KR20200093883A - 탄소섬유 강화복합재 시편 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인장시험에 의한 인장강도 측정을 위한 게이지부 및 상기 게이지부 양 측에 형성된 그립부로 구성되고, 상기 게이지부 중 표점부의 두께가 주변 게이지부의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화복합재 시편으로서, 본 발명에 의하면, 인장강도 시험시 그립부에 적절한 가압력을 유지하고 게이지부 파단을 유도하여 정확한 물성 측정이 가능하게 한다.
Description
본 발명은 탄소섬유 강화복합재의 인장시험을 위한 시편과 그 시편을 제조하는 방법에 관한 것이다.
인장시험은 시편을 시험기에 물린 뒤, 축 방향으로 하중을 점진적으로 가하여, 시편이 늘어나다가 결국 파단되게 하여 인장 강도를 측정하는 것이다.
본 발명은 탄소섬유 강화복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)의 인장 물성 시험을 위한 시편에 관한 것이다.
현재 주로 사용되는 CFRP 표준 시편은 도 1과 같고, 제원은 표 1과 같다.
| 섬유 방향 | 너비(mm) | 전체길이(mm) | 두께(mm) | 탭길이(mm) | 탭두께(mm) | 탭 베벨각도(˚) |
| 0˚ | 15 | 250 | 1.0 | 56 | 1.5 | 7 or 90 |
| 90˚ | 20 | 175 | 2.0 | 25 | 1.5 | 90 |
현재 사용되는 CFRP 시편 형상은 일반적으로 직사각형 형태이고, ASTM에서 규정한 시편 규격에 따르면 길이 250mm, 폭 15~25mm의 형태로 되어 있다.
형태가 단순하고 제작이 간편하기 때문에 널리 사용되어 왔으나, 시편 형상이 직사각형 형태이기 때문에 응력의 집중이 발생하여 도 2와 같이 알맞지 않은 형태로 파단이 발생되는 가능성이 매우 높다. 특히 섬유의 적층이 정확히 0˚로 배치되지 않을 경우 직사각형 형태의 시편의 파단 형태가 알맞지 않을 가능성이 농후하다.
이러한 문제로 인해 물성 시험 시 직사각형 형태의 시편을 사용할 경우, 여러 번의 반복 시험을 통하여 알맞은 형태의 파단 형상이 발생하도록 해야 하기 때문에 시편이 낭비되거나 시험 자체가 비효율적일 수 있는 문제가 있다.
또한, 기존의 여러 재료에 대양하게 쓰이는 Dogbone 형태의 시편을 사용할 경우, 도 3과 같이 표점(guage mark)부의 폭 만큼 그립(grip)부에서 횡방향 파단이 발생할 가능성이 높다. 이러한 형태의 파단은 올바른 파단 형상도 아니며 정확한 물성치 측정에 문제가 있을 수 있다.
이와 같이 기존에는 게이지부 파단이 아닌 그립부 파단을 발생시켜서 실제 인장강도보다 작은 값이 측정되어 물성 측정의 주요 오차 발생 원인이 되고 있는 것이다. 이는 CFRP의 높은 인장강도(＞1,600MPa)에 의해 더욱 그러하다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 인장강도 시험시 그립부에 적절한 가압력을 유지하고 게이지부 파단을 유도하여 정확한 물성 측정이 가능하게 하는 탄소섬유 강화복합재 시편 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편은, 인장시험에 의한 인장강도 측정을 위한 게이지부 및 상기 게이지부 양 측에 형성된 그립부로 구성되고, 상기 게이지부 중 표점부의 두께가 주변 게이지부의 두께보다 작은 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 표점부의 상면 및 하면은 상기 주변 게이지부보다 낮은 정도가 동일한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표점부는 상기 주변 게이지부보다 0.5±0.01mm 연삭된 것을 특징으로 한다.
