The Characteristics of Acoustic Emission Signal under Composite Destruction on GFRP Gas Cylinder

유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 복합재료 파괴시 발생하는 음향방출 특성

The Characteristics of Acoustic Emission Signal under Composite Destruction on GFRP Gas Cylinder

지현섭*^✝, 이종오*, 주노회*, 소철호**, 이종규***

Hyun-Sup Jee*^✝, Jong-O Lee*, No-Hoe Ju*, Cheal Ho So** and Jong-Kyu Lee***

초 록 본 연구에서는 유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출신호의 특성을 살펴보기 위하여 실린더의 외부를 감싸고 있는 복합재료를 유리섬유묶음과 시편으로 가공하여 파괴 시험을 실시하였다. 유리섬유묶음에 칼날을 압입하여 유리섬유가 파괴될 때 발생한 음향방출 신호의 진폭은 칼날의 절단각도가 커짐에 따라 유리섬유의 절단면이 증가되어 음향방출신호의 진폭이 증가되는 것으로 판 단된다. 또한 복합재료 시편파괴시 감긴방향 파괴는 수직방향 파괴에 비해 hit 수는 적지만 섬유 절단각이 커 짐에 따라 진폭은 높게 나타났다. 섬유감긴방향으로 시편파괴시 신호문턱값을 32 dB로 설정했을 경우는 40 dB로 설정했을 때는 나타나지 않았던 기지파괴 신호가 급격하게 나타나는 것으로 보아 기지파괴시 신호진폭 은 40 dB 이하이고 유리섬유 파괴신호의 진폭은 40 dB이상 임을 알 수 있었다. 음향방출 신호의 진폭기울기 는 음향방출원과 관련이 있으며, 섬유감긴방향으로 칼날을 압입했을 때 그 기울기는 0.08이고 수직방향일 때 는 0.16로 구분되었다. 특히 수직방향 파괴의 경우 유리섬유묶음의 절단시 나타나는 진폭 기울기와 유사하여 시편의 수직방향파괴시 발생하는 신호의 주 음향방출원은 유리섬유파괴로 추정할 수 있다.

주요용어: 음향방출, 유리섬유강화 복합재료 가스실린더, 복합재료, 인덴터, 파괴시험

Abstract This study is investigation of the characteristics for acoustic emission signal generated by destruction on glass fiber bundles and specimen that was machined composite materials surrounding the outside of GFRP cylinder.

The Amplitude of acoustic emission signal gets bigger as the cutting angle of knife increases. Accordingly, the number of hits in destruction of composite materials specimen have more in longitudinal direction (longitudinal direction to the glass fiber) than in hoop direction (horizontal direction to the glass fiber) while the amplitude of signals were bigger in hoop direction than longitudinal direction. It was found out that the amplitude of the glass fiber breakage is more than 40 dB and that the amplitude of signal for matrix crack was less than 40 dB because matrix crack signal was not observed when threshold value is 40 dB and matrix crack signal suddenly appered when threshold value is 32 dB. The slope of the amplitude is related to the acoustic emission source and the slope of the amplitude of the horizontal and vertical directions are 0.16 and 0.08. In particular, The slope of the amplitude of longitudinal direction breakage appear similar to the glass fiber breakage and therefore Acoustic emission source of longitudinal direction breakage is estimated the glass fiber breakage.

Keywords: Acoustic Emission, GFRP Gas Cylinder, Composite, Indentor, Destructive Test

[접수일: 2013. 9. 12, 수정일: 2013. 10. 21, 게재확정일: 2013. 10. 23] *재료연구소 원자력공인검사단, **동신대 학교, ***부경대학교 물리학과, ✝Corresponding Author: Korea Institute of Materials Science, Changwon 641-831, Korea (E-mail: [email protected])

ⓒ 2013, Korean Society for Nondestructive Testing

복합재료의 다양한 적용 분야와 경제성이 더욱 더 높아지면서 복합재료에 관한 다양한 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, 음향방출을 이용한 복 합재료의 손상 해석 및 결함 검출에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. Lee 등[1]은 SiCp/A356 복 합재료의 미시적 손상 축적을 모니터링 하기 위 하여 초음파와 음향방출기법을 적용하여 반복하 중의 증가에 따라 초음파의 속도와 감쇠의 변화 를 비교 분석하였고, Lee 등[2]은 음향방출의 해 석과 함께 방사선 투과시험 및 현미경 관찰을 병 행하여 실시하고 적층 탄소섬유강화 복합재료의 파손기구의 해석과 정량적 평가를 제안하였다. Lee 등[3]은 상수도관에 사용되는 GFRP관의 구 조적 거동에 대한 실험적, 이론적 연구 결과를 제시하고 GFRP관의 하중-원주방향 변위에 대한 특성을 강성시험 결과와 비교, 분석하였다. 복합 재료는 두 가지 이상의 물성이 다른 재료가 혼합 되어 있으며 파괴적 현상은 섬유절단, 기지균열, 층간분리, 섬유박리 등으로 다양하게 나타나므로 손상 메커니즘을 구분하고 정량적으로 평가하는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 주 강화재료인 유리섬유/ 에폭시 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출 신 호의 특성을 알아보기 위하여 실제 용기에서 복 합재료를 분리 가공한 시편과 유리섬유묶음의 파 괴시 발생하는 음향방출신호를 획득하고 분석하 였다.

