Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 37, No. 8 pp. 862~868, 2013 http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2013.37.8.862 ISSN 2234-7925 Print ISSN 2234-8352 Online 평직 CFRP 복합재료의인장강도및파괴저항성특성평가 박순철 1 강성수 2 김국용 3 최정훈 ( 원고접수일 :2013 년 9 월 4 일, 원고수정일 :2013 년 9 월 28 일, 심사완료일 :2013 년 10 월 28 일 ) Evaluation of tensile strengths and fracture toughness of plain weave composites Soon-Cheol Park 1 Sung-Su Kang 2 Gug-Yong Kim 3 Jung-Hun Choi 요약 : 직조형태의복합재료의파손메커니즘은복합적이다. 지금까지평직복합재료를대상으로많은연구가이루어졌으나, 파괴저항성거동은아직도표준화되지못한실정이다. 또한섬유배열방향에따라다른거동을보인다. 그래서하중방향에대한섬유배열방향에따른파괴저항성평가가필요하다. 이에본연구에서는평직 CFRP 복합재료를대상으로다양한섬유배열방향에따른파손강도및파괴저항성평가를수행하였다.( 섬유배열방향 : 0, 15, 30, 45 ) CT 시험편을이용하여모드 I 조건으로시험을수행하였다. 주제어 : 평직 CFRP, 횡방향균열, 파손강도, 파괴인성 Abstract : The mechanics of woven fabric-based laminated composites is complex. Then, many researchers have studied woven fabric CFRP materials but fracture resistance behaviors for composites have not been still standardized. It also shows the different behavior according to load and fiber direction. Therefore, there is a need to consider fracture resistance behavior in conformity with load and fiber direction at designing structure using woven CFRP materials. In this study, therefore, the tensile strength and resistance for plain-weave CFRP composite materials were investigated under various different angle condition(load to fiber angle: 0, 15, 30, 45 ). Tensile strength and fracture toughness tests were carried out under mode I transverse crack opening load by using compact tension specimens. Key words Plain weave CFRP, Transverse crack, Failure strength, Fracture toughness 1. 서론 최근복합재료는해양수송기, 풍력발전분야및차량의경량화를위해주요부품들의중량감소에따른연비향상, 제동및조향에따른에너지절약및이산화탄소배출을최소화하는장점때문에그수요가증가하고있다 [1][2]. 다양한복합재료중직물구조복합재료는복잡한강화구조를가지기때문에그역학적손상거동은파악하기가쉽지않다. 따라서지금 까지많은연구자에의해여러가지접근법이제안되었다 [3]-[5]. 대표적인예로, 홍창선등 [3] 은일방향적층복합재료를대상으로다양한모드조건 ( 모드 I, II, III) 에서의층간파괴시험법을제안하였고 Hochard 등 [4]-[5] 은직물구조적층복합재료를대상으로수학적모델을제안하고모드 I 조건하에서파괴특성을예측하였다. 하지만이상의연구들은국한된종류의복합재료에해당되는실험법으로, 적층형태및종류가 Corresponding Author: Research & Development Division, Hyundai Motors, 2006, Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea, E-mail: whvlfwo@hanmail.net, Tel: 031-290-7477 1 Research & Development Division, Hyundai Motors, Korea, E-mail: testdrv@hanmail.net, Tel: 051-510-1454 2 Division of Mechanical Engineering, Pusan National University, E-mail: kangss@pusan.ac.kr, Tel: 051-510-1454 3 Division of Mechanical Engineering, Pusan National University, E-mail: beaverx@empas.com, Tel: 051-510-1454
