강지웅 권오헌 * 유진규 부경대학교안전공학과 * 부경대학교안전공학부 (2009. 1. 22. 접수 / 2009. 4. 12. 채택 ) The Behavior of Tensile Fracture for Al/CFRP Hybrid Composite Material Ji-Woong Kang Oh-Heon Kwon * Jin-gyu Ryu Department of Safety Engineering, Pukyong National University * Division of Safety Engineering, Pukyong National University (Received January 22, 2008 / Accepted April 12, 2009) Abstract : The hybrid composite materials are recently used in many field as an advanced material due to their high resistance to fracture. However, hybrid composite materials have several problems, especially delamination, compared with homogeneous materials such as an aluminum alloy, etc. In this study, we carried out the tensile test to study the tension failure appearances and tensile ultimate strength of CFRP/Al/CFRP hybrid composite materials. The CFRP material used in the experiment is a commercial material known as CU175NS in unidirectional carbon prepreg. Also Al/CFRP/Al hybrid composites with three kind length of a single edge crack were investigated for the relationship between an aluminium volume fraction and a crack length. The crack length was measured by a traveling microscope under a universal dynamic tester. Futhermore the stress intensity factor behavior was examined according to a volume fraction and an initial crack length ratio to a width. Key Words : carbon fiber reinforced plastics (CFRP), hybrid composite materials, delamination, stress intensity factor, apparent stress, volume fraction, tension failure appearance 1. 서론 * 항공기기체재료로많이사용되어져온알루미늄합금은신뢰성, 경제성및경량성등의측면에서우수하나비강도및내피로특성에한계가있어복합재료로대체되는부분이점점증가하고있다. 그러나일반적으로널리사용되는탄소섬유강화복합재 (Carbon Fiber Reinforced Plastics: CFRP) 는열에약하고화학적으로불안정하며취성을가져사용에제약을받고있는실정이다 1). 이러한섬유강화복합재료의단점을보완하기위해최근이종재료를접합한하이브리드복합재료 (Hybrid Composite) 의사용이급증하고있다 2). 하지만하이브리드복합재료는보강섬유의구성비, 프리프레그의적층순서, 적층각도뿐만아니라기지인이종재와의접합등과같은접합구조가하이브리드복합재료의성질에영향을주어파괴메카니즘이매우복 To whom correspondence should be addressed. kwon@pknu.ac.kr 잡하여이에대한연구가국외에는상당수진행중에있지만 3-5) 국내에는아직미비한실정이다 6). 따라서본연구의목적은하이브리드복합재로서알루미늄과탄소섬유강화복합재를사용하여 CFRP/ Al/CFRP 하이브리드복합재료의파괴특성및 Al/ CFRP/Al 하이브리드복합재료에편측균열을삽입한후단순인장파괴실험을수행하여하중의변화와알루미늄의두께가강도특성및파괴특성에어떠한영향을미치는가를평가하는것이다. 2. 시험편및실험방법 2.1. 시험편및실험재료 CFRP/Al/CFRP 및 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료시험편을만들기위하여국내한국카본 ( 주 ) 에서생산 시판되는 CU175NS( 두께 t: 0.16mm) 일방향탄소섬유강화프리프레그와두께 0.3, 0.5, 0.8mm 의 Al 2036 알루미늄합금을사용하였다. Table 1과 2 는시험편제작에사용한프리프레그의섬유및수 23
