초음파탐촉자의분극성에따른 CFRP 복합적층판평가에관한연구 나승우 임광희 * 양인영 ** 조선대학교대학원기계설계공학과 * 우석대학교자동차공학과 ** 조선대학교기계공학부 (2002. 1. 12. 접수 / 2002. 3. 15. 채택 ) On Evaluation of CFRP Composite Laimates Using Ultrasonic Transducers with Polarization Direction Seung-Woo Ra Kwang-Hee Im * In-Young Yang ** Department of Mechanical Design Engineering, Chosun University * Automotive Engineering, Woosuk University ** Division of Mechaical Engineering, Chosun University (Received January 12, 2002 / Accepted March 15, 2002) Abstract : This paper shows error in the polarization direction on ultrasonic transducers how sensitive the shear ultrasonic waves are to a little misoriented plies according to the angle variation of shear ultrasonic waves 0, 45 and 90. Also, it is shown that shear waves, particularly the transmission mode with the transmitter and receiver perpendicular to each other, have high sensitivity for detecting anomalies in fiber orientation and ply layup sequence that may occur in the manufacturing of composite laminates. Experimental results are agreed with a modeling solutions which was based on decomposition of shear wave polarization vector as it propagates through the composite laminates. This wave appeared considerably to be sensitive to CFRP composites to the thickness direction along in-plane fibers. Key Words : ultrasonic waves, polarization direction, composite materials 1. 서론 1) 탄소섬유강화복합재 (Carbon Fiber Reinforced Plastics: 이하 CFRP 라고한다.) 는경량화가요구되는항공우주분야를비롯하여자동차산업분야, 조선산업분야, 일반산업분야, 레져스포츠, 의료기기부품및에너지관련분야등의구조용재료로널리사용되고있다. 특히, 복합재료는성형시레진흐름에의한기공이나미세균열등의결함이혼재될수있으며섬유와수지간의열수축량의차이로내부잔여응력이생길수있다. 또한, 사용중의충격으로복합재료는층간파괴나섬유파단을유발할수있어치명적인구조강도저하나수명저하의요인이될수있다. 이들내부결함의정량적인평가및기계적성질의관련성을규명하기위하여초음파를이용한연구가 To whom correspondence should be addressed. raswoo@hanmail.net 진행되고있다. 1) 이방성복합재료의정량적인평가를위해서 David 2) 는진동자형태로만들어진초음파탐촉자를활용하였다. 그러나지금까지연구된초음파전단파의분극방향의평가는횡파나종파와는달리유한요소해석을통한접근방법이대부분이었다. 따라서본연구에서는적층수및메트릭스는같고적층배열방향이다른 CFRP 시험편에탐촉자에서발생된초음파전단파를이용하였다. 이용된초음파전단파가 CFRP 시험편내부를통과할때각 ply층에서나타난분극 (polarization) 현상을벡터분해모델을이용하여해석하고이론값을구하였고, C- 스캔기법을이용하여탐촉자의극성을평가하였다. 그후 CFRP 시험편내부결함검출에활용하고자별도제작한실험장치를이용하였다. 내부결함이있는 CFRP 시험편에초음파전단파를발생시키고오실로스코프화면상에나타난진폭값의변화를측정하면서실험을실시하였다. 그리고본연구의신 39
