점 굽힘시험 완료 후 현미경을 이용한 각 적층구조의 파단면 관찰을 통해 균열진전양상과 CFRP/GFRP 및 기지의 분포를 관찰하였다. Fig.
- CNT 첨가가 층내파괴에 미치는 영향을 알아보기 위해 CFRP, GFRP 시험편과 각각 CNT를 첨가된 시험편의 4점굽힘 시험을 통해 얻어진 하중-하중선 변위 선도를 비교하였다.
- 본 실험에서 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재의 적층 구조가 파괴인성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 모두 같은 섬유방향으로 적층하였다. 따라서 Fig. 3과 같이 4종류의 적층구조로 일방향 탄소섬유 프리프레그와 유리섬유 프리프레그를 적층하였다. 모든 시험편은 24 플라이를 적층하였으며 20플라이에 적층구조의 변화를 주었다.
- 따라서 본 연구에서는 일방향 CFRP와 GFRP를 혼합 적층한 하이브리드 복합재의 파괴인성치를 정량적으로 비교하여 하이브리드 효과를 확인하고, 제안된 4가지 적층구조에서의 강도를 비교 평가하여 최적의 적층조합을 확인한다. 또한 CFRP와 GFRP에 CNT 분말을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 두 가지의 경우로 파괴 시험을 수행하여 CNT 입자가 층내파괴에 미치는 영향을 평가한다. 여기서 얻어진 결과는 향후 GFRP/GFRP와 CNT를 적용한 샌드위치 하이브리드 적층 복합재료의 안정성 확보에 도움이 되는 자료로 활용될 것으로 사료된다.
- 또한 CFRP와 GFRP의 CNT 첨가가 층내파괴인성에 미치는 영향을 평가하기 위해 CFRP와 GFRP의 프리프레그 양쪽면을 스프레이코팅(Spray coating)법으로 분사하여 첨가하였다(Fig. 4).
- 005 mm/min의 변위제어속도로 굽힘시험을 행하였다. 또한 굽힘시험이 진행되는 동안 이동식 현미경(Nippon Optical Works Co.)에 USB 디지털 소형현미경(Dinolite사)을 장착하고 컴퓨터에 연결하여 약 256배율로 화상화면을 통해 균열의 거동을 관찰하였다. Fig.
- 각 변형방식에 대한 특이 응력장의 상세한 표현은 참고문헌9)에 따른다. 복합재료는 기지 내부 섬유의 끝단 부분을 균열의 개시 점으로 간주하고 외부하중 변화에 따른 균열 진전길이를 측정하여 응력확대계수를 계산하며, 각 하중모드에서 임계 응력확대계수 KC를 평가하여 복합재료의 강도 및 인성을 파악한다.
- 일방향 GFRP/CFRP 하이브리브 복합재료와 CNT를 첨가한 일방향 CFRP, GFRP의 4점 굽힘 시험편에 대하여 상온에서 만능동적시험기를 사용하여 0.005 mm/min의 변위제어속도로 굽힘시험을 행하였다. 또한 굽힘시험이 진행되는 동안 이동식 현미경(Nippon Optical Works Co.
- 현미경 관찰을 위해 사포와 연마제를 사용하여 시험편의 표면을 연마하였다. 칼날(Razer blade)을 사용하여 시험편의 중앙에 기계적 방법으로 노치를 삽입하였다. 이때 현미경을 이용하여 정확하게 4플라이에 노치를 삽입하였으며 노치 길이는 0.
- 5와 같이 형상과 치수로 다이아몬드휠 커터를 사용하여 절단⋅가공 하였다. 현미경 관찰을 위해 사포와 연마제를 사용하여 시험편의 표면을 연마하였다. 칼날(Razer blade)을 사용하여 시험편의 중앙에 기계적 방법으로 노치를 삽입하였다.
대상 데이터
- CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료를 만들기 위하여 국내 한국카본(주)에서 생산 및 시판되는 CU 200NS 일방향 탄소섬유강화 프리프레그(prepreg)와 일방향 유리섬유강화 프리프레그를 사용하였다. 또한 CNT는 다층 나노튜브(Multi-Walled NanoTube ; MWNT)를 사용 하였다.
