Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

현대 항공기들은 합성 섬유를 수지로 적신 층들로 점점 더 많이 제작되고 있는데, 이 재료는 복합재라고 알려져 있다. 이 재료들은 믿을 수 없을 정도로 강하면서도 가벼워, 비행기가 더 높이 날고 연료를 덜 소모할 수 있게 해주기 때문에 높게 평가받는다. 하지만 어떤 재료와 마찬가지로, 이들은 충격이나 응력으로 인해 손상을 입을 수 있으며, 종종 층 사이에서 숨겨진 균열이 발생하거나 전체 구조를 약화시키는 구멍이 생기기도 한다. 비행기에 손상이 생겼을 때, 부품 전체를 교체하는 것은 비용이 많이 들고 낭비적이다. 대신, 엔지니어들은 손상된 부위에 동일한 강도의 새로운 조각을 상처에 붙이는 반창고처럼 붙이는 수리 기술을 자주 사용한다. 과제는 이 패치가 비행 중의 엄청난 압력 아래에서 떨어져 나가거나 하부 구조를 실패하게 만들지 않고 단단히 고정되도록 보장하는 데 있다.

알제리와 르완다의 대학 연구진은 이 붙여진 패치들이 잡아당겨질 때 정확히 어떻게 행동하는지 이해하기 위해 연구를 시작했다. 그들은 패치가 원래의 판과 만나는 지점과 재료 자체의 층 사이에서 일어나는 보이지 않는 힘에 주목했다. 이를 위해 그들은 단순히 이론에만 의존하지 않았다. 그들은 물리적 샘플을 제작하여 실험실에서 테스트한 다음, 그 샘elle들의 상세한 디지털 트윈을 만들어 손상이 어떻게 퍼지는지 관찰했다. 그들의 목표는 패치 내부의 섬유를 배치하는 최선의 방법을 찾아내어, 접착제가 실패하고 수리가 무너지지 않도록 하중을 고르게 분산시키는 것이었다.

연구진은 항공우주 분야에서 흔히 쓰이는 조합인 탄소 섬유와 질긴 에폭시 수지를 사용하여 직접 샘플을 만들기 시작했다. 그들은 이 샘플들을 특정 모양으로 절단했는데, 일부는 매끄러운 표면을 가졌고 다른 것들은 손상을 모사하기 위해 중앙에 구멍이 뚫려 있었다. 손상된 샘플들에 대해, 그들은 동일한 재료로 만든 정사각형 패치를 적용하고 특수 접착제로 결합했다. 그들은 이 시편들을 부서질 때까지 잡아당기는 기계에서 테스트하며, 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지와 파손되기 전까지 얼마나 늘어나는지를 정밀하게 측정했다. 또한 현미경으로 파손된 조각들을 조사하여 재료가 정확히 어떻게 무너졌는지 살펴보았는데, 구멍이 있는 경우에는 재료가 직선의 취성 형태로 끊어지는 반면, 수리된 조각들은 여러 평면을 가로지르는 더 복잡한 파손 패턴을 보인다는 점을 기록했다.

이러한 파손의 역학을 이해하기 위해, 연구팀은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션으로 눈을 돌렸다. 그들은 수백만 개의 미세한 점들로 나누어진 수리된 판의 3차원 디지털 모델을 구축하여 모든 위치에서의 응력을 추적했다. 그들은 실패를 예측하기 위해 두 가지 고급 방법을 사용했다. 한 가지 방법은 컴퓨터가 격자를 다시 그릴 필요 없이 재료를 통해 균열이 나타나고 성장하는 것을 시뮬레이션할 수 있게 해주었고, 다른 한 방법은 얇은 접착층에 집중하여 접착제가 표면에서 어떻게 벗겨지는지를 모델링했다. 그들은 패치 내부의 층을 쌓는 다양한 방식들을 테스트하며, 어떤 배열이 응력을 가장 잘 처리하는지 확인하기 위해 섬유의 각도를 변화시켰다. 그들은 탄소 섬유로 만든 패치를 유리 섬유와 비교하였고, 탄소 및 유리 섬유 베이스 플레이트 모두에 대해 테스트하였다.

결과에 따르면 컴퓨터 모델은 매우 정확했으며, 실제 테스트 결과와 5% 미만의 편차를 보였다. 이는 연구진의 디지털 도구가 수리가 어떻게 수행될지 신뢰성 있게 예측할 수 있다는 확신을 주었다. 연구진이 수리된 판 내부의 응력을 분석했을 때, 섬유의 배열이 매우 중요하다는 것을 발견했다. 대부분의 구성에서 응력은 패치의 중심부, 즉 손상이 발생한 구멍 주변에 집중되었다. 그러나 한 가지 특정 배열이 눈에 띄었다. 유리 섬유 패치를 유리 섬유 플레이트에 사용하고 층을 특정 각도로 교차 배치했을 때, 응력 분포가 놀라울 정도로 균일해졌다. 이 최적의 설정에서 피크 응력은 다른 설계에서 응력이 30메가파스칼에 달했던 것과 비교하여, 단 5메가파스칼로 크게 감소했다.

연구는 접착층 자체가 결정적인 약점이라는 점도 밝혀냈다. 시뮬레이션 결과, 접착제 내부의 가장 높은 응력은 패치의 중간이 아니라 패치가 끝나는 바로 그 가장자리에서 발생했다. 이곳은 접착제가 벗겨지기 시작할 가능성이 가장 높은 곳이다. 연구진은 패치와 베이스 플레이트에 사용된 재료의 유형이 이러한 가장자리 응력의 거동을 변화시킨다는 것을 발견했다. 예를 들어, 탄소 플레이트에 탄소 패치를 사용했을 때는 가장자리 응력이 상당히 높았지만, 유리 재료를 사용했을 때는 응력 수준이 일반적으로 더 낮고 관리하기 쉬웠다. 연구팀은 단순히 패치를 붙이는 것만으로는 충분하지 않으며, 패치의 내부 구조가 그것이 견뎌야 할 하중에 맞춰 정교하게 설계되어야 한다고 결론지었다. 적절한 섬유 방향과 재료 조합을 선택함으로써, 엔지니어들은 단순한 임시 방편이 아니라 구조의 강도와 안전성을 회복하는 내구성 있는 솔루션을 만들 수 있다.