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하이브리드 능직 탄소-아라미드 섬유 복합재의 모드 I 파괴인성에 대한 실험적 연구
Experimental Investigations of Mode I Fracture Toughness of a Hybrid Twill Woven Carbon and Aramid Fabric Composite 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.6, 2019년, pp.1 - 6  

권우덕 (부경대학교 안전공학과) ,  권오헌 (부경대학교 안전공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carbon fiber has excellent specific strength, corrosion resistance and heat resistance. And p-Aramid fiber has high toughness and heat resistance and high elasticity, and is used in various fields such as industrial protective materials, bulletproof helmets and vests, as well as industrial fields. H...

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 73 mm이며, 성형된 CF/Aramid 하이브리드 복합재료는 고속 정밀절단기로 120 mm × 24 mm의 크기로 절단하였다. 균열 진전 길이를 측정하기 위하여 절단된 시험편 측면 부위를 사포를 사용하여 가공하여 화이트 보드마카로 도색하였다. 또한 Mode I 시험용 하중 전달 알루미늄 블록을 아랄다이트 수지접착제를 사용하여 시험편에 부착하였으며 블록의 탈락을 방지하기 위하여 바이스에 고정시킨 후 상온에서 12시간 이상 경화작업을 수행하였다.
  • 능직 하이브리드 섬유원단은 아라미드 섬유전용 절단가위를 사용하여 160 mm × 250 mm 크기로 절단하여 인장시험편용은 4 ply, DCB시험편용은 20 ply를 적층하였다.
  • 균열 진전 길이를 측정하기 위하여 절단된 시험편 측면 부위를 사포를 사용하여 가공하여 화이트 보드마카로 도색하였다. 또한 Mode I 시험용 하중 전달 알루미늄 블록을 아랄다이트 수지접착제를 사용하여 시험편에 부착하였으며 블록의 탈락을 방지하기 위하여 바이스에 고정시킨 후 상온에서 12시간 이상 경화작업을 수행하였다.
  • 육안으로 관측과 동시에 균열 성장을 동영상으로 촬영하였으며 실험 종료 후 촬영된 영상을 확인하여 육안 측정과의 오차를 보정하였다. 또한 측정 현미경을 이용한 균열 관측 시 진동을 최소화하기 위하여 현미경 받침대 아래에 진동 흡수 패드를 설치하고, 충격 등에 노출되지 않도록 하기 위해 실험장비 주변에 보호대를 설치하였다. 이동식 실체 현미경에서 육안으로 측정된 균열길이는 디지털 변환기(IT-005D, Japan)를 이용하여 엑셀데이터로 저장되었다.
  • 본 연구에서는 능직 CF/Aramid 하이브리드 복합재의 적층분리저항곡선을 얻기 위하여 인장시험 및 Mode I 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 능직형태의 탄소섬유-아라미드 하이브리드 직물(이후 CF/Aramid)을 이용하여 적층 복합재료로 제작한 후 DCB시험편을 사용하여 Mode I 시험을 수행하고 MBT, MCC 평가식을 적용하여 변형율 에너지해방율(SERR) 파괴인성치를 비교 분석하였다.
  • 성형방법은 몰드(mold)에 적층된 하이브리드 CF/Aramid 섬유원단을 정렬하고 비닐에스테르 수지를 주입하여 온도 약 79°C, 압력 약 0.588 MPa의 조건에서 오토클레이브를 사용하여 성형하였다.
  • 파괴 시험동안 적층분리 균열성장 길이는 실체 현미경 렌즈(x20)와 이동식 현미경의 x-y 테이블을 조립한 시스템을 이용하여 측정하였다. 육안으로 관측과 동시에 균열 성장을 동영상으로 촬영하였으며 실험 종료 후 촬영된 영상을 확인하여 육안 측정과의 오차를 보정하였다. 또한 측정 현미경을 이용한 균열 관측 시 진동을 최소화하기 위하여 현미경 받침대 아래에 진동 흡수 패드를 설치하고, 충격 등에 노출되지 않도록 하기 위해 실험장비 주변에 보호대를 설치하였다.
  • 이때 얻어진 신호는 변형률 해석프로그램(Strain Smart) 을 통하여 측정하였다. 인장시험 및 Mode I 파괴시험은 동일한 탁상용 중형 UTM(Tinus Olsen, H50KS)을 이용하였으며 변위제어 방식으로 인장시험은 0.1 mm/min로 Mode I 파괴시험은 0.5 mm/min로 수행하였다. 파괴 시험동안 적층분리 균열성장 길이는 실체 현미경 렌즈(x20)와 이동식 현미경의 x-y 테이블을 조립한 시스템을 이용하여 측정하였다.
  • 9 mm), 고속정밀 절단기를 사용하여 140 mm × 14 mm 크기로 절단하였다. 인장시험편의 양쪽 끝부분에 에폭시 수지인 아랄다이트 접착제(Araldite rapid)를 사용하여 자체 제작된 슬립방지용 홈을 가진 알루미늄 탭을 부착하였다. 인장시험편의 규격은 Fig.
  • 제작된 CF/Aramid 하이브리드 복합재료의 극한강도, 탄성계수 및 포아송비를 측정하기 위하여 인장시험편 중심부에 2축 전기저항 스트레인게이지를 부착하였다. 이때 얻어진 신호는 변형률 해석프로그램(Strain Smart) 을 통하여 측정하였다.
  • 5 mm/min로 수행하였다. 파괴 시험동안 적층분리 균열성장 길이는 실체 현미경 렌즈(x20)와 이동식 현미경의 x-y 테이블을 조립한 시스템을 이용하여 측정하였다. 육안으로 관측과 동시에 균열 성장을 동영상으로 촬영하였으며 실험 종료 후 촬영된 영상을 확인하여 육안 측정과의 오차를 보정하였다.

