보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
홍창선
|
참여연구자 |
임세영
,
이인
,
이강용
,
엄윤용
,
송지호
|
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 1992-09 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
등록번호 |
TRKO200200012978 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
|
키워드 |
층간파괴.에너지방출률.계면균열.모달해석.열가소성 복합재료저속충격.Acoustic emission.Interlaminar fracture.Energy release rate.Interfacial crack.Modal approach.Thermoplastic composite.Low velocity Impact.Acoustic emission.
|
초록
▼
고인성 열가소성 복합재료인 AS4/PEEK는 현재까지 많이 사용되어 온 열경화성 복합 재료인 graphite/epoxy 보다 우수한 기계적 특성을 갖는 것으로 공업선진국에서 최근 많은 연구개발이 되고 있는 고분자 복합재료이며, 앞으로 열가소성 복합재료는 항공우주 구조물을 비롯한 여러기계구조물에 응용이 확산될 전망이지만 국내에서의 연구는 매우 미흡한 실정이다.
본 연구는 목적은 고인성 열가소성 복합재료의 적층제작과 기계적 특성을 규명하여 손상발생, 진동특성 및 피로수명예측을 고려한 복합적층구조물의 해석 및 설계를 위한 기본자료
고인성 열가소성 복합재료인 AS4/PEEK는 현재까지 많이 사용되어 온 열경화성 복합 재료인 graphite/epoxy 보다 우수한 기계적 특성을 갖는 것으로 공업선진국에서 최근 많은 연구개발이 되고 있는 고분자 복합재료이며, 앞으로 열가소성 복합재료는 항공우주 구조물을 비롯한 여러기계구조물에 응용이 확산될 전망이지만 국내에서의 연구는 매우 미흡한 실정이다.
본 연구는 목적은 고인성 열가소성 복합재료의 적층제작과 기계적 특성을 규명하여 손상발생, 진동특성 및 피로수명예측을 고려한 복합적층구조물의 해석 및 설계를 위한 기본자료를 구축함에 있다. 총괄연구과제의 체계적인 연구수행을 위해 다음과 같은 6개의 세부연구과제가 구성되었다.
제 1세부 과제 : 고인성 복합재료의 제작 및 기계적 거동.
제 2세부 과제 : 고인성 복합재료의 층간분리 파괴거동.
제 3세부 과제 : 고인성 열가소성 복합적층판에 대한 동적 특성해석.
제 4세부 과제 : 열가소성 복합재의 파괴와 AE(Acoustic Emission)시험 평가.
제 5세부 과제 : 고인성 열가소성 복합재료의 손상 및 계면현상 연구.
제 6세부 과제 : 고인성 열가소성 복합재료의 피로강도 및 피로손상 평가에 관한 연구.
본 연구를 통하여 얻어진 각 세부연구과제별 결과들은 다음과 같다.
(1) 고인성 복합재료의 제작 및 기계적 거동
성형중 가해진 냉가속도는 15°C/min. 이고 섬유부피함유률 (fiber volume fraction)은 62%인 AS4/PEEK 복합재료의 강성 및 강도들은 graphite/epoxy 특성들과 대등하였지만 모재의 영향을 받는 특성들은 연성(ductility)을 보인다. 층간파괴인성치는 모우드 1인 경우 graphite/epoxy 보다 약 16배정도 높은 고인성(high toughness)층간파괴를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 저속충격특성을 규명하기 위해 손상면적과 충격 후 잔류압축강도 예측법을 제시하였다. 그리고 동일건조의 충격으로 발생되는 AS4/PEEK의 층간분리 손상영역은 graphite/epoxy에 비해 매우 적음을 보여준다.
(2) 고인성 복합재료의 층간분리 파괴거동
계면균열의 경우 모든 적층순서 및 하중조건에 관계없이 점근해는 대수(logarithmic) 함수의 형태를 갖지 않고, 멱급수(polynomial) 형태의 제차해와 다항식형태(power type) 의 특이새만으로 나타내어지는 반면, 자유단문제의 경우에는 제차해는 모든 적층순서에 관계없이 점근해는 멱급수형태로 나타내어지나 특이해의 경우는 적층조합 및 하중조건에 따라 다항시형태와 대수함수의 형태가 동시에 나타난다. 적층분리균열을 갖는 [90/0](sub)(s') [0/90](sub)(s) 복합적층재가 압축을 받을 때 발생하는 적층분리 좌굴형태는 균열의 길이가 어느 정도 길어지면 전체와 혼합좌굴로부터 국부좌굴로 이전되어 균열이 불 안정하게 성장한다. 특히, O(sup)(o)ply에서 국부좌굴의 발생은 균열이 상당히 작을 때도 나타나 초기에 적층분리균열이 불안정하게 성장할 위험성이 높다.
