[논문]DIC를 이용한 입자강화 복합재료의 파괴거동 평가

홍상현; 이정원; 김재훈; 이상연; 박재범; 정규동

doi:10.5139/jksas.2018.46.7.535

DIC를 이용한 입자강화 복합재료의 파괴거동 평가
Evaluation of Fracture Behavior on Particle Reinforced Composite Using Digital Image Correlation 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.7, 2018년, pp.535 - 541

홍상현 (Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University) , 이정원 (Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University) , 김재훈 (Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University) , 이상연 (Agency for Defense Development) , 박재범 (Agency for Defense Development) , 정규동 (Agency for Defense Development)

초록
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본 연구에서는 입자강화 복합재료의 파괴거동을 평가하기 위해 쐐기분열시험을 수행하였다. 균열 저항성을 분석하기 위해 균열선단열림변위(CTOD)와 균열선단열림각도(CTOA)를 이용하였다. 사용된 입자강화 복합재료는 특성상 온도와 하중속도에 영향을 많이 받기 때문에 다양한 온도($-60^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$)와 하중속도(5~500mm/min)조건에서 시험을 수행하였다. 또한 균열선단에 대한 변형률장을 분석하기 위해 디지털 이미지 상관법(DIC)을 이용하였다. 시험결과 파괴에너지는 온도가 감소할수록 증가하였으며, 하중속도가 증가할수록 균열저항성이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, wedge splitting tests were performed to evaluate fracture behavior of particle reinforced composite materials. Crack resistance was evaluated by using CTOD (crack tip opening displacement) and crack tip opening angle (CTOA). The particle reinforced composites were tested under various temperature ($-60^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$) and load speed (5~500mm/min). Also, digital image correlation method (DIC) was used to analyze the strain field at crack tip. Test results showed that the fracture energy increased with decreasing temperature and crack resistance increased with increasing load velocity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 복잡한 이론이 개입되지 않으며 실험적인 정확성이나 용이함이 우수하다[13]. 본 연구에서는 블런팅과 샤프닝을 반복하여 불연속적인 균열진전을 보이는 입자강화복합재료의 균열진전을 모사하기 위해 분석하였다.
본 연구에서는 입자강화 복합재료의 균열저항성을 평가하기 위해 쐐기분열시험을 수행하였으며 DIC 분석을 수행하였다. 시험은 다양한 온도와 속도에서 이루어졌으며 분석결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
파괴역학적 시험은 균열이 있는 재료의 구조를 평가하기 위한 지표가 된다. 파괴역학적인 변수 및 파괴인성의 데이터를 도출하고 온도와 시험 속도의 영향을 분석하는 것이 연구의 목표이다. 파괴역학적 변수를 분석하기 위해 쐐기분열시험(wedge splitting test, WST)을 수행하였다.

