KR20210023531A - 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법 - Google Patents

알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법을 제공한다. 상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법은 알루미늄 복합재를 구비하는 시편을 동적 압축 실험 장치에 배치하는 단계; 상기 동적 압축 실험 장치를 이용하여 동적 압축 강도(F) 값을 측정하는 단계; 상기 동적 압축 강도(F) 값으로부터 동적 충격 흡수에너지(E) 값을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 동적 충격 흡수에너지(E)로부터 하기 수학식 1을 이용하여 침투깊이(D)를 산출함으로써, 상기 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하는 단계;를 포함한다.
[수학식 1]
침투깊이(D) = -0.03 × 동적 충격 흡수에너지(E) + 6.38
(여기에서, 상기 침투깊이(D)는 상기 알루미늄 복합재와 맞닿아 있는 몰드의 손상 깊이이고, 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 단위부피당 상기 시편이 받는 충격 흡수에너지 값임)

Description

알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법{Bulletproof performance estimation method for Al composite material}
본 발명은 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 대한 것으로서, 일반적인 탄도 충격 테스트를 이용할 수 없는 경우에도 쉽게 방탄성능을 예측할 수 있는 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 대한 것이다.
금속장갑재에 대한 방탄시험은 판재두께에 따라 소구경 AP(Armor Piercing) 탄(Caliber30, Cailber50, 20㎜ 등) 및 대구경 AP 탄 (90㎜ 등)이 사용된다. 시험탄이 판재를 관통하는 50% 확률에 해당하는 탄속도(V50)를 방탄한계속도(BL; Ballistic Limit)로 정의하여 방탄성능의 지표로서 나타낸다.
방탄시험시 금속장갑재의 관통여부는 방호기준(protection criteria)을 적용하여 판단한다. 이 기준은 시험탄이 판재를 완전히 관통하지 않더라도 파편에 의해 후방에 설치된 입증판재(witness plate)가 손상될 경우 완전관통(CP; Complete Penetration)으로 간주하는 것으로서 장갑재의 파편형성에 의한 인명 및 장비의 손상을 고려한 엄격한 기준이다. 이와 같은 방탄시험절차는 미군사규격(USATECOM TOP 2-2-710) 등에 상세하게 규정되어 있다.
한편, 금속장갑재는 세라믹, 고분자복합재료 등 여타 장갑재와는 달리 방탄성능 평가시 장갑재 자체의 방탄성뿐만 아니라 용접부에 대한 방탄성도 함께 고려되어야 한다. 금속장갑재는 대부분 용접구조물로 사용되는데, 용접이음부는 모재에 비하여 상대적으로 매우 취약하기 때문이다.
H-plate 방탄시험으로 불리는 용접부 방탄시험에 대한 절차는 미군사규격(MIL-STD-1941) 등에 규정되어 있다. H자 형태의 용접비드에 규정된 탄속의 시험탄을 충돌시켜 용접후면에 발생되는 균열길이를 측정하여 평가한다.
그러나, 이러한 방탄시험들은 비용이 많이 들어가서 경제적이지 못하며, 탄도 관리의 복잡성으로 인해, 테스트 진행시 절차 단계가 많으며 시간이 많이 필요한 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서, 홉킨스 법 실험은 실제 방탄시험을 하지 않고서도 비교적 쉽게 재료특성과 단열전단띠 형성에 필요한 임계변형량 등 방탄구조물로서 요구되는 고속변형 특성 인자와의 상관관계를 평가할 수 있어 널리 이용되고 있다.
