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복합재료 시험

섬유 강화 복합재료의 기계적 특성을 규명하기 위한 시험법

섬유 강화 플라스틱(FRP)은 설계 관점에서 탁월한 무게별 기계적 특성, 매우 우수한 피로 거동, 우수한 유연성을 보이기 때문에 주로 항공우주, 풍력 에너지, 자동차 부문 및 기타 다양한 산업의 경량 구조에 사용됩니다. 일반적으로 개별 층으로 구성되는 다층 합성 라미네이트는 박벽 구조에 사용됩니다. 섬유 강화의 종류는 연속 섬유 강화 단방향(UD), 면포 및 직조 복합재료부터 불연속 임의 배열 강화 섬유까지 다양합니다.

재료 개발, 재료 적격성 평가 또는 품질 관리를 위한 FRP 재료의 기계적 특성을 규명하거나 복합재료 구조의 배치와 설계를 위한 물성값을 측정하기 위한 복합재료 시험은 많습니다.

  • 단일층의 주요 하중 방향에서 나타나는 기계적 성질과 다층 합성 라미네이트의 해당 물성값은 정적 복합재료 인장 시험, 복합재료 압축 시험, 전단 시험으로 측정합니다.
  • 품질 보증 목적으로는 복합재료 굴곡 시험같은 간단한 정적 시험이나 층간 전단 강도(ILSS)를 측정하는 시험이 주로 사용됩니다.
  • 일반적 층 구조의 FRP 라미네이트의 박리 거동을 이해하기 위해 정적 시험을 수행하여 층간 에너지 방출률을 측정합니다.
  • 충격 후 압축(CAI) 시험은 항공우주 분야에서 사용되는 복합재료 구조와 관련이 있습니다. 이 시험은 충격 하중으로 사전 손상을 입힌 라미네이트의 정적 압축 잔류 강도를 측정하는 데 사용됩니다.
  • 주로 구조 설계에 필요한 기타 정적 시험으로는 베어링 강도와 접착되거나 볼트로 조인 연결부의 강도를 측정하는 시험법이 있습니다.
  • FRP 재료와 복합재료의 피로 거동은 반복 동적 하중을 이용한 시험으로 측정합니다.

복합재료 시험법:

인장 시험 압축 시험 전단 시험 굴곡 시험 ILSS 시험 층간 에너지 방출률 충격 후 압축(CAI) 베어링 강도 피로 시험

복합재료 시험에 대한 추가 정보:

모듈식 시험 시스템 극저온 복합재료 시험 얼라인먼트 서비스 고객 프로젝트

동영상: 복합재료 시험 소개

복합재료 시험 소개에 대한 웨비나 영상:
복합재료 구조의 품질 보증 및 설계를 위한 복합재료 시험에 사용되는 기본적인 시험법과 시험 장비에 관해 자세히 알아보세요.

  • 복합재료 응용분야(3:28 기준)
  • 인장 시험 및 얼라인먼트(15:32 기준)
  • 압축 시험(20:25 기준)
  • 전단 시험(31:07 기준)
  • 굴곡 시험(37:58 기준)
  • ILSS/층간 전단 강도(42:21 기준)
  • 시험 툴을 포함한 정적 시험기(45:26 기준)
  • 연장 및 휨 측정(49:40 기준)

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복합재료에 대한 그 밖의 흥미로운 웨비나 영상

복합재료 인장 시험

복합재료 인장 시험은 인장 모듈러스 및 푸아송 비 탄성 물성값은 물론 섬유 강화 플라스틱의 주요 재료 방향에서의 인장 강도를 측정하는 데 사용됩니다.

  • 복합재료 인장 시험에 가장 일반적으로 사용되는 시험법은 ISO 527-4 및 ISO 527-5, ASTM D3039와 EN 2561 및 EN 2597입니다.
  • 에어버스 공장 규격인 AITM1-0007에는 오픈 홀 인장 (OHT) 시험법과 충전 홀 인장 (FHT) 시험법을 이용한, 홈 없는 다방향 라미네이트 인장 시험과 인장 강도 측정을 위한 노치 인장 시험의 시험 조건이 포함되어 있습니다. 오픈 홀 및 충전 홀 인장 시험은 주로 항공우주 분야에서 오픈 홀 및 충전 홀 인장 하중 조건에서 다방향 라미네이트의 감소 요인을 파악하기 위해 수행됩니다. 오픈 홀 및 충전 홀 인장 강도를 측정하는 기타 규격화된 시험법으로는 ASTM D5766과 ASTM D6742가 있습니다.
복합재 인장 시험
ISO 527-4, ISO 527-5
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복합재 인장 시험
ASTM D3039
다운로드 위치 복합재 인장 시험