강지웅, 권오헌, 유진규 Table 1. Compositions of the fiber and resin in CU175NS prepreg Material Fiber Wt(g/m 2 ) Resin Wt(g/m 2 ) Resin Content(%) Total Wt(g/m 2 ) CU175NS 175±2 90±9 34±2 265±11 Table 2. Compositions of the Al 2036 aluminum alloy (%) Material Al Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn Other Al 2036-T4 95.8 2.8 0.4 0.5 0.2 0.04 0.15 0.021 0.08 Table 3. The mechanical properties of Al 2036 and CU175NS Material Tensile Strength (GPa) Yield Strength (MPa) Elastic Modulus (GPa) Poisson's Ratio Al 2036-T4 0.32 153 71 0.3 CU175NS 3.7-124 0.28 Fig. 2. Specimen configuration of CFRP/Al/CFRP hybrid composite. 지함유량과 Al 2036 알루미늄합금의화학적성분을나타낸다. Table 3 은 Al 2036 과 CU175NS 프리프레그의기계적특성을나타낸다. 성형판에성형된 Al/CFRP 하이브리드복합재료판을절단시계면분리현상의문제점이발생하는데이문제점을해결하기위해성형전 2 플라이프리프레그와 Al 2036 알루미늄박판을시험편사이즈인 122mm 122mm 로제작하여 Fig. 1 과같이적층하였다. 적층된 CFRP 프리프레그와알루미늄 Al 2036 은열성형기 (Hot Press) 에서성형하였다. 성형조건은분당 5 로하여 130 까지승온한후게이지압력으로 30kgf/cm 2 의압력을가한후 90 분간유지하였다. 성형이완료된후시험편의잔류응력에의한휨을방지하기위해압력을유지한상태에서약 0.5 / min 의냉각속도로서서히상온까지냉각시켰다. 성형된하이브리드복합재는 Al/CFRP/Al 에대하여노치결함의영향을평가하기위하여 a 0/W=0.4, 0.5, 0.6 이되도록편측균열을삽입하였다. a 0 는초기노치균열길이이며 W 는시험편폭을나타낸다. 균열삽입은고속정밀절단기를사용하여폭 0.5mm 로균열의약 80 90% 를삽입하였고나머지부분은 Fig. 3. SENT specimen configuration of Al/CFRP/Al hybrid composite. 면도칼을사용하여예비균열을삽입하였다. ASTM D 3039 에따라제작된시험편의형상은 Fig. 2 및 Fig. 3 에나타내었다. 이때알루미늄의두께는 0.3, 0.5, 0.8mm 의 3 가지경우에대하여시험편을제작하였고, 제작후 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료시험편의두께 (t) 는약 0.9, 1.3, 1.9mm 가되었고 CFRP/ Al/CFRP 하이브리드복합재료시험편의두께는약 0.9, 1.1, 1.4mm 가되었다. Al/CFRP/Al 와 CFRP/Al/ CFRP 하이브리드복합재료시험편의두께가차이가나는것은기본적으로 CFRP 프리프레그에비교하여 Al 2036 의두께가비교적클뿐만아니라적층방법및성형시수지의감소정도에따라나타났다. 시험편끝단에는지그에의한손상과미끄럼을방지하기위하여알루미늄탭을부착하였다. Fig. 1. Example of Al/CFRP/Al laminate lay-up. 2.2. 실험방법본실험에서사용된시험기는만능동적시험기 (H 사, 50kN) 를사용하였으며, Al/CFRP/Al 및 CFRP/ Al/CFRP 하이브리드복합재료에대한인장시험은 0.3mm/min 변위제어로수행하였다. Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료의파괴시험동안균열성장길이는 4단구조의접안렌즈로구성된최저 5.5배율에서최고 50배의배율로조절이가능한이동식현 24 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 2, 2009