하지만, 상기 방탄시험의 경우, 어떠한 인자가 어떠한 관계로 방탄성능과 상관관계를 보이는지에 대한 결과는 매우 제한적이어서, 각 소재별 테스트를 모두 진행해서 검토해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 동적 충격 흡수에너지와 탄도 침투깊이의 상관관계를 확인하여 보다 경제적이고, 쉽게 방탄성능을 예측할 수 있는 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법을 제공한다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법은 알루미늄 복합재를 구비하는 시편을 동적 압축 실험 장치에 배치하는 단계; 상기 동적 압축 실험 장치를 이용하여 동적 압축 강도(F) 값을 측정하는 단계; 상기 동적 압축 강도(F) 값으로부터 동적 충격 흡수에너지(E) 값을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 동적 충격 흡수에너지(E)로부터 하기 수학식 1을 이용하여 침투깊이(D)를 산출함으로써, 상기 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하는 단계;를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
침투깊이(D) = -0.03 × 동적 충격 흡수에너지(E) + 6.38
(여기에서, 상기 침투깊이(D)는 상기 알루미늄 복합재와 맞닿아 있는 몰드의 손상 깊이이고, 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 단위부피당 상기 시편이 받는 충격 흡수에너지 값임)
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 동적 압축 실험 장치는 스플릿 홉킨스 바 (Split Hopkinson Pressure Bar test) 장치를 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 서로 비례 관계를 가질 수 있다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 파괴깊이(D)는 서로 반비례 관계를 가질 수 있다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 동적 압축 실험 장치의 변형속도는 2600/s 내지 2800/s의 범위를 만족할 수 있다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 알루미늄 복합재는 알루미늄 기지 내에 세라믹 강화재가 분산된 것을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 있어서, 상기 세라믹 강화재의 분율은 30% 내지 60%의 범위를 만족할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 의하면, 값비싼 탄도 테스트를 수행하지 않더라도, 동적 압축 실험을 통해서 간단하게 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하는 방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실험예에 의한 동적 압축 실험 장치를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 의한 탄도 테스트 장치를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 탄도 테스트 장치에 적용 가능한 시편을 개략적으로 도해하는 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 알루미늄 복합재 시편의 정면 사진과 측면사진이다.
도 6은 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 STS304 모재의 측면사진이다.
도 7은 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 동적 압축 강도에 따른 변형률 그래프이다.
도 8은 도 7의 동적 압축 강도로부터 계산한 동적 충격 흡수에너지 값과 침투깊이 값을 피팅(fitting) 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 의한 준정적 상황에서의 압축 강도로부터 계산한 준정적 충격 흡수에너지 값과 침투깊이 값을 피팅(fitting) 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 의한 샘플을 변형속도에 따른 단열 전단 변형을 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서, 본 발명은 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법에 대한 것으로서, 알루미늄 복합재를 구비하는 시편을 동적 압축 실험 장치를 이용하여 방탄성능을 예측하는 방법을 제공한다. 여기서, 알루미늄 복합재는 알루미늄 기지 내에 세라믹 강화재가 분산된 것을 포함한다. 알루미늄 기지 내에 세라믹 강화재가 포함된 정도에 따라 방탄성능이 달라지게 된다. 알루미늄 기지 내에 상기 세라믹 강화재가 함유되는 일정량이 존재하므로, 알루미늄 복합재가 방탄특성을 갖기 위해서, 세라믹 강화재의 분율은 30% 내지 60%의 범위를 만족해야 한다. 바람직하게는 강화재의 분율은 35% 내지 60%의 범위를 만족해야 하며, 더 바람직하게는 40% 내지 60%의 범위를 만족해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법은 알루미늄 복합재를 구비하는 시편을 동적 압축 실험 장치에 배치하는 단계, 상기 동적 압축 실험 장치를 이용하여 동적 압축 강도(F) 값을 측정하는 단계, 상기 동적 압축 강도(F) 값으로부터 동적 충격 흡수에너지(E) 값을 산출하는 단계 및 산출된 상기 동적 충격 흡수에너지(E)로부터 하기 수학식 1을 이용하여 침투깊이(D)를 산출함으로써, 상기 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하는 단계를 포함한다.