복합재료 압축 시험 및 노치 압축 시험

복합재료 압축 시험은 섬유 강화 플라스틱의 압축 모듈러스와 주요 재료 방향에서의 압축 강도를 측정하는 데 사용됩니다. 라미네이트 섬유 방향의 압축 강도가 인장 강도보다 적은 경우가 많고, 인장 및 압축 하중에서 FRP 라미네이트의 파손 모드가 매우 다르기 때문에 복합재료 시험에서 압축 시험이 중요한 역할을 합니다.

복합재료 압축 시험에는 다양한 시험법과 시험 규격을 사용할 수 있어 그로 인해 아래 세 가지 하중 적용 원칙에는 차이가 있습니다.

  • ASTM D695, DIN EN 2850 Type B 및 Boeing BSS 7260 Type III 및 IV에 따른 단부 하중 압축 시험
  • ASTM D3410, ISO 14126 Method 1, DIN EN 2850 Type A 및 Airbus AITM1-0008 시편 A 타입에 따른 전단 하중을 가한 압축 시험
  • ASTM D6641, ISO 14126 Method 2, Airbus AITM1-0008 시편 A 타입에 따른 혼합 하중을 가한 압축 시험

상기 홈이 없는 라미네이트의 압축값을 측정하기 위한 시험법 외에도, ASTM D6484에 따른 오픈 홀 압축 강도 (OHC)ASTM D6742에 따른 충전 홀 압축 강도 (FHC) 측정을 위한 규격화된 합성물 노치 압축 시험이 있습니다.
홈이 없는 라미네이트의 압축 성질과 함께 압축 하중을 받는 다방향 라미네이트에 대해 해당되는 감소 요인을 측정할 수 있습니다. 노치 압축 시험에 대해서는 Airbus AITM1-0008 Type B, Type D, Type C 시편과 Boeing BSS 7260 Type I에 더 자세히 설명되어 있습니다.

복합재료 단부 하중 압축 시험
ASTM D695, DIN EN 2850, BSS 7260
단부 하중 압축: 연속 섬유 강화 복합 재료 물성시험용
다운로드 위치 복합재료 단부 하중 압축 시험
전단 하중을 가한 압축 시험
ISO 14126, ASTM D3410, DIN EN 2850
전단 하중 압축: 섬유 방향의 강도가 낮은 단방향 복합재료와 천 및 다방향 복합재 라미네이트 압축 시험용
다운로드 위치 전단 하중을 가한 압축 시험
결합 하중을 가한 압축 시험
ISO 14126 (Method 2), ASTM D6641, Airbus AITM1-0008
결합 하중 압축: 시편 단면적이 큰 복합재 압축 시편 시험 및 고강도 단방향 탄소 섬유 강화 복합재 라미네이트를 이용한 압축 시험
다운로드 위치 결합 하중을 가한 압축 시험
오픈 홀 압축, 충전 홀 압축, 노치 압축 시험
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 type I, AITM1-0008
구멍이 라미네이트의 압축 강도에 미치는 영향 측정
다운로드 위치 오픈 홀 압축, 충전 홀 압축, 노치 압축 시험

압축 전단 시험

압축 전단 시험은 전단 모듈러스 및 전단 강도와 같은 섬유 강화 플라스틱의 면내 전단 특성을 측정하는 데 사용됩니다. 주요 재료 방향에서 다양한 물성값을 지니는 FRP 재료의 경우, 전단 모듈러스는 반드시 별도의 전단 시험을 통해 측정해야 합니다. 예를 들어, 등방성 재료와 마찬가지로 다른 탄성 물성값에서 계산할 수 없습니다.

전단 특성과 전단 거동의 측정을 위해 다음 세 가지 시험법이 확립되어 있습니다.

±45° 라미네이트를 이용한 인장 시험(면내 전단 시험)에는 인장 시험에 사용하는 것과 동일한 시험 설비를 사용할 수 있습니다. 그러나 전단 변형을 계산하기 위해서는 축변위 외에 횡변위도 반드시 기록해야 합니다.

