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세 압력봉은 탄성 영역 내에서 거동하여야 하기 때문에 강도가 매우 높아야 한다. 또한 압력봉 끝단에서 응력파의 손실 등이 발생할 수 있다. 이를 위해 열처리 공정으로 강도를 높였으며, 정밀 연삭 공정을 통해 응력파의 손실을 최소화하였다. 압력봉의 물성은 Table 1과 같다.

공압 발사 장비를 사용한 이유는 충격봉의 속도 제어가 용이하여 일정한 충격봉의 속도를 도출할 수 있다. 이에 따라 실험의 재현성을 확보하여 시편의 변형률 속도를 일정하게 할 수 있다.

응력파의 원활한 1차원 전달을 위해서는 세 압력봉의 축이 일치하여야 한다. 축 방향 가이드는 세 압력봉의 축이 일치할 수 있도록 한다.

스토퍼는 출력봉 후방에 부착되어 있다. 충격에 의해 발생한 압력봉의 운동에너지를 감쇠시키고, 압력봉이 축 방향 가이드를 빠져나가는 것을 방지한다.

데이터 획득 시스템은 응력파에 의해 발생하는 변형률을 측정하기 위한 스트레인 게이지와 휘트스톤 브리지, 신호 증폭기 및 오실로스코프로 구성된다. 응력파에 의해 변형이 발생하면 스트레인 게이지에서 저항 변화가 발생하며, 휘트스톤 브리지 케이블에서 저항 변화에 따른 전압을 감지한다. 증폭기를 이용하여 전압 데이터 신호를 증폭시킨 후, 고해상도 오실로스코프를 이용하여 시간에 따른 전압 데이터를 측정할 수 있다. 본 연구에서 사용된 휘트스톤 브리지 회로는 쿼터 브리지 시스템으로, 응력 측정 시 많이 사용되는 시스템이다.

이외에도 충격봉의 속도를 측정할 수 있는 포토 게이트 시스템이 있다.

In-plane 방향(섬유 방향이 응력파 전달 방향과 일치)으로 시편을 부착한 후 실험하여 얻은 시간-전압 그래프를 Fig. 3에 나타내었다. 인가 압력에 따라 변형률 속도가 명확히 달라지는 것을 반사파를 통해 확인하였으며, 이를 통해 변형률 속도 이력을 Fig. 4와 같이 나타내었다. Fig. 4의 인가 압력 별 변형률 속도 값은 변형률 속도가 일정한 구간(첫 번째 원과 두 번째 원까지의 구간)의 중간값을 사용하였으며, 변형률 속도가 일정하게 유지되다가 급격히 증가하는 구간을 시편의 파단점으로 예측하였다. 이는 파단에 의해 응력파의 투과가 발생하지 않기 때문에 응력파가 전달되지 못하고 모두 반사되기 때문에 발생하는 현상으로 예측하였다. Fig. 5의 응력-변형률 선도는 최대 응력이 발생하는 변형률(0.5 bar, 392/sec)과 파단점으로 예측되는 변형률(1 bar, 583/sec 및 1.5 bar, 686/sec)까지 그래프를 작성하였다. 0.5 bar의 인가 압력을 부여하였을 때에는 Photo. 4의 (a)와 같이 완전 파단이 발생하지 않았기 때문에 변형률 속도 이력에서 파단점을 예측하기 어려워 최대 응력 발생지점까지 선도를 작성하였다. 반면, 1 bar 이상을 입력하였을 때에는 Photo. 4의 (b)와 같이 완전 파단이 발생하였고, 변형률 속도 이력에서 시편의 파단 예측 지점을 찾기가 용이하였기 때문에 파단 지점까지 선도를 작성하였다.

Fig. 3 
Time-voltage data of CFRP in-plane direction

Fig. 4 
Strain rate history about in-plane direction

Fig. 5 
Stress-strain curve of CFRP in-plane direction

Photo. 4 
CFRP specimen used in SHPB experiments

Fig. 5에서 변형률 속도에 따른 강성 저하가 발생한 이유는 일반적인 정적 압축시험과 달리, 응력파에 의해 시편의 파단이 지속적으로 축적되면서 발생하는 현상으로 분석하였다.