(3) 고인성 열가소성 복합적층판에 대한 동적 특성해석
모우드접근법의 검증을 위해 기존의 연구결과와 비교하였으며 모우드 변형율 에너지 법 보다 우수한 결과를 주고 있다. 열가소성 복합재료의 강성계수 및 손실계수를 측정하기 위하여 O°시편과 90° 시편의 외팔보를 제작하여 실험을 수행하여, O° 시편의 손실계수는 90° 시편의 손실계수에 비해 작은 값을 가지며 비틀림 감쇠량이 가장 크게 측정되었다. 감쇠량이 많은 경우에 모우드 접근법은 모우드 변형율 에너지법 보다 좋은 결과를 준다. 복합적층판의 진동 및 감쇠특성에는 횡전단변형효과가 크며 적층순서와 경계조건에 큰 영향을 받는다. 열가소성 복합적층판은 열경화성 복합적층판 보다 감쇠량이 적게 측정되었다.
(4) 열가소성 복합재의 파괴와 AE(Acoustic Emission)시험 평가
고차 판이론에 의해 DCB시험편에 대한 에너지방출율식을 개발하여, 본 이론에 의한 층간파괴인성치와 기존의 ASTM법과 AE법에 의한 층간파괴인성치를 비교 검토하여 본 이론의 타당성을 보였다. 그리고 AE법에 의한 층간파괴인성치는 미소파괴에 의한 것이며, ASTM법에 의한 층간파괴인성치는 거시파괴에 의한 것임을 규명하였다. 정하중과 피로하중 상태하에서 파괴될 때 AE특성과 파괴양상을 비교 검토한 결과 정하중 상태에서는 모재와 섬유 파괴 때 각각 45∼100 ㎑ 와 210∼260 ㎑의 AE파가 발생하였으며, 섬유간의 마찰, 섬유이탈, 섬유엉김이 발생할 때 150∼300 ㎑의 주파수범위의 AE파가 발생하고 피로하중 상태에서 파괴될 때 발생하는 AE event는 주로 섬유간의 마찰에 기인함을 보였다. 피로균열성장율은 Paris법칙을 따르나 피로 AE수변화는 그렇재 않음을 보였다.
(5) 고인성 열가소성 복합재료의 손상 및 계면현상 연구
L적분과 상호매개변수M(sub)(L)을 이용하여 원호계면균열의 응력강도계수를 비교적 간편하고 정확하게 계산할 수 있었다. 접촉이 응력강도계수와 에너지방출률에 미치는 영향은 균열각이 클수록 개재물의 강성이 모재(matrix)재료보다 클수록 커진다. 그러나 균열각이 약 60°이하이면 에너지방출률에 접촉이 미치는 영향은 무시할만 하다. 섬유와 원호계면균열의 상호작용을 고려한 2상모델과 3상모델의 SCM을 이용하여 섬유와 모재 재료간에 원호계면균열이 있는 섬유/모재재료의 횡단면 유효탄성계수에 대한 2개의 비선형방정식을 얻었고, 2상모델에 대한 수치계산결과를 통하여 균열로 인한 재료의 강성저하가 크다는 사실을 알았다.
(6) 고인성 열가소성 복합재료의 피로강도 및 피로손상 평가에 관한 연구
결함이 없는 AS4/PEEK 복합재료의 피로시험에는 waisted형 시험편을 사용하여 피로강도를 평가하는 것이 효율적이다. 유한평판에 원형노치가 있는 경우 원형노치의 크기가 클수록 피로노치계수는 증가된다. 원형노치 결함이 있는 AS4/PEEK 재료와 graphite/epoxy 적층판의 피로강도를 비교한 결과 고되풀이수피로에서는 AS4/PEEK 재료의 피로내 구성이 우수하나, 저되풀이수로로에서는 반대의 현상이 발생하였다.