- CFRP/GFRP 하이브리드 복합재료를 만들기 위하여 국내 한국카본(주)에서 생산 및 시판되는 CU 200NS 일방향 탄소섬유강화 프리프레그(prepreg)와 일방향 유리섬유강화 프리프레그를 사용하였다. 또한 CNT는 다층 나노튜브(Multi-Walled NanoTube ; MWNT)를 사용 하였다. Table 1과 2는 시험편 제작에 사용한 프리프레그와 CNT의 물리적 특성을 나타내며, Table 3은 프리프레그 적층 복합재의 기계적 특성을 나타낸다.
이론/모형
- 일방향 층내 4점 굽힘 파괴시험에서 얻어지는 파괴 인성치인 응력확대계수 K는 Vernon10)의 연구를 참고하여 다음 식 (1)로 구하였다.
- 파괴인성 평가는 응력확대계수(Stress intensity factor, K)9)를 이용한다. K는 균열 선단 근방의 응력상태를 결정할 수 있는 파라미터이다.
성능/효과
- 1) 단일섬유 복합재료와 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재의 4점 굽힘 실험 결과, 모든 시험편에서 급작 파괴되었다. 최대하중은 T4의 적층구조인 GFRP / CFRP /GFRP 샌드위치 적층구조에서 가장 높은 최대하중 값인 69.
- 2) 4 종류의 적층구조 하이브리드 시험편의 파괴인성은 T4, T2, T1, T3 순으로 T4에서 가장 높은 파괴인성 값인 46.16 MPa·mm1/2가 얻어졌으며 가장 큰 하이브리드 효과가 나타났다.
- 3) 파단면의 현미경 관찰 결과, 균열은 대부분 기지 파괴 또는 섬유와 기지의 계면 분리현상으로 균열이 진전되었다. 또한 부분적으로 섬유의 파단 또는 뽑힘 현상이 발생되었다.
- 4) 하이브리드 적층구조에서 GFRP층은 CFRP층에 비해 기지의 분포면적이 넓었으며, 균열진전의 통로로서의 역할을 하여 지그재그의 형태로 균열이 방향을 바뀌면서 진전하였다. 반면 높은 섬유의 밀도를 보인 CFRP층에서는 비교적 직선 형태로 균열이 진전하였다.
- 5) CNT가 첨가된 CFRP+CNT와 GFRP+CNT 시험편은 파단 이후, 최대하중에서 각각 7.8 N, 6.8 N으로 하락하였으며 이후 파단되지 않고 일정한 강성을 유지하여 급작파괴를 제어할 수 있었다.
- 6) 파괴인성 값은 CFRP와 CFRP+CNT는 각각 36.15 MPa·mm1/2, 36.27 MPa·mm1/2이며, GFRP와 GFRP+CNT는 각각 44.61 MPa·mm1/2, 44.04 MPa·mm1/2이었다.
- CFRP / GFRP 하이브리드 복합재 시험편과 CNT를 첨가한 CFRP, GFRP 시험편의 제작을 위해 프리프레그를 적층한 적층판은 성형과 제단과정을 거쳤다. 열성형기(Hot press, 50MPa)에서 온도는 130℃ , 게이지압력 약 20MPa에서 60분간 성형하였다.
- CNT 분말을 에탄올에 섞은 후 볼텍스 믹서(Vortex mixer)와 초음파 분산기(Sonicator)를 사용하여 24시간동안 분산 과정을 거쳤다. 각 프리프레그에 도포 후 에탄올이 완전히 기화되었을 때 무게를 측정하여 CNT 분말이 목표 wt %가 될 때까지 반복하였다. CNT 분말은 성형과정에서 각 프리프레그 사이의 기지재료와 함께 경화된다.
- 67N을 얻었다. 단일섬유의 복합재인 CFRP와 GFRP를 비교하였을 때, 노치가 삽입되었을 경우 각각 58N, 65.38N으로 GFRP에서 높게 측정되었으며 노치를 삽입하지 않았을 경우에는 각각 123.63 N, 72 N으로 CFRP에서 높게 측정되었다. 이러한 노치삽입에 따른 최대하중의 결과 차이는 CFRP에서 GFRP보다 높은 노치민감도를 나타내는데 기인한다.
