섬유강화 복합재료

복합재료란?

복합재료나 섬유강화 복합재료는 기존 재료의 특성을 향상시키기 위해 거시적으로 서로 구분되는 두 종류 이상의 소재를 조합한 재료입니다. 대개 섬유 구조를 수지(기지재료)에 묻힌 후 경화하여 제조합니다.

공법들은 대체로 섬유 산업에서 유래합니다. 따라서 이 특정 분야에서 쓰이는 용어는 강화섬유를 직물로 가공하는 과정에서도 사용됩니다. 복합재료의 강도와 강성을 결정짓는 것은 바로 섬유입니다. 정렬된 섬유를 포함하는 재료는 섬유를 포함하지 않은 같은 재료보다 섬유 정렬 방향에서 훨씬 높은 강도를 자랑합니다. 섬유 정렬 방향에 수직으로 힘을 가하는 경우 강성은 뚜렷하게 증가하지 않습니다. 같은 방향에 힘을 가할 시 섬유가 응력을 집중시키는 역할을 하기 때문에 강도는 더 낮아집니다. 실제로 각각 다른 방향으로 정렬된 섬유가 재료에 곧잘 포함됩니다.

다양한 디자인을 실현할 수 있습니다*:

          

         단방향 섬유                                           양방향 섬유                                    단 섬유

아래 그래프는 섬유가 복합재료의 강도에 얼마나 기여하는지를 나타냅니다.

*나노복합재료는 나노미터 범위 내에서 매우 작은 양의 섬유를 강화재료로 사용합니다. 


복합재료는 어떠한 소재로 구성되어 있는가?

가장 흔히 쓰이는 섬유는 다음과 같습니다:

  • 유리 섬유 (GFRP)
  • 탄소 섬유 (CFRP)
  • 아라마이드 섬유 (AFRP)
  • 세라믹 섬유
  • 폴리머 섬유
  • 미네랄 섬유
  • 천연 섬유 (NFRP)

이때 이용되는 수지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 폴리우레탄 수지 등입니다.

복합재료의 적용분야는 무엇인가?

  • 항공우주 산업(비행기 기체, 구동 구성요소, 공기역학적 구성요소 등) 
  • 자동차 산업(차대/샤시 구성요소, 공기역학적 구성요소)
  • 대형 차량(기차, 트럭, 버스)
  • 해운 산업(선체 구조물)
  • 풍력 터빈(회전체 블레이드)
  • 스포츠 용품
  • 기반시설(인프라) 및 건물(건물 수리, GFRP 다리)
  • 의료 공학(보철학, X선 테이블)

복합재료를 사용하는 이유는 무엇인가요?

  • 높은 길이 대 무게 비율, 연비 향상
  • 높은 강도, 우수한 탄성과 굽힘 특성
  • 재료의 자유로운 성형(강도, 강성, 내열성, 내전기성, 형태, 기능)
  • 고온 내성
  • 내화학성
  • 우수한 내부식성

복합재료의 응력 측정을 실시해야 하는 이유는 무엇인가?

복합재료와 구조물의 특성 분석은 사용 시 내구성을 보장하는 데 필요하므로 매우 중요합니다. 특성 분석을 위해 다양한 시험을 실시합니다. 구성요소 변형 측정은 필수입니다. 재료의 응력은 손상의 영향과 내구성을 결정짓는 매우 중요한 요인입니다.

  1. 테스트 벤치용 또는 해당 적용분야에 이용되는 구성요소/구조물의 내구성 매개변수 결정
  2. 표준화된 시편의 물질적 특성 결정. 스트레인 게이지가 쓰이는 복합재료는 매우 다양한 시험 기준이 적용됩니다. 예를 들어, 전형적인 시험의 종류는 아래와 같습니다.
  • 굽힘 시험 (3점, 4점)
  • 인장 시험
  • 전단 시험(층간) Shear tests
  • 랩 시어 강도(Lap shear, 접착 시험)
  • 오픈 홀 / 필드 홀 시험
  • 충격 후 압축
  • 압축 시험
  • 노치 바 충격 굽힘 시험
  • 홀 베어링 시험

복합재료 시험의 도전과제

재료의 구조 거동을 계산하기 위해 매우 정교한 시험 방법과 도구를 사용해야 합니다. 기계적 특성(강도, 탄성계수, 푸아송비 등)은 방향에 큰 영향을 받고, 상당수의 섬유 복합재료가 금속재료와 반대되는 거동을 보입니다. 복합재료는 각각 다른 방향에서 다른 강성을 가집니다(직교이방성).

