곡률과 적층배향이 다른 CFRP 적층쉘의 내충격특성

곡률과 적층배향이 다른 CFRP 적층쉘의 내충격특성

조 영 재^*, 양 용 준^†

*코오롱데크컴퍼지트, 기술연구소

†동강대학교, 소방안전과

The Resistant Impact Characteristics of CFRP Laminated Shells different to Curvatures and Stacking Orientation

Young-Jea Cho

, Yong-Jun Yang

*Institute of Technology, DACC Composite, Gyeongnam, Korea

†Department of Fire and Safety, Dongkang College, Gwangju, Korea (Received : Apr. 26, 2019, Revised : May. 15, 2019, Accepted : Jun. 19, 2019)

Abstract : CFRP composite is widely used in various industries because it has excellent mechanical properties under static load conditions. In particular, the CFRP composite is widely used in the aerospace field due to its superior wear resistance and heat resistance.

However, under the impact load, temperature and moisture conditions, there is a lot of decrease in strength.

In this study, impact experiment were conducted using high-speed impact testing device to examine fracture and dissection of fiber and matrix generated inside the CFRP composite according to the layered composition.

In order to establish the conditions of the various specimens, a specimen with the stacking conditions of orthotropic ([0°3/90°3]s) and isotropic ([+45°3/-45°3]s) was constructed.

It was found that the orthogonal divergence test specimen was more than twice as likely to increase the critical tube energy than the isotropic test specimen.

Keyword : CFRP Shell, Curvature Radius, Resistant Impact Characteristics, Orthotropic, Isotropic

1. 서 론

1)

금속재에 비해 높은 비강도와 비강성을 갖으며 내열 성 및 내식성이 우수한 CFRP 복합재료는 우주항공분 야, 자동차, 선박 등에 널리 사용되어 왔으며 스포츠 산업과 의학분야 등에도 널리 사용되고 있다. 그러나 복합재료는 외부 물체의 충격에 의해 역학적 특성이 급격히 저하되는 단점이 있어 이에 대하여 많은 연구 들이 수행되고 있다.

특히, 고속으로 이동하는 비행체와 수송기계 등에 대해 물체가 충돌하게 되면 복합재 내부에 큰 충격이

†Corresponding Author 성 명 : 양 용 준

소 속 : 동강대학교 소방안전과

주 소 : 광주 북구 동문대로 50 동강대학교 전 화 : 062-520-2521

E-mail : [email protected]

발생하며 이로 인해 섬유 및 기지들의 파단이 발생하 게 됨으로써 복합재 사용에 신뢰성 저하가 발생하게 된다.CFRP 복합재는 충격하중 발생에 따라 충격손상과 파손, 섬유와 기지의 파단 및 흡수에너지 저하 등이 발생함으로써 이물충격에 의해 매우 취약한 특성을 갖 는다[1, 2].

또한 섬유강화 복합재의 특성상 층을 이루고 있는 부분의 강도가 현저히 낮게 나타나며 충격손상에 의해 부재 내부에 압축하중이 작용함으로써 층간의 분리와 국소적인 좌굴현상이 발생함으로써 층간의 박리는 더 욱 확산되며 이로 인해 종국에는 파괴에 이르게 된다 [3, 4].

따라서 CFRP 적층복합재의 구조를 갖는 구조부재 를 설계데이터로 활용함에 있어 두께 방향인 횡방향의 충격하중에 취약하다는 점을 기존의 금속재료와는 다 른 설계변수로 고려하여야 한다.

CFRP 적층 구조부재에 횡방향 충격 및 관통실험을 행한 후 충격에너지의 크기와 박리손상 면적과의 관

계, 임계박리에너지, 굽힘강도 및 피로강도 저하 등 의 관계를 실험적으로 고찰한 연구결과 들은 많이 있 다. Cantwell [5]등은 FML 샌드위치 구조부재에 고속 충격을 가하여 각 시험편의 관통에너지 및 관통 패턴에 대하여 고찰하였고, Symons [6]는 CFRP 적 층판의 고속관통 및 저속 충격과 준 정적실험을 행하 였으며, 손상결과를 C-Scan, 광학현미경 과 X-Ray 촬영을 통해 CFRP 적층판의 관통특성 및 에너지 흡 수 능력을 비교, 고찰하였다. Yasuhiro [7]등은 물성 치가 다른 프리프레그로 일정한 크기와 두께를 갖는 CFRP 적층판을 제작한 후 고속 관통실험을 통해 관 통특성 및 흡수에너지에 대해 연구 하였다.