Photo 1. The typical fracture of unidirectional CFRP laminate composite(4plies). Fig. 4. Schematic diagram of experimental apparatus. 미경 ( 일본, N 사 ) 을이용하여일정균열성장지점에서 50 배의배율로측정하였다. 이때측정된균열길이는디지털변환기인 IT-005D( 일본, M 사 ) 를거쳐이동식현미경에서 PC 로직접저장되었다. Fig. 4 는실험장치의개략도를나타낸다. 3. 결과및고찰 3.1. CFRP/Al/CFRP 하이브리드복합재료인장파괴시험 Al 2036의두께를 0.3, 0.5, 0.8mm 로변화를준 CFRP/ Al/CFRP 하이브리드복합재료에대해인장실험을수행하여파괴양상을관찰하였다. Fig. 5는각각의경우에대한겉보기응력-변위선도를나타낸다. Fig. 5에는비교를위하여하이브리드시험편에사용된 CU175NS 프리프레그를 4플라이로적층하여인장시험편을만든후얻어진결과와 Al 2036의결과를같이표시하였다. Photo 1은일방향 4플라이 CFRP의인장파괴의양상을나타낸다. 파괴는최대 3.7GPa 에서가장자리부터일부섬유소가파단이 일어나면서발생된후시험편안쪽방향으로섬유소가연속적으로각각파단을일으키다가순간적으로탭주위가완전파단되었다. Al 2036 시험편은전형적인변형을나타내었고극한강도는 320MPa 로얻어졌다. 또한 Fig. 5 의 Al 두께 0.3mm 와 0.5mm 인경우의 CFRP/Al/CFRP 하이브리드복합재는각각 2.3GPa, 변위 3.46mm, 2.1GPa, 변위 3.80mm 의최대응력부터 CFRP 의부분적인파단이발생한후에, 0.3mm 인경우는최대응력도달직후에, 0.5mm 인경우는변위 3.98mm 위치에서 CFRP 의완전파단이발생하면서 Al 2036 과 CFRP 적층사이에계면분리현상이나타남과동시에 Al 부분도하중을견디지못하여거의동시에파단되었다. 이와같은사실을통하여 Al 두께 0.3, 0.5mm 인경우에는 CFRP 적층부분이완전파단시시험편전체에미치는하중영향이잔존하는 Al 층에순간적으로전달되면서파괴응력을저지하지못하고거의동시에파단됨을알수있다. 반면에 Al 두께 0.8mm 인경우에는파단응력 1.7GPa, 변위 4.86mm 부터 CFRP 의부분적인파단이발생하였고, 변위 4.92mm 위치에서 CFRP 적층의완전파단이발생하면서 Al 과 CFRP 사이에계면분리현상이나타났으나 Al 2036 층이 CFRP 와동시파단되지않고가공경화현상을일으키면서외부하중을모두담당하다가최종변형파괴되었다. Photo 2 (a)~(c) 는 Al 두께별로하이브리드복합재료의파괴형상을나타내었다. Fig. 5 에서얻어진하이브리드복합재료의극한강도및탄성계수는식 (1) 의혼합물법칙 (ROM) 7) 에적용하여얻어질수있다. Fig. 5. Apparent stress-displacement curves for CFRP/Al/ CFRP hybrid composites. (a) (b) (c) Photo 2. Fracture configuration for CFRP/Al/CFRP hybrid composite specimen((a) 0.3mm Al, (b) 0.5mm Al, (c) 0.8mm Al thickness). 한국안전학회지, 제 24 권제 2 호, 2009 년 25
강지웅, 권오헌, 유진규 Table 4. The comparison of the ultimate tensile strength between the theory and experiments for CFRP/Al/ CFRP hybrid composites Al thickness(mm) 0.3 0.5 0.8 CFRP Volume fraction(%) 67 55 43 Theory(GPa) 2.58 2.16 1.72 Experiment(GPa) 2.3 2.1 s1.7 σ hc = v cfσ cf + v mσ m (1) 여기서 σ hc, σ cf, σ m 는각각하이브리드복합재, CFRP 적층판및 Al 2036 알루미늄층의극한강도를나타내며 v ch, v m 은각각의체적율 (volume fraction) 을나타낸다. 식 (1) 에의해계산된 CFRP/Al/CFRP 하이브리드복합재료의극한강도값은 Al 2036 의두께가 0.3mm, 0.5mm 및 0.8mm 로커짐에따라각각 2.58GPa, 2.16GPa 및 1.76GPa 를얻는다. 이결과는 Table 4 에나타내는것과같이실험치와거의유사함을알수있다. (a) a 0/W = 0.4 (b) a 0/W = 0.5 3.2. Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료인장파괴시험 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재는편측노치시험편으로제작되어인장파괴시험을행하였다. Fig. 6 8에는하중-하중선변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타내었다. Δa는현재균열길이에서초기노치균열길이를제외한값을나타내며파괴특성을파악하기위하여응력확대계수평가에사용되었다. 