Evaluation of Compressive Residual Strength in Composite Material Under Impact Damage

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2013.37.4.503 ISSN 1226-4873

충격 손상을 받은 항공기용 복합재료의 압축잔류강도 평가

안상수

· 홍석우

· 구재민

· 석창성

* 성균관대학교 기계공학부

Evaluation of Compressive Residual Strength in Composite Material Under Impact Damage

Sang Soo Ahn

, Suk Woo Hong

, Jae Mean Koo

and Chang Sung Seok

* Dept. of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan Univ.

(Received September 5, 2012 ; Revised January 7, 2013 ; Accepted January 9, 2013)

- 기호설명 –

σR,C : 압축잔류강도(compressive residual strength) σ0,C : 압축강도(compressive strength)

σR,T : 인장잔류강도(tensile residual strength) σ0,T : 인장강도(tensile strength)

Ei : 입사충격에너지(incident energy)

Eth : 하한계 충격에너지(threshold energy)

1. 서 론

섬유강화 복합재료는 금속재료보다 가볍고 높은 강도를 가지고 있기 때문에 항공우주산업을 뿐만 아니라 자동차, 철도, 스포츠 산업 등에서 적용범

위가 증가하고 있다.그러나 섬유강화 복합재료는

일반적으로 압축하중과 재료의 면에 수직인 방향 의 충격에 매우 취약하다는 단점을 가지고 있는데, 특히 항공기의 운행 중 발생하는 우박과 조류 등 에 의한 충돌과 정비 중 노출될 수 있는 공구의 낙하 등에 의한 충격으로 인해 구조물의 내구성 저하를 유발하게 된다. 따라서 항공기의 신뢰성 있고 안전한 운항을 위해서 충격손상에 따른 잔류 강도에 대한 연구가 필요하다. (1~3,9,10)

Caprino⁽⁴⁾는 하한계 충격에너지(Eth)와 재료상수 α를 이용하여 충격 잔류강도 예측식을 식 (1)과 같이 제시하였다.

α

σ σ

 



 

= 

i th T

T R

E E

, 0

,

(1)

Kang과 Kim⁽⁵⁾은 하한계 충격에너지 이하에서는 강도의 저하가 발생하지 않지만, 그 이상에서는 강 도가 감소한다고 보고하고 있으며, Kim과 Kim⁽⁶⁾은 Key Words: CFRP(탄소섬유강화플라스틱), Compressive Residual Strength(압축잔류강도), Impact Damage(충격

손상), Impactor Diameter(충격자 직경)

초록: 탄소섬유강화 복합재료는 일반적으로 압축하중과 재료의 면에 수직한 방향의 충격에 매우 취약하 다는 단점을 가지고 있다. 특히 항공기의 운항 중 조류와의 충돌이나 정비 중 공구의 낙하로 인한 충격 손상은 항공기 구조물의 강도저하의 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 복합재료(CFRP) 시험편에 충 격에너지와 충격자 직경을 변화시키면서 충격손상을 가한 후 압축시험을 수행하여 충격후 압축잔류강도 를 평가하였으며, 시험 결과를 비교하여 충격에너지에 따른 충격후 압축잔류강도 예측식을 제안하였다.

Abstract: Carbon fiber reinforced plastics (CFRPs), a composite material, are generally vulnerable to compressive load and impact damage in a direction perpendicular to the surface of the material. In particular, during the operation of an aircraft, impact damages caused by bird collisions or falling tools reduce the strength of the aircraft structure. In this study, after impact damages were applied to CFRP specimens with various impact energies and impactor diameters, the compressive residual strength of the impact-damaged specimen was evaluated by performing a compression test.

Furthermore, a prediction model for the compressive residual strength is proposed according to the variation in the impact energy by comparing the test results.

† Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers

변화는 없으나, 충격자의 직경이 증가함에 따라 잔류강도가 저하된다고 보고하고 있다.

본 연구에서는 CFRP복합재료의 충격 후 압축시 험을 통해 다양한 입사충격 에너지와 충격자의 직 경크기의 변화가 잔류강도에 미치는 영향을 비교

· 평가하였다.

2. 충격 후 압축잔류강도 시험

2.1 재료 및 시험편

본 연구에 사용된 재료는 한국 카본㈜에서 시판되는 탄소섬유 프리프레그(woven carbon prepreg)인 WSN-3K(두께 : 0.219 mm)를 이용하여 시험 재료로 사용하였으며 최종 두께가 3.5 mm 되게 하였다.

적층판은 16 ply로 오토클레이브(Autoclave)에서 140 ℃, 5.9 MPa(60 bar)의 온도와 압력에서 60분간 성형 및 제작되었다. 제작된 시험편의 각 성분의 함량은 Table 1에 나타내었다.