그러나 지금까지의 연구는 CFRP 평판 또는 직선 단면 빔 구조물에 관한 것이 대부분으로써 [8, 9] 실 제로 다양한 곡률로 설계되어 사용되어지고 있는 환경 하에서 CFRP복합재 쉘 구조에 관한 충격거동과 충격 손상에 관한 연구는 찾기 힘들며, 저속 충격실험 후 손상규명 및 거동해석에 관한 실험 대부분 이었다.

곡률이 있는 CFRP 복합재 적층쉘의 횡방향에 관한 논문을 살펴보면 Caprino G [10]등은 다양한 적층조 건을 갖는 CFRP 복합쉘에 대해 충격실험을 수행함으 로써 Indentation 값을 실험 결과값과 이론상의 값을 비교, 고찰하였다.

그러나 대부분의 연구 결과 들은 충격하중이 작용할 경우의 CFRP 적층쉘의 손상거동 해석이 대부분으로, 곡률변화에 따른 관통특성을 연구한 결과들로서 곡률 이 서로 다르고 동시에 직교이방성 및 의사등방성 적 층쉘의 적층배향에 따른 CFRP적층쉘의 내충격특성을 비교한 연구결과 들은 별로없다.

따라서 본 연구에서는 곡률이 서로 다르고 동시에 직교이방성 및 의사등방성 적층쉘의 적층배향이 서로 다른 CFRP적층쉘이 고속충격을 받을 때의 관통시 흡 수하는 흡수에너지, 곡률과 적층배향의 차에 따른 임 계관통에너지, 관통후의 파괴모드 등 내충격특성을 실 험적으로 고찰하여 CFRP쉘의 내충격설계시 주요한 데이터를 얻고자한다. 연구방법으로는 항공기 날개에 사용되는 1OOmm, 150mm 및 20Omm의 곡률반경 조건을 설정하고 CFRP 적층쉘을 적층배향이 직교이 방성 적층구조인 [0°3/90°3]s 과 의사등방성 적층구조 인[+45°3/-45°3]s 로 적층한 후 오토클레이브를 이용 하여 성형하고 공기압 충격시험기를 이용하여 관통실 험을 행한 후, 곡률변화와 적층배향이 내충격특성에 어떠한 영향을 미치는지에 관하여 고찰하였다.

2. 실험방법 2.1 시험편

본 연구에서는 이방성 재료인 CFRP 적층재의 적층 배향과 곡률이 다른 CFRP 쉘의 내충격특성을 실험적 으로 고찰하고자 직교이방성 CFRP 적층쉘과 의사등 방성 CFRP 적층쉘을 제작하여 횡방향 고속 충격실험 을 수행하였다 [11].

본 연구에 사용된 시험편은 ㈜한국 화이버의 일방향

프리프레그 시트 (prepreg sheet: CU I25NS)를 직 교이방성 적층구조인 [0°3/90°3]s 과 의사등방성 적층 구조인 [+45°3/-45°3]s 로 적층한 후 오토클레이브를 이용한 열성형 과정을 통하여 제작하였다.

CFRP 쉘 시힘편은 직교이방성 시험편이나 의사등 방성 시험편 모두 12 플라이로서 계면수 2계면인 CFRP 적층쉘이다. CFRP 적층쉘 부재가 항공기 날 개 등의 구조부재로 사용될 것을 가정하여 다양한 곡 률을 갖는 CFRP 쉘을 시험편으로 제작하였고 항공 기 날개에 일반 적으로 사용되는 곡률반경인 100mm, 150mm 및 200mm의 CFRP 적층쉘을 제작하였다.