- 이러한 노치삽입에 따른 최대하중의 결과 차이는 CFRP에서 GFRP보다 높은 노치민감도를 나타내는데 기인한다. 또한 Fig. 7의 하중변위 선도 기울기를 보면, GFRP보다 CFRP에서 탄성계수가 높아 강성이 크게 나타났다.
- 또한 이러한 지그재그 형태의 균열진전은 CFRP보다 높은 GFRP의 파괴인성이 나타나는 결과에도 영향을 미쳤을 것으로 사료된다. 또한 Table 1의 GFRP와 CFRP의 물리적 특성에서 각각 33%, 35%로 비슷한 R/F(%) 중량비이지만 GFRP는 CFRP에 비해 기지가 차지하는 비율이 높은 것을 알 수 있었다. 따라서 하이브리드 재료를 실제 디자인에 적용하는데 있어 유리섬유가 탄소섬유에 비해 무겁다는 점을 감안하고 제품에 적정한 수지비율을 정해야 할 필요성이 있다.
- 따라서 GFRP에서 비교적 높은 비율의 기지는 균열진전의 통로로서의 역할을 하였고 균열이 방향을 바꾸면서 진전하였던 원인으로 보인다. 또한 이러한 지그재그 형태의 균열진전은 CFRP보다 높은 GFRP의 파괴인성이 나타나는 결과에도 영향을 미쳤을 것으로 사료된다. 또한 Table 1의 GFRP와 CFRP의 물리적 특성에서 각각 33%, 35%로 비슷한 R/F(%) 중량비이지만 GFRP는 CFRP에 비해 기지가 차지하는 비율이 높은 것을 알 수 있었다.
- 65 N 이내로 안정적인 결과 값을 구할 수 있었다. 모든 시험편에서 굽힘 시험 동안 하중-하중선 변위의 관계는 선형적으로 증가하다가 급작 파괴되었다. 최대하중은 적층구조에 따라 T4, T2, T1, T3 순으로 높게 측정되었으며 T4의 적층구조인 GFRP/CFRP/GFRP 샌드위치 적층구조에서 가장 높은 최대하중 값인 69.
- 8은 각 시험편의 최대하중의 비교를 나타내었다. 최대하중은 4번의 실험을 통한 평균값을 구하였으며 모든 하이브리드 적층구조에서 표준오차가 약 0.65 N 이내로 안정적인 결과 값을 구할 수 있었다. 모든 시험편에서 굽힘 시험 동안 하중-하중선 변위의 관계는 선형적으로 증가하다가 급작 파괴되었다.
- 1) 단일섬유 복합재료와 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재의 4점 굽힘 실험 결과, 모든 시험편에서 급작 파괴되었다. 최대하중은 T4의 적층구조인 GFRP / CFRP /GFRP 샌드위치 적층구조에서 가장 높은 최대하중 값인 69.67 N을 얻었으며, 강성측면에서도 GFRP보다 향상되었다.
- 모든 시험편에서 굽힘 시험 동안 하중-하중선 변위의 관계는 선형적으로 증가하다가 급작 파괴되었다. 최대하중은 적층구조에 따라 T4, T2, T1, T3 순으로 높게 측정되었으며 T4의 적층구조인 GFRP/CFRP/GFRP 샌드위치 적층구조에서 가장 높은 최대하중 값인 69.67N을 얻었다. 단일섬유의 복합재인 CFRP와 GFRP를 비교하였을 때, 노치가 삽입되었을 경우 각각 58N, 65.
후속연구
- 본 연구의 4종류의 적층구조에서 얻어진 결과를 기초로 하여 다양한 형식의 구조를 가진 GFRP/GFRP와 CNT를 적용한 샌드위치 하이브리드 적층 복합재료가 실제 기계 및 구조물에 적용된 경우에 손상평가, 균열생성, 진전평가 및 설계 등에 적용시켜 각종 산업구조물의 유용한 자료로 기여할 것으로 판단된다.
- 또한 CFRP와 GFRP에 CNT 분말을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 두 가지의 경우로 파괴 시험을 수행하여 CNT 입자가 층내파괴에 미치는 영향을 평가한다. 여기서 얻어진 결과는 향후 GFRP/GFRP와 CNT를 적용한 샌드위치 하이브리드 적층 복합재료의 안정성 확보에 도움이 되는 자료로 활용될 것으로 사료된다.
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