복합레진으로 수복된 치아의 비파괴 평가

구자욱 한양대학교 대학원 2014 국내박사

손상된 치아의 치료 시 수복재(restorative materials)로 사용되는 치과용 복합레진은 조작이 용이하여 임상 치료시의 작업성이 좋고 파절 저항성과 마모 저항성이 높아 치료 후 보전성이 우수하며 환자의 치아와 색상 및 모양이 비슷하여 심미성이 우수한 소재이다. 수복용 복합레진에는 광중합 개시제인 캄포퀴논(camphorquinone)이 포함되어있어 빛에 의해 중합반응을 일으키게 된다. 이때 수복재를 구성하는 단량체가 중합반응을 통해 상호간에 공유결합을 하게 되면서 구성 원자간의 거리가 감소하게 되어 부피 수축이 일어나게 된다. 따라서 치아와 복합레진의 결합 강도가 불충분할 경우, 치아의 법랑질(enamel) 또는 상아질(dentin)과 수복용 레진 사이에 미세 갭(micro gap)이 형성될 수 있다. 이와 같은 미세 갭은 시술 후 환자에게 지각과민증(tooth hypersensitivity)을 나타나게 하며, 타액 등의 이물질이 수복물과 치질 사이로 침투하여 이차 우식(second caries)을 유발시키거나 박테리아 등의 감염으로 인해 치수에 염증을 일으킬 수 있다. 수복재와 치아간의 결합력보다 중합 수축응력이 큰 경우에는 접착면에서 갭이 형성되거나 수복재 내부의 균열 또는 인접치질의 변형이 발생할 수 있다. 따라서 레진 수복재와 치아질과의 완전한 접착과 복합레진 수복재의 중합 수축응력의 평가는 임상적으로 매우 중요하다. 치아/수복재 계면부의 평가 방법으로는 미소시험법 등이 알려져 있으며, SEM(scanning electron microscopy)과 염료 침투법(dye penetration method) 등을 통해 중합수축 갭을 관찰하고 있다. 그러나 이 실험들의 결과를 살펴보면, 치아의 상아질과 수복재 부분의 계면 강도 평가가 미흡하고 광조사에 따른 레진 수복재의 중합 경화 과정에서 발생되는 계면결함발생 메커니즘의 시간적 해석이 없었다. 음향방출(Acoustic emission, AE) 측정법은 재료가 외적 하중을 받아 재료 내부에서 미세한 손상과 균열, 소성변형이 발생할 때 방출되는 탄성파를 재료 혹은 구조물 표면에 장착한 센서로 실시간 온라인 검출하여 해석하는 비파괴 검사법으로써 시간 함수로의 파괴 해석이 가능하다. 본 연구에서는 치아의 와동(cavity)을 모사한 링 시편을 제작하고 스트레인 게이지법과 유한요소법으로 복합레진의 중합수축에 따른 응력 발생 거동을 분석하고 치아/수복재 계면부의 파괴 해석에 음향방출(AE)법을 새롭게 적용하였다. 수복된 복합레진의 수축에 따른 계면부 균열발생 상태를 실시간 모니터링 하고 중합수축 거동과 비교하여 계면 균열 발생 메커니즘을 시간함수로써 해석하였다. 치과용 복합레진의 계면부 파괴에 대한 음향방출 측정은 새롭게 적용되는 시험법이므로 시험 방법과 검출된 신호의 파라미터에 대해 검증하였다. 비모수 통계법을 적용하여 치아 시편에 센서를 부착하는 방법에 따라 AE 데이터의 거동과 차별성을 연구하였다. 한편, 복합레진 수복부 내부의 결함 검출에 위상잠금 열화상 기법을 적용하였다. 기존의 연구들은 접합부가 드러난 표면의 결함만 측정 가능하였으며, 내부의 결함을 관찰하기 위해서는 시편을 절단해야 했다. 그러나 위상잠금 열화상 기법은 대상체에 침투된 열원의 위상 지연을 측정하여 재료 내부의 결함 유무를 판별하는 비파괴 검사법으로서, 시편의 절단 없이 임상학적으로 중요한 수복재 아랫면 결함에 대한 평가를 기대할 수 있다. 치아의 계면 결함을 모사한 내부 홀 결함 시편을 제작하여 결함부의 크기와 깊이에 따라 획득한 이미지의 위상과 진폭의 차이를 연구하였다. 본 연구를 통해 치아에 대한 복합레진 수복재의 중합수축 응력 분포 거동과 계면부 균열/파괴 메커니즘을 해명하고, 치과 관련 분야에서 음향방출 시험법과 위상잠금 적외선 열화상 시험법의 결함 진단 기술로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

