탄소섬유강화 복합재료와 강재의 접착 조인트에서 파괴형태와 접착강도에 대한 접착제 종류, 적층각도 및 실험온도의 영향 Effects of adhesives, fiber orientations, and test temperature on failure modes and bonding strength of adhesive joints between CFRP and steel plates원문보기
섬유강화 복합재료는 기존의 금속재료들보다 비강도, 비강성, 내식성, 내마모성 및 피로특성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 주요 구조물의 설계에 섬유강화 복합재료가 단독으로 이용되는 경우도 많지만, 경제성과 기술적 어려움 등으로 섬유강화 복합재료를 금속재료와 접합하여 사용하는 경우가 증가하고 있다. 본 논문에서는 탄소섬유강화 복합재료와 강재를 접착제로 서로 접합한 단일 ...
섬유강화 복합재료는 기존의 금속재료들보다 비강도, 비강성, 내식성, 내마모성 및 피로특성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 주요 구조물의 설계에 섬유강화 복합재료가 단독으로 이용되는 경우도 많지만, 경제성과 기술적 어려움 등으로 섬유강화 복합재료를 금속재료와 접합하여 사용하는 경우가 증가하고 있다. 본 논문에서는 탄소섬유강화 복합재료와 강재를 접착제로 서로 접합한 단일 겹침 접착 조인트의 거동에 대하여 연구하였다. 접착제의 종류, 탄소섬유강화 복합재료 적층판 (CFRP Laminates)에서 섬유의 적층각도 및 실험온도에 따라서 접착부위의 파괴형태 (Failure Modes)와 접착강도 (Bonding Strength)가 어떻게 달라지는지 실험적으로 평가하였다. 접착제 종류에 따른 파괴형태 및 접착강도의 변화를 연구하기 위하여, 유리천이온도가 각각 58, 78 및 98℃인 세 종류의 에폭시 접착제를 사용하였다. 복합재료 적층판에서 섬유 적층각도 변화의 영향을 고찰하기 위하여, 섬유의 적층각도가 각각 0, ±60, ±70 및 ±80°가 되도록 탄소섬유 적층판을 제작하였다. 조인트의 거동에 대한 실험온도의 영향을 살피기 위해서 28, 68, 88 및 108℃의 온도에서 조인트에 대한 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용할 시편을 제작하기 위하여 진공 백 성형 공법 (Vacuum Bag Molding Process)을 사용하였다. 조인트에 대한 인장실험에서는, 조인트에 파단이 발생할 때의 파괴형태와 하중을 측정하였다. 인장실험 결과, 조인트에서 발생할 수 있는 여러 가지 유형의 파괴형태 중에서 접착 파괴 (Adhesive Failure)와 복합재료 모재 파괴 (Stock-Break Failure)의 두 가지 유형의 파괴형태만 발생하였다. 접착제의 종류, 복합재료 적층판의 적층각도 및 실험온도에 따라서 파괴형태는 달라졌다. 접착제의 유리천이온도 (Glass Transition Temperature)가 낮을수록 접착 파괴의 빈도가 증가하였으며, 접착제의 유리천이온도가 높을수록 복합재료 모재 파괴의 빈도가 증가하였다. 이는 실험온도가 접착제의 유리천이온도보다 더 높을 때에는 접착 부위에서 파괴가 발생하기 쉽기 때문이다. 복합재료 적층판에서 섬유의 적층각도가 큰 시편에서는 복합재료 모재 파괴가 발생하는 경우가 많았으며, 섬유의 적층각도가 작은 시편에서는 접착 파괴가 발생하는 경우가 많았다. 이는 복합재료 적층판에서 섬유의 적층각도가 증가할수록, 복합재료 적층판의 인장강도가 접착 조인트의 접착강도보다 더 작아지기 때문이다. 접착 파괴가 발생한 경우에, 접착면에서의 접착강도 (Bonding Strength)를 구하였다. 실험온도가 증가할수록 접착강도가 감소하였으며, 접착제의 유리천이온도 전후에서 그 감소의 폭이 가장 큼을 알 수 있었다. 또한 복합재료 적층판의 적층각도가 증가함에 따라 접착강도가 감소하였다. 이는 적층각도가 증가함에 따라 복합재료의 적층판의 강도와 함께 강성이 감소하면서, 강재판과 접착된 복합재료 적층판에서 변형이 더욱 쉽게 발생하여 결과적으로 조인트의 접착강도가 감소되었기 때문으로 생각된다. 복합재료 모재 파괴가 발생한 경우에는, 복합재료 모재의 인장 파괴강도 (Ultimate Strength in Tension)를 구하였다. 복합재료 적층판과 강재판을 접착하는데 사용된 접착제의 접착강도가 클수록 복합재료 모재의 인장 파괴강도가 크다는 것을 알 수 있었다. 다양한 실험온도와 복합재료 적층판의 섬유 적층각도에서 동일한 경향이 확인되었다. 본 연구에서는 접착제 종류, 복합재료 적층판의 섬유 적층각도 및 실험온도의 변화에 따라서 탄소섬유강화 복합재료와 강재 사이의 단일 겹침 접착 조인트의 거동 특성을 고찰하였다. 본 연구결과는, 다양한 환경에서 사용되는 탄소섬유강화 복합재료와 강재의 접착부위를 설계하는데 도움이 될 것이다.
