CFRP/Al 하니콤 샌드위치 복합재 T-Joint 구조물의 기계적 물성에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on the Mechanical Properties of T-Joints Structure using CFRP/Al Honeycomb Sandwich Composite
조기대1, 하성록2,, 강광희2, 김지억2, 양성철2 Ki Dae Cho1, Sung Rok Ha2,, Kwang Hee Kang2, Jie Eok Kim2 and Sung Chul Yang2
1 국방과학연구소 (Agency for Defense Development) 2 LIG넥스원(주) (Mechanical Engineering R&D Lab., LIGNex1 Co. Ltd.)
Corresponding author: [email protected], Tel: 031-288-9783 Manuscript received: 2011.4.20 / Revised: 2011.9.18,10.14 / Accepted: 2011.11.12
Application of composite structures on naval ships strongly depends on the mechanical strength and collapse behavior of the T-joints of the whole structure. Because of the weight advantages over single skin composite and bolt fastening joining, three types of T-joints using both honeycomb sandwich composite and adhesive bonding were suggested to determine the effect of T-joint configuration. It was found that joining with a urethane foam block and overlaminates using the secondary co-bonding technique improves T-joint strength.
Key Words: T-Joint Structure (T형 구조물), Sandwich Composite (샌드위치 복합재), Flexural Moment (굽힘모멘트), Tensile Strength (인장강도)
1. 서론
샌드위치 복합재(sandwich composite)는 허니컴 심재(honeycomb core)의 양면에 얇은 면재(thin face- sheet) 를 접합시켜 중립축에 대한 관성모멘트를 높 게 하여 굽힘 강성을 증가시킨 복합재로서, 금속 재 구조물에 비해 무게를 50% 이상 줄일 수 있고, 하중 환경에 따라 심재 및 면재를 적절히 조합하 여 파괴저항성 및 피로특성을 상당히 향상시킬 수 있다.
1-4또한 탄소섬유 강화 복합재(carbon fiber reinforced plastics, CFRP) 는 해수에 의한 내부식성이 금속에 비해 우수해 최근 석유 시추관, 심층수 취 수관, 함정용 레이더와 같은 해양산업용 소재로 각광받고 있다.
5,6그러나 샌드위치 복합재의 이와 같은 우수한 특성에도 불구하고 해양산업용 구조
재로 제한을 받고 있는 이유는 작업자의 숙련도에 따라 품질변화가 크고, 주변 환경에 의한 물성변 화 예측이 어려우며, 구조물 간 결합이 용이하지 않기 때문이다. 특히 샌드위치 복합재 구조물에 있어, T 자 형상의 접합 부위(T-Joint)는 샌드위치 복합재를 구조물로 적용하는데 가장 어려운 문제 로 대두되고 있다.
샌드위치 복합재 T-Joint 의 제작은 일반적으로
접착제를 이용한 방법이 널리 활용되고 있는데,
그 이유는 나사 등의 기계적 체결법과 비교하여
체결을 위한 구멍가공이 필요 없고, 구조물의 무
게를 거의 증가시키지 않으며, 넓은 면적에 하중
을 분포시킬 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있기
때문이다. 그러나 접착제를 이용하여 제작된 T-
Joint 는 외력에 의한 기계적 거동 예측이 용이하지
Horizontal member
Width 38.0 mm
Thickness 29.4 mm CFRP @ one side 10 ply (2mm)
않기 때문에 이에 관한 연구가 일부 연구자들에 의해 이루어지고 있다.
