소개
폴리머의 기계적 특성은 섬유를 추가함으로써 개선되는 경우가 많습니다. 그 결과 강성, 강도 및 크리프 계수가 증가하여 많은 정교한 응용 분야를 실현할 수 있습니다. 정적 기계 테스트에서는 다양한 하중 모드(인장, 압력, 전단 또는 굽힘)가 사용되는 반면, 동적 기계 분석(DMA)에서는 샘플 강성이 높기 때문에 거의 독점적으로 굽힘 모드에서 테스트가 수행됩니다. 그러나 고하중 DMA GABO Eplexor® 를 사용하면 이러한 재료도 자주 인장 상태에서 테스트할 수 있습니다. 따라서 이 애플리케이션 노트에서는 인장 모드와 굽힘 모드에서 복합재료의 거동에 대한 차이점을 자세히 설명합니다.
예를 들어, 섬유 부피 비율이 45%인 폴리프로필렌 유리 섬유 복합재를 조사했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 이것은 외부 섬유가 하중 방향에 놓인 [0/90/0/90/0/90/0] 층 구조입니다.
DMA 측정
샘플의 크기는 55 x 10 x 1.8mm이며 인장 및 굽힘이 특징입니다. 측정을 위해 최대 150N의 테스트 하중을 허용하는 강화 인장 샘플 홀더가 사용되었습니다.
테스트는 -100°C ~ +200°C의 온도 범위에서 2K/min의 가열 속도로 수행됩니다. 측정 효과를 극대화하기 위해 시편은 35mm의 자유 길이로 장력을 가하여 클램핑됩니다. 두 테스트 모두에서 0.1%의 동적 변형 진폭은 1Hz의 주파수로 설정됩니다. 그러나 인장 모드에서는 진폭이 프로그래밍 가능한 힘 제한인 150N으로 제한됩니다. 두 테스트 모두에서 동적 힘에 비례하여 작동하는 정적 힘이 프로그래밍됩니다. 굽힘의 정적 힘은 지지대에서 충분한 압축을 보장해야 하므로 굽힘의 비례 계수인 PF는 다소 높게 선택됩니다(PF 장력 1.1, PF 굽힘 1.2, FStat=PF*FDyn).
폴리머 매트릭스 재료의 저장 계수는 -2°C에서 유리 전이를 나타내며, 변곡점으로 인식할 수 있습니다(그림 2). 160°C(추정 시작점)에서 저장 계수가 급격히 감소하고 재료가 부드러워집니다.
거의 모든 온도 범위에서 굽힘(파란색 곡선)의 저장 탄성률이 인장(빨간색 곡선)보다 높다는 것을 알 수 있습니다. 실온(20°C)에서 굽힘에서 측정된 저장탄성계수는 27827MPa로, 인장 상태의 값(20406MPa)보다 30% 이상 높습니다. 이러한 거동은 시편의 비대칭적인 층 구조 때문입니다(그림 1 비교). 구부러진 바깥쪽 섬유가 중앙의 재료보다 훨씬 더 많이 기여하기 때문에 하중 방향의 바깥쪽 섬유가 시료에 강성 효과를 줍니다.
이 효과는 적은 무게로 높은 굽힘 강성을 달성하기 위해 설계에 자주 사용됩니다. 그러나 복합재 재료 테스트에서 이 효과는 굽힘에서 측정된 계수가 엄밀히 말하면 사용된 시편 두께에 대해서만 유효하다는 것을 의미합니다. 반면 인장 모드에서는 개별 섬유에 균일한 하중이 가해지며 전체 시편에 유효한 계수를 결정할 수 있습니다. 따라서 이러한 다른 효과로 인해 후속 하중에 따라 복합재를 테스트하는 것이 좋습니다. DMA GABO Eplexor® 는 이를 위한 모든 가능성을 제공합니다.
시료의 스트레스 상태에 대한 일반 정보
인장과 굽힘의 다른 거동은 시편의 내부 구조로 인한 것이므로 시편에 작용하는 응력은 다음에서 자세히 살펴볼 것입니다. 여기서는 이 맥락과 관련된 세로 방향의 응력에 대해서만 설명합니다. 특히 폴리머 매트릭스와 섬유의 접착의 경우 다른 응력도 관심을 가져야 합니다.
