복합재료 파단면 분석 및 기계적 물성 평가

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

문서 내 토픽

• 1. 복합재료 파단면 분석

  ESEM 기기를 이용하여 탄소섬유 강화 복합재료의 파단면을 관찰 및 분석했다. 시편별로 다양한 배율(30배, 50배, 100배, 500배, 1000배)에서 촬영하여 섬유 파단, 모재 파단, 계면 파단 등을 구분했다. 섬유에서 파단이 발생한 경우 섬유 가닥이 끊어지고 주변에 모재가 붙어있는 형태를 보였으며, 모재에서 파단이 발생한 경우 섬유 주변에 모재가 붙어나오는 현상을 확인했다. 45도 적층각 시편에서는 표면부터 파단이 발생하였고 ply별로 다른 적층각을 확인할 수 있었다.

• 2. 섬유 강화 복합재료의 기계적 물성

  섬유와 모재의 기계적 물성 차이가 복합재료의 전체 물성에 미치는 영향을 분석했다. 섬유에서 파단이 발생한 시편이 모재에서 파단이 발생한 시편보다 영률과 인장강도가 훨씬 우수했다. 적층각 0도 시편의 영률은 156.84 GPa, 인장강도는 1394.27 MPa이었고, 90도 시편은 각각 31.82 GPa, 313.82 MPa로 측정되었다. 이는 섬유가 강화재로서 복합재료의 기계적 물성을 향상시키는 역할을 함을 보여준다.

• 3. 적층각에 따른 복합재료의 파손 거동

  서로 다른 적층각을 가진 시편들의 파손 메커니즘을 비교 분석했다. 0도 시편은 섬유 방향으로 파단되었고, 90도 시편은 섬유 사이의 모재에서 파단이 발생했으며, 45도 시편은 최대 전단응력 방향으로 여러 ply가 각각 파손되었다. 45도 시편의 경우 ply들이 45도 각도차를 가지고 적층되어 있어 ply 간 접합력에 의해 변형률이 더 크게 나타났다.

• 4. 섬유-모재 계면의 결합 특성

  파단면 분석을 통해 섬유와 모재 사이의 결합 상태를 평가했다. 섬유가 뜯겨나간 자리에 갈고리 모양의 전단변형 흔적이 남아있는 경우 모재와 섬유 사이의 결합이 우수함을 의미한다. 반대로 갈고리 모양이 없다면 계면에서 파단이 발생하여 물성이 좋지 않음을 나타낸다. 이러한 계면 특성은 복합재료의 전체 기계적 물성에 직접적인 영향을 미친다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 복합재료 파단면 분석

  복합재료의 파단면 분석은 재료의 파손 메커니즘을 이해하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 주사전자현미경(SEM)과 같은 고급 분석 기법을 통해 섬유 뽑힘, 기질 균열, 층간 박리 등 다양한 파손 모드를 관찰할 수 있습니다. 이러한 분석을 통해 복합재료의 설계 및 제조 공정을 최적화할 수 있으며, 재료의 신뢰성과 수명 예측에 기여합니다. 특히 항공우주, 자동차, 풍력 에너지 등 고성능이 요구되는 산업에서 파단면 분석은 필수적인 품질 관리 도구입니다.

• 2. 섬유 강화 복합재료의 기계적 물성

  섬유 강화 복합재료는 높은 비강도와 비강성으로 인해 현대 산업에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등 다양한 강화 섬유의 선택과 배향에 따라 기계적 물성이 크게 달라집니다. 인장강도, 압축강도, 전단강도, 피로 특성 등을 체계적으로 평가하는 것이 중요합니다. 이러한 물성 데이터는 구조 설계의 기초가 되며, 재료의 최적 활용을 위해 필수적입니다. 앞으로 더욱 우수한 성능의 복합재료 개발이 지속될 것으로 예상됩니다.

• 3. 적층각에 따른 복합재료의 파손 거동

  적층각은 복합재료의 기계적 물성과 파손 거동에 결정적인 영향을 미치는 설계 변수입니다. 0도, 90도, 45도 등 다양한 적층각의 조합을 통해 특정 방향의 강도와 강성을 제어할 수 있습니다. 적층각이 변함에 따라 섬유 방향 파손, 기질 균열, 층간 박리 등 파손 모드가 달라지며, 이는 복합재료의 신뢰성 평가에 중요합니다. 최적의 적층 설계를 통해 재료의 성능을 극대화하고 비용을 절감할 수 있으므로, 이에 대한 연구는 매우 가치 있습니다.

• 4. 섬유-모재 계면의 결합 특성

  섬유-모재 계면의 결합 특성은 복합재료의 전체 성능을 좌우하는 핵심 요소입니다. 강한 계면 결합은 하중을 효율적으로 전달하여 복합재료의 강도와 강성을 향상시키며, 약한 결합은 조기 파손을 초래합니다. 계면 특성은 섬유 표면 처리, 모재의 화학적 조성, 제조 공정 조건 등에 의해 결정됩니다. 계면 전단강도 측정, 미세구조 분석 등을 통해 결합 특성을 평가할 수 있습니다. 우수한 계면 특성을 확보하기 위한 연구는 고성능 복합재료 개발에 필수적입니다.