평직 CFRP 복합재료의인장강도및파괴저항성특성평가 달라지면그특성을평가하거나예측할수없다. 또한복합재료섬유간에충진된 Matrix 특성을정확히고려하지않아실험결과와도큰차이를보이고있어명확한파괴거동해석수법이확립되지못한실정이다. 하지만아직까지명확한파괴거동해석수법이확립되어있지않다. 특히조선구조재료의기계적특성과더불어직물구조 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 복합재료의균열에대한저항특성을파악해두는것은조선구조물의건전성평가를위하여대단히필요하다. 일방향연속섬유강화복합재의경우에는 Hochard 등 [6] 이개구형변형양식에서균열이진전할때균열진전저항특성을파악하였으며, Xiao 등 [7] 은직물구조 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 복합재료에대하여유한요소모델을제안하여손상진전해석을실시하여보고하였으나 GFRP 단층판의경우에한하였다. Kzauro 등 [8][9] 은섬유방향을변화시킨직물 CFRP 적층판의파괴인성치와 AE(Acoustic Emission) 결과값들과의관계를제시하였으나파손기구와의연결성을충분히설명하지못하였다. 이러한배경에서직물구조 CFRP 복합재료의파괴저항특성의실험적연구를통해명확한파괴저항성의평가가이루어져야할것이다. 한편, CFRP 복합재료가구조물의외층으로사용될경우, 폭에비해두께가얇은재료를사용하므로평면응력파괴인성치 (K c ) 를사용하였다. Figure 1: Fabric texture orientation of plain woven CFRP laminate composite 기존의 K c 는주로 CT시험편 (Compact tension specimen) 을이용하여결정한다 [10][11]. 본연구에서는평 직구조의 CFRP 복합재료에대하여두께 3.5mm CT(Compact Tension) 시험편으로평면응력파괴인성실험을수행하였다. 이와더불어직물의방향성에따른재료물성치의변화를살펴보고자인장시험편 (0, 15, 30, 45 ) 을제작하고인장시험을통해필요한재료물성치를획득하였다. 나아가이방성체평직 CFRP 복합재료의응력강도보정계수를적용하여이를금속재의경우와비교하였다. Figure 1에본연구에사용된평직적층판의구조를나타내었다. 2. 재료및실험방법 2.1 실험재료국내한국카본 ( 주 ) 에서시판되는직물구조 (plain) 탄소섬유프리프레그 (woven carbon prepreg) 인 WSN3K ( 두께 0.27mm) 를이용하여실험재료로사용하였으며최종두께는 3.50 mm 이다. 적층판은 16층으로오토클레이브 (autoclave) 에서 140, 60 kg/cm 2 의온도와압력에서 60분간성형, 제작되었다. 프리프레그의화학적성분을 Table 1에나타내었다. Table 1: Chemical compositions of prepreg (Wt. %) Fabric (Wt. g/m 2 ) Resin (Wt. g/m 2 ) Resin Content (%) Total (Wt. g/m 2 ) 205 148 42±2 353 인장시험편은 ASTM D-3090-02를참조하여 NC 머신으로인장시험편을제작하였으며, 시험편끝단은인장실험시시험기의그립으로부터손상을방지하기위해에폭시수지인아랄다이트 (araldite) 로 GFRP 탭 ( 두께 : 2mm) 을부착하였다. 시험편의탭부위에접합강도의강화와슬립방지를위해 #100의에머리-페이퍼로거칠게연마하여 GFRP 탭을부착후 K사의 HY-8000S 전기로에서 100 로 30분간후처리를수행하였다. 파괴인성시험에사용된 CT 시험편은 ASTM E-647-02 추정법에따라 NC머신을이용해폭 1mm 노치를삽입하였다. 이때매우날카로운균열을삽입하여야하지만기계가공에한계가있으므로 3점밴딩 (three point bending) 피로시험으로피로균열을 a 0 /W=0.4가되게하였다. 시험편의형상은 Figure 2에나타내었다. 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 8 호 (2013. 11) 863
박순철 강성수 김국용 최정훈 Figure 4: Schematic diagram of experimental apparatus for fracture toughness test 시험을수행하였다. 인장및파괴인성시험동안균열발생및진전거동과기지및섬유의표면손상과정을소형 CCD 카메라를사용하여모니터링하였다. Figure 4에실험장치의개략도를나타내었다. Figure 2: Specimen configurations 2.2 실험방법재료의인장강도, 연신률등의기본재료물성치를측정하기위하여인장시험을수행하였다. 사용된시험기는 Shimadzu사의 25 ton 인장시험기로서 Figure 3에시험기의형상을나타내었다. 파괴인성시험편의경우두께가얇기때문에좌굴이발생할수있으므로편심방지용가이드지그를사용하여고정하였다. 상온에서 0.2 mm/min 변위제어로 3. 