일정한 보강섬유 굴곡이 있는 두꺼운 복합재료에서의 초음파 전파에 관한 연구

Ultrasound Wave Propagation in Thick Composites with Uniform Fiber Waviness

복합재료는 우수한 재료특성을 가지고 있어 기존의 금속 재료를 대신하여 많은 분야에서 사용되고 있다. 최근 들어서 큰 하중을 받는 구조재로 사용이 확대되면서 많은 수의 복합재료 단일층을 두껍게 적층한 두꺼운 복합재료의 사용이 늘어나고 있다. 복합재료를 두껍게 적층하는 경우 성형과정 중에 보강섬유 굴곡이 발생하기 쉬운데 두꺼운 복합재료 내에 발생한 보강섬유의 굴곡은 강성 및 강도를 감소시켜 구조물의 안정성을 저하시킨다. 따라서 두꺼운 복합재료로 만들어진 구조물에 내재된 보강섬유 굴곡의 유무나 정도를 알아내는 것은 구조물의 안전성 확보를 위해 매우 중요하다. 본 연구에서는 초음파를 이용한 비파괴 평가를 위해 굴곡진 보강섬유를 가진 복합재료 내에서 초음파 전파 특성에 대한 연구를 수행하였다. 여러 가지 일정한 굴곡비의 보강섬유 굴곡을 가지는 두꺼운 복합재료에 대해서, 평면파(plane wave) 이론과 파선 추적(ray tracing) 이론을 이용한 수치 해석 방법으로 초음파 전파에서 보강섬유의 굴곡의 영향을 예측하고, 보강섬유 굴곡 정도에 따른 초음파 전파 특성의 변화를 예측하였다. 이론적 해석을 검증하기 위해서 여러 가지 일정한 보강섬유의 굴곡비를 가지는 복합재료 시편을 제작하여, 초음파 투과법(through-transmission) 시험을 수행하였다. 이를 통해 일정한 보강섬유의 굴곡을 가지는 복합재료 내의 초음파 전파 특성과, 보강섬유의 굴곡 정도에 따른 초음파 전파 특성의 변화를 이론적으로 얻어진 결과와 비교하여 두꺼운 복합재료 내에 존재하는 보강섬유의 굴곡이 초음파 전파에 미치는 영향을 알 수 있었다.

There has been a growing interest in thick composite materials especially for primary structures. Fiber waviness is one of the manufacturing defects frequently encountered in thick composite structures and affects the mechanical properties such as stiffness and strength significantly. Therefore, nondestructive evaluation technique that can detect fiber waviness of thick composite is very important for the integrity of structures. In this study, efforts were made to understand ultrasonic wave propagation in thick composites with uniform fiber waviness by adopting the ray and plane wave theories. Both theoretical and experimental investigations were conducted to understand the wave propagation in thick composites with uniform fiber waviness. The experiments were conducted on specially fabricated thick composite specimens with various degrees of uniform fiber waviness using the conventional through-transmission method to verify the predicted results. The experimental results showed good agreement with the theoretical predictions.