KR101390461B1 - 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 재료의 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행할 수 있는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기를 개시한다. 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기는 상부에 위치하며 고분자 재료로 제작된 크리프 시험용 복수의 시험편들과 응력완화 시험용 시험편이 동일한 공간의 내부에 위치되는 가열로와, 크리프 시험용 복수의 시험편들을 고정하고 시험편들에 대하여 크리프 시험을 수행하는 크리프 시험장치와, 응력완화 시험용 시험편을 고정하고 시험편에 대하여 응력완화 시험을 수행하는 응력완화 시험장치로 이루어진다. 크리프 시험장치는 시험편을 고정하는 한쌍의 상부 그리퍼 및 하부 그리퍼와, 하부로드에 의하여 하부 그리퍼와 연결되어 하부 그리퍼에 직접 하중을 가하는 하중추로 이루어져 있다. 본 발명에 따라, 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행하여 고분자 재료의 내구성능을 저비용 및 고효율로 시험할 수 있으며, 또한, 동일한 환경하에서 크리프 시험과 응력완화 시험을 하게 되어 고분자 재료의 기계적 특성을 정확히 파악함으로써 내구수명 예측의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기{Creep and Stress Relaxation Tester for Polymer Materials}
본 발명은 크리프 및 응력완화 시험기에 관한 것으로, 보다 상세히는 고분자 재료의 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행할 수 있는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 크리프는 재료에 일정하중이나 응력을 특정한 온도에서 장시간 유지하면 시간이 경과함에 따라 추가적인 스트레인이 발생하게 되는 현상을 말하며, 특히 가스터빈, 로켓엔진과 같이 고온에서 운전되는 것에는 설계시 크리프 현상에 대하여 반드시 고려되어야 한다. 한편, 점탄성 물체에서는 변형을 주어 이것을 일정하게 유지하면 응력이 시간이 경과함에 따라 감소하는 현상이 발생하며, 이러한 현상을 응력완화라고 하며, 특히 고무등의 점탄성 재료에 대하여는 설계시 응력완화현상에 대한 사항이 검토되어야 한다.
최근, 다양한 산업분야에서 고분자 재료의 사용이 증가하고 있다. 따라서, 고분자 재료의 특성을 파악하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 고무 부품의 내구성능 향상에 대한 연구가 크게 주목받고 있다. 고분자 부품의 설계에서 가장 핵심적인 사항이 내구성능 향상이다. 또한, 경량화 및 조립성능 향상을 목적으로 종래의 개별 부품들을 모듈화한 부품들이 활발하게 개발되어 적용되고 있으므로 고분자 부품의 내구성능 향상은 반드시 선행되어야 할 문제로 인식되고 있다. 따라서, 초기 설계단계에서 고분자 부품의 내구수명을 예측하여야 한다. 그에 따라, 고분자 재료의 기계적 특성을 파악하기 위한 크리프 시험과 응력완화 시험은 매우 중요한 의미를 갖는다.
종래의 크리프 시험장치의 일례로, 특허공개공보 제 2001-102724호('인용문헌1'이라 함)에는 6개의 시험편들에 대하여 수행하는 크리프 시험장치가 개시되어 있다. 이 장치는 6개의 시험편들을 60도의 등각도로 설치하고, 시험편들에 대응하도록 6개의 로드 셀(14)과 6개의 레버 암(12)을 이용하여 시험편들에 하중을 가하고 있다.
한편, 엘라스토머라 불리는 탄성중합체인 고분자 화합물의 압축 응력 완화 특성을 측정하는 장치가 특허공개공보 2009-111381호('인용문헌 2'라함)에 개시되어 있다. 이 측정장치는 시험편(M)에 압축응력을 가하고 고온 고압의 가혹한 환경에서 사용되는 엘라스토머 소재의 장기 성능을 평가하고 있다.
더욱이, 본 발명에 사용되는 고분자 재료, 특히 고무의 경우 대변형, 비압축성, 초탄성, 점탄성 등의 특성을 가진다. 또한, 규격화된 재료가 존재하지 않음으로 인하여 재료 시험은 스틸 재료에 비하여 빈번하고 다양하게 수행되고 있으며, 고분자 재료의 경우는 그 특성을 평가하기 위하여 크리프 시험과 함께 응력완화 시험이 중요한 의미를 갖는다.
그러나, 상기 인용문헌 1은 도르래비를 이용한 간접 하중 전달방식에 의하여 누적된 오차를 포함하여 결과값에 대한 정확도가 낮으며, 그에 따라 특히 작은 하중에도 큰 변형이 발생하는 고무 재료의 측정에 적합하지 않는 문제점이 있다. 상기 인용문헌 2는 고분자 화합물의 압축응력의 응력완화 시험에 관한 기술로, 크리프 시험과 함께 고분자 재료의 특성 평가에 필요한 인장응력의 완화시험을 수행할 수 없으며, 또한 크리프 시험은 전혀 수행할 수 없는 단점이 있다.
