Aluminum alloy is widely used in the field of airplanes and automobiles since it is superior to reliability, economical and light weight. However, aluminum alloy has a limitation in the feature of specific strength, corrosion and fatigue resistance. The usage of fiber reinforced composites is increasing gradually in order to overcome these problems. Carbon fiber reinforced polymer, CFRP which is commonly used has better specific strength, specific stiffness, fatigue resistance, corrosion resistance and impact energy absorption ability than metal materials. However, there are limits in the usage since it is weak in heat and it has a risk in impact damage because of its brittleness. To solve these problems of aluminum alloys and fiber reinforced composites, the usage of hybrid composites which is combined with two different kinds of material is now increasing. Hybrid composites has excellent fatigue resistance, high yield stress, high tensile strength and it has relatively larger failure strain than fiber reinforced composites. Many studies have been conducted in order to apply it to structural materials of airplane. Recently the interest in eco-friendly & high efficiency automobile is increasing. Therefore, many studies are going on in order to make automobile light weight and improve fuel efficiency and performance by using hybrid composites. Studies on the fracture characteristic of hybrid composites used in the aerospace field were focused on the range of strain rates more than 100/s. On the other hand, intermediate strain rate under 100/s in automobile which occurs when vehicle crashes is dominant but the studies on this subject is insufficient so far. In this study, specimens were fabricated by using hybrid composites in the form of CFRP/Aluminum/CFRP by changing the stacking sequence. Tensile properties were measured at strain rates between 0.001/s and 100/s and properties of the hybrid specimen were compared to the results of the aluminum alloy and CFRP which are tested under the same condition. Material testing machine, Instron 8801 is used for quasi-static tensile tests and high speed material testing machine, HSMTM which was developed in KAIST is used for dynamic tensile tests. Deformation of the specimen was scanned by using a high speed camera and a commercial DIC(digital image correlation) program, ARAMIS was used in order to calculate precise strain. As a result, aluminum-CFRP hybrid composites is the material which is dependent on the strain rate. The tensile strength and the failure strain increases as the strain rate increases. Young’s modulus and the tensile strength were satisfied mostly by the rule of mixture. The differences of tensile properties occur since the feature of delamination and debonding depends on the stacking sequence are different. Weibull function was used in order to describe the relation between stress and strain of this material. Scale parameter and shape parameter were obtained from Weibull plot and it was found that two parameters have the strain rate sensitivity. Constitutive equation established by Weibull function described tensile behavior of hybrid composites very well.
알루미늄 합금은 신뢰성, 경제성, 경량성이 우수하여 현재 항공기와 자동차에 많이 사용되고 있다. 하지만 알루미늄 합금은 비강도, 내식성, 내피로 특성의 한계가 있으며, 이를 극복하기 위해 섬유강화 복합재료의 사용이 점차 확대되고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 탄소섬유강화 폴리머 복합재(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)는 금속재료에 비해 비강도, 비강성, 피로 저항성, 내식성, 충격에너지 흡수 능력이 높다. 그러나 열에 약하고, 강한 취성으로 인한 충격 손상 위험이 커서 사용 상 제약이 따른다. 이러한 알루미늄 합금과 섬유강화 복합재료의 단점을 보완하기 위해 두 가지를 혼합한 하이브리드 복합재료의 사용이 증가하고 있다. 하이브리드 복합재료는 우수한 내피로 특성, 높은 항복응력과 인장강도 그리고 섬유강화 복합재료에 비해 비교적 큰 파단 변형률을 가지고 있다. 이를 항공기 구조물의 부재에 적용하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔으며, 최근에는 친환경 고효율 자동차에 대한 관심이 높아지면서 하이브리드 복합재료 사용으로 차체를 경량화하고 연비와 운동 성능을 향상시키고자 하는 연구가 이뤄지고 있다. 항공/우주 분야에서 사용되는 하이브리드 복합재료의 파괴 특성에 대한 연구는 주로 100/s 이상의 고 변형률 속도 영역에 초점이 맞춰져있다. 그에 반해 자동차는 충돌 시 발생하는 100/s 이하의 중 변형률 속도가 지배적인데 아직까지는 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 이 논문에서는 CFRP/알루미늄/CFRP 형태의 하이브리드 복합재료를 적층 순서를 달리하여 [02/Al]s, [902/Al]s, [0/90/Al]s 그리고 [90/0/Al]s로 시편을 제작하였고, 0.001/s에서 100/s의 변형률 속도 범위에서 인장 물성을 측정하였다. 준정적 인장시험은 Instron 8801 재료시험기를, 동적 인장시험은 KAIST에서 개발한 고속재료시험기(high speed material testing machine, HSMTM)를 이용하였다. 초고속 카메라를 사용하여 시편의 변형을 촬영하였고, 상용 DIC(digital image correlation) 프로그램인 ARAMIS 소프트웨어를 사용하여 정확한 변형률을 계산하였다. 시험 결과 알루미늄-CFRP 하이브리드 복합재료는 변형률 속도에 의존적인 재료임을 알 수 있었다. 변형률 속도의 증가에 따라 인장 강도와 파단 변형률이 증가하였다. 하이브리드 재료의 탄성계수와 인장강도는 혼합법칙을 대체로 만족한다. 적층 순서에 따른 층간 계면박리(delamination) 및 접착 분리(debonding) 특성으로 인해 물성 차이가 나타났다. 특히 CFRP 층과 알루미늄 합금 사이의 접착 강도 차이로 인해 접착 분리가 발생하는 경우 인장 물성이 상대적으로 매우 낮게 나타났다. 이것은 하이브리드 효과를 제대로 얻기 위해서는 이종 재료 간 접착 강도가 적절히 높아야 한다는 것을 의미한다. 이 재료의 응력-변형률 관계를 묘사하기 위해 Weibull 함수를 이용하여 구성방정식을 수립하였다. Weibull plot을 통해 두 변수를 결정하였고, 변형률 속도가 증가함에 따라 Scale parameter σ0는 증가하고 Shape parameter β는 감소함을 확인하였다. 이 두 가지 변수를 Weibull 함수에 대입하여 계산해 본 결과 인장 시험을 통해 얻은 응력-변형률 선도와 서로 잘 맞는 것을 확인하였다. 이 구성 방정식을 통해 0.001/s과 100/s 사이에서 하이브리드 복합재료의 응력-변형률 관계를 계산하고 인장 물성을 예측할 수 있었다. 일방향 섬유강화 복합재료의 변형률 속도에 다른 인장 거동을 나타내는 Coated fiber bundle model이 하이브리드 복합재료에도 적용 가능함을 확인하였다.
