탄소섬유강화 복합재료의 변형률속도에 따른 인장물성의 평가

Abstract

탄소섬유강화 복합재료는 높은 강도와 저렴한 가격으로 하중을 받는 구조에 많이 사용된다. 탄소섬유강화 복합재료는 우수한 충돌 특성을 가지기 때문에 차량과 가드레일의 충격흡수제, 승용차의 범퍼 빔 등에 쓰인다. 그러나 탄소섬유강화 복합재료의 충돌 특성에 많은 연구가 있었지만 변형률속도에 따른 충돌 특성에 대한 연구가 진행되지 않았다. 고속인장시험과 차량 충돌 시험에서 발생되는 변형률속도는 0.001/s 에서 100/s 가량이며, 변형률속도에 따라 탄소섬유강화 복합재료의 탄성계수와 최대인장응력은 달라진다. 본 연구에서는 탄소섬유강화 복합재료의 탄성계수와 최대인장응력을 변형률속도를 0.001/s 에서 100/s까지 달리하여 측정한다. 정적 시험은 Instron 8801을 사용하여 수행하였고 동적 시험은 KAIST에서 개발한 고속인장시험기(HSMTM) 으로 수행하였다. 각 변형률속도에 따른 변형률의 정확한 측정을 위해 고속카메라와 상용 프로그램인 ARAMIS를 이용하여 디지털 이미지 연관기법(DIC 방법)을 사용하였다. 탄소섬유강화 복합재료의 인장시편은 ASTM 규격을 기반으로 사각형의 탭이 없는 형상을 갖도록 하였다. 인장시험의 변형률속도는 탄소섬유강화 복합재료의 변형률속도에 따른 물성치 변화를 측정하기 위하여 0.001/s에서 100/s까지 달리하여 수행하였다. 여러 변형률속도에 따른 탄소섬유강화 복합재료의 단축인장 시험을 통해 얻어진 결과를 토대로 다양한 적층 순서에 따른 탄성계수를 계산하였다. 결과적으로 단축 인장 시험 시 탄소섬유강화 복합재료의 섬유의 영향이 지배적인 적층 순서가 모두 0도인 경우는 변형률속도에 따라 파단응력과 탄성계수가 일정했다. 탄소섬유강화 복합재료의 기지의 영향이 지배적인 적층 순서가 모두 90도나 45도인 경우에는 변형률속도에 따라 강도와 탄성계수가 증가하였다. 변형률속도를 기반으로 한 탄소섬유강화 복합재료의 단축인장 물성치를 모델링 하기 위해 Modified Yen and Caiazzo 모델을 제안하였다. 정적과 동적 시험을 통해 탄소섬유강화 복합재료의 적층 순서가 [0/90/90/0], [45/-45/-45/45], [0/45/-45/90]인 경우의 물성치를 획득하였다. 이를 토대로 다양한 적층 순서에 따른 탄소섬유강화 복합재료의 탄성계수를 예측하는 모델을 laminate이론을 사용하여 제안하였다.