2. 실 험 2.1. 실험용기

본 연구에 사용된 실험용기는 Fig. 1과 같은 53 리터 유리섬유강화 복합재료 가스실린더이다.

용기의 몸통부에서의 금속라이너(metal liner)의 두 께는 약 6 mm이며, 34CrMo4 판재(Plate)를 사용 하여 딮드로잉(Deep Drawing)방식으로 제작되었 고, 금속라이너의 화학 조성은 Table 1과 같으며 용기의 사용압력은 20.7 MPa이다. 용기의 몸통부 는 둘레방향으로 유리섬유가 Fig. 1의 A와 같이 에폭시를 기지로 하여 감겨져 있으며 복합재료층 의 두께는 약 6.2 mm이다.

C Mn Si P S Cr Mo

Max.

Min.

0.38 0.25

1.00 0.40

0.40 0.10

0.015 -

0.010 -

1.20 0.80

0.40 0.15

P+S ≤0.020

Fig. 1 The shape and dimension of gas cylinder

Fig. 2 Position of Indentation (40 dB), (a) threshold value 40 dB and (b) 32 dB

2.2. 실험 방법

유리섬유강화 복합재료 가스실린더에서 주 강화 재인 유리섬유강화 복합재료의 파괴시 발생하는 음향방출신호의 특성 파악을 위해 Fig. 2와 같이 시편을 제작 가공하였다. 사용하지 않은 건전한 가스실린더의 복합재료층을 가로세로 각 200 mm 크기로 절단하고 시편의 복합재료층의 표면에 약 1 mm 두께의 수직방향(longitudinal direction) 유리 섬유와 레진(resin) 코팅층이 있어서, 감긴방향 (hoop direction)의 유리섬유와 기지(matrix) 파괴시 발생하는 음향방출신호만을 수집하기 위해 시편 중앙부 표면을 일부 제거하였다. 그라인딩을 한

Fig. 3 Schematic diagram of experimental setup

Fig. 4 Cutting direction of glass fiber bundle

Fig. 5 AE hits of glass fiber breakage: time depend- ence of load and amplitude

43.6

44.2

45.9

46.8

Fig. 6 Amplitude of fiber breakage direction 시편의 중앙부에 유리섬유가 감긴방향과 수직방

향으로 일정간격을 두고 각각 11회씩 인덴터의 칼날을 2 kgf/min 속도로 수동으로 하강시켜 5 kgf 에 도달할 때까지 압입하고, 유리섬유와 기지가 파괴될 때 발생되는 음향방출 신호를 획득하였다. 이 때의 신호문턱값은 40 dB와 32 dB로 설정하 고, 광대역(WDI, 100~1000 kHz)센서를 사용하였으 며 이 때 감도는 센서로부터 25 mm이내 거리에 서 평균 98 dB였다.

실험장치는 Fig. 3과 같이 48 mm 강판위에 복 합재료 시편을 위치시키고 유리섬유와 기지 파괴 를 위한 인덴터(indentor)는 칼날(knife)과 로드셀 (Loadcell)로 구성되어 있다.

칼날은 반원형(half)이고 측정시편의 유리섬유 와 수직 또는 수평하게 위치시키고 복합재료 파 괴시 발생된 음향방출신호는 Sensor 1과 2로 측 정하였다. 이 때 획득된 신호 중에서 선형위치표 정(linear source location) 방법을 사용하여 파단 위치에서 표정된 이벤트 신호만을 추출하여 분석 하였다. 또한 실험용기 복합재료의 유리섬유 절 단시 발생하는 음향방출신호 특성을 파악하기 위 해 섬유묶음을 Fig. 4와 같이 정렬하고 Fig. 3의 실험 장치에서 칼날을 유리섬유묶음의 길이방향 에 대해 0°, 30°, 45° 그리고 60° 방향으로 절단

각을 증가시켜 섬유를 절단시키고 그때 발생하는 음향방출신호를 획득하였다.