7-12예를 들어, Gielen 등
7은 GRP/PVC-Foam 샌드위치 복합재를 이용하여 제작 된 T-Joint 에 인장, 전단 및 굽힘 하중에 의한 파 괴 거동 변화에 대하여 발표하였으며, Li 등
8은 유 리섬유 강화 샌드위치 복합재로 제작된 T-Joint 의 파괴특성 모델을 연구하였다. 또한 Kesavan 등
9은 유리섬유강화 복합재로 제작된 T-Joint 의 접착부위 에 초기 균열을 삽입한 후 인장하중에 의한 균열 진전 및 응력분포에 대하여 연구하였다. 한편 해 양 구조물용 소재로서 샌드위치 복합재의 사용을 증대시키기 위해서는 T-Joint 형상에 따른 기계적 특성 변화에 대한 연구가 필요하지만 이에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 샌드위치 복합재로 제작 된 구조물에 대하여 T-Joint 형상 변화가 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이를 위해 샌드위치 복합재는 CFRP 와 알루미늄 하니콤 코어를 이용하여 제작되었으며, T-Joint 시편의 형 상을 3 가지로 변화시켜 인장 및 굽힘시험을 수행 함으로써, 샌드위치 복합재 구조물에 있어 T-Joint 형상에 따른 기계적 거동을 검토하였다.
2. 시편제작 및 실험방법 2.1 샌드위치 복합재 제작
본 연구에 사용된 샌드위치 복합재의 면재는 항 공기용 복합 소재로 검증된 T-300 계열 탄소섬 유를 사용한 ㈜한국화이바의 탄소섬유/에폭시 직 조형태 프리프레그 HPW193/RS122 이다. 샌드위치
Fig. 1 T-Joint specimens: (a) Schematic diagram, (b) Type 1, (c) Type 2, (d) Type 3
코어는 알루미늄 재질인 ALCORE 사의 PAA- CORETM 5056 8.1-1/8-.0020 를 사용하였다. 또한 접 착제는 상온에서 경화가 가능하고, 고온에서도 전 단강도가 우수한 Henkel 사의 Hysol® EA9392 를 사 용하였다.
실제 구조물에서 발생할 수 있는 하중, 즉 면 재 방향으로 인장/압축/전단 하중, 코어의 수직방 향으로 좌굴 하중 등에 대하여 설계 필요 강도를 견딜 수 있도록 적층각도, 면재 및 코어의 두께를 결정하였다. 설계가 확정된 샌드위치 복합재는 면 재 플라이 수 및 코어의 두께에 해당하는 탄소섬 유/에폭시 프리프레그와 알루미늄 하니콤 코어를 적층한 후 오토클레이브 내에서 열 및 압력을 가 는 방법으로 제조되었다. 이 때, 샌드위치 복합재 는 수직용(Vertical member)과 수평용(Horizontal member) 으로 분류하였으며, 자세한 사항은 Table 1 에 표시 하였다.
2.2 T-Joint 시편 제작
본 연구에 사용된 세 가지 종류의 T-Joint 시편
을 Fig. 1 에 표시하였다. T-Joint 시편은 수직용과
수평용 샌드위치 복합재를 T 자 형태로 접합하여
기본적인 T-Joint 시편을 제작하고(Fig. 1(a)), 접합부
양측에 구조보강용 블록을 추가로 접합하는 방식
으로 제작하였다. 이 때, 블록의 종류에 따라 T-
Joint 시편의 형상을 3 가지(Type 1, Type 2, Type 3)
로 구분하였다. 여기서, Type 1 (Fig. 1(b))은 T-Joint
구조물에서 적용하고 있는 가장 일반적인 형태로
제작하였는데, 구체적으로 탄소섬유/에폭시 프리프
레그 10 ply 를 0°단일방향/L 자 형상으로 적층하
Fig. 2 T-Joint specimen in (a) tensile test and (b) bending test setup on a testing machine
여 블록을 제작하였다. Type 2 (Fig. 1(c))는 T-Joint 구조물의 급격한 형상변화 부위에서 발생할 수 있는 응력집중현상을 완화시킬 수 있도록 블록을 형상을 설계하였는데, 일반적으로 급격한 형상변 화를 가진 코너부는 삼각형 형태로 제작하여 응 력집중을 완화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 Type 2 에 사용되는 블록은 탄소섬유/에폭 시 프리프레그 5 ply 를 0°단일방향/삼각형상으로 적층한 후 내부에 우레탄 폼을 주입하는 방식으 로 삼각형 블록을 제작하였다. 또한, Type 3 (Fig.