평균응력을 동반하는 316L 스테인리스강의 변형률에너지법에 의한 저사이클 피로수명평가

오혁 한양대학교 대학원 2016 국내석사

피로 손상과 평균 응력의 효과를 평가하기 위해 우수한 내식성과 기계적 특성 때문에 널리 사용되는 316L 스테인리스 강의 변형률 제어 피로 시험이 수행되었다. 저사이클 피로 시험은 상온에서 다양한 변형률 진폭과 변형률비의 조건을 사용하여 수행되었다. 재료는 초기 수 사이클 동안 경화되었고, 그 후 파괴가 발생 할 때까지 장기간 동안 연화되었다. 피로수명은 변형률 진폭의 증가와 함께 감소하는 것으로 확인되었다. 낮은 변형률 진폭 하에서 메이징 거동을 보인 반면 높은 변형률 진폭은 히스테리시스 선도의 효과 때문에 평균응력을 감소시켰다. 주기적 소성 에너지 소실 이론에 기반 한 저주기 피로수명 예측은 실험 결과와 좋은 상관관계를 보였다. Strain controlled fatigue test of widely used 316L stainless steel because of excellent corrosion resistance and mechanical properties was carried out to assess the fatigue damage and the effect of mean stress. Low cycle fatigue test was performed using various conditions such as strain amplitude and strain ratio at ambient temperature. The material was hardened during the initial few cycles, after that, was softened during the long period until the failure occurred. Fatigue life was found to decrease with increasing strain amplitude. Masing behavior was shown under the low strain amplitude, whereas the high strain amplitude reduced mean stress due to the effect of hysteresis loop. Low cycle fatigue life prediction based on the cyclic plastic energy dissipation theory showed good correlation with experiment results.

디지털 이미지 상관법과 유한요소법을 이용한 인장 하중에서 Al6061-T6 시편의 노치효과 관찰

왕량 한양대학교 대학원 2018 국내석사

Al6061-T6는 강도가 높고 내부식성이 좋아 공업용 Pipe나 구조물을 만드는 재료로 사용된다. 기계부품이나 구조물에 사용됨에 있어 용도에 따라 형상의 변화와 노치가 존재 할 수 있다. 노치가 존재하면 구조물에 부하 작용 시 응력집중이 발생하여 기계부품의 강도가 떨어지고 사용 수명이 줄어들 수 있다. 이러한 노치는 형상, 크기, 깊이에 따라 발생하는 노치효과의 정도가 다를 수 있다. 알루미늄과 같은 연성 재료에 발생하는 연성파괴는 소성변형, 응력삼축도와 관계되는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 폭의 길이가 같고 노치 반경이 큰 (L-notched) U형 평판 시편과 노치 반경이 작은 (S-notched) U형 평판 시편을 준비하였고 인장 하중을 주어 디지털 이미지 상관법(digital image correlation, DIC)을 사용하여 변형률 분포 차이를 관찰하였다. 또한, 유한요소법을 사용하여 디지털 이미지 상관법의 결과를 검증하였고 응력삼축도의 분포 및 거동을 계산하였다. 측정결과 S-notched 시편은 L-notched 시편보다 더 작은 영역의 소성변형이 발생하였고 파괴 직전까지 최대 변형률은 비교적 낮게 나타났다. S-notched의 경우 변형률이 노치 선단에 집중적으로 분포하였으며, L-notched의 경우는 변형률이 시편 중심 부위에 집중적으로 분포하는 것을 확인하였다. 응력삼축도의 거동을 보면 L-notched의 경우 파단 직전에 시편 중심부위에서 제일 높게 나타났고 S-notched의 경우 노치 선단에서 제일 높게 나타났다. S-notched 시편의 파괴가 노치 선단부터 발생하고, L-notched 시편의 파괴는 시편 중심 부 부터 발생 할 것이라 예측할 수 있으며, 이 결과는 DIC실험을 통해 검증하였다.