이러한 재료에 적용했던 이전 계산 방법들은 특수한 경우에만 활용할 수 있습니다(예: Tsai Wu). 금속재 구성요소에 관한 FKM 가이드라인처럼 복합재 구성요소에 관한 보편적인 계산 방법이나 기준은 존재하지 않습니다. 복합재는 적층 구조를 가지고 있기 때문에, 준등방성 라미네이트 사용도 마찬가지입니다. 복합재료 측정용 계산을 실시하는 수많은 방법은 이미 개발되었습니다.

응력 신호를 기계적 응력으로 변화하는 것도 도전과제입니다

 

  • 복잡한 손상/고장 메커니즘

    • 중간 섬유 파손

    • 층간분리

    • 섬유에 평행한 방향으로 균열 발생

  • 일반적으로 관리하기 어려운 Manufacturing tolerances

    • 섬유 방향  

    • 기재재료 상쇄

    • 중간 섬유 화합물

    • 수지 축적

    • 이물질

    • 공극률

    • 다양한 배치 형태

  • 일반 금속재료보다 가격이 더 비쌈 

  • 온도에 민감

  • 자외선에 민감

  • 재활용이 어려움

  • 높은 투자비용(생산)

  • 또한 열탄성 반응도 고려해야 함

  • 열전도율 감소: 복합재료는 일반 재료보다 더 낮은 열전도율을 가짐
  • 열적 계수의 잔류응력 차이(예: 하이브리드 구조물)와 이방성 재료의 거동

복합재료 측정용으로 HBM에서 권장하는 스트레인 게이지는?

시험의 종류에 따라 다릅니다.

  • 정적 시험, 고응력 시험, 쿠폰 시험은 Y시리즈(최대 5% 응력)를 권장합니다.
  • 교대 부하 시험은 M시리즈(최대 1% 응력)를 권장합니다.

전형적인 납땜 온도에서 결정적인 반응을 보이는 복합재료는 HBM의 프리 와이어 Y 스트레인 게이지를 권장합니다.

다른 복합 재료용 스트레인 게이지도 구하실 수 있습니다.

  • 구조·시편 시험에는 선형 스트레인 게이지가 흔히 이용됩니다.

  • 푸아송비 계산시 T로제트가 쓰입니다.

  • 3측정 그리드 로제트도 사용 가능하나, 동종의 재료를 가지고 주된 스트레인·응력 방향을 결정하는 경우에만 권장합니다.

  • 임베이드 LI66 스트레인 게이지도  알고 계신가요?

측정 그리드 길이

스트레인 게이지는 표면 아래 응력을 포함하여 평균 응력을 측정합니다.

적절한 측정 그리드 길이는 시험 대상이 무엇이냐에 달려 있습니다. 복합재료의 응력 측정에 가장 흔히 적용하는 그리드 길이는 6mm에서 10mm입니다.

이론적으로, 스트레인 게이지 선택 시 콘크리트와 같은 법칙이 적용됩니다. 즉 스트레인 게이지 길이는 최소 factor 5 섬유 길이를 초과해야 합니다. 스트레인 게이지의 폭(넓이)도 몇 개의 섬유를 덮을 정도여야 합니다.

국부적인 응력 최대값은 동종이 아닌 재료를 사용할 때 발생합니다. 스트레인 게이지 체인을 적용하여 응력 구배를 계산할 수 있습니다.

