[논문]UHMWPE/CFRP 적층하이브리드 복합재의 층간 Mode I 에너지해방율에 미치는 초기균열길이의 영향

송상민; 강지웅; 권오헌

doi:10.14346/jkosos.2019.34.3.1

UHMWPE/CFRP 적층하이브리드 복합재의 층간 Mode I 에너지해방율에 미치는 초기균열길이의 영향
Initial Crack Length Effect for the Interlaminar Mode I Energy Release Rate on a Laminated UHMWPE/CFRP Hybrid Composite 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.3, 2019년, pp.1 - 7

송상민 (부경대학교 안전공학과) , 강지웅 (대구한의대학교 보건학부) , 권오헌 (부경대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A variety of composite materials are applied to industries for the realization of light weight and high strength. Fiber-reinforced composites have different strength and range of application depending on the weaving method. The mechanical performance of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) in many areas has already been demonstrated. Recently, the application of hybridization has been increasing in order to give a compensation for brittleness of CFRP. Target materials are UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), which has excellent cutting and chemical resistance, so it is applied not only to industrial safety products but also to places that lining performance is expected for household appliances. In this study, the CFRP and UHMWPE of plain weave, which are highly applicable to curved products, were molded into laminated hybrid composite materials by autoclave method. The mechanical properties and the mode I failure behavior between the layers were evaluated. The energy release rate G has decreased as the initial crack length ratio increased.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Geometry of tensile and DCB specimen.
표 Table 1. Physical properties of materials
그림 Fig. 2. The overview of experimental apparatus.
그림 Fig. 3. Relationships of stress-strain acquired from a tensile test according to the specimen type.
$Fig. 4. Photographs of fracture by the tensile test.$ 그림 Fig. 4. Photographs of fracture by the tensile test.
그림 Fig. 5. The relationships of the load-displacement and crack extension length variation of DCB specimen under model.
표 Table 2. Mechanical properties of the tensile specimen
그림 Fig. 6. The micrograph pattern of the crack extension with an interlaminar delamination.
$Fig. 7. The fracture surface of the interface during the crack extension.$ 그림 Fig. 7. The fracture surface of the interface during the crack extension.
그림 Fig. 8. The stress intensity factor curves with variation initial cracks according to the crack extension.
그림 Fig. 9. Compliance calibration for the crack length.
그림 Fig. 10. The variation of the total energy release rate curves to the crack extension length.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 단점을 보완할 수 있는 UHMWPE를 사용하여 하이브리드로 적층한 후, 재료의 인장특성 및 이종재 계면의 층간 파괴인성을 평가하기 위하여 DCB (Double Cantilever Bending)시험편으로 Mode I 실험을 수행하였다. 층간파괴인성평가는 에너지해방율을 적용하여 이루어졌으며 초기균열길이에 따른 영향을 조사였다.

제안 방법

층간파괴인성평가는 에너지해방율을 적용하여 이루어졌으며 초기균열길이에 따른 영향을 조사였다. CF 와 UHMWPE는 각각 평직구조 섬유를 사용하여 비닐에스테르수지로 하이브리드 적층판을 성형하였다. 성형은 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여 고정밀로 수행되었다.
따라서 본 연구에서는 탄소섬유복합재의 단점을 보완할 수 있는 UHMWPE를 사용하여 하이브리드로 적층한 후, 재료의 인장특성 및 이종재 계면의 층간 파괴인성을 평가하기 위하여 DCB (Double Cantilever Bending)시험편으로 Mode I 실험을 수행하였다. 층간파괴인성평가는 에너지해방율을 적용하여 이루어졌으며 초기균열길이에 따른 영향을 조사였다. CF 와 UHMWPE는 각각 평직구조 섬유를 사용하여 비닐에스테르수지로 하이브리드 적층판을 성형하였다.

대상 데이터

1과 같이 제작하였다. 3가지 종류의 판형 인장시험편 및 Mode I 실험을 위한 1가지 종류의 DCB 파괴시험편을 CFRP/UHMWPE 하이브리드 형태로 제작하였다. 인장시험편은 CFRP와 UHMWPE 시험편의 경우 각각 4 ply (직물층)씩 적층하여 제작하였으며, CFRP/UHMWPE 하이브리드 적층시험편의 경우에는 각각 2 ply 씩 적층하여 총 4 ply가 되게 하였다.
인장시험과 Mode I 파괴시험에 사용된 재료는 평직 탄소섬유(plain woven carbon fabric) 및 초고분자량 폴리에틸렌(ultra high molecular weight) 섬유로 한국카본(주)에서 생산, 시판되는 C120-3K(두께 : 0.23 mm)와 현대카본(주)의 UHMWPE(두께 : 0.23 mm)를 이용하였다. 기지 수지는 CCP Composites Korea(주)에서 생산되는 Epoviaⓡ RF-1001 비닐에스테르를 사용하였다.