Al6061-T6 평판 시편의 노치 반경과 두께가 파괴 메커니즘에 미치는 영향

두샤오 한양대학교 대학원 2020 국내석사

경량 금속재료인 Al6061-T6은 자동차 및 항공 우주 분야의 구조재료로 많이 사용된다. Al 합금의 파괴는 연성파괴이며 주로 삼축응력상태에서 발생한다. 삼축응력의 크기와 분포는 시편의 노치 반경 및 두께에 따라 변하기 때문에 기계부품의 강도와 수명에 영향을 준다. 노치반경과 평판 두께가 응력 상태, 파괴 모드 및 파괴 위치에 미치는 영향은 구조재료의 연구로서 매우 중요하다. 본 연구에서는 Al6061-T6 합금을 노치 반경(un-notched, L-notched, S-notched)에 따른 소성영역의 분포와 응력삼축도(stress triaxiality) 분포의 차이를 Slip line theory를 통해 계산하였고 노치 반경의 효과를 제시하였다. 시편의 두께가 파괴에 미치는 영향을 해석하기 위해 CCD 카메라를 이용하여 시편의 두께에 따라 파괴 직전까지 인장 방향 (길이 방향), 인장 수직 방향 (폭 방향) 그리고 두께 방향 변형률을 측정하였다. Slip line theory를 통한 계산 결과, L-notched 시편의 경우는 소성영역이 시편 중심까지 확장된 것으로 나타났고 응력삼축도가 시편 중심에서 가장 높아 파괴가 시편 중심부터 시작한 것으로 예측되었다. 하지만, S-notched 시편의 경우, 소성영역이 시편 중심까지 확장될 수 없었으며 최대 응력삼축도가 노치 선단근처에 가장 높게 나타나 노치 선단근처에서 파괴가 발생 할 것이라 예측되었다. FEM으로 응력삼축도 분포의 차이를 해석하고 Ellipse criterion를 이용하여 시편 파괴에 미치는 노치 반경의 효과를 예측했다. L-notched 시편이 응력삼축도가 시편 중심에서 가장 높게 나타났고 S-notched 시편은 응력삼축도가 노치 선단근처에 가장 높게 나타났다. 이결과는 Slip line theory로 계산 한 결과와 일치 했다. Ellipse criterion의 계산결과, L-notched와 S-notched 시편이 모두 노치 강화 효과를 나타냈으며 L-notched 시편보다 S-notched 시편이 더 강화효과가 높았다. 시편의 변형률 측정과 Ellipse criterion을 이용하여 시편 파괴에 미치는 노치 두께의 효과를 예측했다. 2D-DIC와 CCD 카메라를 이용한 변형률 측정결과, 두께 4 mm인 시편보다 두께 8 mm인 시편의 인장 파괴 시 두께, 폭 및 인장 방향 실제 변형률이 모두 높았으며 두께 8 mm의 Al6061 평판 시편의 소성 변형이 더 크게 일어났음을 알 수 있다. Ellipse criterion의 계산결과, 두께 4 mm인 시편은 S-notched의 경우 파괴가 노치 선단 근처의 일정 거리에 발생할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다. 여기서 시편내부의 triaxiality 응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. L-notched의 경우, 파괴가 시편 내부 중심부터 시작할 것이라 예상했는데 시편 측면부터 파괴가 시작되어 SEM 관찰결과와 상이하였다. L-notched 시편의 파괴위치가 시편내부에 삼축응력뿐만 아니라 표면응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. 두께 8mm인 시편은 S-notched의 경우 파괴가 노치 선단 근처의 일정 거리에 발생할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다. 여기서 시편내부의 triaxiality 응력이 파괴를 주도한 것이라 사료된다. L-notched의 경우, 시편내부의 triaxiality 응력이 큰 시편 내부 중심부터 파괴가 시작할 것이라 예상되었고 이 결과는 SEM 결과와 일치하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 Al 6061-T6 합금의 소성영역과 응력삼축도 분포를 계산함으로서, 노치반경과 시편 두께가 시편 강화효과와 파괴거동에 미치는 영향을 예측 할 수 있었다.