고분자 재료 특히 고무 재료의 경우 영구변형, 내구성 등의 특성을 평가하기 위하여 동일한 조건하에서 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행하고 정확히 평가할 수 있는 시험기의 개발이 매우 필요한 상황에 있다.
한편, 종래에 있어서 시험편의 고정을 위하여 엑츄에이터 시스템을 이용한 그립방식을 채택하고 있으나, 그립이 완료된 후에 고무의 특성으로 인하여 그립부가 고정되지 않고 밀리게 되어 오차가 크게 발생하고 누적되어 시험의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 지적되고 있다.
이와 같이 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행할 수 있는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 시험편들을 밀림 오차를 최소화하여 시험편의 특성을 정확하게 수행할 수 있는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기는, 상부에 위치하며, 고분자 재료로 제작된 크리프 시험용 복수의 시험편들과 응력완화 시험용 시험편이 동일한 공간의 내부에 위치되는 가열로와; 크리프 시험용 복수의 시험편들을 고정하고 시험편들에 대하여 크리프 시험을 수행하는 크리프 시험장치와; 응력완화 시험용 시험편을 고정하고 시험편에 대하여 응력완화 시험을 수행하는 응력완화 시험장치로 이루어지고, 크리프 시험장치는 시험편을 고정하는 한쌍의 상부 그리퍼 및 하부 그리퍼와, 하부로드에 의하여 하부 그리퍼와 연결되어 하부 그리퍼에 직접 하중을 가하는 하중추를 포함한다.
본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기는 크리프 시험과 응력완화 시험을 동시에 수행하여 고분자 재료의 내구성능을 저비용 및 고효율로 시험할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 동일한 환경하에서 크리프 시험과 응력완화 시험을 하게 되어 고분자 재료의 기계적 특성을 정확히 파악함으로써 내구수명 예측의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기의 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기의 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기의 크리프 시험장치의 정면도,
도 4는본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기의 응력완화 시험장치의 측면도,
도 5는 도 3의 A부분의 확대사시도,
도 6a와 도 6b는 각각 본 발명에 따른 크리프 및 응력완화 시험기에 의하여 측정된 노멀라이즈드 크리프 컴플라이언스와 응력완화 모듈러스를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 본 실시예에서는 고분자 재료로 고무가 사용된다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예의 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기는 주요 부분으로 가열로(20)와, 동일한 구성의 4개을 갖는 크리프 시험장치(30)와 1개의 응력완화 시험장치(40)로 이루어져 있다.
가열로(20)는 시험기의 프레임(10)의 상부 중앙에 배치되어 있다. 가열로(20)에는 시험편들(Mc, Ms)이 위치하게 되며, 가열로(20)는 최대 200도의 분위기 온도까지 유지되도록 설계되었으며, 본 실시예서는 70도에서 시험을 수행하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 크리프 시험장치(30)는 시험편(Mc)을 고정하는 상부그립퍼(31)와 하부그립퍼(32)를 구비하고 있다. 도 5를 참고하면, 시험편(Mc)의 상단은 상부그립퍼(31)에 끼워 넣어지고, 시험편(Mc)의 하단은 하부그립퍼(32)에 끼워 넣어진다. 상부 그립퍼(31)과 하부 그립퍼(32)에 끼워 넣어진 시험편(Mc)은 볼트들(31a, 32a)을 상부 그립퍼(31)와 하부 그립퍼(32)에 체결함으로써 조여진다. 따라서, 고무 시험편(Mc)은 밀리지 않고 견고하게 고정된다. 상부 그리퍼(31)는 상부로드(33)에 연결되고, 상단의 상부 고정구(35)는 상측의 프레임(10)에 고정된다.
하부 그립퍼(32)는 하부로드(34)에 연결되고, 하부로드(34)의 중간에 받침대(36)가 위치한다. 받침대(36)에는 하중추(37)가 놓여지고, 하중추(37)의 하중이 하부로드(34)를 통하여 하부 크립퍼(32)를 하방으로 잡아 당김으로써 시험편(Mc)에 인장하중이 작용하게 된다. 크리프 시험장치(30)의 최하단에는 변위측정 센서(38)가 마련되어 있고, 변위측정 센서(38)는 프레임(10)의 하부에 고정되어 있다. 이 변위측정 센서(38)는 막대 타입의 롱트레블 익스텐소미터(Long Travel Extensometer)를 사용하고, 최소 0.01mm의 변위 변화를 감지할 수 있도록 하였다.
본 실시예에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 크리프 시험장치(30)를 4개 설치하고 있다. 일반적으로 만능재료시험기(UTM : Universal Testing Machine)는 장시간 시험측정이 어려울 뿐만 아니라 더욱이 하나의 시편만을 측정할 수 있다 한편, 고무 재료는 민감성이 크기 때문에 단일 시험편의 시험만으로는 신뢰성을 확보할 수 없다. 따라서, 본 실시예에서는 복수의 바람직하기로는 4개의 시험편을 동시에 시험한다.