그래서, 상기 표점부의 두께는 10mm 또는 25mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그립부에는 사포(sand paper)가 부착되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법은, 직사각 형태의 탄소섬유 강화복합재 시편의 게이지부 중 표점부의 두께를 연삭하는 단계 및 상기 게이지부 양 측의 그립부에 사포를 부착하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 표점부의 두께를 연삭하는 단계에서의 연삭 정도는 상기 표점부의 상면 및 하면 각각 0.5±0.01mm인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 표점부의 두께를 연삭하는 단계 후 상기 게이지부를 마스킹(masking)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 사포를 부착하는 단계 전, 상기 그립부를 웨트 샌딩(wet sanding)하는 단계 및 상기 그립부에 접착제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 강화복합재 시편 및 그 제조 방법에 의하면, 인장강도 시험시 그립부에 적절한 가압력을 유지하고 게이지부 파단을 유도함으로써, 오차를 줄이고 정확한 물성 측정이 가능하도록 한다.
도 1은 기존의 탄소섬유 강화복합재 시편을 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 기존 탄소섬유 강화복합재 시편에 의한 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법을 순서적으로 나타낸 것이다.
도 7은 그립탭 재료에 따른 인장강도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 시편에 의한 인장강도 시험의 게이지부 파단 여부를 나타낸 것이다.
도 9는 기존 CFRP 시편에 의한 인장시험 결과이다.
도 10은 본 발명에 의한 CFRP 시편에 의한 인장시험 결과이다.
도 2 및 도 3은 기존 탄소섬유 강화복합재 시편에 의한 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법을 순서적으로 나타낸 것이다.
도 7은 그립탭 재료에 따른 인장강도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 시편에 의한 인장강도 시험의 게이지부 파단 여부를 나타낸 것이다.
도 9는 기존 CFRP 시편에 의한 인장시험 결과이다.
도 10은 본 발명에 의한 CFRP 시편에 의한 인장시험 결과이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편을 개략적으로 도시한 것이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법을 순서적으로 나타낸 것이다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편 및 그 제조 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 시편은 인장강도가 1,600MPa 이상의 탄소섬유 강화복합재를 위한 시편으로서, 시편은 평면상 직사각 형상을 가지며, 인장강도 측정을 위한 게이지부(10)와, 게이지부(10) 양 측으로 그립부(20)로 구성됨으로써, 시험기가 그립부(20)를 파지하여 시편이 파단될 때까지 늘려서 시험하게 된다.
본 발명은 탄소섬유 강화복합재(CFRP) 인장시험시 게이지부(10)가 아닌 그립부(20)에서 파단이 발생하는 확률을 줄이기 위해서, 도 4와 같이 게이지부(10) 중 표점부(11)의 두께가 주변 게이지부(10)의 두께보다 작도록 제조한다.
그리고, 도시의 측면 형상과 같이 표점부(11)의 상하면을 동일한 두께로 연삭함으로써 주변 게이지부(10)보다 낮게 형성시킨다.
그래서, 도시와 같이 표점부(11)의 두께(W)는 적층 구조가 0˚인 시편의 경우에는 10mm, 적층 구조가 0˚가 아닌 시편의 경우에는 25mm가 되도록 한다.
이를 위해, 표점부(11)의 연삭 정도(d)는 0.5±0.01mm인 것이 바람직하다.
본 발명은 표점부(11)의 연삭 정도(d)를 0.5±0.01mm로 함으로써 섬유가 정확히 0˚로 분포되어 있지 않았을 경우를 고려하는 것이다.
만약 이 범위 이상을 연삭 적용하면, 표점부의 폭만큼 그립부에서 횡방향 파단이 발생할 수가 있기 때문에 부적합하며, 표점부의 폭은 0.01mm 이내로 균일하도록 제작하여 불균일한 시편 폭에 따른 응력 집중을 방지한다.
본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편의 제조 방법은 도 5를 참조하면, 먼저 70mmㅧ150mm 크기의 직사각 형태의 시편을 워터젯 가공으로 추출하고, 고무테이프 등을 이용하여 게이지부(10)를 마스킹(masking)함으로써, 접착제의 오염 및 작업 과정 중 손상을 방지할 수 있도록 한다.
그리고, #1,200 사포를 이용하여 그립부(20)를 웨트 샌딩(wet sanding) 처리한다. 이는 광택을 제거하여 이후 사포를 접착시 접착력을 상승시켜 주며, 섬유에 손상을 주지 않을 정도로 연마하는 단계이다.
다음 도 6과 같이 접착시 시편을 가압할 지그(zig)를 준비하고, 압축할 부위에 폴리우레탄(pu)을 부착하여, 접착 부위에 가압력이 고르게 분포되게 한다.