치아 수복 시 복합레진의 등가탄성계수 산출과 이를 이용한 중합수축거동 해석

박정훈 한양대학교 대학원 2020 국내박사

치과용 복합레진은 광중합 개시제인 캄포퀴논을 함유하고 있어 빛에 의한 중합반응을 일으킨다. 이때, 중합반응에 의한 단량체의 상호 공유결합으로 중합수축이 발생하게 되어 치아와 복합레진사이의 계면 결함 형성의 원인이 된다. 이러한 결함은 수복재와 치아 사이의 계면에서 결합력보다 중합수축응력이 큰 경우 발생확률이 높다. 발생된 결함으로 인해 시술 받은 환자에게 지각과민증이 나거나 이물질이 수복물과 치질 사이로 침투하여 이차우식, 치아 파절 등으로 이어져 치아 수명을 현저히 저하시킬 수가 있으므로 복합레진 수복재의 개발 및 이의 중합수축응력과 수축거동에 관련한 연구는 중요하다. 복합레진의 수축량을 측정하고 평가함에 있어 dilatometer, LVDT tranducer, linometer, 디지털 이미지 상관(Digital image correlation, DIC)법등을 이용한 다양한 방법이 사용되고 있다. 그러나 각각의 측정 방법에서, 레진이 수복에 사용되는 환경이 상이하므로 레진 자체만의 수축거동을 측정하여 수복 시 수축효과를 해석하기에는 한계가 있다. 또한, DIC를 이용하는 경우, 복합레진의 수축거동에 관한 연구들에서 단순히 레진의 변형거동만을 관찰하거나 광 조사 중 상태와 광 조사 이후의 한 가지 조건만으로 측정하여 광 조사 중 및 이후의 경화 과정을 전체 시계열로 분석하는 것이 기존에는 거의 없었다. 실제 수복 시의 환경을 고려하여 레진의 수축거동을 해석하기 위해서는 적용하는 와동(cavity)의 형태뿐만 아니라 경화 중 발생하는 상변화에서 야기되는 여러 물성치의 변화를 고려해야 된다. 특히 복합레진이 완전경화 전에 레진 덩어리 내에서 자유롭게 체적이 수축하는 것은 실제 와동과의 계면에서 발생하는 중합수축 응력이 위치에 따라 크게 다를 수 있으므로 중합과정 중 발생하는 응력의 크기와 방향은 와동의 형태에 따라 다를 것이다. 이는 중합속도와 국소적 중합수축의 분포 그리고 경계 조건에 따라 큰 영향을 받게 될 것이다. 복합레진의 상변화 과정에서 변화하는 물성치를 수복조건을 고려하여 보다 정확히 측정하고 해석해가야 할 것이다. 본 연구에서는 서로 다른 성분을 갖는 치아수복재인 methacrylate 계열의 Clearfil AP-X와 silorane 계열의 Filtek P90 복합레진을 대상으로 링시편을 제작하여 수복환경을 모사하고 스트레인게이지법과 유한요소법(FEM)을 이용하여 중합 시 발생하는 레진/기판 사이의 수축응력거동을 분석하고 FEM해석의 결과와 비교한다. 또한, 스트레인게이지법으로 산출된 중합수축 응력값과 Boned-disk 법으로 측정된 레진 자체만의 수축률을 이용하여 각 복합레진의 중합중의 탄성계수, 점도 및 수축율이 적용된 등가탄성계수를 구할 수 있는 탄성 이론식을 제시하고, 이를 FEM해석에 적용하여 탄성이론식의 정확성을 검증한다. 또한, 링형 기판에 수복된 레진에 대해 광조사 중의 사진과 광조사 후의 관찰사진을 획득한 후 DIC를 적용하여 각 레진의 중합과정중에 일어나는 2차원적 실제 수축거동을 경화시간에 따라 관찰하여 해석한다. DIC분석에서는 디지털카메라로 촬영된 변형 전과 후의 사진영상을 가지고 각 픽셀의 밝기정도를 상관함수로 계산하여 가장 상관도가 큰 지점을 추적함으로써 변형과 이동을 추적하여 변형분포를 측정하는 방법으로 국부적인 변형률 분포를 전면(full field)에서 관찰 한다. 본 연구를 통하여 응력시뮬레이션을 위한 복합레진의 등가탄성계수를 새롭게 제안하였다. DIC를 통하여 중합과정중의 실제 수축과정의 관찰에 성공하였으며 이를 통하여 복합레진의 치아 수복 시 수축 거동을 광조사 중을 포함하여 전면으로 해석 할 수 있었다. 또한, 치아수복 시 형상계수(C-factor)에 따른 음향방출특성을 비교분석하고 등가탄성계수를 적용한 유한요소응력해석을 통하여 미세파손의 원인을 추정하였으며, 유한요소해석을 통하여 결함발생부 예측이 가능하였다. 이를 통하여 치과 관련 분야에서 등가탄성계수의 도입과 이미지상관분석기법을 통하여 결함부 예측에 적용 가능성을 확인하였다.