시험편의 규약은 곡률반경이 200mm 일 때를 R200, 곡률반경이 150mm 일 때를 R150, 곡률반경이 100mm 일 때를 R100 으로 하였다.

Fig. 1 에 본 연구에서 적층 성형한 CFRP 쉘 시 험편의 적층구성을 나타냈으며, 직교 이방성 적층쉘의 경우 축방향 을 0°, 원주방향을 90°로 하여 적층구성 되었으며 성형 완료된 CFRP 적층쉘 시험편은 자동 정밀 절단기를 이용하여 100×140mm 크기를 갖도록 절단하여 제작되었다.

(a) [0°₃/90°₃]_s (b) [+45°₃/-45°₃]_s Fig. 1 Schematic of a stacking sequence 2.2 실험방법

충격실험에 사용된 실험장치는 에어콤퓨레셔, 에 어건의 압력 조절 게이지, 시험편의 관통점을 조준하 는 레이저 빔, 강구의 속도 측정을 위한 Ballistic Screen Sensor 및 오실로스코프, 시험편 고정 지그 로 구성 되어있다 [11]. Fig. 2에 충격시험장치의 개략도를 나타낸다. 에어콤퓨레셔의 압축공기를 게이 지를 통해 그 압력을 조절하고 시험편의 중심에 직경 10mm 의 강구를 수직으로 발사 시켜 충격전의 강구 의 운동에너지와 CFRP 적층쉘을 관통한 후의 강구의 운동에너지를 측정하여 CFRP 적층쉘의 내충격특성을 고찰하였다.

Fig. 2 High-speed impact testing device

강구의 속도는 첫 번째 Ballistic Screen Sensor 에 의해 시험편을 관통하기 전의 속도를 측정하였으며 시험편을 관통한 후 두 번째 Sensor에 의해 관통 후 의 속도를 측정하여 관통 전/후의 운동에너지를 산출 하였으며, 관통 전/후 운동에너지를 비교하여 임계관 통에너지(critical penetration energy)를 구했다.

디지털카메라를 이용하여 실험 후 관통된 시험편 내부 에 나타난 섬유파단, 층간크랙 및 층내크랙 등을 비교 함으로써 섬유배향 각도에 따른 시험편 적층구성과 곡 률의 변화가 갖는 영향을 고찰하였다.

곡률이 있는 CFRP 복합재의 실험에 있어 동일한 경계조건을 설정하는 것이 매우 중요하기 때문에 200mm, 150mm 및 100mm 의 곡률반경을 갖는 곡면 지그를 제작하였다. 또한 시험편이 관통됨으로 써 발생하는 미끄러짐과 진동으로 인한 에너지 손실 을 제거하고자 시험편과 지그 사이에 고무패드를 부 착하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 내충격 특성

곡률과 적층배향이 서로 다른 직교이방성 및 의사등 방성 CFRP 적층쉘이 고속충격을 받을 때의 관통시 흡수하는 흡수에너지, 곡률과 적층배향의 차에 따른 임계관통에너지, 관통후의 파괴모드등 파괴 특성을 실 험적으로 고찰하였다. CFRP 쉘의 관통실험은 에어 콤퓨레셔의 압축된 공기를 게이지을 통해 압력을 조절 하고 시험편의 중심에 직경 10mm 의 강구를 수직으 로 발사 시켜 충격전의 강구의 운동에너지 E1[J] 와 CFRP 적층쉘을 관통한 후의 강구의 운동에너지 E2[J]를 측정하여 CFRP 쉘의 내 충격특성을 고찰하 였다 [11].

