3-차원 보강 복합재 체결부의 피로강도 특성 연구

A Study on the Fatigue Strength of the 3-D Reinforced Composite Joints

Abstract

복합재 체결부는 뛰어난 물성과 가벼운 구조의 수요로 널리 사용되고 있다. 하지만 두께 방향의 취약한 물성으로 인해 체결부 파손이 쉽게 발생한다. 이를 극복하기 위하여 체결부 끝단의 집중되는 응력을 완화시켜주는 Z-피닝, 스티칭 등 다양한 공법들이 적용되고 있다. Z-피닝 공법은 프리프레그의 두께 방향으로 금속 핀이나 카본 핀을 적용하여 보강하는 공법이고, 스티칭 공법은 프리폼에 상부 및 하부 섬유를 교차시켜 두께방향으로 기계적 강도를 향상시키는 방법이다. I-fiber 스티칭 공법은 Z-pinning 공법과 Stitching 공법을 보완한 유망한 공법이다. 본 논문에서는 I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 Single-lap joint 시편을 오토클레이브 진공백 성형법으로 제작하여, 모재의 두께와 스티칭 각도에 따른 인장강도 및 피로강도 특성을 평가하여, I-fiber 보강 복합재 체결부 구조물의 보강효과를 검증하였다. 실험결과, 복합재 체결부의 두께가 얇을수록 I-fiber 보강효과가 더 높게 나타났으며 I-fiber로 보강된 복합재 체결부는 파손강도에서 약 52%, 피로강도에서 약 118% 우수한 특성을 나타냄을 확인하였다.

Composite lap joints have been extensively used due to their excellent properties and the demand for light structures. However, due to the weak mechanical properties in the thickness direction, the lap joint is easily fractured. various reinforcement methods that delay fracture by dispersing stress concentration have been applied to overcome this problem, such as z-pinning and conventional stitching. The Z-pinning is reinforcement method by inserting metal or carbon pin in the thickness direction of prepreg, and the conventional stitching process is a method of reinforcing the mechanical properties in the thickness direction by intersecting the upper and lower fibers on the preform. I-fiber stitching method is a promising technology that combines the advantages of both z-pinning and the conventional stitching. In this paper, the static and fatigue strengths of the single-lap joints reinforced by the I-fiber stitching process were evaluated. The single-lap joints were fabricated by a co-curing method using an autoclave vacuum bag process and I-fiber reinforcing effects were evaluated according to adherend thickness and stitching angle. From the experiments, the thinner the composite joint specimen, the higher the I-fiber reinforcement effect, and Ifiber stitched single lap joints showed a 52% improvement in failure strength and 118% improvement in fatigue strength.

1. 서론

복합재는 기존 금속재에 비해 우수한 기계적, 화학적 특성뿐만 아니라 높은 비강성 및 비강도를 가지므로 고효율을 요구하는 구조에 대하여 기존 금속재의 대체재로서 주목받고 있다. 과거 항공 산업에서의 복합재는 주로 조종면이나 착륙장치 도어와 같은 이차구조물에 적용되었지만, 복합재료 설계기술의 발달과 시험 데이터베이스 구축으로 윙 스킨, 동체 등 주구조물에도 적용이 확대되고 있다. 항공기 구조에 일반적으로 적용되는 적층 복합재는 섬유가 배열되어 있는 면내 방향의 물성은 우수하나 섬유가 적층된 방향, 즉, 복합재의 두께 방향으로는 섬유가 배열되지 않기 때문에 매우 취약한 물성을 가진다. 이러한 특징 때문에 적층 복합재는 두께 방향 하중에 의해 복합재의 층이 분리되는 파손이 쉽게 발생한다. 층간 분리가 발생한 복합재 구조물은 면내 방향의 물성 손실이 발생하여 구조적 성능을 유지하기 어렵다. 이를 극복하기 위해 다양한 연구자들에 의해 복합재 3차원 보강 공법들이 개발되었으며, Z-피닝, 스티칭, 터프팅이 대표적인 예이다[1-7].

최근 Z-피닝과 기존 스티칭 공법을 보완한 I-fiber 스티칭 공법이 제안되었고 많은 연구가 이루어지고 있다[8-16]. Kim[8]은 I-fiber 스티칭 공정의 밀도변화에 따른 pull-off 파손하중의 변화를 확인하였으며, An[9,10]은 RTM (Resin Transfer Molding) 공정과 진공백 성형공정으로 제작된 체결부 시편의 파손하중을 평가하였으며, 보강섬유의 간격별로 보강효과 및 파손모드를 분석하였다. Tapullima[11-13]은 I-fiber 스티칭 으로 보강된 DCB 및 unit-cell 시편의 mode I, II 파손모드에 따른 보강효과를 평가하였으며, 다양한 해석기법을 통해 파손하중을 예측하였다. Song[14]과 Choi[15]는 체결부의 두께 및 보강섬유의 각도 등 다양한 공정변수를 선정하여 체결부의 인장강도를 평가하였다. Kim[16]은 보강밀도에 따른 복합재 패널의 충격특성을 평가하였다.