3. 결과 및 토의

Fig. 5는 칼날의 압입하중을 증가시키면서 유리 섬유묶음에 수직한 방향(0°)으로 압입시켜 섬유가 절단될 때 발생한 음향방출신호의 하중-진폭 그래 프이다. 유리섬유는 배열된 위치에 따라 순차적으 로 절단되었으며, 그때의 압입하중은 1 kgf 이하 였고 이 때 신호의 평균진폭은 43.6 dB였다.

Fig. 6은 유리섬유묶음에 절단각을 다르게 하 여 섬유 절단시 발생한 음향방출신호의 평균진폭 을 나타내고 있다. 신호의 평균진폭은 섬유묶음 이 칼날과 수직방향 (0°)으로 절단되었을 때 43.6 dB로 가장 낮았으며 30, 45, 60 °로 점차 절 단각도를 증가시킬수록 44.2, 45.9, 46.8 dB로서 발생되는 음향방출신호의 진폭값이 증가함을 알 수 있다.

이는 재료의 파단면적이 커짐에 따라 발생되는 음향방출원의 방출에너지가 커지는 것으로 알려

Fig. 7 Load and amplitude at hoop direction inden- tation

Fig. 8 Load and amplitude at longitudinal direction indentation

a)-1 b)-1

a)-2 b)-2

Fig. 9 Amplitude distribution of composite destruction : a) threshold value 40 dB

- 1) hoop direction 2) longitudinal direction, b) threshold value 32 dB

- 1) hoop direction 2) longitudinal direction

Table 2 AE parameters of composite destruction (Threshold value: 40 dB)

Direction Hits Risetime

(㎲) Count Energy (㎶․sec/count)

Amplitude (dB)

Hoop 48 23.8 10.7 1.96 48.0

Long. 110 12.7 2.4 0.02 43.2

Table 3 AE parameters of composite destruction (Threshold value: 32 dB)

Direction Hits Risetime

(㎲) Count Energy (㎶․sec/count)

Amplitude (dB)

Hoop 210 36.1 19.5 3.45 43.8

Long. 582 26.1 9.2 0.79 39.2

져 있는데[4], 절단각도가 커짐에 따라 섬유절단 면이 증가되어 방출에너지가 커져 음향방출신호 의 진폭이 증가되는 것으로 판단된다. Fig. 7은 Fig. 2의 시편을 유리섬유가 감긴 방향으로 칼날 을 압입하여 파괴될 때 발생하는 음향방출신호의 하중-진폭 그래프이다. 시편이 파괴될 때의 주된 손상 메커니즘을 기지파괴와 섬유절단으로 크게 나뉘어 볼 수 있으나 신호문턱값을 40 dB로 설정 하였을 때는 압입하중이 증가함에 따라 기지파괴 가 관찰됨에도 불구하고 신호의 진폭이 문턱값보 다 낮아 거의 나타나지 않는 것으로 보인다.

이는 소수의 유리섬유가 압입되는 칼날에 비스 듬한 방향으로 파괴될 때 발생되는 음향방출신호 만이 산발적으로 나타나는 것으로 판단된다.

Fig. 8은 Fig. 2의 시편을 유리섬유가 감긴 방 향에 수직한 방향으로 칼날을 압입하여 시편이 파괴될 때 발생하는 음향방출신호의 하중-진폭 그래프이다. Fig. 7의 감긴방향 절단에서는 압입 하중이 증가함에 따라 기지파괴 신호의 진폭이

신호문턱 값보다 낮고 유리섬유의 절단량이 작아 전체적인 신호수는 적었으나, 수직방향에서는 감 긴방향과 비교하여 상대적으로 많은 유리섬유가 파괴되어 문턱값보다 높은 음향방출신호가 지속 적으로 나타나는 것을 관찰할 수 있다.

Fig. 9는 신호문턱값을 32 dB와 40 dB로 설정 하고 시편 파괴시 칼날의 절단 방향을 유리섬유 의 감긴 방향과 수직한 방향일 때의 발생된 음향 방출신호의 최대진폭(peak amplitude)의 분포를 보여주고 있다.

