[논문]폴리프로필렌 자기 보강 복합재의 동적 물성 구축을 위한 Split Hopkinson Pressure Bar의 설계 및 제작

강소영; 김도형; 김동현; 김학성

doi:10.7234/composres.2018.31.5.221

폴리프로필렌 자기 보강 복합재의 동적 물성 구축을 위한 Split Hopkinson Pressure Bar의 설계 및 제작
Design and Fabrication of Split Hopkinson Pressure Bar for Dynamic Mechanical Properties of Self-reinforced Polypropylene Composite 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.5, 2018년, pp.221 - 226

강소영 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 김도형 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 김동현 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 김학성 (Institute of Nano Science and Technology, Hanyang University)

초록
AI-Helper

변형률 속도 $100s^{-1}{\sim}10000s^{-1}$ 범위에서 사용되는 홉킨스바(SHPB)는 재료의 동석 거동 특성을 확인하기 위해 가장 널리 사용되는 장치이다. SHPB 시험은 입력봉 및 전달봉에서 측정된 변형률을 사용하여 시험편의 응력, 변형률 및 변형률 속도를 얻을 수 있는 응력파 전달 이론을 기반으로 한다. 본 연구에서는 고 변형률 속도에서 폴리프로필렌 자기보강 복합재료(SRPP)의 동적 특성을 얻기 위해 직접 SHPB를 설계 및 제작하였다. 또한 본 연구를 통해 제작된 SHPB에서 얻은 변형률 데이터의 신뢰성 확보를 위하여 Digital Image Correlation (DIC)를 통해 얻은 변형률 데이터와의 비교를 진행하였다. 이는 SRPP 시편의 고속 압축 시험을 통해 이루어 졌으며 SHPB를 통하여 얻은 데이터와 DIC를 통해 얻은 변형률 데이터의 유사함을 확인하였고 이를 통하여 장비의 신뢰성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB) has been the most widely used apparatus to characterize dynamic mechanical behavior of materials at high strain rates between $100s^{-1}$ and $10,000s^{-1}$. The SHPB test is based on the wave propagation theory which was developed to give the stress, strain and strain rate in the specimen using the strains measured in the incident and transmission bars. In this study, the SHPB was directly designed and fabricated for the dynamic mechanical properties of fiber reinforced plastic (FRP) composites. In addition, this apparatus was verified for the validity by comparing the strain data obtained through the high speed camera and Digital Image Correlation(DIC) during the high strain rate compression test of the self-reinforced polypropylene composite (SRPP) specimen.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of Split Hopkinson Pressure bar
그림 Fig. 2. The specimen between the incident bar and transmission bar
그림 Fig. 3. Pictures of fixture and specimen design for Hopkinson bar
그림 Fig. 4. Schematic of strain data acquisition system
그림 Fig. 5. Micro-switch on the valve in gas gun configuration
그림 Fig. 6. Experimental signal of SRPP by SHPB
그림 Fig. 7. Stress-strain curve of SRPP compression test at varying strain rates
그림 Fig. 8. Comparison of strain data from SHPB and DIC
그림 Fig. 9. The images of SRPP by the high speed camera and DIC
그림 Fig. 10. Failure observation by high speed camera of SRPP

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이에 따라 SRPP가 고속으로 하중을 받을 때 그 특성을 규명하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 따라서 본 연구에서는 자체적으로 설계된 SHPB를 이용하여 이러한 SRPP의 고 변형률 속도에서의 거동을 살펴보았다. 또한 본 연구에서 설계된 SHPB 장비의 데이터 타당성 검증을 위해 초고속 카메라 및 Digital Image Correlation (DIC) 기법을 통해 얻어낸 변형률 데이터와의 비교를 진행함으로써 이 장비에 대한 신뢰성을 확보하였다.
본 연구에서는 SHPB를 통해 얻은 변형률 데이터의 신뢰성 확보를 위하여 Digital Image Correlation (DIC)를 통해 얻은 변형률 데이터와의 비교를 진행하였다. DIC 기법은 Mercury RT 소프트웨어의 비디오 신율계를 통하여 진행되었다.
본 연구에서는 고 변형률 속도에서 재료의 동적 물성을 얻기 위해 SHPB 장비를 직접 설계 및 제작하였다. 또한 완성된 SHPB 장치의 변형률 데이터의 신뢰성 검증을 위하여 DIC 및 초고속카메라를 통한 변형률 측정과의 비교를 진행하였고, 결과적으로 두 데이터의 유사성을 통해 SHPB의 데이터에 대한 신뢰성을 확보하였다.