Kim 등⁽¹⁰⁾의 연구에 따르면 시험편의 섬유배열 각도가 0°/90°인 경우에 인장강도가 가장 크다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 0°/90°의 섬유배열각도에 대해서 정적 압축 강도 특성평가를 위한 시험편을 제작하였다.

복합재료에 대한 압축시험 중 시편에 좌굴이 발생 할 가능성이 있기 때문에 ASTM D3410,⁽¹¹⁾ ASTM

Fig. 1 Various impactors shapes ⁽⁷⁾

가하였다. Fig. 4와 같이 충격자의 직경은 10, 15.8, 20.5, 25.4 mm로써 충격자의 끝은 둥근 반구 형태를 사용하였으며, 충격자 가이드를 활용하여 정확한 위치에 충격이 가해지도록 하였다.

충격자의 높이 조절을 통해 충격 속도와 충격 에너지를 조절하였는데, 본 연구에서는 동일한

Table 1 Chemical compositions of prepreg (Wt., %) Fabric Wt.,

(g/m²)

Resin Wt.

(g/m²)

Resin Content,

(%)

Total Wt.

(g/m²)

205 148 42±2 353

(a) Unimpacted specimen

(b) Impact damaged specimen Fig. 2 Shapes of specimens

Fig. 3 Schematic diagram of impact tester

Fig. 4 Schematic diagram of impactor

2.2 압축시험 및 결과

무손상 및 충격손상을 받은 시험편에 대한 압축 시험은 시마즈(Shimadzu)사의 25 ton용량의 전기 모터식 시험기(AG-25TG)를 사용하여 상온에서 0.3 mm/min의 시험속도로 압축시험을 수행하였다. 또한 압축시험 중 시험편에 작용하는 좌굴 방지를 위해 별도의 지그를 제작하였으며, Fig. 5와 같이 시험을 수행하는 모습을 나타내었다.

무손상 시험편과 충격손상을 받은 시험편에 대해서 압축시험을 수행하였다. 압축시험 후 파괴된 시험편의 모습을 관찰을 통해 실험에 대한 유효함을 판단하였다. ASTM D3410⁽¹¹⁾에 따르면 파손 모드에 따라 시험의 성공여부를 판단하는 가이드 라인이 제시되어있는데, 본 시험 후 Fig. 6에 무손상 시험편과 충격손상을 받은 시험편의 파손 상태를 관찰한 결과 성공적으로 시험이 이루어짐을 알 수 있었다.

압축잔류강도특성을 평가하기 위해서 충격자 직경 15.8 mm를 사용하여 입사충격에너지를 변화시키면서 시험편에 충격손상을 가한 후 압축시험을 수행하였다.

입사충격에너지의 변화에 따른 시험결과를 Fig.

7에 나타내었다.

Fig. 5 Installed specimen for test

(a) Unimpacted specimen (b) Impact damaged specimens Fig. 6 Failure mode of specimen

입사충격에너지가 7.9 J, 12.9 J, 20.8 J, 27.6 J일 때, 압축잔류강도 값은 89.9 %, 84.7 %, 75.8 %, 65.1 %의 수준으로 저하되고 있음을 확인 하였다.

질량이 3 kg인 경우에 충격자의 크기의 변화에 따른 압축잔류강도특성을 평가하기 위해서 20.8 J의 일정한 충격에너지로 시험편에 충격손상을 가한 후 압축시험을 수행하였고, 시험결과를 Fig. 8에 나타내었다. 충격자의 직경이 10, 15.8, 20.5, 25.4 mm의 결과를 비교하면, 충격자의 직경이 25.8 mm일 때가 직경 10 mm보다 압축잔류강도 값이 약 19.3 %로 높게 나타남을 알 수 있었다. 또한 충격자의 직경이 커짐에 따라 압축잔류강도가 커지는 경향이 나타남을 알 수 있었다.

energy

Fig. 8 Residual strength behavior according to impactor diameter

3. 충격에너지의 변화에 따른 충격 손상 거동 및 잔류강도 저하

압축잔류시험 결과를 바탕으로 무손상 시험편에 대한 압축강도와 충격손상을 받은 시험편에 대한 잔류강도의 비를 획득 하였다.

Choi 등⁽⁹⁾의 연구에 따르면, 입사 충격에너지의 변화에 따른 충격후 인장잔류강도를 측정하여 인장강도와의 비(σR,T/σ0,T)로 나타내었는데, Caprino 모델과의 비교를 통해 실험결과와 잘 일치한다고 하였다. 또한 2.6 J이하의 충격 에너지 범위에서는 강도저하가 발생하지 않고 2.6 J 이상의 충격에너지 에서 잔류강도가 저하된다고 보고하였다.