세탁기 모터 마운팅 고무의 내구성 평가 및 가속수명시험 연구

김효준 한양대학교 대학원 2009 국내석사

The mount rubber of a washing machine receives the repeated fatigue loadings during laundering. Although the mount rubber is designed statically safely, it often happens fatigue failure. Therefore it requires the safe design for fatigue and needs the prediction of quantitative fatigue life. This paper discusses the accelerated life tests were carried out to predict the useful life of IIR mount rubber components of washing machine. Accelerated life test were performed using specimens with different levels of temperature condition and various hardness. The lifetime model based on Arrhenius model is proposed, and the mount rubber's lifetime distribution are statistically estimated using MINITAB program.

주물 형상과 첨가제에 따른 주철의 인장거동 분석 및 확률론적 피로수명 평가

성용현 한양대학교 대학원 2017 국내석사

Cr, Mo, Cu 세 가지 첨가제가 회주철의 미세 조직과 기계적 물성치, 피로거동에 미치는 영향과, 몰드 형상 및 부위가 구상흑연주철의 미세 조직과 기계적 물성치, 피로거동에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 환봉과 Y-block 주물을 절단하여 3% 나이탈 용액에서 9초간 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)을 통해 미세 조직 사진을 촬영한 뒤 I-solution 프로그램을 이용하여 이미지 분석 처리를 수행하고 개재물에 대하여 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)를 사용하여 성분분석을 실시하였다. 인장시험은 판상과 환봉 형상의 주물에서 시험편을 제작하여 0.5 mm/min의 변위속도로 수행하였다. 피로시험은 회주철(GC300, HCI350)의 경우 환봉 형상의 주물 하부에서 시험편을 절취하였고, 구상흑연주철의 경우 Y-block 형상 주물의 하단과 환봉 형상 주물의 상부와 하부에서 시험편을 절취하여 수행하였다. 피로시험 후 파단 된 시험편의 파면을 주사전자현미경을 사용하여 분석하였다. 회주철은 첨가물(Cr, Mo, Cu)에 의해 흑연의 크기와 분포가 줄어들고 고밀 펄라이트 함량이 증가하여 인장강도, 피로강도의 향상이 확인되었으나 파면 형상 및 파괴거동은 유사하였다. 구상흑연주철은 보통 회주철에 Cu와 Mg를 미량 첨가하여 주조하였는데, 환봉 상부에서 주조과정에서 발생하는 개재물과 미세 기공으로 인해 낮은 물성치가 확인되었으며, 환봉 하부는 환봉 상부와 Y-block 하단에 비해 우수한 평균 인장강도를 나타냈으나 그라파이트(graphite) 크기의 분산과 분포에 의해 데이터의 큰 분산을 보였다. 시험 데이터의 분산이 크게 나타나는 주철의 특징을 고려하여, 회주철 GC300, HCI350과 구상흑연주철 환봉 상부, 환봉 하부, Y-block 하단에 대해 신뢰도 높은 피로수명 예측을 수행하였다. 이들 주철에 대해 최우추정법이 적용된 2모수 와 이블 분포를 이용함으로써 확률-응력-수명(P-S-N) 선도를 산출하여 제시하였다. 통합형상모수는 GC300 환봉 하부의 경우 1.197, HCI350 환봉 하부의 경우 2.650, GCD550 Y-block 하단의 경우 5.864로 나타났다. 통합 형상모수가 크면 파손확률에 대한 P 선도 간의 폭이 작아지고 이는 파손확률을 낮추어도 피로수명의 변화가 크지 않음을 의미한다. 모수의 크기차이에 의해 P 선도의 기울기 값 또한 GCD550 Y-block 하단이 가장 크게 나타났으며, 이는 인가 하중의 변화가 피로수명의 변화에 영향이 작다는 것을 의미한다. 따라서 파손확률 및 인가 하중변화에 피로수명의 변화가 가장 작은 것은 GCD550이고, HCI350, GC300 순서로 나타났다.