제안 방법

Fig. 3과 같이 이 시편 크기에 맞추어 직사각형 형태의 홈이 있는 고정 지그를 사용하였고, 시편의 끝 표면에서 에지 효과(edge effects)에 영향을 받지 않는 더 균일한 변형장을 얻기 위해 면내 종횡비를 2로 선택했다. 이 형상의 고정 지그는 FRP의 고 변형률 속도 실험에서 많은 연구에 성공적으로 사용되었다[5-7].
이에 따라 본 연구에서는 SHPB 시험 장비를 자체적으로 설계 및 제작하였다. SHPB 실험에 사용된 시편은 최근 저밀도, 고연신 특성으로 주목받고 있는 폴리프로필렌 자기보강 복합재(Self-reinforced polypropylene, SRPP)로, 이 소재를 이용하여 고 변형률 속도 하의 동적 물성을 분석하였다. 강도가 높으면서도 연신율이 좋은 SRPP는 이런 특성 때문에 최근 자동차 내 충격 부품으로 활발히 쓰이고 있다.
따라서 본 연구에서는 자체적으로 설계된 SHPB를 이용하여 이러한 SRPP의 고 변형률 속도에서의 거동을 살펴보았다. 또한 본 연구에서 설계된 SHPB 장비의 데이터 타당성 검증을 위해 초고속 카메라 및 Digital Image Correlation (DIC) 기법을 통해 얻어낸 변형률 데이터와의 비교를 진행함으로써 이 장비에 대한 신뢰성을 확보하였다.
이 필름은 섬유 소재보다 30도 이상 낮은 녹는점을 갖고 있어서 두 가지 소재를 이용하여 자기보강 복합소재를 잘 구성할 수 있었다. 또한 본 연구에서는 SRPP의 합지를 위해 핫프레스 장비를 사용하였다. 합지 과정은 자기보강 복합소재의 시편 제조를 위해 PP 섬유 사이에 필름 형태의 기지재를 삽입하였고, 최적 합지 온도를 145^oC로 선정하여 핫프레스로 5 bar의 압력과 함께 가열하였다.
본 연구에서는 고 변형률 속도에서 재료의 동적 물성을 얻기 위해 SHPB 장비를 직접 설계 및 제작하였다. 또한 완성된 SHPB 장치의 변형률 데이터의 신뢰성 검증을 위하여 DIC 및 초고속카메라를 통한 변형률 측정과의 비교를 진행하였고, 결과적으로 두 데이터의 유사성을 통해 SHPB의 데이터에 대한 신뢰성을 확보하였다. 이 과정을 통해 제작된 SHPB 장비를 사용하여 섬유과 기지재 모두 폴리프로필렌으로 이루어진 SRPP 소재의 고속 압축 실험을 수행하였고, 도출된 전압 변화 결과에서 탄성파 전달이론을 통해 시편의 응력, 변형률, 변형률 속도를 얻을 수 있었다.
스페클 무늬의 시편 표면으로부터 평면 내 균일한 변형장을 얻기 위해, 초고속카메라의 이미지 해상도는 320 × 128pixel²에, 프레임 속도는 97107 fps로 설정하였다. 또한 표본 시편의 변형으로 인한 면내 변형장을 보장하기 위해 SHPB를 통한 고속 압축 시험 동안 동시에 DIC기법을 위한 초고속 카메라 동영상 촬영이 진행되었다. SHPB 실험에서 0.
스페클 무늬의 시편 표면으로부터 평면 내 균일한 변형장을 얻기 위해, 초고속카메라의 이미지 해상도는 320 × 128pixel2에, 프레임 속도는 97107 fps로 설정하였다.
합지 과정은 자기보강 복합소재의 시편 제조를 위해 PP 섬유 사이에 필름 형태의 기지재를 삽입하였고, 최적 합지 온도를 145^oC로 선정하여 핫프레스로 5 bar의 압력과 함께 가열하였다. 이때 시편에 열전대를 부착하여 실시간으로 시편의 온도를 관찰하였으며 목표 온도에서 3분의 체류시간을 가진 후 분당 20^oC의 속도로 냉각하여 시편을 제조하였다.
이에 따라 본 연구에서는 SHPB 시험 장비를 자체적으로 설계 및 제작하였다. SHPB 실험에 사용된 시편은 최근 저밀도, 고연신 특성으로 주목받고 있는 폴리프로필렌 자기보강 복합재(Self-reinforced polypropylene, SRPP)로, 이 소재를 이용하여 고 변형률 속도 하의 동적 물성을 분석하였다.
또한 본 연구에서는 SRPP의 합지를 위해 핫프레스 장비를 사용하였다. 합지 과정은 자기보강 복합소재의 시편 제조를 위해 PP 섬유 사이에 필름 형태의 기지재를 삽입하였고, 최적 합지 온도를 145^oC로 선정하여 핫프레스로 5 bar의 압력과 함께 가열하였다. 이때 시편에 열전대를 부착하여 실시간으로 시편의 온도를 관찰하였으며 목표 온도에서 3분의 체류시간을 가진 후 분당 20^oC의 속도로 냉각하여 시편을 제조하였다.