Abstract
▼
The field of composite materials has been significantly altered by the introduction of new thermoplastic matrices. These materials, such as PEEK, provide a number of significant advantages over the previous generations of thermoset composites, particularly in the areas of high temperature performanc
The field of composite materials has been significantly altered by the introduction of new thermoplastic matrices. These materials, such as PEEK, provide a number of significant advantages over the previous generations of thermoset composites, particularly in the areas of high temperature performance and high toughness. Therefore, thermoset composites will be replaced with thermoplastic composites for the their superiority of mechanical properties. Especially, thermoplastic composites have been estimated to have high fracture toughness. For these reasons, the interest in the thermoplastic composite is increasing rapidly.
The purpose of this study is to obtain basic data base for the application of the thermoplastic composite to structures. AS4/PEEK laminates were processed by using hot press and mechanical tests and anlyses were conducted to characterize the composites for the purpose. This study was composed of six topics which were titled as follows;
1. Fabrication and mechanical behavior of high toughness thermoplastic composite laminate.
2. Delamination fracture behaviors of high toughness composite laminates.
3. Dynamic characterization of thermoplastic composite laminates.
4. Fracture and AEtesting and evaluation in thermoplastic composites.
5. Damage and interface phenomena of high toughness thermoplastic composite materials.
6. Fatigue strength and fatigue damage assessment of high toughness thermoplastic composite materials.
The results obtained in this study are summarized as follows
(1) Fabrication and mechanical behavior of high toughness thermoplastic composite laminate
Fiber volume fraction v(sub)(f) of the AS4/PEEK laminates, which were processed by cooling rate of 15°C/min, is about 62%. Stiffness and strength of AS4/PEEK composite are not largely different from values of graphite/epoxy. However, the properties affected by matrix have ductility. Mode I interlaminar fracture toughness of the AS4/PEEK composite is 16 times as high as the toughness of graphite/epoxy composite. From the investigation of damaged area by C-scan, the damaged area of AS4/PEEK laminates is very smaller than area of graphite/epoxy laminates for the same impact condition.
(2) Delamination fracture behaviors of high toughness composite laminates
It appears that no logarithmic solutions exist, regardless of the ply combination and loading comditions, for interfacial crack problem, and thus power type homogeneous solution and the polynomial type particular solution turn out to be valid. For free edge problem, the power type homogeneous solution exists for all of the ply combination and loading comditions, but the particular solution turns out to have logarithmic type including polynomial type according to ply combination and loading comditions. As delamination crack length becomes longer, the buckling types of [90/0]s and [0/90]s cross-ply composite laminates containing delamination cracks under compression change from coupled global and local buckling to local buckling and then unstable crack growth occurs. When local buckling occurs at 0° ply, local buckling initiate at relatively short crack length, it is possible that delamination crack grows unstably at initial state.
(3) Dynamic characterization of thermoplastic composite laminates
Numerical results were compared with reported results for the verification of the modal approach which gave more accurate results than the modal strain energy method. The stiffness and the loss factor of the thermoplastic composite sere obtained by vibration test of 0° and 90°composite beam specimen. The dampling of 0° specimen have more small value than that of 90° specimen. And the dampling in torsional vibration is most large. The modal approach gives more accurate results than the modal strain energy method for the case of large damping problem. For the vibration and damping behavior of composite plates, the effect of the transverse shear deformation is great and the stacking sequences and boundary condition affect their effects. The damping property of AS4/PEEK composite is lower than that of the thermostet composite material (HFG graphite/epoxy).
(4) Fracture and AE testing and evaluationin thermoplastic composites
The new equation of energy release rate for DCB specimen is proposed within the framework of the higher order shear deformable plate theory. The interlaminar fracture toughness (IFT) by present theory, ASTM round robin test method and AE method are compared. It is concluded that IFT by ASTM method is obtained at the macro-crack initiation and that by AE method at micro-crack initiation. In static fracture loading, the AE waves with high energy level are emitted with the frequency ranges between 45 and 100 ㎑ at the fracture of matrix, between 210 and 260 ㎑ at the fracture of fiber, and between 150 and 300 ㎑ at fiber pull-out, fiberbridge and the friction among fibers. Most AE waves emitted in fatigue fracture are due to the friction among fibers. Fatigue crack growth rate con be expressed in teh form of Paris Law but fatigue AE count per cycle can not.
