[논문]능직 CFRP/GFRP 적층하이브리드 복합재의 Mode I 파괴인성 평가

노영우; 강지웅

doi:10.14346/jkosos.2020.35.5.9

능직 CFRP/GFRP 적층하이브리드 복합재의 Mode I 파괴인성 평가
The Evaluation of Fracture Toughness on Mode I for Twill CFRP/GFRP Laminated Hybrid Composites 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.35 no.5, 2020년, pp.9 - 14

노영우 (대구한의대학교 대학원 보건학과) , 강지웅 (대구한의대학교 보건학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to realize high strength and light weight for various industrial facilities and structural materials, various new materials are applied to product design. Among them, CFRP has excellent specific strength and non-rigidity, and the scope of use is expanding throughout the industry, such as mobility products and building materials. GFRP is cheaper than CFRP, and has excellent specific strength and non-rigidity, and has excellent heat resistance and sound insulation, so it has been adopted as a core material for flooring and interior flooring. CFRP of twill weave structure has better resistance to deformation of fiber than plain weave structure, so the outermost layer is applied as twill weave structure in product design. After fabrication with DCB specimens, Mode I fracture toughness was evaluated according to the crack length. As the crack length increases, the energy release rate and stress intensity factor values tended to decrease overall.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Geometry of tensile and DCB specimen.
표 Table 1. Physical properties of twill CFRP and twill GFRP Prepreg
그림 Fig. 2. Photograph of DCB specimen by mode I test.
그림 Fig. 3. Relationships of stress-strain acquired from a tensile test.
$Fig. 4. Photograph of fracture specimen by tensile test.$ 그림 Fig. 4. Photograph of fracture specimen by tensile test.
표 Table 2. Mechanical properties of twill CFRP and twill GFRP laminated composites
$Fig. 5. The relationships of the load-displacement and crack extension length variation of DCB specimen under Mode I fracture test.$ 그림 Fig. 5. The relationships of the load-displacement and crack extension length variation of DCB specimen under Mode I fracture test.
그림 Fig. 6. The microphotograph of the crack propagation with interlaminar delamination(Mode I).
그림 Fig. 7. The variation of Mode I stress intensity factor to the initial cracks according to the crack extension.
그림 Fig. 8. Compliance calibration for the crack length.
그림 Fig. 9. The variation of Mode I energy release rate to the initial cracks according to the crack extension.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산업분야에서 적용이 점차 확대되고 있는 능직 CFRP/GFRP 적층 하이브리드 복합재의 현장 성형방식에 따라 제조된 제품에 대해 구조물 및 제품 적용 시 사전 안전성평가의 기초자료 제공을 목적으로 파괴시험을 수행하였다. 기계적 물성치와 층간파괴인성평가 및 파괴거동에 대한 특성을 평가하기 위하여 인장시험, Mode Ⅰ 파괴시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

종횡 2축 스트레인 게이지를 인장시험편 중심부에 부착하여 변형율을 획득하였다. ASTM D3039를 참고하여 중형 인장시험기(tinius olsen, H50KS)를 사용해 0.1 mm/min의 변위제어로 수행하였다.
DCB 시험편을 이용한 Mode Ⅰ 시험에서 얻어지는 파괴인성치는 응력확대계수 K와 에너지해방율 G를 계산하여 두 가지 경우로 평가하였다. 응력확대계수 K_Ⅰ의 계산식은 Kanninen¹⁴⁾에 의한 시험식에 의해 구하였으며, 균열진전에 따른 Mode Ⅰ 층간파괴저항치 K_Ⅰ의 변화를 Fig.
각 재료의 기계적 물성치를 평가하기 위해 인장시험편 및 Mode I 시험을 위한 DCB 시험편을 능직 CFRP/GFRP 하이브리드 형태로 Fig. 1과 같이 제작하였다. 인장시험편은 250 x 160 mm²로 절단한 강화섬유를 능직 CFRP 4 ply, 능직 GFRP 4 ply로 적층하였으며 능직 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재는 재료별 각각 2 ply 씩 총 4 ply로 적층하였다.
본 연구에서는 산업분야에서 적용이 점차 확대되고 있는 능직 CFRP/GFRP 적층 하이브리드 복합재의 현장 성형방식에 따라 제조된 제품에 대해 구조물 및 제품 적용 시 사전 안전성평가의 기초자료 제공을 목적으로 파괴시험을 수행하였다. 기계적 물성치와 층간파괴인성평가 및 파괴거동에 대한 특성을 평가하기 위하여 인장시험, Mode Ⅰ 파괴시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
두께 80 μm 테플론 테이프(teflon tape)를 능직 CFRP와 GFRP의 경계층인 10 ply와 11 ply 적층사이에 초기 노치균열 a0/L = 0.3, 0.4 및 0.5만큼 삽입하여 적용하였다.
따라서 본 연구에서는 능직구조로 짜여진 CFRP와 GFRP를 비닐에스테르 수지로 하이브리드 적층판을 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 성형한 후 이종재 계면의 층간 파괴인성을 평가하기 위해 DCB(Double Cantilever Bending) 시험편을 통해 Mode I 시험을 수행하였다. 초기균열길이에 따라 에너지해방율을 적용하여 층간 파괴인성평가를 진행하였다.
인장시험편은 250 x 160 mm²로 절단한 강화섬유를 능직 CFRP 4 ply, 능직 GFRP 4 ply로 적층하였으며 능직 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재는 재료별 각각 2 ply 씩 총 4 ply로 적층하였다. 또한 DCB 시험편은 능직 CFRP를 10 ply, 능직 GFRP를 10 ply로 적층하여 최종 20 ply가 되도록 제작하였다. 두께 80 μm 테플론 테이프(teflon tape)를 능직 CFRP와 GFRP의 경계층인 10 ply와 11 ply 적층사이에 초기 노치균열 a₀/L = 0.
성형틀 내부는 진공압 –960 mmHg 수준으로 만든 후 제작하였다.
23 mm로 동일하게 하였다. 오토클레이브를 이용하여 인장시험편과 파괴시험편을 성형하였다. 시험편 제작에 사용된 능직 CFRP와 능직 GFRP의 각각의 기계적 물성치를 Table 1에 나타내었다.
인장시험을 통해 능직 CFRP, 능직 GFRP 그리고 능직 CFRP/GFRP 적층 하이브리드 복합재료에 대한 기계적 물성치를 도출하였다. 종횡 2축 스트레인 게이지를 인장시험편 중심부에 부착하여 변형율을 획득하였다.
인장시험을 통해 능직 CFRP, 능직 GFRP 그리고 능직 CFRP/GFRP 적층 하이브리드 복합재료에 대한 기계적 물성치를 도출하였다. 종횡 2축 스트레인 게이지를 인장시험편 중심부에 부착하여 변형율을 획득하였다. ASTM D3039를 참고하여 중형 인장시험기(tinius olsen, H50KS)를 사용해 0.
따라서 본 연구에서는 능직구조로 짜여진 CFRP와 GFRP를 비닐에스테르 수지로 하이브리드 적층판을 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 성형한 후 이종재 계면의 층간 파괴인성을 평가하기 위해 DCB(Double Cantilever Bending) 시험편을 통해 Mode I 시험을 수행하였다. 초기균열길이에 따라 에너지해방율을 적용하여 층간 파괴인성평가를 진행하였다.
파괴인성치 값이 유효하기 위한 조건은 ASTM E399에 의하여 a₀/L이 0.45~0.55에 있어야 하지만, 적층박리 해석을 위한 Mode I 파괴시험에서는 아직까지 정해진 조건이 명확하지 않아서 위 조건에 근접한 0.3~0.5 사이의 결과를 평가하였다. DCB 시험편에 초기균열을 생성하기 위해 예피로균열길이를 고려한 a₀/L = 0.