대상 데이터

본 연구에서 SHPB 실험을 위한 시편으로는 섬유와 기지 재가 모두 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 구성된 폴리프로필렌 자기보강 복합재(Self-reinforced polypropylene composite, SRPP)를 사용하였다. 실험에 사용된 이 SRPP는서로 다른 제조 공정을 사용하는 두 가지 유형의 폴리프로필렌으로 구성되었다.
본 연구에서 SHPB 실험을 위한 시편으로는 섬유와 기지 재가 모두 폴리프로필렌(Polypropylene)으로 구성된 폴리프로필렌 자기보강 복합재(Self-reinforced polypropylene composite, SRPP)를 사용하였다. 실험에 사용된 이 SRPP는서로 다른 제조 공정을 사용하는 두 가지 유형의 폴리프로필렌으로 구성되었다. 폴리프로필렌 섬유는 한국 ENT사에서 단일 중합체 폴리프로필렌을 용융 방사하여 원사를 제조한 후 평직 형태로 제직되었으며, 기지재 역시 한국 ENT사에서 공중합 폴리프로필렌을 원료로 한 무연신 필름을 사용하여 제조하였다.
이러한 이유로 봉의 지름에 대한 봉의 길이의 비는 20보다 커야 한다[8]. 이 SHPB 장비의 두개의 봉은 고강성 소재로 지름 20 mm,길이 2 m로 제작되었다. Fig.
1에서 볼 수 있듯이, 실험 도중 실시간으로 입사파, 반사파, 투과파 신호를 측정하기 위해 양쪽 봉에 모두 스트레인 게이지를 부착하였다. 이 때 사용한 스트레인 게이지는 저항이 350 Ω, 표점 간 거리(gage length)가 3 mm인 UFLA-3-350-11-3LT(TML, Japan) 모델을 사용하였다. 이 스트레인 게이지는 입력봉에서 입사파와 반사파가 중첩되지 않도록 봉의 끝에서 450 mm 떨어진 거리에 부착하였다.
실험에 사용된 이 SRPP는서로 다른 제조 공정을 사용하는 두 가지 유형의 폴리프로필렌으로 구성되었다. 폴리프로필렌 섬유는 한국 ENT사에서 단일 중합체 폴리프로필렌을 용융 방사하여 원사를 제조한 후 평직 형태로 제직되었으며, 기지재 역시 한국 ENT사에서 공중합 폴리프로필렌을 원료로 한 무연신 필름을 사용하여 제조하였다. 이 필름은 섬유 소재보다 30도 이상 낮은 녹는점을 갖고 있어서 두 가지 소재를 이용하여 자기보강 복합소재를 잘 구성할 수 있었다.

데이터처리

또한 표본 시편의 변형으로 인한 면내 변형장을 보장하기 위해 SHPB를 통한 고속 압축 시험 동안 동시에 DIC기법을 위한 초고속 카메라 동영상 촬영이 진행되었다. SHPB 실험에서 0.1 ms동안 신호를 측정하였고, Fig. 6과 같이 이 시간 동안 SHPB실험 결과로부터 9개의 변형률 데이터가 DIC 측정 변형률 데이터와 비교되었다.

이론/모형

본 연구에서는 SHPB를 통해 얻은 변형률 데이터의 신뢰성 확보를 위하여 Digital Image Correlation (DIC)를 통해 얻은 변형률 데이터와의 비교를 진행하였다. DIC 기법은 Mercury RT 소프트웨어의 비디오 신율계를 통하여 진행되었다. 스페클 무늬의 시편 표면으로부터 평면 내 균일한 변형장을 얻기 위해, 초고속카메라의 이미지 해상도는 320 × 128pixel²에, 프레임 속도는 97107 fps로 설정하였다.
Incident 및 Reflected 신호는 입력봉에 부착된 스트레인 게이지에서 측정한 신호이고, Transmitted 신호는 전달봉에 부착된 스트레인 게이지에서 측정한 신호이다. 이렇게 SHPB 실험을 통하여 기록된 시간에 따른 전압 변화 결과는 오실로스코프를 통해 얻을 수 있고, 이 결과를 시간에 따른 변형률로 바꾸는 과정에는 휘트스톤 브릿지 공식을 이용하였다.