(5) Damage and interface phenomena of high oughnes thermoplastic composite materials
The stress intensity factors for the cicrlar-are shaped interfacial crack (inherently under mixed mode) are obtained in a relatively simple way by using the L and M(sub)(L) integrals. The effect of contact becomes pronounced as the crack angle increases and the stiffness of the inclusion (or fiber) increases. When the crack angle is smaller than 60°, the effect of the contact on the energy release rate is negligible. The change of the effective transverse elastic moduli is successfully obtained.In is expected that the self-consistent method based on threephase model can alleviate the drawback of the conventional self-consistent method (the selfconsistent method with two-phase model).
(6) Fatigue strength and fatigue damage assessment of high toughness thermoplastic composite materials
Waisted specimen is most appropriate in fatigue test of AS4/PEEK lamiate with no defect. The stiffness variation of specimen was not occurred until final fracture, but the stiffness of 5mm or 2mm circular notch specimens reduced by 45%. Under cyclic loading, the fatigue strength of AS4/PEEK laminate is not always greater than that of graphite/epoxy laminate.
목차 Contents
- 제 1 세 부 목 차...30
- 제 1 장 서론...34
- 제 2 장 연구방법...36
- 제 1절 열가소성 복합적층판 제작...36
- 제 2절 재료상수의 시험적 결정...39
- 3. 시험...40
- 제 3절 층간파괴인성 평가 및 에너지방출율 해석...45
- 제 4 절 저속충격손상 평가...56
- 제 3 장 결과 및 고찰...62
- 제 1 절 열가소성복합적층판 제작...62
- 제 2 절 재료상수의 시험적 결정...64
- 제 3 절 층간파괴인성 평가 및 에너지방출율 해석...68
- 제 4 절 저속충격손상 평가...73
- 제 4 장 결론...76
- 제 5 장 참고문헌...78
- Tables and Figures...82
- 제 2 세 부 목 차...132
- 제 1 장 서론...134
- 제 1 절 연구동기...134
- 제 2 절 문헌조사...137
- 제 3 절 연구의 목적과 범위...141
- 제 2 장 연구방법...142
- 제 1 절 일반하중을 받는 복합적층재의 일반해...142
- 제 2 절 수직균열에서 발생한 적층분리균열...167
- 제 3 절 적층분리 좌굴해석을 위한 비선형 유한요소법...176
- 제 3 장 결과...180
- 제 1 절 일반하중을 받는 복합적층재의 일반해...180
- 제 2 절 수직균열에서 발생한 적층분리균열...180
- 제 3 절 적층분리 좌굴...185
- 제 4 장 고찰...187
- 제 1 절 일반하중을 받는 복합적층재의 일반해...187
- 제 2 절 수직균열에서 발생한 적층분리균열...187
- 제 3 절 적층분리 좌굴...190
- 제 5 장 결론...191
- 제 1 절 일반하중을 받는 복합적층재의 일반해...191
- 제 2 절 수직균열에서 발생한 적층분리균열...192
- 제 3 절 적층분리 좌굴...192
- 제 6 장 참고문헌...194
- 제 3 세 부 목 차...223
- 제 1 장 서론...225
- 제 2 장 연구방법...230
- 제 1 절 이론...230
- 제 2 절 실험...243
- 제 3 장 결과...249
- 제 1 절 수치계산...249
- 제 2 절 동적특성 실험...254
- 제 4 장 고찰...257
- 제 1 절 유한요소해석의 결과...257
- 제 2 절 AS4/PEEK 복합적층판의 동적실험...257
- 제 5 장 결론...260
- 제 6 장 참고문헌...261
- 제4 세부목차...319
- 제1장 서론...319
- 제2장 복합재료의 층간파괴인성...320
- 제3장 열가소성 복합재료의 층간 파괴에서 AE 특성...337
- 제4장 열가소성 복합재료의 피로 균열 성장율과 피로 AE 수 변화율...344
- 제5장 결론...354
- 제6장 참고문헌...361
- 제5 세부목차...414
- 제1장 서론...416
- 제2장 연구방법...419
- 제3장 결과...446
- 제4장 고찰...453
- 제5장 결론...458
- 제6 세부목차...493
- 제1장 서론...494
- 제2장 연구방법...497
- 제3장 결과...501
- 제4장 고찰...506
- 제5장 결론...508
- 제6장 참고문헌...509
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.