공학 역학에서 시편의 하중은 내부 힘을 기준으로 계산됩니다. 인장 상태에서는 전체 시편에 일정한 정상 힘이 작용합니다. 그림 3은 DMA에 사용되는 세 개의 굽힘 베어링에 대한 내부 힘을 보여줍니다. 여기서 사용된 3점 굽힘의 최대 하중은 중앙 힘 도입 바로 아래에서 발생하고 다른 모든 곳에서는 더 작은 하중이 우세하다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 대칭 4점 굽힘은 하중에 따른 복합재 조사에도 사용됩니다[1].
세로 방향의 내부 응력은 굽힘 모멘트에 정비례하며 시편의 기하학적 구조와 구조에 따라 달라집니다. 따라서 단면에 따라 달라지는 시편의 응력은 시편의 어느 지점에서나 계산할 수 있습니다.
그림 4는 선형 탄성 재료 거동을 가진 균질 재료에서 0.1%의 공칭 변형률에서 위의 예에서 측정된 모듈로 작용할 응력을 보여줍니다. 인장 상태에서는 전체 단면에 일정한 응력이 작용하는 반면, 굽힘 상태에서는 시편이 위쪽은 압축, 아래쪽은 인장 상태로 하중을 받습니다. 따라서 굽힘 시 지정된 변형률과 응력도 항상 외부 섬유의 최대 값을 참조합니다.
그러나 적층 복합재에서는 균질 시편의 경우보다 훨씬 더 복잡한 응력 분포가 발생합니다. 추가 고려를 위해 고전적인 빔 및 라미네이트 이론에 따라 단면적이 휘어지지 않는다고, 즉 종방향 변형이 단면에 균일하게 분포한다고 가정합니다[2].
위의 측정에서는 굽힘과 장력에서 다른 저장 계수가 측정되었습니다. 공학 역학 공식(자세한 내용은 [2] 참조)을 사용하면 두 가지 재료 또는 섬유 방향으로 구성된 알려진 층 구조에 대해 인장 또는 굽힘에서 측정된 계수가 이 두 가지 구성 요소로 어떻게 구성되는지 알 수 있습니다. 따라서 두 측정값을 통해 재료의 두 계수를 결정할 수 있는 두 가지 방정식을 구할 수 있습니다. 이 계산은 위에서 설명한 모델 가정을 기반으로 하며, 지오메트리와 측정값에는 불확실성이 있으므로 이 절차는 원칙적으로 실제 값과 편차가 발생할 수 있습니다. 20°C의 온도에서 하중 방향의 섬유의 저장 계수는 EІІ =38000 MPa이고 하중 방향의 횡 방향의 저장 계수는 EІ =3700 MPa이므로 이 방법으로 계산할 수 있습니다.
그런 다음 이 계수를 사용하여 주어진 변형률에서 시편 단면의 응력을 계산할 수 있습니다. 응력 과정에서 발생하는 점프의 결과는 개별 층의 서로 다른 모듈로 인해 발생하며 섬유 복합재에서 일반적입니다. 또한 응력 진행 과정에서 외부 섬유가 시편의 굽힘 강성에 특히 강한 영향을 미친다는 것이 분명합니다.
결론
복합재를 굽힘 시험할 때는 외부 표면층의 영향이 지배적입니다. 따라서 굽힘 측정 결과를 다른 형상이나 하중 사례에 일반화할 수 없습니다. 반면 인장 모드에서는 시편에 균일한 하중이 가해지며 단면에 대한 평균 모듈만 측정됩니다. 따라서 재료는 항상 향후 적용 분야에 따라 테스트해야 합니다.
DMA GABO Eplexor® 를 사용하면 비교적 단단한 복합재의 굽힘 및 장력을 측정할 수 있습니다. 정적 인장 시험의 경우와 마찬가지로 재료 값은 원하는 대로 장력 상태에서 결정할 수 있습니다. 이를 통해 굽힘 상태에서만 강성 시편을 측정할 수 있는 소형 장비보다 훨씬 더 정밀하고 완전한 재료 특성 분석이 가능합니다.