고분자 복합재료는 유리섬유 강화 플라스틱에서 출발하여, 다양한 산업분야에서 구조재료로 활용되고 있다. 최근에는 자동차, 항공 및 철도산업에서 경량화를 위해 다양한 부분에 적용되고 있으며, 친환경 소재로도 널리 사용되고 있다[1-6].
철도산업의 경우, 철도 차량의 고속화에 따라 안전성 확보에 대한 관심이 증대하고 있으며, 환경에 대한 이슈도 중요해짐에 따라 에너지 효율을 높이려는 시도도 이뤄지고 있다. 철도차량 분야에서도 환경과 에너지 효율화 관점의 경량화를 위한 노력이 시도되고 있는데, 이에 대한 해결방안으로 경량 복합소재를 적용하여 기존 금속재료를 대체하고자 하는 것이다. 특히, 고분자 복합소재(polymer matrix composites, PMCs)는 기존 금속 재료에 비해 강도의 저하가 없으면서도 구조물의 경량화가 가능하다는 이유로 철도차량 분야에서도 차체는 물론이며 대차에 대해서도 적용하는 연구가 시도되고 있다[3-6].
이에 본 연구에서는 철도차량의 경량화를 목적으로 대차 프레임에 적용되는 유리섬유로 보강된 고분자 복합재료에 대한 단일축 인장파괴거동에 대한 기계적 특성을 분석하고자 하였다. 특히, 인장파괴 특성 분석을 위해 비파괴 평가 기술을 활용하여 파괴 모드와 파괴 특성에 도움을 얻고자 하였다.
비파괴검사기술은 대상물 표면이나 내부에 존재하는 결함을 탐상하기 위해 사용되는 기술로서 사용 목적에 따라 다양한 종류의 기술이 활용되고 있다[1,7-12]. 최근 재료의 기계적 거동을 비파괴검사 기술을 활용하여 분석하고자하는 시도가 많이 이뤄지고 있다[7-12]. 본 연구에서는 초음파 탐상(ultrasonic testing)과 적외선 열화상(infrared thermography) 기술을 이용하여 고분자 복합소재의 기계적 특성을 평가하고자 하였다. 초음파 탐상 기술은 인장시험 전 시편의 결함상태를 평가하기 위해 적용하였고, 적외선 열화상 기술은 인장시험 동안 시편 표면의 온도변화를 실시간 모니터링 하여 표면의 온도변화와 기계적 특성과의 관계를 분석하기 위해 사용되었다. 따라서 본 연구의 주요목표는 초음파 탐상과 적외선열화상 기술을 활용하여 고분자 복합재료의 인장 파괴 특성분석이며, 비파괴 검사에서 얻은 정보와 기계적 특성과의 상관관계를 분석하고자 하였다. 이에 따른 세부 실험결과를 본 연구에서 소개하고자 한다.
본 연구에 사용된 인장 시험편은 철도차량의 경량화를 목적으로 적용되고 있는 철도차량 대차 프레임용 고분자 복합재료와 동일한 소재이다. E 유리 섬유 (E-glass fiber) 로 보강된 에폭시 기지(epoxy matrix) 고분자 복합재료로 두께 약 3 mm의 판넬 형태의 인장시편을 제작하였다. 시편은 ASTM 규격[13] 에 따라 직사각형 형태의 시편으로 제작되었으며, 시편 가공은 가공동안 생길 수 있는 가공결함을 최소화하기 위해 워터젯가공 방식을 이용하였다. 또한 인장 시험기에 시편을 장착할 때 시편그립 부위의 파단을 방지하기 위해 ASTM 규격에 따라 시편 그립부분에 강소재의 탭을 부착하였는데 인장시편의 형상은 Fig. 1에서 나타낸 바와 같다.