자동차 냉각기 호스용 EPDM 고무의 가속수명 평가 및 고장메커니즘

곽승범 한양대학교 대학원 2011 국내박사

자동차용 냉각기 고무호스는 엔진과 라디에이터를 연결하여 엔진 및 엔진오일을 냉각시켜주는 냉각수의 이송경로로서 내열성 및 내구성이 향상된 EPDM(ethylene propylene diene monomer)고무를 사용하고 있다. 실제 자동차용 냉각기 고무호스의 바깥쪽 표피부위는 엔진의 높은 열에 의한 열가속 및 산소노화를 받게 되며 주행 중 엔진의 진동에 의한 굽힘 변형도 받는다. 또한 내면부위는 냉각수의 온도에 의한 열적 스트레스와 압력에 의한 기계적 스트레스를 받으며 동시에 전기화학적 스트레스를 받게 된다. 따라서 냉각기 고무호스 부품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 표피부와 내면부를 달리하여 각종 복합적 스트레스에 의한 노화시험을 통해 정확한 노화도를 평가하고 잔여강도와 노화메커니즘 및 가속수명 관계식을 구할 필요가 있다. 본 연구에서는 자동차용 냉각기 고무호스에 사용되는 EPDM 고무를 대상으로 열가속 및 산소 스트레스와 전기화학적 스트레스를 가하여 각각의 고장메커니즘을 규명하였다. 이를 위해 냉각기 고무호스에 사용되는 EPDM 고무소재 시험편과 냉각기 고무호스 부품자체를 대상으로 열가속 및 산소노화시험과 전기화학적 노화시험을 실시하여 기계적 물성, 화학구조, 가교밀도 변화를 측정하였다. 또한 고무시험편의 표피부를 결함 없이 절취하여 노화층의 미크로경도 분포를 측정하고 광학현미경 및 ATR-IR 관찰을 통해 노화표피층의 두께와 상태를 분석하여 미소 변질층의 고장메커니즘을 규명하였다. 냉각기 고무호스의 전기화학적 노화시험으로 보통 이용하는 U-tube type 시험 방법은 열과 전기적인 스트레스는 작용하지만 기계적 스트레스를 가할 수 없는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계적 열적 부하를 동시에 가하는 방법을 고안하여 전기화학적 복합노화시험이 가능한 시험 장치를 설계/제작하였으며, 실제 자동차 냉각기 고무호스에서 발생하는 전기화학적 파괴거동을 재현하였다. 제작된 시험기로 노화시간에 따른 전류 및 저항의 변화거동을 관찰하였으며 인장변형 스트레스와 냉각수 종류, 전압, 시험온도 조건에 따른 노화거동을 분석 평가하였다. 또한 고무 시험편을 수직면으로 정밀하게 절단하여 시험편 표면 및 내부의 변화거동을 분석하여 전기화학적 노화거동과 고장메커니즘을 규명하게 되었다. 전기화학적 복합노화 시험결과를 이용하여 노화온도에 따른 가속수명 관계식을 구하고, 기계적 인장변형률을 고려한 수정된 아레니우스 수명예측 관계식을 제안하였다.