대상 데이터

  • 평가파라미터는 변형율 에너지 해방율(Strain Energy Release Rate: SERR)을 사용한다. 본 연구에 적용된 Mode I 하중을 받는 경우에는 DCB(Double-Cantilever Beam; DCB) 시험편을 이용하며, ASTM D 5528-113)에서 제시한 시험편 제작 및 실험방법 등을 적용하였다. ASTM D 5528에서 제시한 SERR평가방법은 수정보 이론 (Modified Beam Theory; MBT), 컴플라이언스법 (Compliance Calibration Method; CC), 수정 컴플라이언스법 (Modified Compliance Calibration Method; MCC)방법 등이 있다.
  • 05 mm이고, 경사방향(Warp) CF, 위사방향(Weft) Para-Aramid이며 각각 Toray 및 Kolon에서 생산되었다. 비닐에스테 수지는 CCP Composites Korea(주)에서 생산되는 Epovia RF-1001 제품을 사용하였다. Table 1은 제작에 사용된 각각의 재료에 대한 물리적 특성이다.
  • 사용된 재료는 탄소섬유(CF)와 아라미드섬유를 2×2 능직으로 직조한 섬유 원단(Fabric)과 기지재료로 비닐 에스테르 수지(Vinylester epoxy)를 사용하였다.
  • 시험편의 최종 성형두께는 4.73 mm이며, 성형된 CF/Aramid 하이브리드 복합재료는 고속 정밀절단기로 120 mm × 24 mm의 크기로 절단하였다.
  • 인장시 험편은 총 4 ply 적층하였으며(두께 0.9 mm), 고속정밀 절단기를 사용하여 140 mm × 14 mm 크기로 절단하였다.
  • 인장시험은 Fig. 2에 나타낸 CF/Aramid 하이브리드 복합재 인장시험편을 사용하여 수행하였다. Fig.

데이터처리

  • 제작된 CF/Aramid 하이브리드 복합재료의 극한강도, 탄성계수 및 포아송비를 측정하기 위하여 인장시험편 중심부에 2축 전기저항 스트레인게이지를 부착하였다. 이때 얻어진 신호는 변형률 해석프로그램(Strain Smart) 을 통하여 측정하였다. 인장시험 및 Mode I 파괴시험은 동일한 탁상용 중형 UTM(Tinus Olsen, H50KS)을 이용하였으며 변위제어 방식으로 인장시험은 0.

