복합재료는 서로 다른 특성을 지닌 구성요소를 최적화된 방식으로 결합하는 첨단 소재 준비 기술을 통해 탄생한 신소재입니다. 1940년대에는 항공산업의 필요로 인해 유리섬유 강화 플라스틱(흔히 유리섬유로 알려져 있음)이 개발되면서 '복합재료'라는 용어가 등장하게 되었다. 1950년대 이후에는 탄소섬유, 흑연섬유, 붕소섬유 등 고강도, 고탄성 섬유가 잇따라 개발됐다. 1970년대에는 아라미드 섬유와 탄화규소 섬유도 등장했습니다. 다양한 분야, 특히 항공우주, 자동차, 건설, 전자, 신에너지 분야에서 복합재료의 적용이 증가함에 따라 글로벌 복합재료 산업은 지속적인 성장 추세를 보이고 있습니다.

다양한 산업 분야에서 복합재료 및 구조물이 사용되면서 손상 여부를 검사하는 방법을 이해하는 것이 중요한 주제가 되었습니다. 이 기사에서는 복합 재료에 대한 몇 가지 일반적인 비파괴 검사(NDT) 방법을 검토합니다.

비파괴 검사(NDT)는 재료를 다른 방법으로 절단하거나 변경할 필요가 없는 복합 재료 산업의 표준 검사 방법입니다. 이는 고품질의 제품을 생산하는 데에도 필수적입니다. 선택할 수 있는 여러 가지 NDT 방법이 있으며 때로는 복합 적층체의 결함 유형, 크기, 위치 및 깊이를 완전히 이해하기 위해 여러 가지 방법을 동시에 사용해야 합니다.

(2) 충격시험은 또 다른 기본적인 검사방법이다. 여기에는 망치나 동전으로 부품 표면을 가볍게 두드리는 작업이 포함됩니다. 밝은 금속성 소리는 구조가 건전하다는 것을 나타내고, 둔한 "쿵" 소리는 박리 또는 분리와 같은 결함이 있음을 나타냅니다. 디지털 해머는 충격 반응을 측정하고 라미네이트가 반응하는 데 걸리는 시간을 밀리초 단위로 표시할 수 있습니다. 응답 시간이 짧을수록 구조가 충격을 덜 흡수한다는 것을 의미하므로 견고함을 나타냅니다. 반대로 결함이 있는 경우 응답 시간이 길어져 디스플레이에 더 높은 판독값이 표시됩니다.

이 방법은 두께가 3.05mm 미만인 얇은 라미네이트에 더 효과적이지만 매우 두꺼운 라미네이트의 경우 신뢰할 수 있는 결과를 얻지 못할 수 있습니다. 또 다른 단점은 특히 라미네이트 뒷면이 다른 구조에 접착된 경우 잘못된 판독값을 제공할 수 있다는 것입니다.

(3) 초음파 검사(UT)는 현재 가장 널리 사용되는 비파괴 검사 방법이다. 초음파 테스트의 원리는 고주파 에너지 파동(0.5~25MHz 범위)을 라미네이트에 보내고 이러한 파형의 진폭과 비행 시간을 캡처하고 정량화하여 재료 특성과 구조적 변화를 분석하는 것입니다. 초음파 검사에 사용되는 주요 방법은 다음과 같습니다.

펄스 에코 초음파 테스트: 이 방법은 송신기와 수신기 모두의 기능을 하는 단면 초음파 프로브를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이는 각 전기 펄스가 변환기 요소를 활성화하는 고압 펄스 여기를 사용하여 작동합니다. 이 요소는 전기 에너지를 초음파 형태의 기계적 에너지로 변환합니다. 파동 에너지는 Teflon® 또는 메타크릴레이트 접촉 팁을 통해 테스트 부품에 들어갑니다. 파형은 테스트 부품 내에서 생성되고 변환기 요소에 의해 포착됩니다. 수신된 신호의 진폭 변화 또는 에코가 변환기로 돌아오는 데 걸리는 시간은 결함이 있음을 나타냅니다. 펄스 에코 테스트는 박리, 균열, 공극, 물 및 접착 구성 요소의 분리를 감지하는 데 사용되지만 샌드위치 구조의 코어와 스킨 사이의 박리 또는 결함을 식별하는 것이 더 어렵습니다.