유리섬유 복합재 피막을 가진 알루미늄 합금의 저주기 피로 거동 평가

서지혜 한양대학교 대학원 2018 국내석사

Fiber metal hybrid laminate (FML), which manufactured by bonding fiber-reinforced plastic composite materials with metal materials has superior performance to individual conventional materials. In this paper, low cycle fatigue behavior of Al 6061-T6 alloy and the aluminum alloy with plain woven GFRP laminates, which is a type of FML, was evaluated using the number of stacked laminated compsite as a variable. Fatigue test was performed by applying sinusoidal strain wave with strain ratio R=0 using plate type specimens. The fatigue life was evaluated using the Coffin-Manson method, the total strain-life relation, and the total strain energy density method. The predicted fatigue life according to each prediction formula was compared with the experimental life. The fatigue life of the laminated material in the low cycle fatigue area was improved than that of the single aluminum specimen, but the 3 ply laminated condition showed the largest lifetime improvement and the fatigue life did not increase proportionally with the given number of laminations. As a result of the evaluation using the total strain energy density by the fatigue damage parameter, the 5 ply laminated condition in the long life area showed the worst life. The predicted fatigue life of Coffin-Manson equation was in good agreement with the experimental life at low life area but showed large error in long life area. The predicted life through the total strain - life relation and the total strain energy density method was in good agreement with the actual life in the entire test area. Especially, the coincidence of the total strain - life relation was the best. 섬유강화 플라스틱 복합재료와 금속재료를 접합하여 각각의 단점은 보완하고 장점을 강화한 섬유 금속 적층판(Fiber metal hybrid laminate, FML)은 개별적인 기존의 재료보다 우수한 성능을 가진다. 본 논문에서는 Al 6061-T6 합금과 섬유 금속 적층판의 일종인 plain 직조 형태의 GFRP 피막을 갖는 알루미늄 합금에 대해 복합재 피막의 적층수를 변수로 한 피로시험을 수행하여 재료의 저주기 피로거동을 평가하였다. 판형 시험편을 사용해 변형률비 R=0의 사인파형 변형을 가하여 피로시험을 수행하였으며 피로수명은 Coffin-Manson 법, 전변형률-수명 관계식, 전변형률에너지밀도법을 사용하여 평가되었고 각각의 예측식에 따른 예측수명과 실험수명을 비교하였다. 저주기피로 영역에서 피막재의 피로수명은 단일 알루미늄 시험편보다 향상되었으나 3 ply의 적층조건이 가장 우수한 수명을 보였고, 주어진 적층수 증가에 따라 피로수명이 비례적으로 증가하지는 않았다. 전변형률에너지밀도를 피로손상 파라미터로 수명을 평가한 결과, 장수명 영역에서 5 ply의 적층조건이 가장 열악한 수명을 보였다. Coffin-Manson 식으로 예측된 피로수명은 낮은 수명 영역에서는 실제 수명과 잘 일치하였으나 장수명 영역에서 큰 오차를 보였다. 전변형률-수명 관계식과 전변형률에너지밀도법을 통한 예측수명은 전체 시험 영역에서 실제 수명과 잘 일치하였고, 특히 전변형률-수명 관계식의 일치성이 가장 우수하였다.