균열길이측정은실험방법에서제시한바와같이 50배렌즈배율을가진이동식현미경에서육안으로성장하는균열선단을연속적으로추적하였다. 추적된균열길이는 1/100mm의정밀도로디지털변환기 IT-005D 입력기를통하여 PC에자동적으로저장시켰다. Fig. 6의 (a) 는 Al 두께 0.3mm, a 0/W= 0.4인경우의하중-변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타내며하중이가해지기시작하여최대하중인 5.35kN까지선형적으로증가한후변위 1.32mm 위치에서 CFRP 부분적인급작파괴가발생하였다. Al 표면에서관찰된균열은변위 1mm 위치에서성장을개시한후서서히진전하다하중의대부분을담당하던 CFRP가파단되는순간과대하중을견디지못하고 0.19mm에서 3.61mm로급성장하였다. 이후 2.35kN에서 2.43kN까지상승한후 CFRP가완전파단되었다. 이때 Al의균열도급성장하였고 (c) a 0/W = 0.6 Fig. 6. Load-displacement and crack extension length variation of a fracture test for Al/CFRP/Al hybrid composite(al thickness = 0.3mm). 이후변위 1.4mm 위치에서완전파단되었다. Fig. 6 의 (b) 는 Al 두께 0.3mm, a 0/W=0.5 인경우의하중 - 변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타내며, (c) 는 Al 두께 0.3mm, a 0/W=0.6 인경우를나타낸다. 이두경우도 a 0/W=0.4 인경우와유사한경향이나왔다. 이것으로보아 Al 두께 0.3 mm 인 Al/CFRP/Al 시험편은 CFRP 파단시 Al 두께 0.3mm 는시험편강도유지에큰영향을주지못하며 CFRP 의취성파괴에순간적으로저항력이저하하였다. Fig. 7 의 (a) 는 Al 두께 0.5mm, a 0/W=0.4 인경우의하중 - 변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타내며하중이가해지기시작하여최대하중인 6.64kN 까지선형적으로증가한후변위 1.43mm 위 26 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 2, 2009
(a) a 0/W = 0.4 (a) a 0/W = 0.4 (b) a 0/W = 0.5 (b) a 0/W = 0.5 (c) a 0/W = 0.6 Fig. 7. Load-displacement and crack extension length variation of a fracture test for Al/CFRP/Al hybrid composite(al thickness = 0.5mm). 치에서 CFRP 가부분적인급작파괴가발생하였으나이후 CFRP 와 Al 의균열이서로성장및정지를반복하다변위 1.63mm 지점에서 CFRP 가완전파단되었다. 이때 Al 은완전파단되지않고균열성장, 정지를반복하다변위 1.92mm 위치에서완전파단되었다. Fig. 7(b) 는 Al 두께 0.5mm, a 0/W = 0.5 인경우, Fig. 7(c) 는 Al 두께 0.5mm, a 0/W = 0.6 인경우의하중 - 변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타낸다. 이경우에도앞의 Fig. 7(a) 인경우와유사한경향이나왔다. 이결과로부터 Al 두께 0.5mm 인 Al/CFRP/Al 시험편은 CFRP 파단시 Al 두께 0.5mm 는 CFRP 의취성파괴를저지하여전체적인시험편의파단을지연시켰다. 이때 Al 층의체적율은 77% 에해당된다. (c) a 0/W = 0.6 Fig. 8. Load-displacement and crack extension length variation of a fracture test for Al/CFRP/Al hybrid composite(al thickness = 0.8mm). Fig. 8 (a)~(c) 는 Al 두께 0.8mm, a 0/W=0.4,0.5,0.8 인경우의하중 - 변위선도와균열성장길이 (Δa) 의관계를나타낸다. 하중이가해지기시작하여최대하중까지선형적으로증가한후에도 CFRP 가완전파단되지않고부분적으로섬유소의급작파괴가발생하였다. 또한 Al 두께 0.5mm 의경우처럼이후 CFRP 와 Al 에서의균열성장및정지가반복되다가 CFRP 가완전파단되었다. 이때에도 Al 층은완전파단되지않고균열성장, 정지를완만히반복하다변위 2.65mm, 2.2mm, 2.0mm 위치에서완전파단되었다. Fig. 8 의경우에는 Al 층부분이비교적두꺼워 CFRP 층이완전파단되어진후에도부하하중의영향이전부 Al 층에전달되어져파손저항력이증대하고 CFRP 의취성파괴에따른급작 한국안전학회지, 제 24 권제 2 호, 2009 년 27