대상 데이터

인장시험과 Mode I 파괴시험에 사용된 재료는 능직 탄소섬유(twill woven carbon fabric) 및 능직 유리섬유 (twill woven glass fabric)로 국내 현대화이바(주)에서 직조되어 시판되는 C520-3K와 현대화이바(주)의 능직 GFRP를 이용하였고 재료의 두께는 0.23 mm로 동일하게 하였다. 오토클레이브를 이용하여 인장시험편과 파괴시험편을 성형하였다.
1과 같이 제작하였다. 인장시험편은 250 x 160 mm²로 절단한 강화섬유를 능직 CFRP 4 ply, 능직 GFRP 4 ply로 적층하였으며 능직 CFRP/GFRP 하이브리드 복합재는 재료별 각각 2 ply 씩 총 4 ply로 적층하였다. 또한 DCB 시험편은 능직 CFRP를 10 ply, 능직 GFRP를 10 ply로 적층하여 최종 20 ply가 되도록 제작하였다.
5만큼 삽입하여 적용하였다. 제작된 능직 CFRP/GFRP 적층하이브리드 복합재 성형판은 ASTM D5528¹³⁾ 규격을 참고하여 120 x 24 mm²로 시험편 제작용 다이아몬드 휠커터를 사용하여 절단가공 하였다.
파괴시험에 사용된 시험기는 소형 인장시험기(tinius olsen, H5KS)로 ASTM D5528을 참고하여 0.5 mm/min 변위제어로 수행하였다. Fig.

이론/모형

DCB 시험편을 이용한 Mode Ⅰ 시험에서 얻어지는 파괴인성치는 응력확대계수 K와 에너지해방율 G를 계산하여 두 가지 경우로 평가하였다. 응력확대계수 K_Ⅰ의 계산식은 Kanninen¹⁴⁾에 의한 시험식에 의해 구하였으며, 균열진전에 따른 Mode Ⅰ 층간파괴저항치 K_Ⅰ의 변화를 Fig. 7에 나타냈다. 균열이 최초로 발생하는 시점에서의 K_ⅠC는 a₀/L = 0.
인 Mode Ⅰ 파괴인성치를 나타낸다. 적용식은 Mollon¹⁵⁾ 등이 제시한 수정식 (1)을 사용하여 계산하였다.

성능/효과

(1) 인장시험을 통해 얻어진 능직 CFRP, GFRP 그리고 CFRP/GFRP 적층 하이브리드 복합재의 인장강도는 400 MPa, 259 MPa 및 307 MPa로 얻어졌으며, 탄성계수는 각각 135 GPa, 45 GPa 및 108 GPa로 얻어졌다. 포아송비는 각각 0.
(2) 하중변위에 대한 균열성장속도(da/du)는 a₀/L =0.3, 0.4 및 0.5의 경우 각각 3.07 mm/mm, 3.23 mm/mm 및 1.76 mm/mm로 하중변위에 대한 전체 평균 균열성장속도를 나타내고 있다. 평균 균열성장속도는 a₀/L =0.
(4) 에너지해방율 G는 a₀/L = 0.3, 0.4 및 0.5에서 각각 435.47 kJ/m² , 322.30 kJ/m² 및 233.76 kJ/m²로 얻어졌다. a₀/L가 작을수록 G 값은 커지는 것을 나타낸다.

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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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