위와 같이 준비된 인장시편을 이용하여 KS 규격(KS B 0802: 2003)[14]에 따라 인장시험을 실시하였으며, 응력증가율에 따라 인장시험기의 하중속도를 조절하였으며, 평균응력 증가율을 3 N/mm2·s로 하여 인장시험을 실시하였다. 인장시험동안 인장시편표면의 온도모니터링 및 표면의 변화를 관찰하기 위하여 초고속 적외선 카메라 (high-speed infrared camera, Cedip Silver 480모델) 를 사용하여 인장시험 전과정을 모니터링 하였다.
초음파 탐상은 비파괴검사 기술 중에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 검사 기술로서, 초음파를 시편에 보내면 직진성을 가지고 내부로 이동하게 되는데, 시편 내의 결함이나 불연속체가 존재하면 그 경계면에서 반사나 굴절하는 성질이 있어, 이러한 특성을 분석하여 재료 내에 존재하는 결함의 형태, 위치 등을 감지할 수 있게 된다[15]. 단일 진동자 탐촉자를 사용하여 결함분석을 수행하는 일반 초음파 탐상에서 더욱 발전되어, 최근에는 일반 초음파 탐상의 넓은 불감대, 낮은 결함 분해능 등의 문제를 개선하기위해 여러 개의 초음파 진동자로 구성하여 다양한 초음파 빔을 생성시켜 결함탐상을 수행하는 위상배열 초음파 검사(phased array ultrasonic testing)가 적용되고 있다[15]. 본 연구에서는 위상배열 초음파 탐촉자를 활용하여 복합재료 시편의 결함분석을 실시하였다. 인장시험 전에 제조 과정이나 시편 가공과정에서 형성될 수 있는 인장 시편 내부의 결함을 분석하기 위하여 위상배열 초음파 탐상을 실시하였다. 올림퍼스사의 OmniScan SX 초음파 탐상기를 이용하여 실험을 수행하였고, 2.25 MHz의 위상배열 탐촉자를 사용하여 시편에 젤을 도포한 뒤 C-scan하였다. 시편의 두께 방향으로 전체적 스캔을 실시하여 시편의 결함에 대한 평가를 실시하였다.
적외선 카메라(infrared camera)를 이용한 열화상기술(thermography)은 물체의 표면에서 방사되는 적외선을 이용하여 물체의 표면 온도 분포를 영상으로 볼 수 있게 하는 기술로서 초기에는 비접촉 온도측정 장비로 이용되었지만, 최근에는 비접촉식, 초고속, 다양한 온도범위에서의 분해능 등과 같은 특성으로 인하여 단순한 온도 측정뿐만 아니라 검출된 적외선을 이용하여 비파괴 진단 및 검사, 고장분석, 응력해석, 의료분야에 이르기까지 다양한 분야에서 응용되고 있다[7-12,16]. 본 연구에서는 고속 적외선 카메라(Cedip 480)를 이용하여 인장시험동안 시편 표면의 온도 분포를 분석하였다. 고속 적외선 카메라의 주요 사양은 320 × 240 픽셀사이즈와 InSb 디텍터(3~5 μm 파장대역)로 구성되어 최대 380 Hz의 속도를 제공한다. 본 연구에서는 고속 적외선 카메라의 속도를 100 Hz로 하여 초당 100프레임의 열화상 이미지를 추출하였으며, 인장시편의 파괴 거동을 0.01초 간격으로 분석하였다.
Fig. 2는 고분자 복합소재 시편의 인장시험 결과를 나타내고 있다. 총 10개의 인장시험을 실시하여 Fig. 2에서는 대표적인 시편의 인장시험 결과를 나타내었다. 인장 시험에서 나타난 결과는 대체로 초기 변형과정에서부터 파괴전까지 직선적인 탄성거동을 나타내고 있으며, 최대 인장 하중 도달 후 바로 파괴에 이르는 탄성 거동만 나타내었음을 알 수 있다. 인장 시험 결과를 유추해 볼 때, 고분자 복합재료의 인장 특성은 유리섬유로 보강이 되었음에도 일반적인 복합재료의 파괴 거동과 달리, 에폭시 기지 재료의 파괴 특성과 유사한 탄성파괴를 보여주었고, 파괴의 시점에서도 취성파괴와 흡사한 모습을 보여주는 것을 감안할 때 최종 파단이 매우 급작스런 패턴으로 이루어졌음을 유추할 수 있다. 또한 기계적 성질에 있어서는 최대 인장강도가 약 360 MPa 정도로 관찰되었고 파괴시점의 변위는 약 2.6 mm 정도가 됨을 알 수 있다.