섬유 사이의 응력 최대값은 대개 평균 스트레인의 배수가 됩니다. 결과적으로, 스트레인 게이지는 몇 개의 지점에서 과부하에 걸려서 최대 이각에 도달하거나 이를 초과합니다. 그러나 앰프는 훨씬 작은 응력값을 표시합니다. 따라서 스트레인 게이지가 개별 지점에서 과부하에 걸리거나(영구 손상) 게이지를 설치할 수 없게 됩니다. 이러한 문제는 얇은 폴리이미드 필름을 스트레인 게이지와 공작물 사이에 삽입함으로써 해결할 수 있습니다. 필름은 해당 구성요소와 스트레인 게이지 사이에 접착되고, 사전 결합을 실시합니다. 즉 스트레인 게이지 측정 그리드에서 응력 최대값을 “분산”시킵니다. 결과적으로 레이어가 더 두꺼워지므로, 응력이 높은 환경에서만 이 필름을 사용해야 합니다.

스트레인 게이지의 내성

HBM에서는 서서히 냉각하는 재료를 사용 시 1,000옴 스트레인 게이지를 권장합니다. 350옴 스트레인 게이지를 사용할 수도 있습니다. 그러나 이 제품은 스트레인 게이지나 복합재료의 온도가 지나치게 증가하는지 확인하기 위한 용도로 권장합니다.

Excitation 전압

모든 스트레인 게이지는 전압을 열로 변환합니다. 섬유 복합재처럼 전도성이 낮은 재료는 센서나 표면에 있는 구성요소의 발열 상태를 나타냅니다. 안정적인 측정을 위해서는 열 흐름 Q가 인가된 전압 P에 대응해야 합니다.

P = Q

아래 그래프는 서서히 냉각하는 재료에 적용된 350옴 스트레인 게이지 측정 그리드의 발열 과정을 나타냅니다.

금속을 사용하면 측정 지점에 열이 쉽게 발생합니다. 특히 알루미늄의 경우 열 전도율이 높습니다. 복합재는 이보다 훨씬 낮은 열전도율을 가집니다.

발열 후 어느 정도 시간이 지난 후 측정 시스템이 안정 상태에 도달했을 때 복합재료 측정을 시작해야 합니다.

excitation  전압이 5V인 쿼터 브리지에 적용되는 값은 아래와 같습니다.

  • 1,000옴 측정 장비 사용 시 발열 단계는 약 3~4분 지속됩니다.
  • 120/230옴 측정 장비 사용 시 발열 단계는 약 5~6분 지속됩니다.

복합재료처럼 냉각이 잘 되지 않는 소재의 경우, HBM은 2.5V 미만의 낮은 여자 전압 인가를 권장합니다. 여자 전압이 높으면 스트레인 게이지에 계속해서 고온의 열이 발생합니다. 재료 안에 열이 축적될 수도 있습니다. 아래 그래프는 여자 전압(직류)이 0.5V, 2.5V, 5V, 10V일 때 350옴 스트레인 게이지 그리드의 변화를 나타냅니다.

복합재료에 관한 권장사항(숙련자):

  • 냉각이 느리고 열 전도성이 낮은 재료는 0.5V

  • 복합재료 시험 시 1V~2.5V

쿼터 브리지 적용 시 온도 반응 매칭

쿼터 브리지는 장시간 측정 시 온도 변화가 발생하기 때문에, 스트레인 게이지의 온도 반응 매칭을 최적화해야 합니다. 이때 스트레인 게이지의 온도 반응 매칭은 열 응력 신호를 최소화하기 위해 열 팽창 계수에 가장 잘 대응해야 합니다.

제조 공차(섬유 권취, 레이어 생산, 섬유 방향, 제조 공법(자동이나 수동)에 따라 재료의 특성이 달라질 수 있습니다. 따라서 섬유 복합재료의 종류에 따라 대략적인 온도 반응 매칭만 가능합니다.

복합재료 측정 시(α = 0.5 · 10-6/K) 코드번호 6인 스트레인 게이지 사용을 권장합니다. 특정 환경에서는 다를 수 있습니다.