다음으로, 도 4를 참고하면, 응력완화 시험장치(40)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 크리프 시험장치(30)의 우측에 설치된다. 응력완화 시험용 시험편(Ms)은 크리프 시험용 시험편(Mc)와 마찬가지로 가열로(20)에 위치한다.
응력완화 시험장치(40)는 시험편(Ms)을 고정하는 상부그립퍼(41)와 하부그립퍼(42)를 구비하고 있다. 시험편(Ms)의 상단은 상부그립퍼(41)에 끼워 넣어지고, 시험편(Ms)의 하단은 하부그립퍼(42)에 끼워 넣어진다. 상부 그립퍼(41)과 하부 그립퍼(42)에 끼워 넣어진 시험편(Ms)은 볼트들(41a, 42a)을 상부 그립퍼(31)와 하부 그립퍼(32)에 체결함으로써 조여진다. 따라서, 고무 시험편(Ms)은 밀리지 않고 견고하게 고정된다. 상부 그리퍼(41)는 상부로드(43)에 연결되고, 상단의 상부 고정구(35)는 상측의 프레임(10)에 고정된다. 도시하지는 않았으나, 상부 고정구(35)에는 시험편(Ms)의 응력변화를 감지하는 로드 셀이 착탈가능하게 설치된다.
하부 그립퍼(42)는 하부로드(44)에 연결되고, 하부로드(44)는 인장하중을 받도록 변위제어 핸들(46)과 작동적으로 연결되어 있다. 본 실시예에서는 변위제어 핸들(46)에 의하여 시험편(Ms)에 인장하중을 인가하고 있으나, 변위제어 핸들(46)에 의한 인장하중의 구성은 다른 인장하중 인가구성으로 대체될 수 있다.
가열로(20)의 내부는 연통되어 있어 크리프 시험용 시험편(Mc)와 응력완화용 시험편(Ms)는 동일한 분위기 조건을 갖게 되어 초기 조건이 일치한다. 따라서, 크리프 시험과 응력완화 시험이 동일한 조건하에서 수행됨으로써, 크리프 시험의 결과와 응력완화 시험의 결과를 비교하여 시험편의 결과 데이터를 실시간으로 신속하고 정확하게 얻고 재료의 특성을 명확히 평가할 수 있게 된다.
도 6a와 도 6b는 동일한 조건하에서 크리프 시험과 응력완화 시험에 따라 얻어지는 노멀라이즈드 크리프 컴플라이언스(Nomalized Creep Compliance : NCC)와 응력완화 컴플라이언스(Stress Relaxation Modulus : SRM)의 그래프로 도시하고 있다. 도 6a의 노멀라이즈드 크리프 컴플라이언스는 응력/변형률을 나타내는 것으로 고정된 응력에서 변형이 얼마나 되는 지의 척도를 알수 있다. 도 6b의 응력완화 컴플라이언스는 변형률/응력을 나타내는 것으로 노멀라이즈드 크리프 컴플라이언스와 마찬가지로 변형의 척도를 알 수 있다. 두 그래프의 수치는 이론적으로 역수의 변환이 가능하다. 도 6a와 도 6b의 그래프는 각각 초기의 컴플라이언스 값과 모듈러스 값으로 나누어 초기값을 1로 설정하였고, 무차원으로 나타낸 값이다. 크리프 시험을 통한 노멀라이즈드 크리프 컴플라이언스와 응력완화 시험을 통한 응력완화 모듈러스를 비교함으로써 자체적으로 시험의 신뢰성을 평가할 수 있다. 두 그래프를 통하여, 크리프 컴플라이언스와 응력완화 모듈러스의 두 값이 대략 반대의 대칭적인 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 이에 따라, 고무 재료의 점탄성 거동을 정확하고 신뢰성있게 평가하고 예측할 수 있게 된다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 프레임 20 : 가열로
30 : 크리프 시험장치 40 : 응력완화 시험장치

Claims (3)

  1. 상부에 위치하며, 고분자 재료로 제작된 크리프 시험용 복수의 시험편들과 응력완화 시험용 시험편이 동일한 공간의 내부에 위치되는 가열로와;
    상기 크리프 시험용 복수의 시험편들을 고정하고 상기 시험편들에 대하여 크리프 시험을 수행하는 크리프 시험장치와;
    상기 응력완화 시험용 시험편을 고정하고 상기 시험편에 대하여 응력완화 시험을 수행하는 응력완화 시험장치로 이루어지고,
    상기 크리프 시험장치는 시험편을 고정하는 한쌍의 상부 그리퍼 및 하부 그리퍼와, 하부로드에 의하여 상기 하부 그리퍼와 연결되어 상기 하부 그리퍼에 직접 하중을 가하는 하중추를 포함하는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 시험편들은 상기 상부 그리퍼 및 하부 그리퍼에 끼워지고 볼트에 의하여 고정되는 고분자 재료의 크리프 및 응력완화 시험기.
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