섬유강화 복합재료는 기존의 금속재료들보다 비강도, 비강성, 내식성, 내마모성 및 피로특성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 주요 구조물의 설계에 섬유강화 복합재료가 단독으로 이용되는 경우도 많지만, 경제성과 기술적 어려움 등으로 섬유강화 복합재료를 금속재료와 접합하여 사용하는 경우가 증가하고 있다. 본 논문에서는 탄소섬유강화 복합재료와 강재를 접착제로 서로 접합한 단일 겹침 접착 조인트의 거동에 대하여 연구하였다. 접착제의 종류, 탄소섬유강화 복합재료 적층판 (CFRP Laminates)에서 섬유의 적층각도 및 실험온도에 따라서 접착부위의 파괴형태 (Failure Modes)와 접착강도 (Bonding Strength)가 어떻게 달라지는지 실험적으로 평가하였다. 접착제 종류에 따른 파괴형태 및 접착강도의 변화를 연구하기 위하여, 유리천이온도가 각각 58, 78 및 98℃인 세 종류의 에폭시 접착제를 사용하였다. 복합재료 적층판에서 섬유 적층각도 변화의 영향을 고찰하기 위하여, 섬유의 적층각도가 각각 0, ±60, ±70 및 ±80°가 되도록 탄소섬유 적층판을 제작하였다. 조인트의 거동에 대한 실험온도의 영향을 살피기 위해서 28, 68, 88 및 108℃의 온도에서 조인트에 대한 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용할 시편을 제작하기 위하여 진공 백 성형 공법 (Vacuum Bag Molding Process)을 사용하였다. 조인트에 대한 인장실험에서는, 조인트에 파단이 발생할 때의 파괴형태와 하중을 측정하였다. 인장실험 결과, 조인트에서 발생할 수 있는 여러 가지 유형의 파괴형태 중에서 접착 파괴 (Adhesive Failure)와 복합재료 모재 파괴 (Stock-Break Failure)의 두 가지 유형의 파괴형태만 발생하였다. 접착제의 종류, 복합재료 적층판의 적층각도 및 실험온도에 따라서 파괴형태는 달라졌다. 접착제의 유리천이온도 (Glass Transition Temperature)가 낮을수록 접착 파괴의 빈도가 증가하였으며, 접착제의 유리천이온도가 높을수록 복합재료 모재 파괴의 빈도가 증가하였다. 이는 실험온도가 접착제의 유리천이온도보다 더 높을 때에는 접착 부위에서 파괴가 발생하기 쉽기 때문이다. 복합재료 적층판에서 섬유의 적층각도가 큰 시편에서는 복합재료 모재 파괴가 발생하는 경우가 많았으며, 섬유의 적층각도가 작은 시편에서는 접착 파괴가 발생하는 경우가 많았다. 이는 복합재료 적층판에서 섬유의 적층각도가 증가할수록, 복합재료 적층판의 인장강도가 접착 조인트의 접착강도보다 더 작아지기 때문이다. 접착 파괴가 발생한 경우에, 접착면에서의 접착강도 (Bonding Strength)를 구하였다. 실험온도가 증가할수록 접착강도가 감소하였으며, 접착제의 유리천이온도 전후에서 그 감소의 폭이 가장 큼을 알 수 있었다. 또한 복합재료 적층판의 적층각도가 증가함에 따라 접착강도가 감소하였다. 이는 적층각도가 증가함에 따라 복합재료의 적층판의 강도와 함께 강성이 감소하면서, 강재판과 접착된 복합재료 적층판에서 변형이 더욱 쉽게 발생하여 결과적으로 조인트의 접착강도가 감소되었기 때문으로 생각된다. 복합재료 모재 파괴가 발생한 경우에는, 복합재료 모재의 인장 파괴강도 (Ultimate Strength in Tension)를 구하였다. 복합재료 적층판과 강재판을 접착하는데 사용된 접착제의 접착강도가 클수록 복합재료 모재의 인장 파괴강도가 크다는 것을 알 수 있었다. 다양한 실험온도와 복합재료 적층판의 섬유 적층각도에서 동일한 경향이 확인되었다. 본 연구에서는 접착제 종류, 복합재료 적층판의 섬유 적층각도 및 실험온도의 변화에 따라서 탄소섬유강화 복합재료와 강재 사이의 단일 겹침 접착 조인트의 거동 특성을 고찰하였다. 본 연구결과는, 다양한 환경에서 사용되는 탄소섬유강화 복합재료와 강재의 접착부위를 설계하는데 도움이 될 것이다.
Fiber reinforced composites have the advantages of high specific strength, specific stiffness, corrosion resistance, abrasion resistance and fatigue properties compared with metal materials. In many cases, fiber reinforced composite materials are used alone in the design of major structures. However...
