복합재료/금속 계면의 혼합모드 피로 특성

Abstract

복합재료는 일반적으로 우수한 비강도, 비강성과 높은 감쇠, 피로 특성 등으로 인하여 우주항공 재료나 로봇에 많이 적용되고 있지만, 복잡한 구조나 전체 구조를 단일 복합재료로 만든다는 것은 비경제적이고 불가능한 경우가 많아 복합재료를 다른 복합재료 또는 금속과 접합하는 경우가 많다. 그리고 실제 기기나 구조물 파괴의 대부분은 피로라는 현상에 의한 피로 파괴가 대부분이다. 그리하여 지금까지 모드 혼합비가 피로 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 수많은 연구가 수행되어 오고 있다. 하지만, 대부분의 연구가 금속/금속 계면이거나 복합재료 층간 파괴에 대한 연구이다. 따라서 본 연구의 목적은 이종재료인 복합재료/금속 계면의 피로 특성에 대해 연구하는 것이다. 이를 위하여 복합재료와 스틸을 동시경화법을 이용하여 접합한 SLB(single-leg bending) 시편을 이용하여 피로 실험을 수행하였다. SLB 시편은 재료의 두께를 이용하여 쉽게 모드 혼합비$(G_Ⅱ/G_T)$를 조절할 수 있다는 장점이 있는데, 본 연구에서는 모드 혼합비가 0.05, 0.48 그리고 0.78인 세 그룹의 SLB 시편을 이용하여 피로 실험을 수행하였다. 첫 번째로 최대 에너지 해방률과 균열진전 되풀이 수와의 관계에 대해 연구하였는데, 저 되풀이 수 영역에서는 모드 Ⅱ 하중이, 고 되풀이 수 영역에서는 모드 Ⅰ 하중이 위험한 인자라는 사실을 알게 되었다. 다음으로, 균열진전속도와 최대 에너지 해방률의 관계에 대해 연구하였는데, 하한계 에너지 해방률은 모드 혼합비가 0.05인 경우에는 약 $32J/m^{2}$, 모드 혼합비가 0.48인 경우에는 약 $40J/m^{2}$ 그리고 모드 혼합비가 0.78인 경우에는 약 $78J/m^{2}$으로 나타났다. 멱승관계 영역은 직선으로 나타낼 수 있는데, 그때의 기울기는 모드 혼합비가 0.05인 경우에는 약 4.95, 모드 혼합비가 0.48인 경우에는 약 4.44 그리고 모드 혼합비가 0.78인 경우에는 약 19.65로 나타났다. 그리고 전체적으로 모드 Ⅱ 하중 성분이 많을수록 균열진전속도가 빨라진다는 결과를 얻었다.