Fig. 9는 Shim과 Yang⁽⁸⁾의 동일한 직경 12.7 mm로 시험편의 적층수를 달리 하여 충격 후 압축잔류강도 에 대한 연구 결과 및 Choi 등⁽⁹⁾의 연구 결과와 이를 이용한 Caprino모델을 바탕으로 본 연구 수행 결과

Fig. 9 Comparison for compressive residual strength

인 압축잔류강도를 압축강도(σR,C/σ0,C) 비로 각각 나타내어 비교한 결과이다.

Choi 등⁽⁹⁾의 연구에서 CFRP의 충격후 인장 잔류 강도는 Caprino모델과 잘 일치하였는데, 본 연구의 결과는 이와 상이하게 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다.

Shim과 Yang⁽⁸⁾은 충격에너지 변화에 따른 압축잔 류강도의 거동이 선형적으로 감소한다고 보고하였는 데, 본 연구결과의 결과도 Caprino의 결과와 달리 선 형적으로 감소하여 Shim과 Yang⁽⁸⁾의 결과와 유사한 경향을 갖는 것을 확인 하였다. 그러나, 본 연구의 결과가 Shim과 Yang⁽⁸⁾의 연구 결과보다는 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. Shim과 Yang⁽⁸⁾은 적층수가 증 가함에 따라 잔류강도비가 증가한다고 하였는데, 본 연구의 경우는 적층수가 16 플라이(ply)로 Shim과 Yang⁽⁸⁾의 6 ply와 12 ply보다 크기 때문에 그들의 결 과보다 큰 값을 갖는다고 판단된다.

Choi 등⁽⁹⁾와 Pinho 등⁽¹⁸⁾에 따르면 복합재료의 인장 시험시 섬유(fiber)의 풀아웃(pull out) 영향이 지배적 이라고 보고하고 있다. 하지만 Pinho등^(18), Rosen⁽¹⁹⁾와 Barbero⁽²⁰⁾는 Fig. 10과 같이 압축시험시 섬유(fiber)의 좌굴현상에 의한 매트릭스(matrix)의 변형과 계면박 리(delamination)에 의해 파괴가 일어난다고 보고하였 다. 따라서 본 연구에서 충격 후 인장과 압축잔류강 도의 충격에너지의 변화에 따른 거동이 다른 이유는 이들의 연구와 같이 파괴를 지배하는 인자가 다르 기 때문이라고 판단된다.

Fig. 10 Configuration of composite material and buckling modes^(19,20)

Fig. 11 Comparison of compression test results and results of equation (5)

Papannicolau와 Stavropoulos⁽²¹⁾는 소성변형이 없는 선형 탄성재료의 경우 굽힘강도(flexural stiffness)의 열화가 압축잔류강도와 연관이 있다는 가정하에 다음과 같은 관계를 유도하였다.

σ α

σ

E

d

o

R

∝

여기에서 d는 재료의 성질과 시험조건에 따르는

매개변수이며, α는 에너지흡수 성능계수로서

다음과 같은 관계식으로 표현된다고 하였다.

4 1 300

1 +

= x

α (3)

) 1 10 (

4 +

=

d

±45^o 플라이(Ply)의 비율로서, 본 연구에서는 x=0인 경우이다. 또한 식 (2)의 비례상수를 경험적

Fig. 12 Variation of normalized residual strength behavior⁽⁸⁾ 상수로 가정하여 본 연구에서는 식 (2)를 식 (5)와 같이 정의하였다.

σ α

σ

E d

o

R

= 0 . 11

그 결과를 Fig. 11 에 나타내었는데, 시험결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서 식 (5)에 의한 결과를 곡선접합한 결과는 식 (6)과 같은데, 이는 본 연구의 실험결과를 회귀분석에 의하여 곡선 접합한 것과 동일하다.

i

R 1 0.012E

0

− σ =

σ (6)

4. 충격자 크기의 변화에 따른 잔류강도 특성

충격자 크기의 변화에 따른 압축잔류강도 (σR,C/σ0,C) 비를 Fig. 8에 나타내었다.

