복합 재료 테스트 기술 가이드

작성자: Alan Thomas, 마케팅, ZwickRoell UK

기존 소재와 비교하여 고급 복합 소재는 중량 대비 강도가 향상되고 부품의 내구성이 향상되는 등의 이점을 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 재료를 제조 공정에 도입하기 전에 철저한 테스트를 거쳐 성능을 검증해야 합니다.

까다로운 응용 분야에 사용하기 위한 복합 재료의 특성을 완전히 특성화하려면 다양한 기계적 테스트를 수행해야 합니다. 기계적 특성을 결정하려면 인장, 압축 및 전단 테스트가 필요합니다.

인증 및 재료 개발에서는 개방형 인장/압축, 층간 파괴 인성, 충격 후 압축 및 피로와 같은 보다 복잡한 특성을 결정하기 위해 다른 테스트가 사용됩니다. 높은 습도나 액체 침수와 같은 다양한 환경 조건에서 조절된 샘플에 대해 다양한 온도 범위에서 테스트를 수행해야 합니다.

항공우주 응용 분야용 복합재 테스트는 가장 까다로운 테스트 영역 중 하나입니다. 항공우주 응용 분야에 대한 복합재 테스트를 수행하는 실험실은 다음과 같은 중요한 과제에 직면해 있습니다. 테스트가 광범위한 표준을 준수하여 수행되도록 보장합니다. 그립과 고정 장치의 정확한 정렬과 테스트 고정 장치를 효율적으로 변경하여 광범위한 테스트를 포괄하고 올바른 테스트 환경을 보장하는 능력을 입증할 수 있습니다.

복합 테스트 절차는 다양한 조직에서 표준화되었습니다. 주요 국제 복합재 시험 표준은 ASTM, ISO 및 CEN에서 발표한 표준입니다.

국제적으로 인정된 표준 외에도 Airbus 및 Boeing의 표준을 포함하여 일반적으로 사용되는 제조업체의 '사내' 표준이 있습니다. 많은 경우, 서로 다른 표준에 설명된 테스트 방법은 기본적으로 동일하지만 시편 및 치구 치수에는 상당한 차이가 있습니다.

또한 Nadcap과 같은 감사 기관에서는 테스트 장비 정렬과 같은 성능 기준을 추가로 정의합니다.

일반 복합 적층판의 평면 내 인장 시험은 아마도 가장 일반적인 시험이지만, 수지 함침 섬유 다발, 두께 전체 시편 및 샌드위치 코어 재료 단면에 대해서도 인장 시험을 수행합니다.

인장 시험편은 탭이 평행하게 결합되어 그립 조로 인해 재료가 손상되거나 조기 파손되는 것을 방지합니다. 그리핑 배열에는 수동 및 유압 웨지 그립이 포함되며 까다로운 항공우주 테스트의 경우 일반적으로 제어 가능성과 반복성 때문에 유압 웨지 그립 솔루션이 선호됩니다.

그러나 잘 설계된 기계식 웨지 그립은 좋은 수준의 정렬을 제공할 수도 있습니다. 비주변 테스트를 위한 유압식 그리핑 장치는 안전성과 신뢰성을 위해 유압 구성품을 온도 챔버 외부에 배치하는 경우가 많습니다.

재료의 모듈러스 및 강도와 같은 이방성 특성은 가해지는 응력의 방향에 따라 다르며 본질적으로 깨지기 쉬운 경우가 많기 때문에 복합 재료를 테스트할 때 그립과 시편의 정확한 정렬은 매우 중요합니다. 조정 가능한 정렬 장치는 테스트 시스템이 Nadcap과 같은 항공우주 산업에서 인정한 특정 감사 프로그램에서 요구하는 대로 신뢰할 수 있는 복합재 테스트에 필요한 정렬 기준을 충족하는지 확인합니다.

정렬 장치는 기계 로드 스트링에 하중이 가해지는 동안 동심도와 각도를 모두 조정할 수 있어야 합니다. 하중이 가해진 상태에서 정렬을 확인하는 데 널리 사용되는 방법은 스트레인 게이지 정렬 시편을 사용하는 것입니다. 정렬 시편은 테스트할 시편에 최대한 가까운 치수를 가져야 하며 정렬 시편에는 스트레인 게이지 그룹이 장착됩니다.

굽힘, 동심도 및 각도 오류를 모두 표시하기 위해 특별히 설계된 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 소프트웨어는 필요한 조정을 식별하고 조정 효과를 표시하므로 빠르고 정확한 테스트 기계 설정이 가능합니다.