1. 제 목 : 복합적층판의 층간파괴에 대한 하중속도의 효과





2. 연 사 : 최낙삼 교수 (한양대 기계공학과 부교수)





3. 일 시 : 2001년 6월 1일 (금) 16:00 - 17:00





4. 장 소 : 301동 1512호





5. 내 용 : 연속섬유강화 고분자 복합재료 (continuous fiber reinforced plastic composites)는 탁월한 비강성과 비강도를 나타내지만 층간박리(delamination)에 대한 저항이 약한 단점을 가지고 있다. 복합재료에 층간박리가 존재하면 강성계수(stiffness)가 저하될 뿐 아니라 강도와 수명에도 나쁜 영향을 주므로 기계구조물의 설계시나 사용시에 신뢰성과 안전성의상실로 이어진다. 따라서 복합재료의 층간파괴에 대한 저항력과 층간파괴에너지를 정확히 해석하고 정량적으로 평가하고자 하는 연구는 이 단점을 극복하기 위해 매우 중요하다고 볼 수 있다.


복합재료의 층간파괴에 대해서 이미 많은 연구 결과가 보고되었으며 대부분은 일방향적층판(unidirectional laminates)의 층간파괴에너지와 관련되었다. 층간파괴거동의 특성을 정량화하기 위한 일반적인 방법으론 선형탄성 파괴역학(linear elastic fracture mechanics)을 통한 임계 변형에너지해방률(critical strain energy release rate) GC 의 측정이다. 또한 높은 이방성을 보이는 섬유강화 복합적층판 내의 초기 층간균열은 부하방향과 관계없이 층간 근처에 구속된 상태로 진전하는 특성을 보이므로, 층간파괴시에는 여러 가지 모드의 파괴형태, 즉 모드I(열림형), 모드Ⅱ(면내 전단형), 혼합모드Ⅰ/Ⅱ가 나타날 수 있다. 이들 모드중에서 모드I의 층간파괴 에너지가 다른 모드보다 훨씬 약하므로 주로 모드I의 층간파괴에너지GIC에 관한 시험연구가 행해지고 있다.


한편 복합재료가 기계, 선박, 항공우주구조물에 적용되어감에 따라 고속하중에서의 복합재료의 층간파괴거동이 연구 관심사로 부각되고 있다. 쌍 외팔보(DCB)시험편을 이용하여 Smiley와 Pipes, Friedrich 등은 시험속도가 4.2x10-6 m/s에서 0.67m/s로 증가함에 따라 일방향 탄소섬유강화 에폭시(CF/EP)와 CF강화 폴리에텔에텔케톤 (PEEK)의 GIC 값은 낮은 시험속도시의 약 25%로 크게 감소했으며 연성/취성파괴의 속도영역이 존재한다고 했다. 한편 Beguelin등의 결과를 보면 위의 CF/PEEK시험편의 경우에 고속하중 영역에서 GIC값이 약 80%수준으로 되었다고 하여 위의 측정결과와 큰 차이를 보여준다. 또한 Aliyu와 Daniel의 결과에 의하면 CF/EP의 GIC값이 하중속도의 증가에 따라 오히려 증가했다. 이와 같이 서로 상반되거나 차이가 큰 결과가 보고되었던 것은 균열 개시에 대응하는 동적인 하중값의 측정이 연구자의 판단에 따라 달랐던 것이다. 왜냐하면 하중값은 충격파(impact wave), 굽힘파(flexural wave), 전단응력파(shear wave)의 영향을 받아 크게 변동할 수 있기 때문이다.


DCB시험편의 개구변위(opening displacement)와 균열길이를 고속도 카메라로 촬영하여 계측함으로써, 최근 Blackman 등은 CF/EP 및 CF/PEEK 일방향 적층판의 GIC를 하중속도 2mm/min∼15m/s의 범위에서 측정한 결과, CF/EP의 GIC값은 별로 변화가 없으며 CF/PEEK의 경우엔 5m/s를 초과하면서 약간 감소했다고 보고했다. GIC값의 계산에 동적하중 대신에 변위값을 이용하면 여러 가지 응력파의 불필요한 영향을 가능한 줄일 수 있어 균열개시시의 GIC값의 변동폭이 2∼8% 정도로 작아졌다. 저자는 다방향적층복합재료의 층간파괴거동을 모드I 정적하중하에서 관찰하여 파괴에너지에 대한 섬유가교의 효과를 연구하였다. 또한 고속도카메라촬영법과 PZT로드셀을 이용하여 다방향적층판의 균열진전중의 개구변위(crack opening displacement), 균열길이, 동적하중을 측정하고 시험속도에 따른 하중-시간곡선과 균열속도를 검토했다. 이 경우에는 하중 속도 8.33 10-6∼11.4m/s의 범위에서 탄성계수가 일정하다고 가정하여 층간파괴에너지GIC에 대한 충격하중속도의 효과를 연구했다. 본 강연에서는 다방향 적층판의 GIC값에 미치는 섬유의 가교효과(fiber bridging effect)를 살펴보고, 하중속도에 따른 굽힘탄성계수(flexural modulus)의 변화를 실측함으로써 이를 고려한 층간파괴에너지의 평가 및 초기균열길이의 효과를 검토하고자 한다. 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다.


저속시험 및 약11.4m/s까지의 고속시험을 받는 다방향 탄소섬유/에폭시 복합적층판의 층간파괴거동에 대해 양 외팔보(DCB)시험편을 이용하여 연구했다. 모드I의 하중을 1.0m/s이상으로 가한 결과 하중-시간곡선에 동적효과가 발생하여, 시험속도에 비례하는 단순관계식으로 예상되는 것보다 더 큰 균열속도가 나타났다. 시험편 개구변위와 균열길이만을 사용하는 수정된 선형보해석식은 동적인 층간파괴에너지GIC를 평가하기 위해 유효했다. 또한 굽힘탄성계수의 실측값은 시험속도의 증가에 따라 증가했는데, 이를 GIC의 평가시에 고려했다. 시험속도가 1.0m/s까지 증가할 때, 균열개시 및 정지시의 GIC값은 변화가 없었으나, 11.4m/s의 속도에서 최대GIC값은 섬유가교효과의 증대로 크게 증가했다. 또한 초기균열길이가 길수록 고속시의 최대GIC값은 저하했다.





6. 약 력 : 1981 서울대학교 기계공학과, 학사


1983 한국과학기술원 기계공학과(생산공학), 석사


1990 일본 Kyushu University, 박사


1983.3 - 1986.7 대우중공업 생산기술센터 사원, 대리


1990.4 - 1995.2 일본 Kyushu University 응용역학연구소 조교수


1993.4 - 1994.3 영국 Imperial College 기계공학과 방문연구원


1995.3 - 현재. 한양대학교 기계공학과 및 대학원 기계설계학과 조교수, 부교수





7. 문 의 : 기계항공공학부 김 찬 중 교수 (☏ 880-1662)


기계항공공학부 방 영 봉 교수 (☏ 880-1697)