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CFRP 복합재료는 <Table 1>과 같은 물성을 갖는 CF/EP 프리프레그를 24층 적층·성형하여 제작하였다. 핫프레스에 스테인레스 금형을 사용하여 적층·성형하였고 성형온도는 130℃, 성형압력은 3.7MPa, 유지시간은 90분으로 하여 섬유방향을 달리 하는 3가지의 형태 즉, 일방향, [0/90]6s 및 [0/±45/90]3s의 CFRP 적층판을 제작하였다. 성형된 적층판은 다이아몬드 커터로 자르고 드릴로 핀 구멍을 만들어 [Fig. 1]과 같은 모양의 시험편으로 가공하였다. 이때 시험편의 길이(L)는 120㎜, 핀 구멍의 지름(d)은 5㎜, 두께(t)는 2.7mm로 고정하고 끝단거리(e)와 폭(w)을 변화시켜, 끝단거리비(d/e)가 다른 4종류의 시험편과 판폭비(w/d)가 다른 4종류의 시험편으로 가공하였다.

[Fig. 1] 
Configuration of specimen (L=120mm, d=5mm)

CFRP 적층판의 베어링 강도시험은 [Fig.2]와 같은 장치를 사용하여 실험하였다. 시험편의 한쪽 편은 그립부에서 파손되는 것을 방지하기 위해 에폭시 접착제를 사용하여 알루미늄 탭을 붙여 위 지그에 직접 물리고 다른 한쪽 편은 시험편을 물릴 수 있도록 자체 제작한 지그를 사용하여 고정하였다. 시험편 구멍에 사용한 핀은 스테인리스강을 사용하였다. 실험은 용량 5ton의 만능시험기(Instron 4204)를 사용하여 실행하였으며, 이때 크로스헤드 속도는 2mm/min로 하였고, 하중-변위 선도는 X-Y기록계로 부터 얻었다. 실험의 결과는 각각의 시험편 형상 조건에 대하여 5번의 실험치를 평균하여 사용하였다. [Fig.2]는 시험편이 지그에 물린 것을 보여주는 실험장치의 개략도이다.

[Fig. 2] 
Configuration of pin bearing test fixture

핀 베어링강도(σ_b)는 핀 하중 인장시험을 통해 얻은 파단 하중(P)을 식(1)에 대입하여 구하였다(ASTM D-953, 1987).

[Fig. 3]은 섬유의 방향이 [0/90]6s 로 적층된 CFRP laminates의 핀 하중에 대한 하중-변위 곡선을 나타내고 있다. 초기 파괴 개시점 까지는 하중-변위가 일방향 적층재의 하중-변위 변화 양상과 같은 모양으로 선형적으로 증가하였다. 이후 초기 파괴 개시점 후에는 하중을 지탱하는 단면적이 일시적으로 축소하여 하중이 순간적으로 급격히 저하했다가 다시 상승하는 팝인(pop-in)현상이 일어나고 있음을 볼 수 있다. 1차 팝인 이후에는 파괴에 이르는 변위의 거의 중간에 이를 때 까지 하중과 변위는 선형적으로 증가하였고, 이후 추가적인 2∼3회의 팝인 현상 후에 파괴에 이르는 것을 알 수 있다.

[Fig. 3] 
Load-displacement curve of pin-loaded [0/90]6s CFRP laminates

[Fig. 4]는 섬유의 방향이 [0/±45/90]3s 로 적층된 CFRP laminates의 하중-변위 곡선을 나타내고 있다. 45° 층의 삽입으로 하중-변위 곡선은 더욱 복잡한 양상을 보이고 있는데, 섬유방향이 다른 이웃면에서의 하중 지탱과 이어지는 파괴가 계속적으로 반복되고 여러 번의 팝인 과정을 거치면서 변위가 신장된 후에 최종 파단에 이르는 것을 알 수 있다.

[Fig. 4] 
Load-displacement curve of pin-loaded [0/±45/90]3s CFRP laminates

복합재료를 핀으로 결합하는(pinned-joint) 연결부에서의 파손 형태는 [Fig. 5]와 같이 순수 인장(net-tension), 전단(shear-out) 및 베어링(bearing)의 3가지 기본 모드와 인장과 전단이 복합적으로 일어나는 벽개 인장(cleavage-tension) 모드 등이 있다. 그림에서 (a)와 (b) 모드는 인장 및 전단응력을 초과하는 연결부의 완전 파단을 보이고 있으며, (c)는 핀 구멍 둘레의 절반에서 압축 하중을 받는 압축 파손의 형태를 나타내고 있다.

[Fig. 5] 
Failure mode of pin-loaded laminates

본 실험의 결과 일방향 적층재의 경우는 대부분의 시험편에서 전단파괴 형태의 모양을 보였으며, [0/±45/90]3s 적층재의 시험편에서는 베아링 파괴 모드가 주로 관찰됐다. 한편 [0/90]6s 적층재의 경우는 양 시험편의 파괴모드가 혼합되어 나타났다. 즉 일부의 시험편에서는 전단파괴를 보였고 일부에서는 베어링파괴 양상을 나타냈다.

[Fig. 6]은 여러 가지 섬유방향을 가진 CFRP 적층재에 있어서 핀 베어링 강도에 미치는 끝단거리(e)의 영향을 나타낸 것이다. 핀 베어링 강도는 일방향, [0/90]6s, [0/±45/90]3s 적층재 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 또한 시험편의 형상에 관계없이 끝단거리(e)가 증가함에 따라 핀 베어링 강도는 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 다만 [0/±45/90]3s 사교적층판의 경우, 끝단거리 비(e/d) 가 1 이나 4의 경우 즉, 작거나 아주 클 경우에는 [0/90]6s, 적층재와 비슷한 강도를 나타냈으나, 끝단거리 비가 중간범위인 2나 3의 경우에는 [0/90]6s 적층재 보다 핀 베어링 강도가 증가하는 경향을 나타냈다.

[Fig. 6] 
Effect of edge distance ratio on bearing strength for various type CFRP laminates

[Fig. 7]은 여러 가지 섬유방향을 가진 CFRP 적층재에 있어서 핀 베어링 강도에 미치는 판 폭(w)의 영향을 나타낸 것이다. 일방향 적층재는 판 폭에 관계없이 거의 일정한 핀 베어링 강도를 나타냈다. 한편 [0/90]6s 적층재 및 [0/±45/90]3s 적층재의 경우는 판폭이 증가함에 따라 핀 베어링 강도가 증가하다가 판폭비가 4 이상으로 커지면서 더 이상 강도는 증가하지 않고 일정한 수준으로 유지됨을 알 수 있다.

[Fig. 7] 
Effect of width ratio on bearing strength for various type CFRP laminates