본 논문에서는 I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 Single-lap joint 시편을 오토클레이브 진공백 성형법으로 제작하여, 모재의 두께와 스티칭 각도에 따른 인장강도 및 피로강도 특성을 평가하여, 3차원 보강 복합재 체결부 구조물의 보강효과를 검증하였다.

2. 시편 제작

3차원 보강 복합재 체결부 구조물의 강도특성을 평가하기 위하여 본 논문에서는 체결부 시험편 규격 ASTMD5868을 참고하여 Fig. 1과 같이 제작하였다. Fig. 2는 I-fiber 스티칭 공정을 설명한 개략도로서, 중공바늘과 공압을 이용하여 탄소섬유를 불연속적으로 모재에 수직으로 배치시키는 공법이다[8].

Fig. 1. Single-lap joint specimen configuration

Fig. 2. I-fiber stitching process

체결부 시편 제작에 사용한 소재는 SK케미컬 사의 일방향 탄소/에폭시 프리프레그 USN-125B이고, Stitching용 보강섬유는 효성첨단소재(주)의 H2550 6K 탄소섬유이며, 재료의 물성치는 Table 1과 같다. 보강섬유를 삽입하기 위하여 공업용 중공 바늘을 사용하였으며, 19G(Internal diameter: 0.73 mm, External diameter: 1.06 mm) 규격의 바늘을 사용하였다.

Table 1. Material properties of TANSOME H2550

각 모재의 적층패턴은 준등방성 [0/45/90/-45]ns로서, 8, 16, 32 ply로 적층하여 시편을 제작하였으며, 체결부의 겹침 폭과 길이는 25 mm로 고정하였다. Stitching 패턴과 각도는 Fig. 3에 나타나 있으며, 체결부 양끝단에 보강섬유를 8개씩 3.125 mm 간격으로 삽입하였으며, 섬유의 삽입각도는 45도이다. 시험에 사용한 시험편의 종류는 Table 2에 요약되어 있다.

Fig. 3. Schematics of stitching pattern and angle

Table 2. Test matrix of composite joint specimen

Fig. 4는 체결부 시편을 제작하기 위한 공정을 나타내었으며, 오토클레이브 진공백 성형법을 사용하였다. 경화는 모재 사이에 별도의 접착필름을 삽입하지 않고 모재의 잉여수지로 접착이 이루어지는 Co-curing 공법을 사용하였으며, 경화사이클은 Fig. 5와 같다.

Fig. 4. Autoclave vacuum bag process

Fig. 5. Cure cycle of the composite joint specimen

제작된 복합재 패널은 다이아몬드 휠 절단기로 25 mm 간격으로 절단하였다. I-fiber 스티칭 보강섬유의 섬유 삽입각도를 평가하기 위하여 제작한 시편의 수직단면을 Nikcon사의 Eclips LV 150L 광학현미경을 이용하여 50배율로 촬영하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, 보강섬유의 삽입각이 45.5도로 측정되어, 섬유가 비교적 잘 배열되어 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. Cross-section of stitched I-fiber (45 degree)

3. 인장 및 피로시험

3.1 인장시험

Fig. 7은 I-fiber 스티칭 공법이 적용된 체결부 시편의 인장시험 모습이다. 시험은 MTS사의 E45 만능시험기를 이용하였으며, 분당 1.27 mm 크로스헤드 변위 제어로 수행하였다[10].

Fig. 7. Tensile test of joint specimen

Fig. 8은 제작된 복합재 Single-lap joint 시편의 하중-변위그래프로서, 최대하중에 도달한 후 급격한 하중저하 현상이 나타남을 볼 수 있으며, I-fiber 스티칭 공법의 유,무에 관계없이 시편의 강성값이 유사함을 볼 수 있다.

Fig. 8. Typical load-displacement curves

Fig. 9는 복합재 Single-lap joint 시편의 인장시험 후 파손모드를 나타낸다. I-fiber 스티칭 공법이 적용되지 않은 모든 시편에서는 Fig. 9(a)와 같이 모재와 모재사이의 계면파손이 발생하였다. 모재의 두께가 가장 얇은 1 mm 시편에 보강공법을 적용한 시편에서는 Fig. 9(b)와 같이 모재의 파손이 발생하였으며, 모재의 두께가 2 mm, 4 mm인 시편에서는 모재와 모재 사이의 계면파손과 I-fiber 섬유파손이 발생되었다.