표면 세척

  • 플라스틱에 용제를 사용할 시 주의해야 합니다. 용제를 쓰면 팽창이나 응력에 따른 부식(아세톤 사용 시)이 발생할 수 있습니다. 습도나 응력 부식으로 재료가 팽창할 가능성도 있습니다.
  • 백색 가스와 이소프로필 알코올은 접촉 시간이 짧기 때문에 대체로 큰 영향을 미치지 않습니다.
  • 몇몇 중요한 상황에서는 사전 시험을 항상 실시해야 합니다. 변형 플라스틱 재료가 매우 많기 때문에 분명한 예측을 할 수 없기 때문입니다. RMS1 표면 세척제 사용시에도 마찬가지입니다.
  • 가능하면 표면 세척에 용제를 사용하지 않아야 합니다. 대신 아래와 같은 세척제를 사용할 수 있습니다.
    • 초순수
    • 석유 에테르
    • 비누

표면 거칠기화

  • 측정지점는 다음과 같이 진행하시는 것을 권장합니다. 에머리 천(입자크기 400)으로 표면을 거칠게 하고, 세제를 이용해 세척한 후, 물로 린스합니다. (초순수가 가장 적절합니다.)
  • 이형제와 에폭시 충전재를 제거해야 합니다(입자크기 400).
  • 기능을 활성화시키기 위해 표면을 살짝 거칠게 만듭니다. (표면 접착 특성을 개선)
  • 접착 특성을 향상시키기 위해 표면 플라즈마 활성화도 이용할 수 있습니다.

주의: 하층 섬유에 손상이 가지 않도록 과도한 연마는 자제해 주세요!

접착제 선택과 접착

HBM에서 생산하는 모든 상온 경화 접착제는 스트레인 게이지 설치에 사용될 수 있습니다.

 

섬유가 정렬된 재료의 경우 직교 이방성 거동을 고려하여 스트레인 게이지를 올바르게 정렬해야 합니다.

재료 위에 스트레인 게이지를 정확히 정렬해야 합니다.

Y 시리즈 스트레인 게이지는 접착 전에 고정합니다.

Type 1-LY41-6-350 스트레인 게이지는 전문가가 X60 접착제를 사용하여 CFRP 재료 위에 설치합니다.

강화섬유플라스틱에 스트레인게이지 설치는 일반적인 설치와는 몇 가지 특성으로 구분됩니다.

  • 기계적 특성들은 인식에 따라 좌우됩니다. 그러므로 표준 이론적인 접근은 모듈에 대한 인식 없이는 적용이 불가합니다.
  • 이론적으로, 스트레인 게이지 선택을 위한 동일한 법칙이 적용됩니다: 스트레인 게이지의 길이는 최소 factor 5 섬유 길이를 초과해야 합니다. 게이지의 넓이 또한 몇 개의 섬유를 덮을 정도여야 합니다.
  • 솔벤트로 플라스틱을 취급할 때, 팽창이나 피로 부식이 발생할 수 있습니다. 흰 연기나 이소프로필 알코올은 특히 짧은 접촉 시간으로 중요치 않게 여겨질 수 잇습니다. 그러나, 많은 변성 플라스틱에 대한 명확한 예시가 없으므로, 항상 사전 테스트를 거쳐야 합니다. 이는 RMS1 세척제에도 동일하게 적용됩니다.
  • 다음과 같은 방법을 추천해 드립니다: 사포로 다듬고, 비눗물로 닦으십시오. 깨끗한 물로 헹군 후 물기를 제거하시기 바랍니다.
  • 스트레인 게이지 설치를 위하여 HBM 의 모든 접착제들을 사용할 수 있습니다.
  • 섬유 사이의 피로 최대점이 평균 스트레인의 배가 됩니다. 순서에 맞게 스트레인 게이지는 몇 군데에서 과부하가 걸리며, 최대 이각에 도달하거나 초과되어, 앰프는 작은 스트레인을 디스플레이 합니다. 게다가 스트레인 게이지의 리스트가 독립적인 지점에서 과부하가 걸리거나 또는 설치 실패로 나타납니다. 이러한 문제점은 얇은 캡톤 필름에서 삭제됩니다. 부품과 스트레인 게이지 사이에 필름이 부착되며, 사전에 집중적으로 실행 됩니다.
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