Iosipescuv-노치 레일 전단 시험에는 노치 시편과 그에 해당하는 시험 고정부가 필요합니다. 이때에는 2축 변형도 측정해야 하며, 여기에는 2축 변형계가 자주 사용됩니다. 또는 디지털 이미지 상관관계 (DIC)를 이용하여 변위를 측정할 수도 있습니다.
두께가 적당한 라미네이트를 사용할 수 있다면 v-노치 전단 시험으로 면외 전단 값을 측정할 수도 있습니다.

IPS 시험(면내 전단)
섬유 방향으로 ±45°에서 인장 또는 압축 시험을 수행하여 생성 및 측정할 수 있습니다.
다운로드 위치 IPS 시험(면내 전단)
V-노치 전단 시험
면내 전단 속성의 특성을 규정하는 데 사용됩니다.
다운로드 위치 V-노치 전단 시험

복합재료 굴곡 시험

시험 설비, 시편 형상과 매칭 절차, 가공 절차, 시험 수행이 비교적 단순하기 때문에 복합재료 굴곡 시험은 품질 보증 부문에서 재료를 빠르게 비교하는 데 자주 사용됩니다. 차이는 3점 및 4점 굽힘 시험에서 발생합니다. 섬유 강화 플라스틱 굴곡 시험의 일반적인 규격화 시험법은 다음과 같습니다.

전체 시험 설비의 강성이 충분하거나 시험 설비의 굽힘성을 시험 소프트웨어에서 측정하여 수정할 수 있다면, 3점 굽힘 시험에서 시험기 이동 거리를 자주 사용할 수 있습니다.
반면, 4점 굽힘 시험을 수행하려면 적절한 변위 측정 시스템을 이용하여 시편 중앙에서 굴절을 측정해야 합니다.

복합재 굴곡 시험
ISO 14125, ASTM D7264, EN 2562, EN 2746
다운로드 위치 복합재 굴곡 시험
3점 굴곡시험 플라스틱
ASTM D790
다운로드 위치 3점 굴곡시험 플라스틱

층간 전단 강도(ILSS)

층간 전단 강도(ILSS)를 측정하는 시험은 섬유 강화 플라스틱에서 가장 일반적으로 수행되는 정적 시험이며 품질 보증에 자주 사용됩니다. 상당히 작은 시편만 필요하고 시험 자체를 빠르고 쉽게 수행할 수 있으며, 시험에서 측정한 최대 하중만 평가 목적으로 유의미하게 사용할 수 있습니다.

ILSS 시험 규격으로는 ISO 14130, EN 2377, EN 2563 및 ASTM D2344가 있습니다.

네 개의 규격 모두 직사각형 모양의 시편을 설명하고 있지만, 시편 길이, 폭, 두께는 그 규격이 다를 수 있습니다. ASTM D2344는 압력 용기나 파이프 벽에서 추출한 시편과 같은 곡선형 시편도 추가로 설명합니다.

ILSS 시험에 사용하는 시험 고정부는 해당 시험 규격에서 지정한 매우 낮은 시험 설비 공차를 충족할 수 있어야 합니다.

층간 전단 강도(ILSS)
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
다운로드 위치 층간 전단 강도(ILSS)

층간 에너지 방출률 측정을 위한 시험

중요 에너지 방출률 및 꾸준한 크랙 성장은 합성 라미네이트의 박리 거동을 이해하기 위한 파괴 역학 시험법을 이용하여 측정됩니다. 시편을 생산하기 위해서는 매우 얇고 접착력이 없는 플라스틱 필름(테플론 필름이 자주 사용됨)을 이용하여 라미네이트의 중심면에 인공 인열을 만들어야 합니다.

크랙 표면에 수직인 인장 하중으로 인해 크랙 성장이 생기는 시험법(Mode I)과 라미네이트 단면의 전단 하중으로 인해 크랙 성장이 생기는 시험법(Mode II)이 가장 일반적으로 수행됩니다. 라미네이트의 크랙 전파를 산출하는 수많은 시험법을 검교정하기 위해 다음과 같이 Mode I과 II를 결합한 추가적인 시험법이 있습니다.

  • ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM1-0005 및 Boeing BSS 7273에 따른 이중 캔틸레버 빔 (DCB) 시험으로서의 Mode I
  • ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM1-0006 및 Boeing BSS 7273에 따른 단부 노치 굽힘 (ENF) 시험으로서의 Mode II
  • ISO 15114 에 따른 교정된 단부 하중 분기(C-ELS) 시험으로서의 Mode II
  • ASTM D6671에 따른 혼합 모드 굽힘(MMB) 시험으로서의 Mode I+II 혼합
에너지 방출률(G)
에너지 방출률은 파괴 역학 물성값에 속하며, 일반적으로 Mode I 및 Mode II에서 측정됩니다.
다운로드 위치 에너지 방출률(G)

충격 후 압축(CAI) 시험

충격 후 압축 (CAI) 시험은 충격 손상 후 라미네이트의 압축 잔류 강도를 측정하는 데 사용하는 시험법입니다. 이 시험법에서는 해당 시험 규격에 지정된 충격 에너지를 이용하여 시험할 시편을 사전 손상시킵니다. 이 방법을 통해 합성 라미네이트의 손상 허용에 관한 결론을 도출하여, 특히 항공우주 산업에서 충격 하중이 가해질 가능성이 있는 복합재료 구조에 대한 안정성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

CAI 시험법으로는 ASTM D7136ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010, Boeing BSS 7260 Type II가 있습니다.

충격 후 압축(CAI)
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010, Boeing BSS 7260 II 타입
이 시험은 항공기나 차량이 암석이나 조류와 충돌하거나 사로고 손상된 경우 발생할 수 있는 손상의 특징을 규정하는 데 사용됩니다.
다운로드 위치 충격 후 압축(CAI)

베어링 강도 및 연결부 강도

섬유 강화 플라스틱 라미네이트 자체의 기계적 물성값 외에 복합재료 구조의 배치 및 설계를 위해 연결부 강도를 측정하기 위한 시험도 수행됩니다.

이 목적으로 사용되는 규격화된 시험법은 크게 세 분야로 나뉩니다.

복합재료 랩 전단 시험
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM1-0019
라미네이트 접착 본드의 강도
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복합재료 피로 시험

합성 라미네이트의 피로 거동을 측정하고 S-N 곡선을 도출하기 위해 반전 인장 하중을 가한 상태에서 동적 반복 시험이 일반적으로 수행됩니다. 규격화된 해당 동적 복합재료 시험은 ASTM D3479와 ISO 13003입니다. ISO 13003은 동적 반복 굴곡 하중을 가한 상태에서의 복합재료 피로 시험을 추가로 설명합니다.

그밖에 규격화된 동적 복합재료 시험법은 다음과 같습니다.

  • ASTM D7615에 따른 오픈 홀 인장 및 오픈 홀 압축 피로 시험
  • ASTM D6115에 따라 Mode I 피로 하중을 가했을 때 층간 크랙 성장 시험
  • ASTM D6873 및 Airbus AITM1-0074에 따른, 볼트 고정식 연결부 피로 시험 및 동적 베어링 응답 시험
  • Airbus AITM1-0075에는 ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, 풀스루, CAI 및 랩 전단 피로 시험 수행에 관한 요약 정보가 포함되어 있습니다.
동적 반복 시험법
시편, 구조적 요소, 부품의 내구성을 측정하는 데 사용됩니다.
다운로드 위치 동적 반복 시험법

복합재료 시험용 모듈식 시험기

규모가 커 시험량이 많은 실험실은 매우 다양한 복합재료 시험법에 사용할 수 있는 다양한 시험기를 사용하고 있으므로 변환 작업을 최소화할 수 있습니다. 다양한 유형의 시험에 필요한 힘 범위에 맞게 개별 시험기를 조절할 수 있습니다. 시험기는 여러 대지만 처리율이 일정치 않거나 높지 않은 경우는 최소한의 기계 전환으로 가능한 한 많은 시험법을 수행할 수 있도록 단일 시험기 장착을 대안으로 채택할 수 있습니다.

ZwickRoell이 개발한 복합재료 시험용 모듈식 시험기 설계는 21가지 시험법과 약 120가지 시험 규격(ISO, EN, ASTM에 더하여 Airbus AITM, Boeing BSS)을 준수하는 100kN 또는 250kN 시험기로 사용할 수 있습니다. 또한 상온에서 섬유 강화 복합재료의 종합 특성을 규명하거나 -80°C~+360°C 온도 범위에서 저온·고온 시험을 수행할 수도 있습니다.

요구조건에 맞는 최적의 솔루션을 찾고 계시다면 ZwickRoell 산업 전문가에 문의하세요.

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필요한 사항에 대해 기꺼이 상담해 드리겠습니다.

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