In-plane 방향의 경우, 파단 여부에 따라(0.5 bar, 1 bar) 변형률 속도 민감도와 강도, 그리고 강성의 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한, 완전 파단이 발생하였을 때(1 bar, 1.5 bar) 변형률 속도가 증가하면 파단 변형률은 감소하는 것을 확인할 수 있다.

두께 방향(적층 방향이 응력파 전달 방향과 일치)으로 시편을 부착한 후 실험하여 얻은 시간-전압 그래프를 Fig. 6에 나타내었다. In-plane 방향과 마찬가지로 인가 압력을 증가시킴에 따라 변형률 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7과 같이 두께 방향으로의 변형률 속도 이력에서도 인가 압력 크기와 변형률 속도는 비례하는 경향을 나타내었다. 그러나 변형률 속도 이력에서의 경향이 In-plane 방향과는 다른 것을 확인할 수 있다. 두께 방향으로 실험하였을 때에는 2 bar 이상의 인가 압력에서도 시편의 완전 파단이 발생하지 않았기 때문에(Photo. 4의 (c)) 변형률 속도가 일정한 구간 이후 변형률 속도가 급격히 증가하는 구간을 찾을 수 없다.

Fig. 6 
Time-voltage data of CFRP thickness direction

Fig. 7 
Strain rate history about thickness direction

Fig. 8의 응력-변형률 선도는 최대 응력이 발생하는 변형률까지 그래프를 작성하였다. 변형률 속도에 따라 강성의 차이는 없으나, 최대 응력이 도출되는 변형률이 달라지는 것을 확인할 수 있다. Fig. 8에서 변형률 속도에 따른 강성의 변화가 없는 이유는 시편 내부의 파단 축적이 발생하지 않았기 때문이라고 판단하였다.

Fig. 8 
Stress-strain curve of CFRP thickness direction

Photo. 4의 In-plane 방향 (a)와 (b)에서 볼 수 있듯이, 실험 후 시편의 파단 경향은 층간 박리(Delamination, 적층된 복합재 층이 분리되는 현상)가 발생하였다. 또한, 완전 파단이 발생한 (b)의 경우에는 횡방향 전단 파단(Lateral shear, 적층 축의 수직한 방향으로 발생한 전단 현상), 쪼개짐(Splitting, 프리프레그가 섬유방향 결을 따라 여러 개로 나누어지는 현상), 브루밍(Brooming, 끝단이 빗자루처럼 벌어지는 현상) 등이 추가적으로 나타난 것을 확인하였다. 두께 방향에서는 Photo. 4의 (c)와 같이 층간 박리는 일어나지 않았으며, 종방향 전단 파단(Transverse shear, 적층 두께 방향으로 발생한 전단 현상)과 두께 방향 쪼개짐 현상이 복합적으로 발생한 것을 확인하였다.

CFRP의 In-plane 방향과 두께 방향의 동적 물성 그래프를 이용하여 곡선 접합을 수행하였다. 곡선 접합에 사용된 수식은 다음과 같다.

일반적인 복합재료의 유동 응력은 선형을 나타낸다. 그러나 원본 데이터의 비선형 특성을 고려하여 식 (7)과 같이 멱함수 형태로 나타내었으며, 결과는 Fig. 9와 같다. 곡선 접합에 사용된 매개 변수를 Table 4에 정리하였다.

Fig. 9 
Curve fitting about dynamic material properties of CFRP laminate (T : thickness direction, I : in-plane direction)

곡선 접합을 통해 예측한 멱함수와 실험에서 얻은 물성의 일치도를 평가하기 위해 결정계수(R) 값을 도출하였다.

식 (8)은 결정계수를 나타내는 식으로, 값이 1에 가까울수록 두 데이터 집단의 일치도가 높다는 것을 의미한다. 결정계수 값을 계산하기 위해 식 (9)와 (10)이 사용된다. 식 (9)는 Total sum squares로써, 실제값과 중간값 차의 제곱 합을 의미한다. 식 (10)은 Residual sum of squares로, 실제값과 예측값에서 발생하는 잔차의 합을 의미한다. RSS 값이 작을수록 실제값과 예측값의 적합도가 높다.

In-plane 방향 및 두께 방향으로의 모든 물성에 대해 결정계수 값을 비교한 결과, 0.9 이상의 값을 나타내었다. 따라서 곡선 접합 회귀모델의 일치도는 높다고 할 수 있다.