복합재료 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.

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)와 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.

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.

• ISO 14129, ASTM D3518 및 Airbus AITM1-0002 에 따른 ±45° 라미네이트를 이용한 인장 시험
• ASTM D5379에 따른 V-노치 빔(Iosipescu) 전단 시험
• ASTM D7078에 따른 V-노치 레일 전단 시험

±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.

Iosipescu 및 v-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.

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.

• ISO 14125 및 ASTM D7264에 따른 3점 및 4점 굽힘 시험
• EN 2562, EN 2746 및 ASTM D790에 따른 3점 굽힘 시험
• ASTM D6272에 따른 4점 굽힘 시험

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.

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.

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

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 D7136 및 ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010, Boeing BSS 7260 Type II가 있습니다.

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.

• ASTM D5868, EN 6060 및 Airbus AITM1-0019에 따른 점착부의 접착 강도 (랩 전단 시험)
• ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM1-0009, AITM1-0065 및 AITM1-0067에 따라 라미네이트면에 하중을 가했을 때 볼트나 스터드로 고정한 연결부의 강도 및 베어링 응답 시험
• ASTM D7332 및 Airbus AITM1-0066에 따라 라미네이트면에 수직으로 하중을 가했을 때 잠금장치 풀스루 저항

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.