평직 CFRP 복합재료의응력확대계수의계산 3.1 이방성체응력확대계수평가 균질탄성체에있어서 CT 시험편의경우, 응력확대계수 K는다음식과같이나타낼수있다. (1) 여기서, W는시험편의폭이며 a는균열길이이다. 그 리고 는유한폭에대한형상보정계수이다. 섬유강화복합재료에서강화섬유배열방향에따라현저한이방성이존재하고있으므로식 (1) 과같은균질탄성체에대한 K의적용은곤란하다. 따라서복합재 료의이방성을고려한새로운형상보정계수 를산출해야한다. 3.2 이방성체응력확대계수의계산섬유강화복합재료에서강화섬유의배열로인해현저한이방성이존재하고있으므로 ASTM에제시된균질탄성체에대한 K의적용은곤란하다. 이에평직 CFRP 복합재료에대한응력확대계수는 Kageyama [8] 등에의한실험식에서다음식 (2) 로나타낼수있다. Figure 3: Appearance of tensile tester (2) 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 8 호 (2013. 11) 864
평직 CFRP 복합재료의인장강도및파괴저항성특성평가 이때, 형상보정계수 는식 (3) 과같이계산된다. (3) 여기서, P는하중, B는두께, W는폭, 그리고 a는균열길이이며 는동일 a/w에해당하는균질탄성체의형상보정계수값이다. 그리고 는섬유방향을나타내는보정계수로섬유배열방향에따라달라진다. Table 2에섬유배열방향별보정계수를정리하여나타내었다 [8]. Figure 5는 ASTM에서제시하는균질탄성체의 의선도와함께비교하여나타낸선도로서섬 행한후평균한인장시험결과를 Table 3에나타내었으며, Figure 6에섬유방향과인장강도및연신율의관계를나타내었다. 시험결과, 45 방향의인장강도가가장취약하였으며 0 방향의인장강도에비해약 28% 감소하는것을확인할수있었다. 이와는반대로연신율의경우, 0 방향의연신율이가장낮았으며 45 방향의연신율이가장높게나타났다. 이는 0 방향으로인장하중이가해질경우위사는다소변형률이적은접착분리 (debonding) 현상이나타나며, 경사 (warp) 은섬유파손 (fiber breakage) 를일으켜파괴되지만, 45 방향의경우는위사가접착분리와섬유파손현상이함께나타나므로그만큼변형률이커 유강화복합재료의형상보정계수와는차이를보이는것을확인할수있었다. Table 2: Coefficient of compact specimen 0 30 45 1.097 1.098 1.076-0.58 0.00 0.47 3.6-0.4-2.6 (a) Figure 5: Variations of in Plain woven CFRP composite 4. 실험결과및검토 4.1 인장시험위사 (weft) 섬유방향을기준으로하중방향에대한섬유배열방향별 (0, 15, 30, 45 ) 3회의시험을수 (b) Figure 6: Relationship between direction of fiber and tensile strength 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 8 호 (2013. 11) 865
박순철 강성수 김국용 최정훈 을사용하여평직 CFRP 복합재료 (0 orientation) 에대한하중-COD 선도를 Figure 8에나타내었다. 또한하중-COD 선도를이용한평면응력파괴인성치를결정하기위해최대하중 (P max ) 과초기균열길이 (a 0 ) 에의한 ASTM E1820의평면응력파괴인성치결정법을사용하여 K app 를구하였다. 초기조건은균열길이 (a 0 =20.32 mm), 시편폭 (W=50.8 mm), 시편두께 (B=3.5 mm) 이다. Figure 7: Fracture surface of 0 fabric orientation under the tension loading 지게된다. Figure 7 에파괴된인장시험편의파면을 각각나타내었다. 섬유의배열방향에따른재료물성치의변화는비 선형적으로변화하게된다. 또한시험편제작의제한 등으로다양한직조방향에관한재료물성을얻기어려움이있고, 섬유와고분자의비선형관계에서최종물성이결정되는복합소재에서는물성을예측하는데어려움이있다. 복합소재의비선형특성을인공신경망 (Artificial Neural Network; ANN) 을활용하여시험이외의값들을예측하였다. 본연구에서적용한신경망이론은다층퍼셉트론 (multilayer perceptron) 개념이도입된역전파알고리즘을사용하였다 [1][2]. 신경망학습의입력인자는섬유방향을선택하였고, 출력인자는인장강도와연신율이된다. 신경망학습을통하여얻어진예측값이실제실험값을잘나타내며, 특히실험이이루어지지않은부분의비선형성을나타내는것을확인할수있다 (Figure 6). Table 3: Comparison of material properties on fiber orientation Fiber orientation 0 15 30 45 Tensile strength (MPa) 784 320 259 194 Elongation (mm/mm) 0.21 0.26 0.35 0.48 4.2 파괴인성시험균열개구변위 (Crack Opening Displacement, COD) 값 Figure 8: Load-COD curves for plain woven CFRP composite of CT specimens K app 를구하기위하여사용한식은다음과같다. max (4) (5) 여기서, 는시험편의형상계수로서위의식에 사용될형상계수 는 ASTM 에서제시하는균질 탄성체에대한형상계수이다. 따라서등방성으로가정하여계산된균질탄성체의 형상계수 를현저한이방성을가지는평직 CFRP 복합재료의파괴인성치를구하는데직접적용 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 8 호 (2013. 11) 866