Fig. 3 에 곡률이 서로 다르고 적층쉘의 적층배향 이 서로 다른 CFRP 적층 쉘의 내충격 특성을 고찰하 기 위하여 충돌전 강구의 운동에너지 E1[J]과 관통후 강구의 운동에너지 E2[J]를 나타냈다. 적층구성과 곡 률이 서로 다른 CFRP 적층쉘에 대한 실험결과를 최 소자승법으로 계산하여 각각의 조건하에서 CFRP 적 층쉘이 관통파괴를 일으키지 않을 임계관통 에너지를 구하였다Fig. 3에서 ○표는 R200 인 CFRP 적층쉘의 임계 관통에너지를, △, □ 표는 각각 R150, R100 인 CFRP 쉘의 임계 관통 에너지의 크기를 나타냈으며,

○△□ 표시는 적층배향이 [0°3/90°3]s 인 직교이방성 적층구조인 CFRP 적층쉘을, ●▲■ 표시는 적층배향 이 [+45°3/-45°3]s 인 의사등방성 CFRP 적층쉘을 나타낸다.

적층배향이 [0°3/90°3]s 인 직교이방성 적층구조인 CFRP 적층쉘인 경우 R200,R150, R100 인 CFRP 쉘의 임계 관통에너지는 각각 10.31[J], 10.32[J], 11.98[J]였고, 적층배향이 [+45°3/-45°3]s 인 의사 등방성 CFRP 적층쉘인 경우 R200, R150, R100

인 CFRP 쉘의 임계 관통에너지는 각각 5.77[J], 7.35[J], 7.97[J]였다.

Fig. 3 에서와 같이 직교이방성 CFRP 적층쉘이나 이사등방성 CFRP 적층쉘 모두 곡률반경이 클수록 임 계관통에너지가 증가하는 경향을 보였다. 특히, 직교 이방성 CFRP 적층쉘의 임계관통에너지가 의등방성 CFRP 적층쉘의 임계관통에너지보다 상당히 크게 나 타났는데, 이는 의등방성 CFRP 적층쉘이 직교이방성 CFRP 적층쉘 보다 쉽게 관통된다는 의미이다.

Fig.3 에서 의사등방성 적층재의 경우 R200, R150인 경우는 기울기의 크기가 유사하나 R100인 경우는 기울기 약간 작게 나타났다. 이와 같은 이유는 곡률이 큰 시험편의 경우가 곡률이 작은 시험편 보다 CFRP 쉘의 관통시험시 정확히 수직으로 충격력을 작 용 시키기가 어렵기 때문이라 생각된다.

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5 10 15 20

Kinetic energy after penetration E2[J]

Kinetic energy before penetration E₁[J]

R200 R150 R100

White: orthotropic[0^o₃/90^o₃]_s Black: quasi-isotropic[+45^o

3/-45^o

3]

s

Fig. 3 Prediction of critical penetration energy for CFRP shell specimen with various curvature Fig. 4 에 곡률이 서로 다르고 적층배향이 서로 다 른 CFRP 적층쉘의 임계 관통에너지의 크기 나타냈 다. 종축에 CFRP 적층쉘의 곡률을, 횡축에 Fig. 3 에서 구한 임계관통 에너지를 나타냈다. Fig. 4 중

○ 표시는 적층배향이 [0°3/90°3]s 인 직교이방성 적 층구조인 CFRP 적층쉘을, △ 표시는 적층배향이 [+45°3/-45°3]s인 의사등방성 CFRP 적층쉘을 나타 냈다. 임계 관통에너지란 CFRP 적층 쉘을 관통한 후 강구의 운동 에너지가 0인 경우를 로 정의 했다.

Fig. 4에서와 같이 직교이방성 CFRP 적층쉘이나 이사등방성 CFRP 적층쉘 모두 곡률이 증가함에 따라 임계관통에너지는 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 직교이방성 CFRP 적층쉘의 임계관통에너지가 의사등 방성 CFRP 적층쉘의 임계 관통에너지보다 상당히 크 게 나타났다.

또한 충격실험 결과로 부터 평판의 임계 관통에너 지를 산출해 보면 직교이방성 적층구조인 CFRP 적 층쉘의 경우가 8.3[J], 의사등방성 CFRP 적층쉘의 경우가 4.1[J]로서 직교이방성 적층쉘이 의사등방성 적층쉘보다 대략 2배이상 임계관통에너지가 큼을 알 수 있다.