성능/효과

또한, Fig. 10과 같이 고 변형률 속도에서 SRPP 시편의 압축되는 모습의 옆면을 초고속 카메라로 찍어서 분석해 보았을 때 역시 시편이 파손되는 시점과 SHPB 및 DIC를 통해 나타난 파손 시점이 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 완성된 SHPB 장치의 변형률 데이터의 신뢰성 검증을 위하여 DIC 및 초고속카메라를 통한 변형률 측정과의 비교를 진행하였고, 결과적으로 두 데이터의 유사성을 통해 SHPB의 데이터에 대한 신뢰성을 확보하였다. 이 과정을 통해 제작된 SHPB 장비를 사용하여 섬유과 기지재 모두 폴리프로필렌으로 이루어진 SRPP 소재의 고속 압축 실험을 수행하였고, 도출된 전압 변화 결과에서 탄성파 전달이론을 통해 시편의 응력, 변형률, 변형률 속도를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작된 SHPB 장비를 통해 SRPP의 고 변형률 속도에서의 동적 물성을 획득하였고, 이 외에도 SHPB를 통해 다양한 재료의 시편에 대한 동적 물성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
폴리프로필렌 섬유는 한국 ENT사에서 단일 중합체 폴리프로필렌을 용융 방사하여 원사를 제조한 후 평직 형태로 제직되었으며, 기지재 역시 한국 ENT사에서 공중합 폴리프로필렌을 원료로 한 무연신 필름을 사용하여 제조하였다. 이 필름은 섬유 소재보다 30도 이상 낮은 녹는점을 갖고 있어서 두 가지 소재를 이용하여 자기보강 복합소재를 잘 구성할 수 있었다. 또한 본 연구에서는 SRPP의 합지를 위해 핫프레스 장비를 사용하였다.
따라서 지점 7 이후의 변형률 데이터에서 SHPB 결과와 DIC 실험 결과가 다소 차이를 보였다. 이를 통해 시간에 대한 변형 및 파괴가 DIC와 SHPB 장치에서 비슷하게 포착된 것을 알 수 있었고, DIC 해석 영영이 깨지기 전까지 SHPB의 변형률 측정이 DIC 데이터와 유사함을 통해 신뢰성 있다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이 과정을 통해 제작된 SHPB 장비를 사용하여 섬유과 기지재 모두 폴리프로필렌으로 이루어진 SRPP 소재의 고속 압축 실험을 수행하였고, 도출된 전압 변화 결과에서 탄성파 전달이론을 통해 시편의 응력, 변형률, 변형률 속도를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작된 SHPB 장비를 통해 SRPP의 고 변형률 속도에서의 동적 물성을 획득하였고, 이 외에도 SHPB를 통해 다양한 재료의 시편에 대한 동적 물성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 재료의 기계적 물성을 결정하기 위한 실험은 어떤 표준에 따라 수행되는가?	일반적으로 재료의 기계적 물성을 결정하기 위한 실험은 ASTM(American Society of Testing and Materials) 표준에 따라 수행되며 동적 조건 보다는 주로 준정적 변형률 속도(0.0001 s-1~0.
	FRP가 자동차 경량화 부품에 널리 이용되는 이유는 무엇인가?	최근 환경 오염문제가 대두되면서 자동차 환경에 대한 규제로 인해 연료 소비의 75%를 차지하고 있는 차량의 중량을 감소시키는 것이 자동차 산업에서 가장 중요한 문제가 되었다[1]. 이를 위해 FRP는 일반적인 금속 재료와 비교해 보았을 때, 높은 강도 및 강성을 가지고 있고, 피로 및 부식에 대한 저항성 등을 가지고 있다는 점에서 자동차 경량화 부품에 널리 이용되고 있다.
	FRP로 신뢰성 있는 자동차 경량화 부품을 개발하기 위해 충격 하중에서의 재료 손상 거동 예측이 중요한 이유는 무엇인가?	이런 FRP에 대해 신뢰성 있는 자동차 경량화 부품을 개발하려면 충격 하중에서의 재료의 손상 거동을 예측하는 것이 매우 중요하다. 왜냐하면 충격 하중은 FRP 재료의 섬유 파손, 기지재 균열 등 다양한 파괴 모드가 복합적인 구조에 큰 손상을 줄 수 있기 때문이다[2,3]. 이러한 이유로 FRP 재료의 고 변형률 속도에서의 거동 특성에 대한 분석 및 고찰이 반드시 확보되어야 한다.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증