나승우, 임광희, 양인영 뢰성을높이기위해서벡터분해모델의이론값과실험값의변화를비교분석하여변화가크게나타난시험편내부를광학현미경을이용하여자세히관찰하고변화의요인을규명하고자한다. 2. 이론해석 2.1. 초음파전파특성초음파탐상시험법은비파괴검사의일종으로음의반사원리를이용하여어떠한구조물혹은재료내의결함을찾아내는것으로파괴시험또는다른비파괴평가기술에비해간편한측정, 높은측정정도, 시험결과도출의신속성, 검사비용절감등의장점때문에현재국내에서많이이용되고있는비파괴검사법이다. 초음파에의한비파괴평가분야의응용은주로내부에존재하는결함검출과평가에주로이용되고있다. 결함검출에가장중요한변수는사용하는초음파의파장또는주파수로써, 응용분야에따라수 GHz( 초음파현미경 ) 에서수 khz 또는수 Hz에이르기까지매우넓은대역의음파를사용하고있으며, 관찰하고자하는영역의거리도또한수 mm부터수백 km까지분포한다. 평가에이용되는초음파의주파수범위는대개 0.5~15MHz 정도이며, 3) 적용분야에따라서 GHz 단위까지높아지고있다. 2.2. 벡터분해모델다음은초음파전단파가복합적층된 CFRP 시험편내부의각 ply 를통과하면서나타나는현상을가정하였다. 우선 3 개 ply 로적층된 CFRP 시험편내부를통과하면서나타나는현상을 Fig. 1 에서와같이벡터분해모델로표현하였다. 그림에서표현된현상처럼초음파전단파는 ST 로부터발생되어적층구성된 CFRP 시험편내부의각 ply 를통과하여마지막 SR 까지도달하는데는다음그림과같이 8 가지의경로로나타낼수있다. 여기에서입사된초음파전단파는첫번째 ply 표면을통과하면서두개의패턴으로분해되어나타난다. 본연구에서는벡터분해모델의해석을위해서다음과같이정의하였다. N 은 CFRP 시험편 ply 수이다. T 는송신탐촉자의위치각이다. i 은첫번째 ply 의적층배향각이다. R 은수신탐촉자의위치각이다. i 은각계면에서의변화 ( 2= 2-1) 이다. 초음파전단파는접촉매질의신호감쇄로인한 Fig. 1. Signal ST decomposed through three plies into synthesized signal SR 진폭 S Te-r(tt) 을갖으며, 시간의변화는접촉매질을통과한전파속도에의해서나누어진접촉매질의두께와같다. 이신호는첫번째 ply면의섬유방향에서 1= T- 1 두각을통하여평행하고수직한두개의성분으로분해되어나타난다. 첫번째 ply면에서나타난초음파전단파의평행성분은수식 (1) 과같다. S T e - ( tt) e - 1(h1) f 1, 1 ( ) cos( 1 ) [ t=(tt)/v +(h 1 )/v ] 첫번째 ply 면에서나타난초음파전단파의수직성분은수식 (2) 와같다. S T e - ( tt) e - 1(h1) f 1,2 ( )sin( 1 ), [ t =(tt)/v +(h 1 )/v ] S R =S T e -2 e -2 cos( 1 ) cos( 2 )cos( R ) +S T e -2 e - e - sin( 1 ) sin( 2 )cos( R ) -S T e -2 e cos( - e - 1 ) sin( 2 )sin( R ) +S T e -2 e -2 sin( 1 ) cos( 2 )sin( R ) 여기서, 이다. h = h 1 h N, ' = 1 (h 1 ) n (h n ), ' = 1 (h 1) n (h n ), S =1/v, S =1/v (1) (2) (3) 40 Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 1, 2002
초음파탐촉자의분극성에따른 CFRP 복합적층판평가에관한연구 3. 실험 3.1. 탐촉자의극성평가초음파탐촉자의선택은본연구에사용된시편이얇은판재이기때문에분해능이좋은높은주파수 (5~10MHz) 의탐촉자의경우예비실험시산란과감쇄가심해통과율이매우낮아지기때문에 Fig. 2 와같이 1MHz(Panametrics: V153) 의탐촉자를선정하였다. 제작사에서제시한탐촉자의표준사양은 ASTM E1065 규정에의한실험에서얻어진중심주파수 (center frequency: 1.04MHz) 와피크값 (peek frequency: 1.11MHz) 이다. 따라서본연구에서는탐촉자에서발생된초음파가다층 다방향으로구성된 CFRP 각 ply 를통과하면서나타나는진동패턴및분극방향의정량적인평가를위해서는탐촉자의극성평가가필수적이다. 이를위해서 David 2) 가제시한 ( 초음파탐촉자의분극방향은케이블연결지점이되어야한다.) 탐촉자의정확한극성방향평가를위 Fig. 2. Shear wave transducer 해서 C- 스캔방법을이용하였고시스템의개략도는 Fig. 3 에나타냈다. 