고분자 복합재 시편에 대한 위상배열 초음파 검사 결과는 Fig. 3에서 나타낸 바와 같다. 위상배열 초음파 탐촉자는 2.25 MHz Phased Array Probe(모델명: 2.25L-8-a10)를 사용하였고, 우선 한 지점의 A-scan결과 (Fig. 3(a))에 따라 복합재 시편의 전체 표면을 스캔하기위해 프로브 엔코더를 부착하여 균일하게 전체 시편의 스캔이 이루어질 수 있도록 하여 C-scan을 진행하였다. 초음파 C-scan 결과는 Fig. 3(b)에 나타낸 바와 같다. C-scan 결과에 나타난 바와 같이 저면 반사 신호(Back wall)가 강하고 C-scan 이미지가 균일함을 알 수 있었는데, 저면 반사 신호가 강한 이유는 전체적인 조직이 조밀하여 초음파의 감쇄가 적기 때문으로 추론된다. 전체적인 C-scan 결과에 나타난 바와 같이 두께 분포가 균일하게 이뤄져 있고, 초음파의 진행에 무리가 없으므로 복합재 층간의 접합이 잘 이루어져 있다고 판단된다. 즉, 시편의 제조 과정이나 가공 과정에서 발생할 수 있는 결함은 발견되지 않고, 전체적으로 결함을 함유하지 않은 안정적인 내부구조를 가지고 있음을 알 수 있다.
초고속 적외선 카메라를 이용하여 인장시험동안 발생하는 열과 이로 인한 시편 표면의 온도변화를 모니터링 하였다. 적외선 카메라를 이용한 목적은 기계적 시험동안 발생되는 열로 인한 시편의 온도변화를 관찰하여 기계적 특성을 분석하고자 함이다. 또한 시편 표면의 온도 측정과 온도변화를 모니터링 하여 시편의 파괴모드와 파괴과정을 추정하고자 하였다.
Fig. 4는 복합재 인장 시편의 적외선 열화상 이미지를 나타내고 있다. 적외선 열화상 카메라의 속도를 100 Hz로 관찰하였으며, 각 열화상 이미지는 0.01초 당 이미지를 나타내고 있다. Fig. 4(a)는 파단 0.01초 전의 이미지를 나타내고, Fig. 4(b)와 4(c)는 파단시점 및 파단 0.01초 후의 이미지를 각각 나타내고 있다. Fig. 4에서는 복합재 시편의 파괴모드를 추정할 수 있는데, 최초 파단 시점인 Fig. 4(b)를 보면 급작스런 파괴임을 알 수 있다. 즉, 파단 0.01초 전 (Fig. 4(a))에는 어떠한 파괴의 징후를 짐작할 수 없으나, 파단시에는 에폭시 기지재료의 균열과 동시에 취성 파괴가 일어나면서 에폭시 파편이 관찰됨을 알 수 있고, 이후 파편의 흩어짐이 계속 이어짐을 볼 수 있다(Fig. 4(c)). 이러한 파괴과정을 볼 때 Fig. 2에서 나타난 인장 시험 결과와도 부합됨을 알 수 있고, 인장 파괴가 매우 급속한 시간동안 취성파괴의 형태로 일어났음을 적외선 열화상 이미지로 분석이 가능함을 알 수 있다.