Table 2와 Table 3을 참고해서 보면 감긴방향 파단신호의 평균 진폭이 수직방향보다 높게 나타

Slope (0.08)

Slope

(0.16) Slope

(0.16)

(a) (b) (c)

Fig. 10 Cumulative AE hits of indentation in : a) hoop direction, b) longitudinal direction, c) glass fiber breakage

a)-1 a)-2 b)-1 b)-2

Fig. 11 Optical microscopy of indentation : a) hoop direction -1) ×200 -2) ×1000, b) longitudinal direction -1)

×200 -2) ×1000

나고 있는데 이는 시편의 유리섬유 절단량은 칼 날의 압입방향이 수직방향일 때가 수평방향일 때 보다 많으며, 기지의 파괴량은 거의 비슷함을 볼 수 있으며 그에 따라 신호진폭의 차이를 나타내 고 있다. 감긴방향 파단에서 신호의 진폭값이 유 리섬유의 파괴가 적음에도 높게 나타나는 것은 앞의 Fig. 6에서 살펴본 바와 같이 유리섬유의 절 단방향에 따른 절단각이 증가할수록 신호의 진폭 이 증가되므로 신호수(hit)는 수직방향에 비해 작 으나 신호의 진폭은 높음을 관찰할 수 있었다.

또한 신호문턱값이 40 dB일 때는 기지파괴에서 나타나지 않았던 음향방출 신호가 문턱값을 32 dB로 설정하였을 때는 잘 나타나고 있음을 관찰 할 수 있으며, 섬유 수직방향으로 시편이 파괴될 경우 40 dB이하의 신호가 32 dB일 때와 비교하 여 많이 증가함을 볼 수 있으며, 이는 본 실험에 서 사용된 복합재료 압력용기 시편의 복합재료 기지 파괴시 발생되는 음향방출 신호의 진폭은 40 dB 이하이고 유리섬유 파단시는 40 dB 이상 임을 알 수 있다.

일반적으로 음향방출 신호의 진폭분포 기울기 는 신호발생의 손상메커니즘과 관련된 것으로 알

려져 있는데[5-10], Fig. 10을 보면 유리섬유가 감 긴방향으로 시편에 칼날을 압입했을 때 발생하는 음향방출 신호의 진폭분포 기울기는 0.08, 수직방 향일 때는 0.16임을 알 수 있다.

특히 수직방향 파괴의 경우 Fig. 10(c)의 유리 섬유 파단시 나타나는 진폭 분포 기울기와 유사 한 것으로 보아 수직방향 파괴시 발생하는 신호 의 주된 음향방출원은 유리섬유의 절단으로 추정 된다. Fig. 11은 시편 파단부를 확대한 사진으로 서 감긴방향 파괴시 복합재료의 기지파괴를 주로 관찰할 수 있으며, 수직방향 파괴시는 다량의 섬 유 절단과 섬유 절단부에 인접한 기지의 파괴가 관찰되었다.

4. 결 론

유리섬유강화 복합재료 가스실린더의 복합재료 파괴시험시 발생하는 음향방출신호의 특성을 살 펴 본 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다. 1) 유리강화섬유에 칼날을 압입시켜 섬유가 파괴

될 때 발생하는 음향방출 신호의 진폭은 섬유 가 칼날과 수직방향(0°)으로 절단되었을 때

이 증가함을 알 수 있다. 이는 유리섬유에 대 한 칼날의 절단 각도가 커짐에 따라 유리섬유 의 절단면이 증가되어 음향방출원의 방출에너 지가 커지므로 음향방출신호의 진폭이 증가되 는 것으로 판단된다.

2) 시편을 유리섬유가 감긴 방향과 수직한 방향 으로 칼날을 압입하여 시편이 파괴될 때 발생 하는 음향방출 신호의 수는 수직방향이 감긴 방향보다 많이 나타났으나 진폭은 감긴방향이 수직방향보다 높게 나타나고 있다. 이는 섬유 파괴시 감긴방향의 섬유 절단각이 수직방향에 비해 커서 비록 신호수는 적었지만 섬유 절단 에 따른 신호가 포함되어 진폭은 오히려 높게 나타나는 것으로 보인다.

3) 섬유감긴 방향의 시편파괴에서 신호문턱값을 32 dB로 설정하였을 경우에는 40 dB에서 나 타나지 않았던 기지의 파괴신호가 급증하였음 을 볼 때 유리섬유의 파괴시 신호의 진폭은 40 dB 이상이고 기지 파괴시 신호의 진폭은 40 dB 이하임을 알 수 있었다.

4) 음향방출 신호의 진폭 기울기는 음향방출원과 관련이 있으며, 감긴방향으로 칼날을 압입했 을 때 그 기울기는 0.08이며 수직방향일 때는 0.16로 그 차이가 구분되었다. 특히 수직방향 의 경우 유리섬유의 파괴시 나타나는 진폭 기 울기와 같으므로 수직방향 파괴시 주된 음향 방출원은 유리섬유 절단으로 추정할 수 있다. 후 기

본 연구는 재료연구소 자체연구사업의 지원으 로 수행되었습니다.

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