투과형 초음파 테스트: 이 방법은 검사할 영역의 각 측면에 하나씩 두 개의 변환기를 사용합니다. 초음파 신호는 한 변환기에서 다른 변환기로 전송됩니다. 그런 다음 신호의 강도 손실은 계측기를 사용하여 측정되며, 이 손실은 원래 신호 강도의 백분율 또는 데시벨로 표시됩니다. 신호손실이 기준기준을 초과하는 부분을 결함지역으로 식별한다.

저주파 및 고주파 본딩 테스터: 이 본딩 테스터는 1개 또는 2개의 변환기가 장착된 검사 프로브를 사용합니다. 고주파 본딩 테스터는 박리 및 보이드를 감지하도록 설계되었으며 직경이 0.5인치만큼 작은 결함도 식별할 수 있습니다. 그러나 표면에서 허니컴 코어까지의 결합 해제 또는 보이드를 감지할 수 없습니다. 저주파 본딩 테스터는 두 개의 센서를 사용하여 박리, 보이드 및 허니컴 코어의 벗겨짐을 감지하지만 부품의 어느 쪽이 손상되었는지 확인할 수 없으며 1.0인치보다 작은 결함을 감지할 수 없습니다.

위상 배열 초음파 테스트: 위상 배열 테스트는 복합 구조의 결함을 감지하는 최신 초음파 방법 중 하나입니다. 펄스 에코 방법과 동일한 원리로 작동하지만 수십 개 이상의 센서를 동시에 사용하여 검사 속도를 크게 높입니다.

(4)열화상 검사 펄스 적외선 열화상의 작동 원리는 활성 가열 기술을 사용하여 테스트 표본의 표면 결함을 자동으로 기록하는 것입니다. 다양한 열 특성으로 인해 발생하는 매트릭스 재료의 온도 차이를 측정하여 표면과 내부 모두의 손상을 식별할 수 있습니다. 이 방법은 비접촉식, 실시간, 효율적이고 직관적인 특성을 특징으로 하며 복합 재료와 금속 사이의 결합 구조에서 박리, 다공성, 박리, 적층 및 영역형 결함을 감지하는 데 특히 적합합니다.

열화상은 초음파 C-스캔 테스트를 위해 부품이나 구성 요소를 물에 담글 수 없거나 부품의 표면 모양으로 인해 초음파 검사가 어려울 때 특히 유용합니다. 이 기술은 복잡한 구조의 무결성을 평가하기 위한 귀중한 대안을 제공합니다.

(5) RT(Radiographic Testing)는 일반적으로 X-Ray 검사를 일컫는 것으로, 분해하지 않고도 부품의 내부 모습을 볼 수 있다는 점에서 귀중한 비파괴 검사(NDT) 방법입니다. 이 방법은 X선을 테스트 부품에 통과시켜 X선에 민감한 필름의 흡수 변화를 포착하는 방식으로 작동합니다. 노출된 필름을 현상한 후 검사관은 불투명도의 차이를 분석하여 내부 세부 사항을 시각적으로 효과적으로 표현합니다.

X선 방향에 수직인 평면의 박리와 같은 결함을 감지하는 데는 적합하지 않지만 X선 테스트는 X선 빔에 평행한 결함을 식별하는 데 탁월합니다. 모서리 박리, 부서진 코어, 파손된 코어, 코어 셀의 물, 폼 접착 조인트의 빈 공간 및 내부 세부 사항의 상대적 위치와 같은 내부 이상 현상은 X-레이 영상으로 쉽게 볼 수 있습니다.