1(c)) 은 Type 2 시편의 접합부에 추가로 탄소섬유/
에폭시 프리프레그 5 ply 를 0°단일 방향으로 적 층한 후 오토클레이브에서 샌드위치 복합재와 동 일한 경화조건으로 2 차 성형(Co-bonding)하여 제 작하였다. 본 연구에서 Type 에 따른 시편의 수량 은 각각 5 개 이상 적용하였으며, 각각의 블록 크 기는 동일한 접착면적을 위해 동일한 크기로 제 작하였다.
2.3 인장 및 굽힘 시험
우선 인장 및 굽힘 시험을 위하여 시험 치구 는 시편을 Moment free/Pin support 상태로 고정할 수 있도록 제작하였다. 인장 시험은 제작된 시험 치구에 T-Joint 시편을 고정한 후 만능 시험기 (INSTRON 5882) 를 사용하여 Cross head 의 이송속 도를 2 mm/min 의 정속도 제어 방식으로 적용하 여 인장 하중을 가하였다. 굽힘 시험은 제작된 시험 치구에 T-Joint 시편을 고정한 후 시편의 수 직면에 Cross head 의 이송속도를 2 mm/min 의 정 속도 제어방식으로 굽힘 하중을 가하였다. Fig. 2 는 본 연구에서 수행한 인장 및 굽힘시험을 나타 낸 것이다.
Fig. 3 Typical load-displacement curves on three types of the T-Joint specimens
3. 결과 및 검토
일반적으로 샌드위치 복합재는 비강성 및 비강 도가 우수하기 때문에 샌드위치 복합재 구조물에 서 외력에 의한 초기 파손은 다른 부위와 비교하 여 기계적 강도가 상대적으로 취약한 T-Joint 에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 샌 드위치 복합재 구조물에 하중이 가해질 경우 T- Joint 형상 변화에 따른 기계적 특성 변화를 규명 하였다. 본 논문에서 제시한 Type 1 은 일반적으로 알려진 T-Joint 형상으로 응력집중에 의해 파손이 쉽게 일어날 수 있는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Type 2 의 형상과 같이 응력집중을 분산시킬 수 있는 형상으로 설계하였다. 또한 Type 1 과 Type 2 는 블록 끝단에 응력집중으로 인 한 접착부 파손(debonding)이 발생하기 때문에 이 를 해결하기 위하여 Type 3 과 같이 추가로 CFRP 를 적층하여 블록 끝단의 접착부 파손을 억제하 였다. Fig. 3 은 T-Joint 형상이 인장 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 세 가지 형태의 T-Joint 에 대한 하중-변위 곡선을 측정한 결과이다. Fig. 3 에 나타나 있듯이 인장하중에 의한 파괴거동은 T- Joint 형상에 상관없이 거의 선형적임을 알 수 있 다. 이로부터 샌드위치 복합재 구조물의 T-Joint 는 파손이 발생하기 전까지 외부하중에 대하여 탄성거동을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 T-Joint 의 인장강도는 형상변화에 의해 영향을 받음을 알 수 있다.
샌드위치 복합재 T-Joint 형상이 인장특성에 미
치는 영향을 이해하기 위해 T-Joint 형상에 따른
인장강도 변화를 측정하였다. 샌드위치 복합재와
Fig. 4 The change of tensile strength with variations of shape of T-Joint
같이 접착제를 이용한 접합 구조물의 경우 최대 하중을 인장 강도로 취하는 것이 일반적이다. 따 라서 인장 강도는 하중-변위 선도에서 하중이 증 가하다가 감소하기 시작하는 점의 하중, 즉 최대 하중 값을 T-Joint 접합부의 폭(w)으로 나눠서 결정 하였다. Fig. 4 는 샌드위치 복합재 T-Joint 의 형상이 변화됨에 따라 인장 강도 값의 변화를 나타낸 것 이다. Fig. 4 에 나타나 있듯이 T-Joint 형상이 Type 1 에서 Type 3 으로 변화함에 따라 인장 강도 값이 증가됨을 알 수 있다. 특히, T-Joint 의 형상이 Type 2 인 경우 Type 1 과 비교하여 인장 강도 값이 크 게 증가한 것을 알 수 있다. 구체적으로 Type 1, Type 2 및 Type 3 의 인장강도는 각각 362.0 N/mm, 468.64 N/mm 및 491.75 N/mm 로 Type 2 와 Type 3 의 인장강도는 Type 1 에 비해 각각 29.4%와 35.8% 증 가 하였음을 알 수 있다.