충격자의 직경이 10, 15.8, 20.5, 25.4 mm인 경우 의 압축잔류강도에 대한 시험결과로부터 충격자의 직경이 25.8 mm일 때가 직경 10 mm보다 압축잔류 강도가 약 19.3 %높게 나타남을 알 수 있었다. 또 한 충격자의 직경이 커짐에 따라 압축잔류강도가 커지는 경향이 나타났다. 이 결과는 Shim과 Yang⁽⁸⁾ 의 연구결과인 Fig. 12와 같이 동일한 충격 에너지로 충격자의 직경이 다를 때, 충격자 직경 이 커질수록 강도가 커지는 경향과 비슷함을 확인 할 수 있었는데, 이러한 결과는 Mitrevski등⁽⁷⁾과 Shim과 Yang⁽⁸⁾의 충격자의 끝부분의 면적이 작을 수록 시험편에 국부적으로 손상을 가하여 잔류강

하였다.

(2) 재료의 인장과 압축에 의한 파괴 메커니즘 이 다르기 때문에 충격후 잔류강도의 충격에너지 의 변화에 따른 거동의 차이가 발생함을 확인하였 다.

(3) 일정 입사충격에너지와 일정 충격자의 질량 조건에서 충격자의 직경이 증가함에 따라 압축잔 류강도가 증가하였는데, 이는 충격자에 의한 국부 손상이 작아지기 때문이다.

(4) Papannicolau와 Stavropoulos⁽²¹⁾의 관계식으로 부터 획득한 예측결과가 실험결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

후 기

본 논문은 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.2011-0020024과 2012R1A1A2043624)

참고문헌

(1) Seo, M. K. and Park, S. J., 2010, “Manufacturing Method of Carbon Fibers and Their Application Fields,” Polymer Science and Technology, Vol. 21, No.

2, pp. 130~140.

(2) Kang, M. S., Choi, J. H., Kim, S. Y., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2010, “Evaluation of Residual Strength of Carbon/Epoxy Laminates Due to Low Velocity Impact Damage,” Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 102~108.

(3) Choi, J. H., Kang, M. S., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2012, “Evaluation of Residual Strength Under Impact Damage in Woven CFRP Composites,” Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 29, No.

6, pp. 654~663.

(4) Caprino, G., 1983, “On the Prediction of Residual

Structures, Vol. 76, No. 1-2, pp. 116~122.

(8) Shim, V. P. W. and Yang, L. M., 2005,

“Characterization of the Residual Mechanical Properties of Woven Fabric Reinforced Composites After Low-Velocity Impact,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 47, No. 4-5, pp. 647~665.

(9) Choi, J. H., Kang, M. S., Shin, I. H., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2010, “Evaluation of Residual Strength in Aircraft Composite Under Impact Damage,” Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol.

27, No. 2, pp. 94~101.

(10) Kim, S. Y.,, Park, H. S., Kang, M. S., Choi, J. H., Koo, J. M., Seok, C. S., 2009, “Evaluation of Failure Strength of Woven CFRP Composite Plate Subject to Axial Load by Tan-Cheng Failure Criterion,” Trans.

Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.33, No.4, pp. 360~365.

(11) ASTM D3410 - Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading.

(12) ASTM D695 - Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics.

(13) Reeder, J. R., 1995, “Stitching vs A Toughened Matrix; Compression Strength Effects,” Journal of Composite Materials, Vol. 29, No. 18, pp. 2464~2487.

(14) Camponeschi, E. T., Gillespie, J. W., and Wilkins, D.

J., 1993, “Kink-Band Failure Analysis of Thick Composites in Compression,” Journal of Composite Material, Vol. 27, No. 5, pp. 471~490.

(15) Haberle, J. G. and Matthews, F. L., 1993, "The Influence of Test Method on the Compressive Strength of Several Fiber-Reinforced Plastics,” Journal of Advanced Materials, Vol. 25, No. 1, pp. 35~45.

(16) Wolfe, A. R., Weiner, M., 2004, "Compression Testing- Comparison of Various Test Methods," American Composites Manufacturers Association October 6-8, Composite 2004 convention and Trade Show.

(17) ASTM D7136 - Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber

Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop Weight Impact Event

(18) Pinho, S. T., Robinson, P. and Iannucci, L., 2006,

“Fracture Toughness of the Tensile and Compressive Fibre Failure Modes in Laminated Composites,”

Composites Science and Technology, Vol. 66, No. 13, pp. 2069~2079.

(19) Rosen, B.W., 1965 “Mechanics of Composite

Strengthening,” Fiber Composite Materials. City:

American Society for Metals, pp. 37~75.

(20) Barbero, E. J., 2011, “Introduction to Composite Materials Design – 2^nd,” CRC Press, pp. 121~129.

(21) Papanicolaou, G. C. and Stavropoulos, Chr. D., 1995, “New Approach for Residual Compressive Strength Prediction of Impacted CFRP Laminates,”

Composites, Vol. 26, pp. 517~523.