대부분의 복합 재료는 X선에 거의 투명하므로 저에너지 X선이 필요합니다. 안전 문제로 인해 항공기 주변의 RT는 일반적으로 비실용적이며 운영자는 납 차폐를 사용하고 X선 소스로부터 안전한 거리를 유지해야 합니다.

특정 응용 분야에 각각 적합한 여러 가지 방사선 검사 기술이 있습니다.

표준 방사선 촬영은 적당한 두께의 부품에 적합합니다.
저전압 방사선 촬영법은 얇은 부품(1~5mm)에 사용됩니다.
감마선 방사선 촬영은 두꺼운 부품에 적용됩니다.
X선 영상의 보완적인 방법인 중성자 방사선 촬영은 다양한 매체를 통한 감쇠를 기반으로 내부 특징을 시각화합니다. 중성자 전달은 물질 내 원자핵의 중성자 단면에 영향을 받아 X선만으로는 확인할 수 없는 가벼운 원소(예: 부식 또는 물 속의 수소)와 같은 특징을 시각화할 수 있습니다.

(6) 전단검사 시험: 전단검사는 전단검사 간섭계를 사용하여 부품의 면외 변형을 감지하고 측정하는 레이저 기반 광학 방법입니다. 처음에는 부품이 무부하 조건에서 측정됩니다. 그런 다음 열, 기계, 음향, 압력, 진공, 전기, 자기, 마이크로파 또는 기계적 응력을 포함할 수 있는 적용된 하중에서 테스트를 반복합니다. 이 프로세스를 통해 카메라는 표면 아래 결함이 있는 라미네이트 표면의 변형 무늬 패턴을 캡처할 수 있습니다.

특수 컴퓨터 소프트웨어는 래핑된 위상 지도 이미지를 추정하여 래핑되지 않은 위상 지도를 생성하고 이를 표시 및 평가를 위한 통합 시각적 이미지로 변환합니다. 특히, 이 기술은 결함 위치를 신속하게 밝힐 수 있지만 결함 깊이를 결정하기 위해서는 추가 초음파 테스트가 필요합니다.

음향 방출(AE) 테스트: 음향 방출 테스트는 하중을 받는 복합 재료 또는 구조물에서 생성되는 소음 방출 신호를 감지 및 분석하여 복합 부품의 전반적인 품질을 평가합니다. 이 기술은 복합재 내 손상 진행 및 실패 패턴을 반영하고 최종 하중 지지 강도를 예측하며 부품 품질의 취약한 부분을 식별하는 결함 분석에 효과적입니다.

AE 기술은 실용적이고 사용자 친화적이며 기계적 테스트 중 재료 변형 및 손상 과정에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. AE 방법에는 주로 다음이 포함됩니다.

매개변수 분석: 진폭, 에너지, 지속 시간, 링 수, 이벤트 수 등의 신호 매개변수를 기록하고 분석하여 심각도, 위치, 고장 메커니즘과 같은 손상 특성을 평가합니다. 그러나 공진 센서에 의해 AE 소스 정보가 모호해 실험 결과의 재현성이 떨어질 수 있다는 큰 단점이 있습니다.

파형 분석: 이 접근 방식은 AE 신호 파형을 기록하고 분석하여 스펙트럼 및 상관 함수를 얻습니다. 이는 손상 단계 및 메커니즘과 관련된 주파수 특성을 식별하는 데 도움이 되며 재료의 손상 프로필에 대한 통찰력을 제공합니다.

스펙트럼 분석: 고전적 및 현대적 스펙트럼 분석을 모두 포함하는 이 기술은 AE 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환합니다. 주파수 영역에서 다양한 신호 특성을 연구하여 고유한 AE 소스 정보를 식별할 수 있습니다. 그러나 스펙트럼 분석에서는 신호가 고정적이고 주기적인 신호라고 가정하므로 국부적인 정보 변화를 포착하는 능력이 제한됩니다.