이론/모형

  • DCB의 Mode I 변형율 에너지 해방율 G는 ASTM D5528-94a12) 에서 제시한 Modified Beam theory(MBT)와 Modified Compliance Calibration(MCC)로 평가하였다. 각각의 평가식은 다음과 같다.
  • 완전 경화된 CF/Aramid 하이브리드 복합재 적층판은 기계적 물성치를 평가하기 위하여 ASTM D 3039M-0817) 규격을 참고하여 인장시험편으로 제작하였다. 인장시 험편은 총 4 ply 적층하였으며(두께 0.
  • 적층분리 파괴인성평가는 균열선단에서 균열이 받을 수 있는 하중의 형태에 따라서 개구형의 Mode I과 전단형의 Mode II 및 혼합모드에서 수행된다12). 평가파라미터는 변형율 에너지 해방율(Strain Energy Release Rate: SERR)을 사용한다. 본 연구에 적용된 Mode I 하중을 받는 경우에는 DCB(Double-Cantilever Beam; DCB) 시험편을 이용하며, ASTM D 5528-113)에서 제시한 시험편 제작 및 실험방법 등을 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
파라아라미드(p-Aramid)섬유의 단점은 무엇인가? 파라아라미드(p-Aramid)섬유는 강인성 및 내열성, 고탄성율을 가지고 산업용 보호소재, 방탄헬멧 및 조끼 등 산업현장 뿐만 아니라 군사용 등 여러 분야에서 사용되고 있다3-6). 이러한 아라미드섬유는 기지재로 수지 적용시 탄성율 및 강도가 저하하는 경향이 있으나 탄소섬유에 비하여 저가이고 신장율과 파괴인성이 더 높아서 각 섬유의 단점을 보완하기 위하여 하이브리드 탄소-아라미드섬유강화복합 적층재료로 제작하여 많이 사용하고 있다7). 섬유 강화 적층재료는 적층시 적층방법, 순서, 플라이 방향에 따라, 재료의 손상, 외부충격, 결함 등에 문제점이 발생하면 적층층 사이의 적층분리와 같은 파손이 재료의 급작 파괴를 발생시켜 구조물 및 기계설비에 심각한 안전성을 초래하게 된다8).
능직구조의 장점은 무엇인가? 지난 수 십년간 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유 등의 2종류 이상의 섬유를 사용하여 제작되는 하이브리드 복합재료가 광범위한 산업분야의 구조물 설비에서 적용되고 있다. 탄소섬유는 비강도, 비강성, 내식성, 내열성 등이 우수하여 풍력발전기의 블레이드, 우주왕복선의 날개, 항공기의 브레이크, 저온저장탱크 등에 핵심전략부품으로 적용되고 있으며, 그 중에서 능직구조는 씨실과 날실이 두 개 혹은 그 이상의 섬유를 교차하여 직조되기 때문에 수지의 함침성이 평직에 비하여 우수하여 강화재 섬유 변형이 작고 표면이 원활할 뿐만 아니라 기계적 가공 또한 용이하지만 구조적으로 안정성은 떨어진다1). 탄소섬유는 비교적 고가이며, 충격에 약하고 낮은 파손 변형율 때문에 취성 파괴거동을 한다2).
탄소섬유의 특징은 무엇인가? 탄소섬유는 비강도, 비강성, 내식성, 내열성 등이 우수하여 풍력발전기의 블레이드, 우주왕복선의 날개, 항공기의 브레이크, 저온저장탱크 등에 핵심전략부품으로 적용되고 있으며, 그 중에서 능직구조는 씨실과 날실이 두 개 혹은 그 이상의 섬유를 교차하여 직조되기 때문에 수지의 함침성이 평직에 비하여 우수하여 강화재 섬유 변형이 작고 표면이 원활할 뿐만 아니라 기계적 가공 또한 용이하지만 구조적으로 안정성은 떨어진다1). 탄소섬유는 비교적 고가이며, 충격에 약하고 낮은 파손 변형율 때문에 취성 파괴거동을 한다2). 파라아라미드(p-Aramid)섬유는 강인성 및 내열성, 고탄성율을 가지고 산업용 보호소재, 방탄헬멧 및 조끼 등 산업현장 뿐만 아니라 군사용 등 여러 분야에서 사용되고 있다3-6).
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참고문헌 (18)

  1. Y. R. Ryu, Y. S. Yun and O. H. Kwon, "AE Application for Fracture Behavior od SiC Reinforced CFRP Composites", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 3, pp. 16-21, 2016. 