전기화학적 노화를 받는 강화 EPDM 고무의 파손 메커니즘 분석 및 가속 수명 평가

한승욱 한양대학교 대학원 2017 국내박사

냉각기용 고무호스는 내연기관과 라디에이터를 연결하여, 가열된 내연기관을 냉각수로 냉각시키고, 뜨거워진 냉각수를 라디에이터로 이송하는 역할을 한다. EPDM(ethylene propylene diene monomer) 고무는 오존에 대한 높은 저항성, 내열성 및 내구성능이 뛰어나다. 이러한 특성 때문에 내연기관과 라디에이터를 연결하는 냉각수의 이송 경로인 고무호스의 소재로써 사용되고 있다. 내연기관에 사용되는 냉각기용 고무호스는 사용 환경에 따라 내․외부에서 스트레스를 받게 된다. 고무호스의 외부 표피부에서는 내연기관 작동에 따른 주변의 고온 공기에 의한 열가속 및 산소노화를 받게 되며, 작동 중 내연기관의 진동에 의한 굽힘 스트레스를 받게 된다. 고무호스의 내면 표피부에서는 고온의 냉각수에 의한 열 스트레스와 압력에 의한 기계적 인장 스트레스를 받으며 동시에 전기화학적 스트레스를 받게 된다. 전기화학적 노화(electro-chemical degradation)는 내연기관의 냉각기 고무호스의 주된 고장 원인으로 고무호스와 내연기관 또는 라디에이터 fitting부의 금속부분이 냉각수를 매체로 ‘갈바니 셀(Galvanic Cell)’을 형성하여 고무호스에 치명적인 고장을 발생시킨다. 따라서 냉각기 고무호스의 신뢰성을 확보하기 위해 복합 스트레스에 의한 노화시험을 통해 기계적 물성과 가속수명 관계식 및 노화메커니즘 분석이 요구된다. 최근 재료의 단점을 보완하고자 우수한 기계적, 물리적 성질을 갖는 탄소나노튜브(carbon nano-tubes, CNTs)로 보강한 복합재료의 연구가 활발히 진행되고 있다. 탄소나노튜브는 흑연판(graphene sheet)이 원통 형태로 말려 수 나노미터의 직경을 갖는 튜브형 나노소재이다. 탄소나노튜브는 낮은 밀도(density), 큰 종횡비(aspect ratio), 높은 전기전도도(electric conductivity) 및 열전도도(thermal conductivity)를 가지며, 구조적으로 탄소-탄소간의 sp2 결합을 이루고 있어 고강도 합금의 수십 배에 달하는 매우 높은 기계적 물성을 나타낸다. 반면, 고무와 같은 고분자 재료에 탄소나노튜브를 보강한 복합고무의 연구는 현재까지 미흡한 실정이다. 본 연구에서 사용한 전기화학적 노화시험 장치는 기계적, 열적 부하를 동시에 가하는 장치로써, 실제 내연기관의 고무호스에서 발생하는 전기화학적 파괴거동과 유사한 전기화학적 복합 노화시험이 가능하도록 설계된 시험 장치이다. 내연기관용 냉각기 고무호스에 사용되는 카본블랙이 충전된 EPDM 고무소재와 동일한 시험편에 실제 사용 환경에서 발생하는 전기화학 및 열 스트레스와 기계적 인장 스트레스를 가하여 기계적 물성 거동을 측정하였다. 이를 지수함수로 나타내 고무호스의 기계적 물성과 수명의 효율적인 설계 기준을 제시하였다. 또, 전기화학적 복합 노화에 의한 고무의 노화메커니즘을 규명하였다. 전기화학적 복합 노화를 받은 카본블랙 충전 EPDM 고무에 대해 온도-시간 관계인 Arrhenius 관계식을 이용하여 수명예측 관계식을 만들고, 기계적 인장 스트레스의 영향을 고려한 수정된 수명 예측 관계식을 제안하였다. 또한, 기계적 강도 및 물리적 특성이 매우 우수한 탄소나노튜브를 카본블랙 충전 EPDM 고무에 분산시켜 보강한 시험편을 제작하였고, 전기화학적 스트레스를 가한 시험편의 전류값 변화 거동, 기계적 물성, ATR-IR(attenuated total reflectance infrared spectroscopy) 분석 및 밀도를 측정 하였다. 전기화학적 노화 전·후 시험편의 표피부와 단면을 외부로부터 손상을 최소화 시키는 방법으로 절취 하여 FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 관찰을 통해 노화층의 고장메커니즘을 규명하였다.