Fig. 9. Failure modes of tensile tests

Fig. 10은 모재평균 파손강도를 나타낸 그래프로서, 파손강도는 파손하중을 체결부 면적(25×25 mm)으로 나눈값으로 정의하였다. 그림에서 보는 바와 같이, 모재의 두께가 1, 2, 4 mm일 때 보강을 하지 않은 시편 대비 각 39, 52, 47%의 강도가 증가하였다. 모재의 두께가 1 mm 시편은 파손모드에서 분석한 바와 같이 모재파손으로 인해 보강효과를 정확히 평가할 수 없었으며, 모재가 파손되지 않는다면 더 높은 보강효과를 나타낼 것으로 판단된다.

Fig. 10. Strengths of composite single lap joints

3.2 피로시험

I-fiber 스티칭 공법이 적용된 체결부 시편의 피로시험을 수행하여 피로강도와 파손모드를 분석하였다. 시험은 Instron사의 INSTRON 8801 피로시험기를 사용하였으며, 응력비 R은 0.1, 주파수는 5 Hz로 고정하여 피로시험을 진행하였다.

Fig. 11, 12, 13은 피로시험 후, 모재 두께가 1, 2, 4 mm 인 시편들의 S-N 선도를 나타낸 그래프이다. 모든 시험조건에서 스티칭이 적용된 시편의 피로강도가 높은 것을 확인할 수 있었으며, 100만 cycle에 대한 피로강도는 각 하중 단계에서 테스트를 수행 후 로그함수를 사용하여 추세선을 통해 결정하였다.

Fig. 11. S-N curves of single lap joint (t=1 mm)

Fig. 12. S-N curves of single lap joint (t=2 mm)

Fig. 13. S-N curves of single lap joint (t=4 mm)

모재의 두께가 1 mm인 시편의 경우, 보강을 하지 않은 시편의 피로강도는 4.95 MPa이었으며, I-fiber로 보강한 시편의 피로강도는 10.78 MPa으로 나타나, 약 118 %의 피로강도 증가를 확인할 수 있었다.

모재의 두께가 2 mm인 시편의 경우, 보강을 하지 않은 시편의 피로강도는 6.56 MPa, I-fiber로 보강한 시편의 피로강도는 13.41 MPa으로 나타나, 약 104%의 피로강도 증가를 확인할 수 있었다.

모재의 두께가 4 mm 시편의 경우, 보강을 하지 않은 시편의 피로강도는 9.18 MPa, I-fiber로 보강한 시편의 피로강도는 10.58 MPa으로 평가되어, 약 15%의 피로강도 증가를 확인할 수 있었다.

Fig. 14는 I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 체결부 시편의 피로 파손모드를 나타낸다. Fig. 15(a)는 I-fiber 스티칭 공법이 적용되지 않은 시편의 파손모드로서, Fig. 9(a)의 체결부 파손시험의 파손모드와 동일한 모재와 모재 사이의 계면파손이 발생하였다. Fig. 15(b)는 모재의 두께가 1 mm, 2 mm인 시편의 파손모습으로, Fig. 9(b)와 같은 모재 파손이 발생되지 않았으며, 모재와 모재 사이 및 I-fiber와 모재 사이의 계면파손이 발생된 것을 확인할 수 있었다. 이는 복합재 모재 자체의 피로강도가 인장강도의 80% 이상으로 매우 높아[17] 모재의 피로파손이 발생되지 않은 것으로 추정된다. Fig. 15(c)는 모재의 두께가 4 mm인 시편의 파손모습으로, 모재와 모재 사이의 계면파손과 I-fiber 섬유파손이 발생되었다. 이는 체결부 파손시험의 파손모드인 Fig. 9(c)와 동일한 파손모드로 볼 수 있으며, 복합재 모재의 두께가 두꺼울 경우, I-Fiber와 모재 사이의 계면면적이 넓어 계면파손이 발생되지 않고 I-Fiber 섬유의 파손이 발생된 것으로 추정된다.

Fig. 14. Fatigue strength of joint specimen (10⁶ cycles)

Fig. 15. Failure modes of fatigue tests

4. 결론

본 논문에서는 I-fiber stitching 공법을 적용한 Single-lap joint 시편을 제작하고 보강 유무에 따른 파손강도 및 피로강도 특성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

1) I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 체결부 시편은 보강하지 않은 시편 대비 파손강도가 약 52% 향상되었다.

2) 복합재 체결부의 두께가 얇을수록 I-fiber 보강효과가 더 높게 나타났으며, 모재의 두께가 1 mm 시편에서 I-fiber로 보강된 체결부 시편의 피로강도가 약 118% 향상되었다.

후기

본 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었습니다(NRF-2017R1A5A1015311).