Fig. 5는 복합재 시편의 열화상 이미지 분석한 결과를 나타내고 있다. 인장 시험후 시편에 대한 열화상 분석을 실시하였으며, Fig. 5(a)는 시편 온도변화 분석을 위한 분석대상 열화상 이미지의 영역 분석결과를 나타내고 있다. 파괴가 일어난 부분에 대한 온도 분석을 실시하였으며, 인장 시험 동안의 온도변화 추세는 Fig. 5(b)에서 나타난 바와 같다. 인장 시험동안 시편의 온도변화는 거의 일정하게 유지되다가 173.19초(Fig. 5(c))에 최종 파단이 일어났으며, 이때 급격한 온도 피크가 관찰되었다. 이는 Fig. 2의 인장시험 결과에서 나타난 것과 유사하며, Fig. 4의 파단과 관련된 열화상 이미지 결과와도 같음을 알 수 있다. 즉, 시험 초기 탄성 영역내에서는 직선적 하중 증가로 인하여 시편의 온도 변화는 관찰되지 않았고, 최종 파단 영역에서 사전의 어떠한 징후 없이 급작스럽고 순간적이며 취성 모드로 파괴가 진행되어 인장 시험이 완료 되었음을 추론할 수 있다. 즉 Figs. 4 and 5의 결과를 종합해 보면 순간적이며 취성모드로 파단이 종료된 파괴모드라는 추측이 가능해 진다.
특이한 것은 인장시험 동안 시편의 온도는 일정하게 유지 되었지만 최종 파단 지점에서는 급작스런 온도상승 피크(최고 69.45°C, Fig. 5(c))가 관찰되었는데 이는 최초 에폭시 기지 균열의 발생과 순식간에 이어지는 균열전파, 파이버의 파단 등으로 인한 파괴에너지의 증가로 인한 결과로 추론된다. 이 부분에 대한 정확한 추측은 향후 전자현미경 등을 이용한 파면 분석을 통해 파괴의 구체적 과정에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
철도 차량의 대차 프레임에 응용되고 있는 고분자 복합소재의 인장 파괴특성을 초음파 탐상 및 적외선 열화상 비파괴평가 기술을 이용하여 분석한 본 연구에서는 다음의 결론이 도출되었다.
(1) 인장시험을 통하여 복합재료의 파괴모드를 예측할 수 있었으며, 탄성영역 내에서 직선적 인장파괴 거동이 관찰 되었다.
(2) 초음파 탐상 기술은 복합재 시편에 대한 두께 균일성 측정이나 내부 결함 존재에 대한 분석에 매우 유용한 기술임을 알 수 있었다. 특히 위상배열 초음파 탐촉자를 사용하여 검사한 결과는 전체적으로 제조 및 가공 과정에서 생길 수 있는 결함의 존재 유무를 분석하는데 적합함을 알 수 있었고, 전반적 복합재 시편의 불량검사에도 효율적으로 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
(3) 적외선 열화상 기술을 이용한 인장시험동안의 온도변화는 시험동안 특이한 온도변화 없이 일정하게 유지되다가 파괴시점에서 파괴에 의한 에너지 증가로 인한 급격한 온도피크가 관찰되었다. 이를 통해 복합재의 인장파괴는 순식간에 기지균열의 발생 및 전파에 따라 일어났으며, 취성모드로 파괴가 진행되었음을 확인할 수 있었다.
(4) 복합소재의 인장파괴특성을 적외선 열화상 분석을 통해 설명할 수 있었으며, 응력-변위 관계에서 예상된 파괴모드가 적외선 열화상 분석을 통해 증명될 수 있었고 이러한 관계를 통해 적외선 열화상 기술이 인장시험의 온도 모니터링에 있어 재료의 변형 및 파괴해석에 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있었다.
(5) 기계적 특성 분석을 위해 다양한 종류의 비파괴 검사 기술을 적용할 경우, 유용한 결과를 얻을 수 있으며, 분석의 신뢰성 향상에도 중요한 기여를 할 수 있음을 알 수 있었다.