그리고, 시편의 그립부(20)에 접착제를 고르게 바른 후 사포(30)를 부착시킨다.
그리고, 볼트(b)를 이용하여 시편을 가압하고, 60℃ 가량 고온 챔버에서 접착제를 큐어링(curing)한다.
이 후, 밴드소우(band saw) 및 연삭기를 통해서 시편 제작을 완료한다.
이상과 같이, 본 발명은 그립부(20)에 사포를 적용한 그립탭(30)을 형성시키는데, 그립탭의 유무에 따라서도 인장강도 측정 결과는 달라지게 되며, 도 7은 그러한 그립탭 재료에 따른 인장강도 측정 결과를 도시한 것이다.
도시와 같이, 그립탭이 없을 경우 1,024MPa 정도의 인장강도가 측정되며, CFRP를 사용할 경우 1,298MPa에서 1,517MPa 정도의 인장강도가 측정된다.
그리고, GFRP를 사용할 경우에는 1,672MPa 정도로 측정되며, 본 발명과 같이 사포를 사용할 경우1,745MPa 정도의 인장강도가 측정되는 것을 확인할 수가 있다.
따라서, 같은 재료인 경우에 인장강도가 높게 측정될수록 신뢰할만한 값이 되므로, 본 발명과 같이 사포를 적용할 경우 가장 신뢰할만한 인장강도 시험이 가능함을 알 수 있다.
또한, 적용되는 사포는 #60, 접착제는 구조용 에폭시 접착제인 것이 보다 바람직함을 알 수 있었다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 10개의 탄소섬유 강화복합재 시편의 인장강도 시험시 게이지부 파단 여부 결과이다.
도 10과 함께 참조하면, 10개의 시편 중 4개의 시편에서 게이지부 파단(gauge section failure)이 발생하여, 게이지부 파단 발생 확률이 기존에 비해 가장 높음을 알 수 있다.
기존에는 도 9와 같이 게이지부 파단 확률은 20% 정도 수준으로 매우 낮았으므로, 본 발명에 의하면 기존에 비해 약 2배 가량 성공률이 증가함을 확인할 수 있다.
그리고, 게이지부 파단이 발생한 경우의 최대 인장 강도 평균은 1,745MPa(1,694MPa~1,769MPa)로, 기존의 시편에 비해 게이지부 파단시 UTS가 균일한 특징을 가진다.
이상과 같이 본 발명에 의한 탄소섬유 강화복합재 시편은 형상 변경을 통해 게이지부 파단 확률을 높임으로써 CFRP 시편의 인장강도 시험의 성공률을 보다 높일 수가 있다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10 : 게이지부
11 : 표점부
20 : 그립부
30 : 사포
11 : 표점부
20 : 그립부
30 : 사포
Claims (9)
- 인장시험에 의한 인장강도 측정을 위한 게이지부 및 상기 게이지부 양 측에 형성된 그립부로 구성되고,
상기 게이지부 중 표점부의 두께가 주변 게이지부의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편. - 청구항 1에 있어서,
상기 표점부의 상면 및 하면은 상기 주변 게이지부보다 낮은 정도가 동일한 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편. - 청구항 2에 있어서,
상기 표점부는 상기 주변 게이지부보다 0.5±0.01mm 연삭된 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편. - 청구항 3에 있어서,
상기 표점부의 두께는 10mm 또는 25mm인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편. - 청구항 2에 있어서,
상기 그립부에는 사포(sand paper)가 부착되는 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편. - 직사각 형태의 탄소섬유 강화복합재 시편의 게이지부 중 표점부의 두께를 연삭하는 단계; 및
상기 게이지부 양 측의 그립부에 사포를 부착하는 단계를 포함하는,
탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 표점부의 두께를 연삭하는 단계에서의 연삭 정도는 상기 표점부의 상면 및 하면 각각 0.5±0.01mm인 것을 특징으로 하는,
탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 표점부의 두께를 연삭하는 단계 후 상기 게이지부를 마스킹(masking)하는 단계를 더 포함하는,
탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 사포를 부착하는 단계 전, 상기 그립부를 웨트 샌딩(wet sanding)하는 단계; 및
상기 그립부에 접착제를 도포하는 단계를 더 포함하는,
탄소섬유 강화복합재 시편 제조 방법.
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