[수학식 1]
침투깊이(D) = -0.03 × 동적 충격 흡수에너지(E) + 6.38
(여기에서, 상기 침투깊이(D)는 상기 알루미늄 복합재와 맞닿아 있는 몰드의 손상 깊이이고, 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 단위부피당 상기 시편이 받는 충격 흡수에너지 값임)
상기 수학식 1을 참조하면, 상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 서로 비례 관계를 가지며, 상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 파괴깊이(D)는 서로 반비례 관계를 갖는다. 위 상관관계는 매우 중요한 요소인데, 예를 들어, 준정적 상황에서는 이러한 상관관계가 나타나지 않는다. 여기에서, 준정적 상황이란, 일반적인 압축시험 테스트를 의미하며, 일반적인 탄도 테스트시 탄도의 이동속도보다 상대적으로 더 낮은 변형속도에서는 상기 수학식 1과 같은 상관관계가 나타나지 않는다.
일반적으로 탄도 충격 시험은 104/s 내지 105/s의 변형속도로 알려져 있다. 탄도 충격 시험 후 알루미늄 복합재 시편은 라디컬 크랙(Radical crack)과 함께 조각나게 된다. 방탄성능을 예측하기 위한 동적 압축 테스트에서는 압축 후, 낮은 변형 속도에서는 주로 전단(Shear) 방향으로 크랙(crack)만 발생하며, 103/s 부터 파쇄(fragmentation)가 활발하게 발생하게 된다.
따라서, 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하기 위해서는, 일정 수준 이상의 변형속도가 유지되어야 한다. 그러나, 변형속도가 너무 빨라도 알루미늄 복합재가 파손되어 방탄성능을 예측할 수 없다. 즉, 동적 압축 실험 장치의 변형속도는 2600/s 내지 2800/s의 범위를 만족해야 한다. 이를 만족하는 동적 압축 실험 장치는 예를 들어, 스플릿 홉킨스 바 (Split Hopkinson Pressure Bar test) 장치를 이용할 수 있으나, 상기 변형속도 범위를 만족하는 압축시험 장치가 있다면 이를 이용할 수 있다.
<실험예>
Φ5㎜ × 5㎜ 크기의 Al7075 모재에 세라믹 강화재가 분산된 알루미늄 복합재를 도 1에 도시된 방탄 테스트 시 재료가 겪는 변형속도와 이력이 유사한 스플릿 홉킨스 바 장치의 빨간색으로 표기된 곳(Specimen)에 배치한 후, 2600/s 내지 2800/s의 변형속도에서 동적 압축 실험을 진행하여 동적 압축 강도 및 동적 충격 흡수에너지를 측정하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중심부에 100㎜ × 100㎜ × 10㎜ 크기의 홈이 형성된 300㎜ × 300㎜ × 20㎜ 크기의 STS304 몰드를 준비하였다. 상기 몰드에 구비된 홈에 상기 실험예 1에 사용된 알루미늄 복합재와 동일한 것을 장입하여 시편을 제조하였다. 이후에 도 3에 도시된 바와 같이, M80 bullet, lead core, Φ7.62 × 51㎜, 9.6g의 발사체를 이용하여, 탄속 700m/s 및 850m/s로 각각 탄도 테스트를 수행하여 알루미늄 복합재의 파괴 깊이 및 STS304 몰드의 침투깊이를 측정하였다. 이 때, 도 2의 Side View에 도시된 바와 같이, 알루미늄 복합재의 위치는 탄도가 날라오는 방향 쪽으로 배치되었다.
<비교예>
상기 실험예 1에 사용된 알루미늄 복합재와 동일한 것을 방탄 테스트 시 재료가 겪는 변형속도가 10-3 인 일반 압축 테스트 장치(미도시)를 이용하여 준정적 압축 실험을 진행하였다. 이하에서, 비교예 2는 준정적 압축 테스트 결과로 이해될 수 있다.
하기 표 1에는 실험예 및 비교예에 사용된 시편의 종류를 정리하였다.