샌드위치 복합재 구조물에 충격, 풍압 및 진동 과 같은 외력이 가해지면 T-Joint 에는 인장, 전단 및 굽힘 하중과 같은 복합하중이 발생한다. 특히, T-Joint 는 외팔보(cantilever) 구조를 가지고 있어 굽힘 하중이 T-Joint 에 가해지면, T-Joint 끝 단, 즉 접 착부에 응력이 집중되어 접착부 파손이 야기 된다.
따라서 T-Joint 에 있어 접착부 형상은 T-Joint 구조물의 굽힘 특성에 중요한 요인으로 작용하기 때문에 T-Joint 형상에 따른 굽힘 특성 변화에 관한 연구는 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 T-Joint 형상이 굽힘 특성에 미치는 영향을 알아보 기 위해, 3 가지 형상을 갖는 T-Joint 를 이용하여 굽힘시험을 수행하여 굽힘 모멘트 변화를 측정하 였다.
Fig. 5 The change of flexural moment with variations of shape of T-Joint
Fig. 5 는 T-Joint 형상변화에 따른 굽힘 모멘트 변화를 나타낸 것으로, 본 연구에서 굽힘 모멘트 는 식 (1)을 적용하여 결정하였다.
(1)
윗 식에서 “M”은 굽힘 모멘트를, “P”는 하중-변 위 선도에서 하중이 증가하다가 감소는 하중, 즉 최대하중을 나타낸다. 또한, “l”은 T-Joint 의 수평면 과 하중점 사이의 거리를, “w”는 시편의 너비 [38 mm] 를 나타낸다. Fig. 5 에 명확히 나타나 있듯이 T-Joint 의 굽힘 모멘트는 T-Joint 형상이 Type 1 에 서 Type 2, 3 으로 변화함에 따라 향상되었다. 구체 적으로 Type 1, Type 2 및 Type 3 의 굽힘 모멘트는 각각 9707.9 N·mm/mm, 17404.2 N·mm/mm 및 23160.7 N·mm/mm 로써, T-Joint 형상이 Type 1 에서 Type 2 와 Type 3 으로 변화함에 따라 굽힘 모멘트 는 각각 79.2%와 138.5% 이상 증가하였다.
샌드위치 복합재를 이용한 T-Joint 에 있어 형상 이 변화함에 따라 인장 및 굽힘 특성이 변화하는 이유를 규명하기 위해 인장 및 굽힘 하중에 의해 파손된 3 가지 종류의 T-Joint 시편을 분석하였다.
Fig. 6 은 인장시험에 의해 파손된 T-Joint 시편을 나타낸 것이다. Fig. 6 를 살펴보면 Type 1 은 샌드위 치 복합재 수평부에서 접착부 파손(debonding)이 발생하였다. 그리고 Type 2 의 경우 Type 1 과 마찬 가지로 샌드위치 복합재와 블록 사이 접착부 경계 면을 따라 접착부 파손이 발생하였으며, 추가적으 로 블록 내부 우레탄 폼에서 균열이 진전하였다.
그러나, Type 3 의 경우 접착부 경계면이 아닌 블록
w
M = Pl
Fig. 6 Photographs of the fracture state at T-Joint under tensile loading
을 구성하는 탄소섬유강화복합재에서 층간분리 (delamination) 에 의한 파손이 발생하였다. 이와 같 이 T-Joint 의 형상에 따라 파손 형태가 차이를 보 이는 이유는 다음과 같이 판단된다. T-Joint 에 인장 하중이 가해지면 샌드위치 복합재 수직면과 블록 사이 접착면에서는 전단응력이 발생하고, 샌드위 치 복합재 수평면과 블록 사이 접착면에서는 인장 응력이 발행하기 때문에 이러한 하중으로 인하여 T-Joint 접착부에서는 균열이 발생하여 파손된다.