  2. H. Rahmani, S. H. Mahmoudi and A. Ashori, "Mechanical Performance of Epoxy/Carbon Fiber Laminated Composites", Journal of Reinforced Plastic Composites, Vol. 33, pp. 733-740, 2014. 

  3. J. W. S. Hearle, "High-Performance Fibers", Woodhead Pub. Ltd., New York, pp. 23-58, 2001. 

  4. L. Nicolais, M. Meo and E. Milella, "Composite Materials, A Vision for the Future", Springer, London, 2011. 

  5. F. Larsson and L. Svensson, "Carbon, Polyethylene and PBO Hybrid Fiber Composite for Structural Lightweight Armour", Composite Part A, Vol. 33, No.2, pp. 221-231, 2002. 

  6. J. H. Kwak, Y. S. Yun and O. H. Kwon, "The Experimental Analysis of the PVC Foam Cored CFRP Sandwich Composite for the Mixed Mode Delamination Characteristics", J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 2, pp. 8-13, 2018. 

  7. A. K. Bandaru, L. Vetiyatil and S. Ahmad, "The Effect of Hybridization on the Ballistic Impact Behavior of Hybrid Composite Armors", Composites Part B, Vol. 76, pp. 300-319, 2015. 

  8. B. Nageswara Rao and A. R. Acharya, "Evaluation of fracture Energy, GIc using a Double Cantilever Beam Fiber Composite Specimen", Engineering Fracture Mechanics, Vol. 51, No. 2, pp. 317-322, 1995. 

  9. J. W. Gillespie, L. A. Carlsson and A. J. Smiley, "Rate Dependent Mode I Interlaminar Crack Growth Mechanism in Graphite/Epoxy and Graphite/PEEk", Composite Science and Technology, Vol. 28, pp. 1-15, 1987. 

  10. G. V. Marannano and A. Pasta, "An Analysis of Interface Delamination Mechanisms in Orthotropic and Hybrid Fiber-Metal Composite laminates", Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, pp. 612-626, 2007. 

  11. Y. Zhao, M. Cao, W. P. Lum, V. B. C. tan and T. E. Tay, "Interlaminar Fracture Toughness of Hybrid Woven Carbon-Dyneema", Composites Part A, Vol. 114, pp. 377-387, 2018. 

  12. T. L. Anderson, "Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications", CRC Press, London, pp. 52-55, 1995. 

  13. ASTM D5528-94a, "Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites", Annual Book of ASTM Standards, 1994. 

  14. T. K. O'Brien and R. H. Martin, "Results of ASTM Round Robin Testing for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Composite Materials", Journal of Composites Technology and Research, Vol. 15, No. 4, pp. 269-281, 1993. 

  15. A. B. de Morais, "Double Cantilever Beam Testing of Multidirectional Laminates", Composite Part A; Applied Science, Vol. 34, No. 12, pp. 1135-1142, 2003. 

  16. S. C. Kim, J. S. Kim and H. J. Yoon, "Experimental and Numerical Investigation of Mode I Delamination Behaviors of Woven Fabric Composites with Carbon, Kevlar and Their Hybrid Fibers", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 12, No. 2, pp. 321-329, 2011. 

  17. ASTM D3039M-08, "Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials", Annual Book of ASTM Standards, 2008. 

  18. M. Hossain, M. A. Khan, R. A. Khan, A. B. Siddiquee and T. Islam, "Carbon/Kevlar Reinforced Hybrid Composite: Impact of Matrix Variation", Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering and Renewable Energy, 2015. 

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