강지웅, 권오헌, 유진규 을이용하여 CFRP/Al/CFRP 및 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재를제작한후인장파괴시험을수행하여파괴양상및균열성장파괴를평가하여다음과같은결론을얻었다. Fig. 9. Critical stress intensity factor(k C) with the aluminium volume fraction at various a 0/W ratios. 파괴를저지하여전체적인시험편의파단을지연시키고있음을나타낸다. Fig. 9 는 a 0/W 의변화에따른 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료의 Al 층의체적율변화에대한 K C 값의분포를나타낸그래프이다. K C 는식 (2) 에의해정해졌다 8). (2) 여기서 h 는시험편두께이며 f(a 0/W) 는다음과같다. tan (3) cos sin 체적율 v m 이 Al 두께가 0.3mm 일경우 a 0/W 가증가함에따라 KC 가 93, 154 그리고 191MPa, Al 두께 0.5mm 일경우 117, 157 그리고 187MPa, 0.8mm 일경우 87, 123 그리고 151MPa 으로나타나 Al 층의두께가 0.5mm 인체적율이 76% 에도달하면값이오히려역전되어감소하는것을알수있다. 이것은 Al/CFRP/Al 하이브리드복합재를제작할때 CFRP 에대한 Al 의두께비를고려해야함을나타낸다. 4. 결론 일방향 CFRP 적층복합재료와 Al 합금 Al 2036 판 1) CFRP/Al/CFRP 하이브리드복합재료에서 Al 두께 0.3mm 과 0.5mm 의경우, CFRP 적층부분이완전파단시시험편전체에미치는하중영향이잔존하는 Al 층에순간적으로전달되면서파괴응력을저지하지못하고거의동시에급작파단되었다. 8 mm 의경우 CFRP 의부분적인파단발생에서완전파단으로진전하면서 Al 과 CFRP 사이에계면분리가일어나고 Al 2036 층이가공경화현상을일으키면서외부하중을모두담당하다가최종변형파괴되었다. 2) Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료에서 Al 두께 0.3mm 인하이브리드복합재료일경우에는하중을담당하던 CFRP 가파단되는순간하중을견디지못하고 Al 의균열이급성장및급작파괴하는양상이었다. Al 두께 0.5mm 이상인경우는 CFRP 파단시 CFRP 의취성파괴를저지하여전체적인시험편의파단을지연시켰다. 3) Al/CFRP/Al 하이브리드복합재료에서 KC 는 Al 두께 0.3mm 일경우 a 0/W 별로 93, 154, 191MPa, 0.5mm 일경우 a 0/W 별로 117, 157, 187MPa, 0.8 mm 일경우 a 0/W 별로 87, 123, 151MPa 으로나타났으며, Al 0.3mm 의경우 a 0 의변화가크게나타나 CFRP 의파단과함께시험편전체의파단진행이급격함을알수있었고, 반면에 Al 층의두께가 0.5mm 인체적율이 76% 에도달하면값이오히려역전되어감소하였다. 참고문헌 1) H. Asauma and O. Haga, J. Ohira, K. takemoto and M. Imori, fabrication of CFRP/Al active laminates, JSME International Journal, A, Vol. 46, No. 3, pp. 478~ 483, 2003. 2) T. X. Mao and J. H. Han, Tensile fracture of carbon/epoxy aluminium laminates, ISCMS/II, China, August, pp. 899~904, 1992. 3) T. X. Mao, J. H. Han, J. L. Qing and F. L. Dai, An experimental study of bending behavior of CALL hybrid composites, Composites science and technology, Vol. 53, pp. 275~279, 1995. 4) Y. Xu, K. Otsuka, H. Yoshida, H. Nagai, R. Oishi, H. 28 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 2, 2009
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