시편 세라믹
강화재		 세라믹
강화재 크기
(㎛)		 세라믹
강화재 분율(%)		 동적압축
강도(MPa)		 충격흡수
에너지
(MJ/㎥)		 복합재
파괴깊이
(㎜)		 모재
침투깊이
(㎜)
실험예 1 SiC 7.9 ± 2.0 54.1 ± 1.5 1355 ± 20 96.8 5.8 3.5
실험예 2 B4C 4.3 ± 1.7 51.7 ± 2.1 1268 ± 113 81.8 6.7 3.8
실험예 3 SiC 30.5 ± 14.1 49.5 ± 2.7 866 ± 43 110.9 8.3 3.2
실험예 4 B4C 38.2 ± 16.2 52.7 ± 2.3 1356 ± 106 124.9 7.5 2.7
실험예 5 SiC
B4C		 8.3 ± 2.0
4.4 ± 1.9		 30.1 ± 1.1
29.2 ± 1.6		 1530 ± 85 160.0 4.9 1.5
실험예 6 SiC 8.1 ± 1.9 11.2 ± 0.4 717 ± 41 148.9 9.0 5.6
실험예 7 SiC 8.3 ± 2.3 29.7 ± 0.9 868 ± 57 111.7 8.7 4.6
비교예 1 SiC 7.9 ± 2.0 54.1 ± 1.5 - 42.2 - 3.5
비교예 2 B4C 4.3 ± 1.7 51.7 ± 2.1 - 45.0 - 3.8
비교예 3 SiC
B4C		 8.3 ± 2.0
4.4 ± 1.9		 30.1 ± 1.1
29.2 ± 1.6		 - 59.6 - 1.5
비교예 4 SiC 30.5 ± 14.1 49.5 ± 2.7 - 43.6 - 3.2
비교예 5 B4C 38.2 ± 16.2 52.7 ± 2.3 - 48.2 - 2.7
표 1에서, 복합재의 파괴 깊이는 측면 기준으로, 복합재의 표면으로부터 충격으로 인해 파괴된 깊이를 측정한 결과이고, 모재 침투깊이는 모재의 표면으로부터 충격으로 인해 파괴된 깊이를 측정한 결과이다. 여기서, 실험예 1 내지 실험예 7 시편의 복합재 파괴깊이 및 모재 침투깊이 값은 변형속도 850m/s에서의 측정 결과값을 나타낸다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 알루미늄 복합재 시편의 정면 사진과 측면사진이고, 도 6은 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 STS304 모재의 측면사진이다.
도 4 및 도 5에 의하면, 700m/s 의 속도로 시편에 충격을 가했을 경우, STS304 모재에는 손상이 전혀 없었고, 알루미늄 복합재만 파괴가 되었다. 반면에, 도 6에 의하면, 850m/s의 속도로 시편에 충격을 가했을 경우, 충격시 알루미늄 복합재가 관통되지는 않았으나, STS304 모재에는 손상이 발생하여 휨이 발생하였다.
도 7은 본 발명의 실험예 시편들의 방탄실험 후 동적 압축 강도에 따른 변형률 그래프이다.
동적 압축 강도(Compressive Stress)로부터 계산된 동적 충격 흡수에너지 결과값은 표 1에 정리되어 있으며, 도 7을 참조하면, 실험예 1 내지 실험예 5 시편에서, 동적 압축 강도, 동적 충격 흡수에너지와 STS304 모재 침투깊이는 서로 반비례 관계인 것을 알 수 있다.