제안 방법

시험을 수행한 뒤 촬영한 이미지를 기반으로 파괴인성 변수인 CTOD(crack tip opening displacement) 및 CTOA(crack tip opening angle)을 측정하고, 디지털 이미지 상관법(digital image correlation, DIC)을 이용하여 표면 변형률장을 도출하였다. 균열저항특성은 입자강화 복합재료의 특성상 온도와 하중속도의 영향을 크게 받기 때문에 다양한 온도 및 하중속도에서 파괴인성시험을 수행하였다.
3과 같이 측정하고자 하는 물체의 표면에 스펙클 패턴을 입힌 뒤 이미지 촬영을 하여 변형 전 상태와 변형 후 상태의 상관관계를 분석하여 변형률을 측정하는 기법이다[8,9]. 본 연구에서는 시편에 흰색 래커(lacquer)를 먼저 도포한 뒤 검은색 래커를 무작위로 분사하여 Fig. 3과 같은 스펙클 패턴을 만들었다. 이미지 촬영은 WST 시험과 동시에 이루어졌으며 CCD카메라를 이용하였다.
시험이 진행되는 동안 CCD 카메라로 시험편 표면의 스펙클 패턴(speckle pattern)을 촬영한다. 시험을 수행한 뒤 촬영한 이미지를 기반으로 파괴인성 변수인 CTOD(crack tip opening displacement) 및 CTOA(crack tip opening angle)을 측정하고, 디지털 이미지 상관법(digital image correlation, DIC)을 이용하여 표면 변형률장을 도출하였다. 균열저항특성은 입자강화 복합재료의 특성상 온도와 하중속도의 영향을 크게 받기 때문에 다양한 온도 및 하중속도에서 파괴인성시험을 수행하였다.
쐐기분열시험에 사용된 시험장치는 INSTRON 5567 만능시험기와 온도 조건을 맞춰주기 위해 INSTRON 3319-409 환경 용기(chamber)를 사용하였다. 입자강화복합재료는 점탄성 특성을 지니고 있기 때문에 시험속도의 영향을 분석하기 위하여 정적 및 동적인 상태에서의 CMOD에 따른 분열하중의 거동을 비교 평가하고자 5, 50, 500mm/min의 3종으로 선택하였다[7]. 시험 온도는60℃, 상온, -20℃, -40℃, -60℃에서 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 HTPB 고분자 바인더에 금속연료 및 산화제가 결합된 입자강화 복합재료로 주물에 의해 제조된다. Fig.
본 연구에서 사용된 재료는 HTPB를 기반으로 하는 입자강화 복합재료이다. 이 재료는 제작, 운반 및 저장 등의 상황에서 균열이 발생할 수 있기 때문에 균열 거동에 대한 파괴역학적 시험 평가는 필수적이다.
시험 온도는 보관 온도인 –55℃~70℃ 범위 내 온도에서 4가지를 선정하였으며 유리전이온도와 가까운 온도인 –60℃를 결정하였다.
는 파괴에너지를 나타낸다. 쐐기분열시험에 사용된 시험장치는 INSTRON 5567 만능시험기와 온도 조건을 맞춰주기 위해 INSTRON 3319-409 환경 용기(chamber)를 사용하였다. 입자강화복합재료는 점탄성 특성을 지니고 있기 때문에 시험속도의 영향을 분석하기 위하여 정적 및 동적인 상태에서의 CMOD에 따른 분열하중의 거동을 비교 평가하고자 5, 50, 500mm/min의 3종으로 선택하였다[7].
시험 온도는 보관 온도인 –55℃~70℃ 범위 내 온도에서 4가지를 선정하였으며 유리전이온도와 가까운 온도인 –60℃를 결정하였다. 쐐기분열시험에는 각 조건당 1회씩 수행하여 15개의 시편을 사용하였다.
3과 같은 스펙클 패턴을 만들었다. 이미지 촬영은 WST 시험과 동시에 이루어졌으며 CCD카메라를 이용하였다. Fig.

이론/모형

1은 쐐기분열시험편의 형상을 나타낸다. 시편의 형상은 파괴인성 실험 규격인 ASTM E399[6]에 제시된 CT시험편을 기반으로 결정되었다. 예비균열 길이는 25mm로 예리한 나이프를 사용하여 삽입하였다.
파괴역학적인 변수 및 파괴인성의 데이터를 도출하고 온도와 시험 속도의 영향을 분석하는 것이 연구의 목표이다. 파괴역학적 변수를 분석하기 위해 쐐기분열시험(wedge splitting test, WST)을 수행하였다. 시험이 진행되는 동안 CCD 카메라로 시험편 표면의 스펙클 패턴(speckle pattern)을 촬영한다.

