복합재료 시험에서 정밀도가 중요한 이유: 글로벌 라운드 로빈 연구를 통한 통찰력
작성자: 닉 에릭슨
탄소 섬유 복합재료와 같은 첨단 재료를 시험할 때, 정밀도는 단순히 있으면 좋은 것이 아니라 안전과 직결되는 문제입니다. 이러한 재료는 오늘날의 항공우주, 자동차, 그리고 에너지 산업에서 필수적입니다. 우리는 이러한 재료에 우리의 생명을 맡기므로, 그 진정한 강도를 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 문제는 다음과 같습니다. 실험실이 ASTM 및 ISO와 같은 국제 표준을 따르더라도 결과는 달라질 수 있습니다. 이유?
최근 단방향 복합재료의 종방향 인장 시험에 대한 라운드 로빈 연구는 그 질문에 답하기 위해 시작되었습니다. Instron을 포함한 전 세계 7개 실험실이 이 야심찬 연구에 참여하여, 6가지 다른 형태의 단방향 탄소 섬유 복합재료 쿠폰을 시험했습니다. 목표는 무엇이었을까요? 이 재료들의 절대 강도를 측정하는 가장 신뢰할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다.
문제: 결과가 왜 달라지는가?
단방향 탄소 섬유 복합재료는 놀랍도록 강하지만, 그 강도를 정확하게 측정하는 것이 반드시 쉬운 것은 아닙니다. 실험실이 ASTM 및 ISO 표준을 따르더라도 결과는 종종 다릅니다. 이러한 차이는 재료, 쿠폰 형태, 장비 또는 다른 요인에 의해 발생하는 것일까요? 이러한 불일치는 비행기, 자동차, 풍력 터빈을 설계하는 엔지니어들에게 중요한 질문을 제기합니다. 라운드 로빈 연구는 그 이유를 밝히고 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻는 방법을 찾아내기 위해 시작되었습니다.
정렬 유지: 신뢰할 수 있는 시험의 핵심
정렬 불량은 복합재료 시험에서 가변성의 가장 큰 원인 중 하나입니다. 이 백서는 매번 정확한 결과를 얻기 위해 필요한 핵심 구성 요소(시스템, 고정 장치 및 정렬 도구)를 분석합니다.
실험: 무엇을 시험했는가
이 연구는 6가지 쿠폰 디자인을 비교했습니다. 세 가지 직사각형(직사각형 테이퍼 및 화살표 모양 탭 포함), 샌드위치(두 개의 외부 유리 섬유 층 사이에 UD 라미네이트가 끼워진 형태), 그리고 버터플라이(얇고 두꺼운 형태)입니다. 모든 샘플은 무작위화되어 참가자들에게 보내지기 전에 동일한 실험실에서 제조 및 절단되었습니다.
목표는 쿠폰 형태 또는 다른 실험실 조건이 강도와 결과 일관성에 영향을 미치는지 여부를 결정하는 것이었습니다. 놀랍게도, 둘 다 큰 요인이 아니었습니다. 실험실 간의 편차는 디자인 간의 편차보다 컸지만, 전반적으로 상대적으로 작았습니다. 진정한 핵심은 기하학적 형태나 실험실이 아니라 세심한 샘플 준비였습니다.
연구자들은 절단 방법이 중요하다는 것을 발견했습니다. 워터젯 절단은 거친 모서리를 만들어 강도를 크게 감소시켰습니다. 대조적으로, 다이아몬드 디스크 톱은 매끄럽고 깨끗한 모서리를 만들어 결함을 최소화하고 일관된 결과를 제공했습니다.
추가 과제: 파단 검증
복합재료 시편은 종종 깨끗하게 파단되지 않고 폭발적으로 부서집니다. 이로 인해 응력 집중이 결과를 왜곡할 수 있는 정확한 게이지 섹션에서 파단이 발생했는지, 아니면 그립 근처에서 발생했는지 판단하기 어렵습니다. 그렇다면 시험을 어떻게 검증할 수 있을까요?
해결책: 고속 카메라 및 비접촉 측정
초당 수천 프레임으로 시험을 촬영함으로써, 연구자들은 파단의 정확한 순간과 위치를 정확히 파악할 수 있었습니다. 고속 카메라는 훌륭한 연구 도구이지만, 일상적인 시험에는 실용적인 해결책이 아니라는 점에 유의해야 합니다.
변형률 측정: 광학식 대 변형률 게이지
전통적으로 많은 연구자들은 복합재료 시험에서 변형률을 측정하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 변형률 게이지 또는 접촉식 신장계를 고려해왔습니다. 그러나 이 연구는 광학식 신장계와 전역 디지털 이미지 상관법(DIC)이 변형률 게이지와 마찬가지로 잘 작동하며, 탄성 계수 측정에서 유사한 표준 편차를 보인다는 것을 발견했습니다.
파단 시 변형률 측정에 있어 변형률 게이지의 한계가 두드러졌습니다. 변형률 게이지를 사용한 시험은 시편 표면의 분할로 인해 게이지의 접촉이 방해되어 파단 횟수가 더 많았습니다. 핵심은 무엇일까요? 광학적 방법은 변형률 게이지만큼 정확할 뿐만 아니라, 종종 더 실용적이고 파단에 덜 취약합니다. 이들은 표면 분할 문제를 피하고 불완전한 변형률 데이터의 위험을 줄여 복합재료 시험에 있어 강력한 선택지가 됩니다.
연구의 주요 권장 사항
- 절단을 완벽하게 하십시오. 다이아몬드 디스크 톱과 같은 정밀 절단 도구를 사용하여 모서리 결함을 피하십시오.
- 비접촉 방식을 사용하십시오. 광학식 신장계는 표면 손상 위험 없이 정확한 변형률 측정을 제공합니다.
- 데이터를 검증하십시오. 최종 파단 전에 초기 응력 강하(> 3%)를 보이는 시험은 시편이 손상되었을 가능성이 높으므로 폐기하십시오.
이것이 중요한 이유
이 연구는 중요한 진실을 강조합니다. 정확한 복합재료 시험은 쿠폰 형태나 실험실보다는 준비와 정밀도에 더 가깝습니다. 이러한 모범 사례를 채택함으로써 엔지니어는 더 안전한 비행기, 자동차, 풍력 터빈을 설계할 수 있으며, 이러한 재료가 실제 조건에서 예상대로 작동하도록 보장할 수 있습니다.
복합재료 시험을 개선할 준비가 되셨습니까?
이 연구는 복합재료 시험을 위한 비접촉식 광학 신장계의 가치를 강조합니다. Instron의 AVE3 고급 비디오 신장계는 고정밀 비접촉 변형률 측정으로 이러한 권장 기능을 제공합니다. 당사의 솔루션을 살펴보고 복합재료 지식 센터에서 더 자세히 알아보십시오.
전체 보고서 읽기:
단방향 복합재료의 종방향 인장 시험을 위한 라운드 로빈 프로그램: 결과, 결론 및 권장 사항
이미지 참조
Fazlali, Babak, et al. “Round-Robin Programme for Longitudinal Tensile Testing of Unidirectional Composites: Results, Conclusions, and Recommendations.” Polymer Testing, vol. 152, Nov. 2025, p. 108974, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142941825002880?via%3Dihub, https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108974. 2026년 1월 15일 접속.
