다양한 압축 시험 방법에서 탄소섬유강화 복합재료의 압축 물성 평가

Abstract

최근 자동차 산업에서 연비 및 배출가스의 규제가 강화됨에 따라 연료의 효율적 사용과 $CO_2$ 방출의 감소를 위해 자동차의 경량화가 요구된다. 이에 따라 차체 부재의 안정성을 잃지 않으면서 자동차의 중량 감소를 확보하기위해 지난 10년 동안 자동차 회사는 차체부재로서 고강도, 경량의 강철 판재와 알루미늄 판재 또는 고 강도 및 저 중량의 복합재료등의 다양한 재료를 적재적소에 사용하여 차체 부재를 제작하였다. 하지만 이전의 복합재료는 고 강도 및 저 중량의 장점이 있는 반면 높은 제작 비용과 제작의 어려움 때문에 주로 항공 우주 산업에서 사용되고 자동차 산업에서는 적은 비율로 사용되었다. 그러나 현재 복합재료의 제작과정이 단순화 되고 그 비용은 이전보다 낮아지는 추세이기에 복합재료는 자동차 산업에 적용 가능한 대체 재료로 각광받고있다. 따라서 차체 부재의 제작에 복합재료의 사용을 증가하였을 때 기존 차체 대비 경량화를 이룰 수 있고 경량화에 따른 연료 효율의 증가 및 $CO_2$ 배출량의 감소를 이루어 낼 수 있기에 복합재료를 차체 부재로 사용하기 위한 안정성 확보와 이와 관련한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 다양한 시험 조건에서 탄소섬유강화플라스틱 복합 재료의 압축 시험을 수행하고 그 거동을 평가한다. 다양한 실험 방법 중 시편 표점부의 형상 변화와 시편 탭 재료의 변경 그리고 가압 장치를 활용한 가압 하중의 유무에 따른 복합재료의 압축 물성 특성 및 그 파단 형상을 비교하였다. 추가 장치인 가압 장치는 시편의 좌굴을 방지하기 위해 설계 및 제작하였고 가압 하중의 변화와 가압 장치 사용의 유무에 따른 여러 시험 조건에서 압축 시험을 수행하여 그 재료 물성을 비교하였다. 가압 장치는 압축 시험 중 시편 표점부의 두께 방향에서 발생 가능한 좌굴을 방지하기 위해 개발되었고 Joo 등이 사용한 금속재료의 압축시험을 위한 가압 장치를 수정하여 제작하였다. 표점부에 가압 하중을 부여하기 위해 압축 형 코일 스프링을 사용하였고 평면에서의 변형률 분포를 확보하기위해 가압 장치의 접촉판과 가압판 그리고 조절판에 직사각형 구멍을 내었다. 평면에서의 변형률은 고속카메라를 활용한 Digital image correlation(DIC) 방법을 사용하여 확보하였고 정적 재료 시험기(Instron 5583)를 사용하여 준 정적 속도조건에서 복합재료의 압축 시험을 수행하였다. 복합재료의 압축 시험에서 신뢰할 만한 물성 특성을 확보하기 위해 이상적인 시험 조건을 확보하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 압축 시험 중 표점부에서 좌굴로 인해 복합 재료가 낮은 하중에서 파단되는 것을 방지하기 위해 시편의 치수를 변경하였고 강성의 높은 탭 재료를 사용함으로서 표점부 내에서 파단이 발생할 수 있도록 하였다. 또한 각각의 시험조건에서 물성 특성을 비교하여 증명하였다. 그리고 표점부에서 두께방향으로 발생하는 좌굴에 의한 파단을 방지하기 위해 가압 장치를 사용하였다. 하지만 가압 장치를 사용하였을 경우 두께 방향으로 부과된 가압 하중으로 인해 기지의 국부적인 손상과 기지와 섬유 사이의 결합력의 약화가 발생하고 이로 인해 상대적으로 재료 물성보다 낮은 하중에서 횡 방향 전단 파단이 발생함을 확인하였다. 그러나 이와 반대로 가압 장치를 사용하지 않고 압축 시험을 수행하였을 때 재료의 파단 형상은 섬유가 두께 방향 벌어지며 파단되고 이 경우의 파단 강도 및 파단 변형률이 평균적으로 가장 높음을 확인하였다. 따라서 복합재료에서 압축 시험을 수행하였을 때 가압 장치의 사용은 두께방향으로 좌굴에 의한 파단을 방지하지만 재료의 국부적 손상을 야기시키고 재료 물성보다 낮은 하중에서 파단 되는 원인을 제공한다고 할 수 있다.