Type 1 의 경우 수평부 접착면에서 파단이 발생하 였는데 이로부터 T-Joint 접착부위는 인장하중에 대하여 전단응력보다 인장응력에 취약한 것을 알 수 있다. 또한 Type 2 의 경우 삼격형 블록이 접착 부에서 하중을 분산시켜 응력집중현상을 완화하기 때문에 인장하중이 Type 1 에 비해 증가하였지만 Type 1 과 동일한 파손형태를 나타낸 것이다. 그러 나 Type 3 의 경우 추가 보강된 CFRP 가 접착부 경 계면에서 발생하는 초기 균열을 억제하여 블록의 층간 접합 임계까지 지지하게 된다. 따라서 초기 균열이 접착부 경계면이 아닌 블록의 층간에서 발 생(delamination)하여 인장특성이 향상되는 것으로 판단된다.
Fig. 7 은 굽힘 시험에 의해 파손된 T-Joint 시편 의 파단부를 나타낸 것으로써, Fig. 7 을 살펴보면 T-Joint 의 형상에 따라 파괴 거동이 명확한 차이를 보였다. Type 1 의 경우 샌드위치 복합재와 블록 사 이 접착면과 샌드위치 복합재 접착면 두 곳 모두 에서 파손이 발생하였고, Type 2 의 경우 샌드위치 복합재와 블록 사이 접착면에서만 파손이 발생하
Fig. 7 Photographs of the fracture state at T-Joint under flexural loading
였다. 그러나, Type 3 의 경우 Type 1, 2 와 같이 접착 면에서 파손이 발생하지 않고 블록을 구성하는 CFRP 의 층간에서 파손이 발생하였다. 이와 같은 파단형태는 동일한 Type 의 시편에서 유사하게 발 생하였다. 이와 같이 T-Joint 의 형상에 따라 굽힘 하중에 의한 파괴거동이 변화하는 이유는 다음과 같이 판단된다. Type 1 에 사용된 블록은 CFRP 로 제작되어 매우 큰 강성을 가진 반면 접착제의 강 성은 이와 비교하였을 때 매우 작기 때문에 강성 차이가 큰 경계면에서 쉽게 파손이 발생한 것이다.
그러나 Type 2 에 사용된 우레탄 폼이 댐퍼 역할을 하여 하중에 의한 변형에너지를 흡수하고 블록의 연성을 증가시켜 접착제와 블록사이 강성 차이에 의한 파손을 억제하였다. 또한 형상적인 측면에서 Type 2 에 사용된 블록은 접착부에서의 하중을 분 산시켜 응력집중현상을 완화시켜 접착면에서의 초 기 균열 발생을 제한하였을 뿐만 아니라, 접착부, 즉 지지점의 단면 2 차 모멘트를 Type 1 에 비해 크게 증가시켰기 때문에 Type 2 의 굽힘 특성이 Type 1 보다 향상된 것이다. 그리고 Type 3 의 경우 추가 보강된 CFRP 가 블록 끝 단의 계면분리를 억 제하였기 때문에 파손이 샌드위치 복합재와 블록 사이 접착부가 아닌 블록의 층간에서 발생하여 굽 힘하중이 증가한 것으로 판단된다.
4. 결론
탄소섬유강화 복합재와 알루미늄 하니콤 코어
를 이용하여 제작한 샌드위치 복합재 구조물에 있
트는 각각 79.2% 및 138.5% 이상 증가하였다.
T-Joint 에 있어 블록을 CFRP 와 우레탄 폼을 이용하여 제작함에 따라 인장강도 및 굽힘 모멘트 가 증가하는 이유는 우레탄 폼이 댐퍼 역할을 하 여 하중에 의한 변형에너지를 흡수하고 블록의 연 성을 증가시켜 접착제와 블록 사이 강성 차이에 의한 파손을 억제하였을 뿐만 아니라 접착부에서 의 응력집중현상 완화 및 단면 2 차 모멘트를 증 가시켰다. 게다가, T-Joint 접착부를 추가적으로 CFRP 로 보강함에 따라 블록 끝 단에서 발생한 응 력 집중에 의한 초기균열이 억제되는 현상에 기인 하는 것으로 사료된다.
참고문헌