0.0000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 5

10 15 20

Curvature[m^-1] Critical penetration energy E Crit[J]

Orthotropic[0^o₃/90^o₃]_s Quasi-isotropic[+45^o₃/-45^o₃]_s

Fig. 4 Critical penetration energy according to curvature

Fig. 5에 곡률의 변화에 따른 직교이방성 CFRP 적층쉘과 의사등방성 CFRP 적층쉘이 고속충격에 의 해서 관통될 때의 CFRP 적층쉘에 생기는 흡수 에너 지의 크기를 나타낸 것으로 종축에 곡률을, 횡축에 CFRP 쉘이 흡수한 흡수에너지 Ea[J]를 나타냈다.

관통 전/후의 강구의 운동에너지의 차를 흡수에너지라 정의하였다.

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

0 5 10 15 20 25 30

Curvature[m^-1] Absoption energy Ea[J]

Orthotropic[0^o₃/90^o₃]_s Quasi-isotropic[+45^o₃/-45^o₃]_s

Fig. 5 Relationship between absorption energy and curvature of CFRP shell specimen

Fig. 5에서 ○ 표시는 적층배향이 [0°3/90°3]s 인 직교이방성 적층구조인 CFRP 적층쉘의 곡률 변화에 따른 흡수에너지를 나타내며, △ 표시는 적층배향이 [+45°3/-45°3]s 인 의사등방성 CFRP 적층쉘의 곡률 변화에 따른 흡수에너지를 나타냈다. Fig. 5에서와 같 이 곡률이 커질수록 흡수에너지는 선형적으로 증가하 는 경향을 나타냈는데 직교이방성 적층쉘은 곡률의 크 기가 증가함에 따라 약 4.2° 의 기울기로, 의사등방성 적층쉘은 약 7° 의 기울기로 증가하였다.

또한, 임계 관통에너지 와는 반대로 의사등방성 적 층쉘이 직교이방성 적층쉘 보다 더 많은 에너지를 흡 수하였다. 이와 같은 이유는 충격손상이 작을 경우는 직교이방성 적층재가 의사등방성 적층재보다 손상 후 의 잔류강도가 크나, 충격손상이 큰 경우는 반대로 충 격손상 후의 잔류강도가 의사등방성 적층재보다 낮다 는 기존의 연구 [11] 결과와 같은 경향을 보였다.

즉, 고속충격에 대한 관통파괴의 경우 의사등방성 적층재가 직교이방성 적층재보다 에너지를 많이 흡수 하기 때문이라 생각된다.

3.2 관통 파괴모드

곡률반경이 150mm인 직교이방성 및 의사등방성 CFRP 적층쉘이 횡방향 고속충격을 받아 관통된 단면 사진을 Fig.6에 나타냈다. 관통파괴된 단면의 사진은 관통된 CFRP 적층쉘 시험편의 파괴점을 기준으로 하 여 원주방향을 따라 다이아몬드 커터기로 절단한 후 디지털 카메라로 촬영하였다 [11].

Fig. 6(a)는 [0°3/90°3]s 로 적층된 직교이방성 CFRP 적층쉘의 관통파괴 된 절단면 사진이며, Fig.

6(b)는 [+45°3/-45°3]s 로 적층된 의사 등방성 CFRP 쉘의 관통파괴 된 절단면 사진을 나타냈다.

Fig. 6(a)/(b)로 부터 모든 CFRP 적층쉘의 파괴 패턴은 축방향인 O° 층과 원주방향인 9O° 층 계면에 서 발생하는 층간크랙(직교이방성 적층재의 경우), +45° 층과 –45° 층 계면에서 발생하는 층간크랙(의 사등방성 적층재의 경우), 90° 층과 –45° 층에서 발 생하는 층내크랙, 섬유의 파단, 계면과 계면간을 잇는 모재 크랙등이 혼합되어 파괴 되었으며, 직교이방성 적층쉘의 경우는 충격하중이 작용할 때 충격점에서 가 까운 계면A에 생긴 계면분리가 확장되면서 파괴되었 으나, 의사등방성 적층쉘은 직교이방성 적층쉘과은 달 리 충격하중이 작용할 때 충격점에서 멀리 떨어진 계 면B에 생긴 계면분리가 확장되면서 파괴되었다.