이론/모형

DCB시험편에 파괴인성치는 응력확대계수 K 및 에너지 해방율 G를 사용하여 계산하였으며 두 가지 경우를 비교하였다. K의 계산식은 Kanninen¹⁶⁾에 의한 실험식인 다음 식 (1)을 적용하였다.

성능/효과

(1) 변위-하중 그래프에서 볼 수 있듯이 a₀/L비가 작을수록 기울기가 높게 나타났으며 이는 a₀/L비에 따르는 강도의 차이를 알 수 있다.
(2) 하중변위에 대한 균열성장속도율은 a₀/L = 0.3, 0.4, 0.5일 경우 초기에는 1.06 mm/mm, 0.65 mm/mm, 0.57 mm/mm로 각각 a/L비가 작을수록 높게 나타났으며, 전체적으로 초기에 높은 균열성장속도율을 나타내다가, 완만하게 증가하고, 마지막에 다시 급격히 기울기가 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 응력확대계수 K는 a₀/L비가 낮을수록 2.26 MPa·m^1/2, 2.39 MPa·m^1/2 및 2.52 MPa·m^1/2로 크게 나타나 초기 균열길이가 길어질수록 K값도 작아지는 것을 알 수 있다. 한편 모든 경우에 있어서 균열이 진전함에 따라 파괴 인성치는 전체적으로 약간의 감소경향과 적층 섬유소의 간섭현상에 따른 섭동현상이 발생하고 있으나 대체적으로 약 ±1 ㎫m^1/2사이의 범위에서 주어졌다.
(4) 임계 에너지해방율 GⅠc는 a₀/L = 0.3, 0.4 및 0.5인 경우 각각 84.29 kJ/m^2, 69.95 kJ/m² 및 65.89 kJ/m²로 얻어져 a₀/L가 클수록 낮아짐을 나타낸다.

후속연구

본 연구와 더불어 모드 Ⅱ와 모드Ⅰ/Ⅱ 혼합모드 파괴 실험에 대한 추가 연구가 수행될 경우 CFRP / UHMWPE 하이브리드 복합재의 제품 적용 시 기계적 성능 가이드 라인이 충분히 제시될 수 있을 것으로 판단된다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드적층복합재료의 사용이 점차 증가한 이유는?	비강도와 비강성이 매우 우수하면서 내부식성, 내충격성이 뛰어나므로 항공기 내부구조나 해양구조물, 방탄병기 등에 이용되며, 활발한 연구가 이루어 지고 있다8-10). 한편, 탄소섬유(CF ; Carbon Fiber)복합재료는 우수한 비강성에도 불구하고 충격저항이나 에너지흡수율이 낮으며 적층박리현상이 자주 문제점으로 대두된다. 이러한 문제점을 해소하고 재료의 성능을 향상시키기 위하여 하이브리드적층복합재료의 사용이 점차 증가하게 되었다11).
	고분자 물질을 기지로 하는 섬유강화복합재료의 특징은?	특히, 섬유강화 복합재는 섬유의 직조방식 및 적층구조에 따라 강도가 변화할 뿐만 아니라 성형방법이 전체 강도 및 구조물의 파괴거동에 큰 영향을 미치게 된다. 고분자 물질을 기지로 하는 섬유강화복합재료는 기지재가 높은 댐핑성능을 보유하며 외부진동을 쉽게 흡수할 뿐만 아니라 낮은 열팽창 계수로 인하여 우주선 등의 극한환경 구조재료로 이용되고 있다. 섬유는 이방성을 가지며 섬유길이방향으로 강한 강도를 가진다.
	기계류가 UHMWPE/CFRP 복합재료로 구성되었을 때 필요한 것은?	또한 성형조건에 따라 섬유강도를 통해 예상되는 적층판의 강도보다 현격히 낮은 강도를 나타내기도 한다. 따라서 산업현장에 사용되는 다양한 기계류가 UHMWPE/CFRP 복합재료로 구성되어진 경우에 작업자가 기계설비의 파단없이 안전하게 작업하기 위한 파괴평가가 요구된다. 사용되는 강화섬유 종류에는 많은 분야에 적용되고 있는 탄소섬유가 1980년대부터 현재에 이르기까지 활발히 사용되고 있으며5-7), 유리섬유, 아라미드(Aramid), 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE ; Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 등이 있다.

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