복합재료 인장시험 및 물성 측정

본 내용은 " 한양대학교 기계공학부 재료 및 생산 가공 실험 복합재료 인장시험 레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.14

문서 내 토픽

• 1. 복합재료 역학 이론

  복합재료의 역학을 다루는 미시적 방법과 거시적 방법을 설명한다. 미시적 방법은 섬유와 기지를 구별하여 각각의 응력과 변형률을 계산하며, 거시적 방법은 두 물질의 성질을 혼합하여 평균 성질을 나타낸다. 본 실험에서는 거시적 물성을 측정하며, 평면 응력 상태의 이방성 응력-변형률 관계식과 축소 강성 행렬을 이용하여 복합재료의 기계적 물성을 분석한다.

• 2. 인장시험 방법 및 시편 설계

  ASTM D3039 규준에 따라 복합재료 인장시편을 제작한다. 0도 시편은 너비 15mm, 길이 250mm, 두께 1.2mm이고, 90도 시편은 너비 25mm, 길이 175mm, 두께 2.4mm, ±45도 시편은 너비 25mm, 길이 250mm, 두께 2.4mm로 제작한다. 시편의 양 끝단에는 보강대를 부착하여 응력 집중을 감소시키고 중앙부 파단을 유도한다.

• 3. 스트레인 게이지 측정 및 데이터 수집

  2축 스트레인 게이지를 시편 중앙부에 부착하여 x, y 방향의 변형률을 동시에 측정한다. 스트레인 게이지의 전기적 저항 변화를 휘트스톤 브릿지를 통해 변형률로 계산하고, DAQ 모듈과 스트레인 앰프를 이용하여 실시간으로 데이터를 수집한다. 만능 재료 시험기와 Heliox 소프트웨어를 통해 하중과 변위를 측정한다.

• 4. 복합재료 물성 측정 결과

  0도 시편의 탄성계수는 156.84 GPa, 강도는 1656.84 MPa이고, 90도 시편의 탄성계수는 13.82 MPa, 강도는 13.82 MPa이다. ±45도 시편의 전단 탄성계수는 약 7.62 GPa, 강도는 64.09 MPa이다. 복합재료의 비강성과 비강도는 철, 알루미늄, 브라스 등 금속재료보다 5~10배 우수하며, 특히 0도 시편에서 탄소섬유의 높은 강도로 인해 우수한 성능을 보인다.

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• 1. 복합재료 역학 이론

  복합재료 역학 이론은 서로 다른 재료의 조합으로 이루어진 복합재료의 거동을 이해하는 데 필수적입니다. 미시역학과 거시역학을 통합하여 분석하는 접근법은 복합재료의 강도, 강성, 파괴 특성을 예측하는 데 매우 유용합니다. 특히 섬유 강화 복합재료의 경우, 기지재와 강화재 간의 상호작용을 정확히 모델링하면 설계 단계에서부터 최적화된 재료 선택이 가능합니다. 다만 실제 제조 과정에서 발생하는 결함, 공극, 섬유 배향 편차 등을 완벽하게 반영하기는 어려우므로, 이론적 예측과 실험적 검증의 병행이 중요합니다.

• 2. 인장시험 방법 및 시편 설계

  인장시험은 복합재료의 기본 물성을 평가하는 가장 직접적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다. 시편 설계는 국제 표준(ASTM, ISO)을 따르되, 복합재료의 특성에 맞게 조정되어야 합니다. 특히 탭(tab) 설계, 게이지 길이, 두께 등이 시험 결과에 큰 영향을 미치므로 신중한 검토가 필요합니다. 시편 제작 과정에서의 품질 관리도 매우 중요하며, 섬유 배향, 함수율, 기공률 등을 일관되게 유지해야 재현성 있는 결과를 얻을 수 있습니다. 다양한 방향의 시편을 준비하여 이방성 특성을 충분히 파악하는 것이 권장됩니다.

• 3. 스트레인 게이지 측정 및 데이터 수집

  스트레인 게이지는 복합재료의 변형을 실시간으로 측정하는 효과적인 도구입니다. 정확한 측정을 위해서는 게이지의 올바른 부착, 신호 조절 장치의 적절한 보정, 환경 노이즈 제거가 필수적입니다. 특히 복합재료는 이방성 특성으로 인해 다양한 방향에 게이지를 배치하여 포아송 비와 전단 변형을 동시에 측정하는 것이 중요합니다. 데이터 수집 시 샘플링 속도, 필터링, 신호 안정성을 고려하여 신뢰성 있는 결과를 확보해야 합니다. 온도 변화에 따른 영향도 고려하여 보정하면 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 4. 복합재료 물성 측정 결과

  복합재료 물성 측정 결과는 재료의 설계 및 응용 분야 결정에 직접적인 영향을 미치는 중요한 정보입니다. 측정된 탄성계수, 강도, 파괴 변형률 등의 데이터는 이론적 예측과 비교하여 모델의 타당성을 검증하는 데 활용됩니다. 결과 해석 시 시편 간 편차, 제조 결함의 영향, 환경 조건 등을 종합적으로 고려하여 통계적 분석을 수행해야 합니다. 측정 결과가 예상과 크게 벗어나는 경우, 시편 제작 과정이나 시험 조건을 재검토하여 원인을 파악하는 것이 중요합니다. 이러한 데이터는 향후 복합재료 개발 및 최적화의 기초 자료로 활용되므로 정확성과 신뢰성이 매우 중요합니다.