Prediction of tensile strength of unidirectional fiber composites considering interfacial shear strength

Abstract

이 논문은 일축 복합재 (Unidirectional fiber reinforced composite, UD FRCs) 의 계면 현상을 고려한 인장강도 예측 모델을 제시하고, 그에 따른 인성 (fracture toughness) 예측 모델을 제시한다. 또한 해당 모델의 응용으로 일축 섬유다발 복합재 (Hierarchical fiber bundle composites, HFBCs) 에 대한 강도 예측 가능성을 제시한다. 기존 연구에서, 섬유복합재의 인장강도는 일반적으로 계면전단강력이 향상됨에 따라 향상되는 것으로 알려져 있는데, 이는 복합재 수지의 전단변형 및 그에 의한 응력 회복에 의한 영향으로 알려져 있다. 이에 따라 계면전단강력이 향상될수록 인장강도 또한 이론강도에 가까워질 것으로 기대되었으나 시험적인 결과를 통해 실제로 계면전단강력의 증가에 따라 일방적으로 복합재 강도가 증가하지는 않는 것으로 나타나며, 나아가 최적의 계면전단강력이 존재함이 확인되었다. 이러한 현상은 바로 섬유의 다중파괴, 그리고 그에 의한 취성의 증가에 의한 것으로 해석될 수 있다. 이 논문에서 제시하고자 하는 새로운 복합재료 강력 예측 방법은 재료의 인장거동 시 발생하는 두 가지 계면 현상에 기반하고 있으며, 특히 계면전단강력 (Interfacial shear strength, IFSS) 의 영향을 주요하게 고려한다. 계면전단강력에 의한 섬유응력의 회복 및 그에 의한 인장강도의 증가, 그리고 섬유응력의 회복을 위한 전단변형이 주위 섬유에 미치는 응력집중, 최종적으로 그에 의한 섬유의 다중파괴 (multiple fracture) 간의 연구를 수행하여 일축 복합재의 인장 상황에 대한 예측이 가능하도록 하였다. 이 논문에서는 이러한 다중파괴 현상의 발생 예측 모델을 정립하고 이를 바탕으로 복합재의 인장강도를 예측하였으며, 탄소섬유/에폭시 복합소재를 대상으로 해당 모델을 검증하였다. 또한 해당 모델을 통하여 최적의 계면전단강력이 존재하는지 여부를 탐색하였다. 최종적으로 해당 계면전단강력 및 인장강도에서의 인성을 예측하고, 이에 따라 일축 복합소재의 최적 설계에 활용할 수 있는 통합적인 모델을 제작하는 것을 목표로 하였다. 구체적으로 2장에서 해당 모델에 대한 상세한 유도 및 기존 방법과의 비교 및 검증을 수행하고 3장에서는 이를 탄소섬유 복합재료에 적용하여 구체적인 분석 및 검증을 수행하였다. 마지막 4장에서는 이를 일축 섬유다발 구조 (hi-erarchical fiber bundle composites, HFBCs) 에 확장하여 해당 모델의 응용 가능성을 제시하였다. 상기 결과를 통하여 파괴에 대한 별도의 시험정보 없이 일축 복합재료의 인장강도를 예측할 수 있는 모델을 개발하였으며, 이 모델을 재료설계 및 최적화 연구에 활용할 수 있음을 확인하였다. 특히 복합재료 설계를 위한 최적 계면전단강력이 존재하며 제시한 모델을 통해 이를 탐색할 수 있음을 확인하였다.