반면, 실험예 6 및 실험예 7 시편은, 세라믹 강화재가 각각 11.2%, 29.7%의 분율로 함유된 시편으로서, STS304 모재의 침투깊이가 4㎜ 이상으로서, 방탄재료로 부적합한 것으로 나타났다. 이로 인해, 알루미늄 복합재를 구현할 경우, 적정량의 세라믹 강화재(알루미늄 기지 내에 세라믹 강화재의 분율이 적어도 30% 이상 되어야 동적 압축 강도 테스트를 통해서 방탄성능 예측 가능함)가 함유되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 도 7의 동적 압축 강도로부터 계산한 동적 충격 흡수에너지 값(Dynamic Strain Energy Density)과 침투깊이 값(Depth of Penetration)을 피팅(fitting) 한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 비교예에 의한 준정적 상황에서의 압축 강도로부터 계산한 준정적 충격 흡수에너지 값과 침투깊이 값을 피팅(fitting) 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 동적 충격 흡수에너지 값과 침투깊이는 서로 반비례 관계를 가지며, 상기 수학식 1의 관계식으로 표현된다. 측정값과 실제 값을 비교해보면, 오차율도 0.98002로 상당히 정확하게 측정됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 수학식 1을 토대로 동적 압축 강도 테스트 수행 결과를 통해, 침투깊이를 예측할 수 있다.
도 9를 참조하면, 변형속도가 10-3으로 압축 평가시 준정적 충격 흡수에너지(Static Strain Energy Density)와 침투깊이(Depth of Penetration) 간 상관관계가 나타나지 않았다. 준정적 압축 조건에서는 방탄 시험 조건과 변형속도 및 열발생 차이로 인해 제한된다. 예컨대, 약 103/s 의 변형속도로 압축시, 열 발생으로 인해 300℃ 내지 500℃ 정도 온도가 상승하게 된다. 실제, 방탄 시험시 500℃ 이상의 열 에너지가 발생하므로 낮은 변형속도에서는 모사가 불가하다.
도 10은 본 발명의 실험예에 의한 샘플을 변형속도에 따른 단열 전단 변형을 보여주는 사진이다.
Strain Rate
(s-1)		 Cracking
of SiCps		 SiCp/matrix Interfacial Debonding Local Deformation
of Al Matrix
10-3 51 41 8
2800 45 25 30
도 10 및 표 2를 참조하면, 일반적인 고속 테스트에서는 단열 전단 변형(adiabatic shear band)이 활발히 발생하며, 방탄 테스트를 수행한 이후의 시편의 경우, 매우 다량의 단열 전단 변형이 관찰되었다. 또, 고속 변형시 열 발생에 의해 녹는 점이 낮은 알루미늄 기지의 경우 멜팅(melting)이 발생하며, 2800/s 변형속도에서 다수 발견되어 방탄 테스트 환경과 유사함을 확인했다. 반면, 저속 변형에서는 알루미늄 기지의 멜팅(melting) 혹은 변형(matrix deformation)이 상대적으로 적게 관찰되었다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 알루미늄 복합재를 구비하는 시편을 동적 압축 실험 장치에 배치하는 단계;
    상기 동적 압축 실험 장치를 이용하여 동적 압축 강도(F) 값을 측정하는 단계;
    상기 동적 압축 강도(F) 값으로부터 동적 충격 흡수에너지(E) 값을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 동적 충격 흡수에너지(E)로부터 하기 수학식 1을 이용하여 침투깊이(D)를 산출함으로써, 상기 알루미늄 복합재의 방탄성능을 예측하는 단계;
    를 포함하는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
    [수학식 1]
    침투깊이(D) = -0.03 × 동적 충격 흡수에너지(E) + 6.38
    (여기에서, 상기 침투깊이(D)는 상기 알루미늄 복합재와 맞닿아 있는 몰드의 손상 깊이이고, 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 단위부피당 상기 시편이 받는 충격 흡수에너지 값임)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 압축 실험 장치는 스플릿 홉킨스 바 (Split Hopkinson Pressure Bar test) 장치를 포함하는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 동적 충격 흡수에너지(E)는 서로 비례 관계를 갖는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 압축 강도(F) 및 상기 파괴깊이(D)는 서로 반비례 관계를 갖는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 압축 실험 장치의 변형속도는 2600/s 내지 2800/s의 범위를 만족하는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 복합재는 알루미늄 기지 내에 세라믹 강화재가 분산된 것을 포함하는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 세라믹 강화재의 분율은 30% 내지 60%의 범위를 만족하는,
    알루미늄 복합재의 방탄성능 예측 방법.
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