구성된 C- 스캔장치는초음파탐촉자가송신역할을하고종파탐촉자가수신역할을하면서전단파분극방향을평가할수있도록하였다. 그후본연구활용할초음파탐촉자 1MHz 를수침조상면에위치시키고하면에는종파탐촉자 1MHz 를배치하였다. 두개의탐촉자는광대역펄스를발사하고주파수스팩드럼의좋은신호가충분히나타나도록조절손잡이를조정하면서탐촉자의극성을평가하였다. 3.2. 실험장치구성및실험방법초음파시험을위한실험장치는파형을디지털화하고 PC 와상호호환이오실로스코프 (Lecroy 9310A) 와펄서 / 리시버 (actex XU-2240) 를이용하였고, 송 수신탐촉자에일정한하중과위치변동을억제하기위해서두개의알루미늄판 (200 200 5)mm 을이용하여고정구를제작하였다. 2 탐촉자법을이용하여초음파전단파를수직으로투과시켜 CFRP 시험편내부에나타난결함을검출하고자하였다. 또한, 시험편과탐촉자사이에는고점성전단파전용접촉매질 (Panametrics: SWC) 사용하고, 5kg 의하중을 10 분간부가하여에코가안정화된후에실험을실시할수있도록 Fig. 4 와같은실험장치를구성하였다. 이후최적의실험조건선정을위해서송 수신탐촉자의위치각을 0, 45 및 90 로조정해가면서측정하였다. 초음파탐상을위한위치각의변화는오실로스코프화면상에나타난피크대피크의진폭변화를통해서얻을수있었다. Fig. 3. C-scnnner diagram Fig. 4. Experimental method 산업안전학회지, 제 17 권제 1 호, 2002 년 41
나승우, 임광희, 양인영 3.3. 시험편본실험에이용된시험편은고탄성계인 T300 섬유로구성된일방향탄소섬유프리프레그시트 ( 한국화이버 ( 주 ), CU125NS-carbon fiber unidirection 125 g/m 2, no scrim) 를 110 110mm 의크기로절단하였다. 절단된프리프레그시트의적층순서는 [2(90 2/0 2)90 2/ 2/90 2/2(0 2/90 2 )] 으로하였으며, 적층도중에시험편의각도 를 0, 2, 5, 10, 15, 20 의 6 종류의임의적인결함을주어제작하였다. 적층된시험편은오토클레이브 (Autocalve) 를이용하여경화온도 130 C, 경화시간은 90 분으로하여성형하였다. 4. 실험결과및고찰 4.1. 탐촉자의극성평가결과초음파 C-스캔방법을이용하여얻어진이미지화상은 0에서 250까지컬러로나타낼수있도록하였고, 얻어진결과는 Fig. 5와같다. 나타난이미지는중앙부근에서는보라색상의동전모양의원형이상 하로나타났고, 주위는노란색과파란색으로표현된높은신호진폭을갖는두개의초승달모양으로나타났다. 이패턴은초승달중앙을지나는라인을통해두개의대칭형태를나타내고있다. 이것은탐촉자에서발생된초음파전단파의극성방향과일치하고있으며, 전기컨넥터 (BNC 케이블 ) 가중앙부분 (90 ) 에위치하고있는화살표방향에나타난것처럼대략 10 정도좌측으로치우친에러를나타내고있다. 초음파탐촉자의분극방향은탐촉자중앙을통과하는 BNC 케이블에의해서분극방향이결정되고있다는사실을알수 있었다. 또한본연구에서실험결과를통하여제시한탐촉자의극성평가법은시판되는초음파탐촉자의극성평가에유용한기법으로활용이가능하였다. 4.2. 벡터분해법의실험결과 Komsky 4) 는벡터분해법을이용하여 Graphite/epoxy 3 ply 와 4 ply 를적층한후초음파속도변화를해석한예는있으나미소변화가있는 CFRP 시험편내부에인위적인결함을주어벡터분해법의이론해석과실험결과는찾아보기힘들다. 따라서본연구에서는시험편내부에 11 ply 와 12 ply 사이에 0 결함을가지고있는시험편을이용하여초음파전단파를발생시키고진폭값을측정하였다. 점선은실험결과를나타내고실선은이론값을나타내고있다. Fig. 6 에나타난결과전체적인파형의형태는네잎클로버모양을이루고있으며, 0 ~30 까지는거의일정한경향을보이고있으나 40 부근에서서서히편차가발생하여 50 에서진폭값은 0.1 정도변화를보이면서감소하여 80 에서최소값을나타내고있다. 특히 90 ~130, 180 ~210, 270 ~310 까지는대략 +/-10 정도치우쳐진형태를나타내고있다. 이것은초음파탐촉자의분극방향평가에서얻어진결과처럼 10 정도치우친에러에의한영향으로생각된다. 특히왼쪽상단의피크값은 310 ~320 사이에서근사한경향이나타났다. Fig. 7 은 Fig. 6 과동일한실험조건을유지하면서얻어진결과를종합하였다. 0, 2, 5, 10, 15, 20 의 6 종류의결함을가지고있는 CFRP 시험편에초음파전단파를이용한실험결과전체적인윤곽의형태는동일한네잎클로버모양을유지하고있지만 :Polarization direction Fig. 5. Image of Polarization direction using C-scanner Fig. 6. CFRP composites with 0 misorientation 42 Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 1, 2002