성능/효과

(1) 쐐기분열시험 결과로부터 온도가 감소할수록 입자강화 복합재료의 인장강도가 증가하기 때문에 분열하중이 증가하며 –60℃에서 유리전이거동에 의한 취성거동을 보여 분열하중이 크게 증가한다.
(2) 쐐기분열시험에서 시험 속도가 증가하면 응력완화현상이 감소하여 시편 내부에 높은 응력이 잔류하기 때문에 분열하중이 증가한다.
(3) CTOD 및 CTOA 분석결과 두 변수는 온도가 감소할수록 증가하며 –60℃에서 취성을 나타내기 때문에 두 변수의 결과가 낮은 값을 보인다. 시험 속도는 두 변수에 큰 영향을 미치지 않으며 유사한 값을 보인다.
(4) DIC 분석결과 온도가 감소하면 변형률이 커지며 –60℃에서 취성거동을 보여 낮은 변형률을 보인다. 시험 속도가 증가하면 변형률이 커지는데 이는 응력완화현상이 감소하기 때문이다.
분석한 결과를 보면 초기에는 불안정한 영역을 보이며 균열이 약 5mm 진전한 뒤 안정영역으로 수렴되는 것을 알 수 있다. CTOA 결과 값도 CTOD와 유사한 경향을 보였는데 온도가 감소할수록 높은 CTOA 값을 보였으며 시험 속도와 무관하게 비슷한 결과를 보였다. -60℃에서 CTOA의 안정영역 값을 비교해보면 CTOD 결과와 유사한 경향을 보였다.
Figure 7은 CCD 카메라로 촬영된 이미지를 기반으로 DIC를 이용하여 도출한 CTOD를 나타낸 것이다. CTOD를 분석한 결과 온도가 감소할수록 동일한 균열길이에서 더 큰 CTOD 값을 볼 수 있다. 이는 온도가 감소함에 따라 균열저항이 증가한다는 것을 나타낸다.
분열하중-CMOD 그래프를 보면 모든 조건에서 CMOD가 증가하면 분열하중이 증가하다 최대분열하중에 도달한 뒤 감소하는 경향을 나타내었다. 각 시험 속도에서 온도가 감소할수록 최대분열하중은 증가하는 것을 알 수 있으며 -60℃에서 크게 증가하였다. 이는 온도가 감소할수록 강도가 증가하기 때문이며 서보휘 등[14]이 유사한 재료를 이용하여 파단 후에 SEM 분석한 결과와 같다.
Figure 8은 식 (7)을 통해 CTOA를 분석하여 나타낸 것이다. 분석한 결과를 보면 초기에는 불안정한 영역을 보이며 균열이 약 5mm 진전한 뒤 안정영역으로 수렴되는 것을 알 수 있다. CTOA 결과 값도 CTOD와 유사한 경향을 보였는데 온도가 감소할수록 높은 CTOA 값을 보였으며 시험 속도와 무관하게 비슷한 결과를 보였다.
Figure 6은 다양한 시험 온도에서 각각 5, 50,500mm/min의 시험 속도에 따라 쐐기분열시험을 수행하여 얻은 분열하중-CMOD 결과를 정리한 것이다. 분열하중-CMOD 그래프를 보면 모든 조건에서 CMOD가 증가하면 분열하중이 증가하다 최대분열하중에 도달한 뒤 감소하는 경향을 나타내었다. 각 시험 속도에서 온도가 감소할수록 최대분열하중은 증가하는 것을 알 수 있으며 -60℃에서 크게 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입자강화 복합재료의 특성은?	HTPB(hydroxyl-terminated poly-butadiene)를 기반으로 하는 입자강화 복합재료는 산화제 및 고분자 물질을 결합하여 점탄성 특성을 보이는 재료이다. 이러한 입자강화 복합재료는 제조 과정, 보관 온도, 외부 압력 등에 의해 균열이 발생할 수 있다.
	입자강화 복합재료에 발생하는 균열이 미치는 영향은?	이러한 입자강화 복합재료는 제조 과정, 보관 온도, 외부 압력 등에 의해 균열이 발생할 수 있다. 균열은 재료의 내구성, 성능, 안정성 등을 저하시킨다. 한편 입자강화 복합재료의 강도는 철, 알루미늄과 같은 금속이나 콘크리트 등의 준취성 재료에 비해 낮을 뿐만 아니라 점탄성 특성을 지니고 있다.
	입자강화 복합재료의 강도의 특성은?	균열은 재료의 내구성, 성능, 안정성 등을 저하시킨다. 한편 입자강화 복합재료의 강도는 철, 알루미늄과 같은 금속이나 콘크리트 등의 준취성 재료에 비해 낮을 뿐만 아니라 점탄성 특성을 지니고 있다. 점탄성 특성은 선형탄성파괴역학을 적용하기 어렵게 한다.

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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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