평직 CFRP 복합재료의인장강도및파괴저항성특성평가 시키는것은무리가있다. 따라서 3 장에서술된 Kageyama 등이제시한이방성평직 CFRP 복합재료 의형상보정계수 를적용하였다. K app 를구하기 위해 5% 옵셋 (offset) 하중값 (PQ) 을사용하였고균열 길이와시편의폭, 두께는초기조건의값을사용하였 다. 총 3 회의시험을수행하여 Table 4 에정리하여나 타내었다. 시험결과, K app 는약 37.62 MPa m 로서 ASTM 에서제시하는형상보정계수를적용한값과약 15% 정도차이가나는것을확인할수있었다. Table 4: Results of fracture toughness Fracture toughness (MPa m) ASTM Kageyama 32.64 37.58 32.90 37.86 32.50 37.41 Average 32.68 37.62 5. 결론 평직 CFRP 복합재료에대하여하중방향에대한직물의방향성의변화가파손강도에미치는영향을알아보기위하여 4가지의직물방향에따른인장시험을수행하였다. 또한평직 CFRP 복합재료의횡방향균열에대한파괴인성치를평가하기위하여파괴인성시험을수행하였으며, 이방성을고려한형상보정계수를적용하여파괴인성치를비교하였다. 본연구를통하여다음과같은결과를얻었다. (1) 인장시험을통해살펴본하중방향에따른직물의방향성의변화가재료물성의변화에영향을미친다는것을확인하였다. 45 방향의인장강도는 0 방향의인장강도에비해약 28% 감소하였으나, 연신율은약 43% 증가하는경향을나타내었다. 이는직물을구성하는위사와경사의파손양상이하중방향에대해직물의방향이변함에따라파손양상도변하기때문으로판단된다. 따라서향후직물의방향성을고려한파괴저항성평가에대한연구도필요할것으로판단된다. (2) Kageyama등이제시한형상보정계수를적용한 결과, 평직 CFRP 복합재료의 K app 는약 37.62 MPa m 로평가되었다. 이는 ASTM에제시된균질탄성체형상보정계수를적용한결과값과약 15% 차이를보이는바, 이방성체 CFRP 복합재료의파괴인성평가시균질탄성체형상보정계수를적용한다면그결과값이다소과소평가될수있다고판단된다. (3) 이방성체형상보정계수 는 ASTM에제시된균질탄성체의형상보정계수와는상당한차이가나타남을확인하였다. 따라서향후복합재료의파괴저항성또는균열성장시험을위해서는시험편의기하학적형상, 이방성, 직교이방성등의조건을고려한유한요소해석을병행하여보다정확한형상보정계수를도출하는것이필수적이다. 참고문헌 [1] O. H. Kwon, S. Xu, and M. Sutton, Evaluation of the damage mechanism in CFRP composite using computer vision, The Korean Socienty of Marine Engineering, vol. 34, no. 5, pp. 686-694, 2010. [2] S. Y. Bae, B. S. Kim, W. J. Kim, and M. Y. Kim, Structural design of 3MW wind turbine blade, and their structural safety evaluation, The Korean Socienty of Marine Engineering Conference, pp. 289-290, 2010 (in Korean). [3] C. S. Hong, Test method for intralaminar fracture of composite, The Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 30, no. 2, pp. 172-179, 1990 (in Korean). [4] C. Hochard, P. A. Aubourg, and J. P. Charles, Modelling of the mechanical behaviour of woven fabric CFRP laminates up to failure, Composites Science and Technology, vol. 61, pp. 221 230, 2001. [5] S. T. Peters (Ed), Handbook of Composites, 2nd ed., Chapman and Hall, pp. 794 809, 1998. [6] C. Hochard, Optimum design of laminated composite structures, Composite Structures, 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 8 호 (2013. 11) 867
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