(a) Orthotropic [0°₃/90°₃]_s

(b) Isotropic [+45°3/-45°3]s

Fig. 6 Section- area of CFRP Shell specimen after penetration (Radius of curvature : 150mm) 이와 같은 관통파괴 현상을 고찰하기 위하여 Fig.

7(a)/(b)에 파괴모드를 개략적으로 나타냈다.

Fig. 7(a) 로부터 직교이방성 적층재의 경우, 곡률

이 클수록 충격점과 가까운 A계면에서 생기는 층간크 랙과 층간분리 면적이 B계면 보다 크게 나타나는 경 향을 보였다. 이는 최외층인 0° 방향의 섬유가 굽힘모 우먼트에 대한 저항이 크기 때문에 계면A에서 원주방 향 크랙이 크게 확장 분리 되면서 파괴된 것으로 생각 된다. 이와는 반대로 Fig. 7(b) 로부터 의사등방성의 경우는 최외층인 +45° 방향의 섬유는 굽힘모우먼트에 대한 저항이 +45°, -45° 방향으로 분산되므로 최외 층이 0° 방향의 섬유에 비해 약하기 때문에 CFRP 평 판의 충격손상과 같이 계면 B 로부터 계면분리 면적 이 확장되면서 섬유파단, 라미나 파단 및 횡방향 크랙 (모재크랙)을 수반하며 관통 파단된 것으로 생각된다 [12].

이와 같이 직교이방성·의사등방성 CFRP 적층쉘 모 두 층간크랙, 층내크랙, 섬유의 파단, 계면분리 확장, 계면간을 잇는 모재 크랙, 전단 크랙 및 굽힘 저항등 이 충격에너지를 흡수하면서 관통파괴에 이르는 것 이 라 생각된다.

(a) Orthotropic [0°3/90°3]s (b) Isotropic [+45°3/-45°3] Fig. 7 Penetration mode of CFRP laminates

4. 결론

본 연구에서는 곡률과 적층배향이 서로 다른 직교이 방성 및 의사등방성 CFRP 적층 쉘이 고속충격을 받 을 때 관통시 흡수하는 흡수에너지, 임계관통에너지, 관통 후의 파괴모드등 CFRP 적층쉘의 내충격특성을 실험적으로 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 직교이방성 CFRP 적층쉘이나 의사등방성 CFRP 적층쉘 모두 곡률이 증가 할수록 임계관통 에너지가 선형적으로 증가하였으며, 곡률반경이 100mm인 경우 직교이방성 CFRP 적층쉘의 임계관 통에너지는 8.3[J], 의사등방성 CFRP 적층쉘의 경우 가 4.1[J]로서 직교이방성 적층쉘이 의사등방성 적층 쉘 보다 대략 2배이상 임계관통에너지가 큼을 알 수 있다.

2. 관통파괴시 흡수에너지는 곡률이 증가할 수록 선 형적으로 증가하는 경향을 나타냈는데, 직교이방성 적 층쉘은 곡률이 증가함에 따라 약 4.2° 의 기울기로 의 사등방성 적층쉘은 약 7° 의 기울기로 증가하였다.

3. 직교이방성 적층쉘은, 곡률이 클 수록 충격점에 가까운 계면A에서 원주방향 크랙이 크게 확장 분리 되면서 파괴되었으며, 의사등방성 적층쉘은 직교이방

성 적층쉘과 달리 계면 B로 부터 계면분리 면적이 확 장되면서 층간크랙, 층내크랙, 섬유의 파단, 계면분리 확장, 계면간을 잇는 모재 크랙, 전단 크랙을 수반하 며 관통 파괴되었다. 이는 의사등방성 적층쉘의 최외 층 각인 +45° 방향의 섬유는 굽힘모우먼트에 대한 저 항이 +45°, -45° 방향으로 분산되므로 최외층 각이 0° 인 직교이방성 적층쉘 보다 굽힘모우먼트에 대한 저항이 낮기 때문이라 생각된다.

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