초음파탐촉자의분극성에따른 CFRP 복합적층판평가에관한연구 나타내고있다. 우측상단부위에나타난검은색띠는 CFRP 시험편이경화과정에서발생한레진리치 (resin rich) 형상을나타내고있다. 따라서탐촉자에서발생된초음파전단파는고여있는레진리치의코너부위를통과하면서나타나는감쇄현상으로 2 시험편의 110 ~ 160, 280 ~360 사이에서발생된진폭값의변화요인으로나타났다. 5. 결론 Fig. 7. Relations between misalignment angle and angle of normalized peak amplitude 피크점부근에서는다소차이를나타내고있다. 그원인은시험편표면과초음파탐촉자사이에있는접촉매질의상태가초기실험조건과동일하게유지되어야하나 10 간격으로서서히회전하는송 수신탐촉자의영향으로커플링상태의변화에따라접촉매질의점도와두께가낮아지는현상과, 시험편각 Ply 를통과하는초음파전단파의감쇄, 빔확산및반사굴절등의영향이다소미쳤다고사려된다. 4.3. 광학현미경관찰결과 Fig. 7 에서나타난현상을비교하면시험편의적층배향오차가 2 인경우가 90 ~180, 270 ~360 사이에서가장큰진폭값의변화를나타내고있다. 이러한현상을명확히규명하기위해서시험편을다이아몬드커터로절단한후단면을연마처리하여광학현미경으로관찰하였다. Fig. 8 은관찰한결과를 Fig. 8. CFRP composites microscopy photograph 초음파탐촉자의분극방향특성평가에이용된 C- 스캔방법은유용한기법으로활용이가능하였고, 내부결함을가지고있는 CFRP 시험편에벡터분해기법을이용한간이모델을제시하고실험을통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 탐촉자의정확한극성방향평가를위해서 C- 스캔방법을이용한결과탐촉자중앙을통과하는 BNC 케이블에의해서분극방향이결정된다는사실과얻어진이미지화상을통하여 10 정도좌측으로치우친초음파탐촉자의분극방향을정량적으로평가할수있었다. 2) 초음파전단파는복합적층된시험편각 ply 표면을통과하면서평행하고수직한두개의벡터성분으로분해되어나타났고, 이러한현상을이용하여벡터분해모델의이론값을구하였다. 그후본연구의신뢰성확보를위해서별도제작한실험장치를통하여실험값을구한후비교분석한결과전체적인파형은네잎클로버모양으로잘일치하였고, 특히왼쪽상단의피크값은 310 ~320 사이에서근사한경향이나타났다. 따라서벡터분해모델은초음파전단파의해석에유용한기법으로적용가능하였다. 3) 복합적층된 CFRP 시험편의내부결함검출을위해서초음파전단파를이용한결과적층구조에따른파형의변화를예측할수가있었다. 또한복합재료성형시발생된기공이나미세균열등의결함에의한피크값의변화를간단한실험방법을통하여내부결함을검출할수있었다. 따라서본연구의결과는다른비파괴평가기술에비해간편한측정, 높은측정정도, 시험결과도출의신속성, 검사비용절감등의장점때문에여러분야에서활용이가능하다고생각된다. 4) 시험편경화과정에서발생된레진리치는초음파전단파의감쇄현상과진폭값의변화에영향을 산업안전학회지, 제 17 권제 1 호, 2002 년 43
나승우, 임광희, 양인영 주었다. 참고문헌 1) 김지훈, 정태훈, 이현, 양인영, 조규재, 심재기, 일방향 CFRP 적층판의모드 II 동적층간파괴인성평가, 산업안전학회지, Vol. 15, No. 4, pp. 1~ 7, 2000. 2) David K. Hsu, Vinay Daniel and Brent A Fischer, Characterizing Shear Wave Contact Transducers by Immersion Scanning, Review of Progress in QNDE, Vol. 16, Plenum, pp. 905~909, 1997. 3) 이형준 국정환, 초음파탐상시험, 도서출판골드, pp. 5~10, 1999. 4) I. N. Komsky, I. M. Daniel and Y. -C. Lee, Ultrasonic Determination of Layer Orientation in Multilayer Multidirectional Composite Laminates, Review of Progress in QNDE, Vol. 11, Plenum, pp. 1615~1622, 1992. 44 Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 1, 2002