Fiber reinforced composites have the advantages of high specific strength, specific stiffness, corrosion resistance, abrasion resistance and fatigue properties compared with metal materials. In many cases, fiber reinforced composite materials are used alone in the design of major structures. However, fiber reinforced composite materials are increasingly used in connection with metal materials due to economical efficiency and technical difficulties. In this paper, the behavior of a single lap joint between a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and steel plates which are bonded together by an adhesive was studied. Experimental measurements were made on how failure modes and bonding strength varied depending on types of adhesives, orientations of carbon fibers in CFRP laminates, and test temperature. Three epoxy adhesives with glass transition temperatures of 58, 78, and 98℃, respectively were used to investigate failure modes and bonding strength depending on the types of adhesives. In order to investigate the effects of fiber orientations in CFRP laminates, they were fabricated so that the angles between fiber and load directions were 0, ±60, ±70, and ±80°. The joints were tested at 28, 68, 88 and 108℃ to investigate the effects of test temperature on the behavior of the joints. A vacuum bag molding process was used to fabricate the test specimens. The failure modes and the failure loads were measured from tensile tests on the joints. Tensile test results showed that only two types of failure modes occurred, which are adhesive failure and stock-break failure. Failure modes changed depending on types of adhesives, fiber orientations of CFRP laminates, and test temperature. The lower the glass transition temperature of adhesives, the higher chance of adhesive failure existed. The higher the glass transition temperature of adhesives, the higher chance of stock-break failure in CFRP laminates existed. This is because when the test temperature is higher than the glass transition temperature of the adhesive, failure is likely to occur at the bonded area. The larger the fiber orientations in CFRP laminates, the higher chance of stock-break failure of CFRP laminates existed. The smaller the fiber orientations, the higher chance of adhesive failure existed. This is because the tensile strength of CFRP laminates becomes smaller than the bonding strength of the adhesive joints as the fiber orientations in CRRP laminates increase. When adhesive failure occurred, the bonding strength was calculated. The bonding strength decreased with the increase of the test temperature, and it was found that the decrease of bonding strength was the greatest before and after the glass transition temperature of the adhesive. The bonding strength also decreased with the increase of fiber orientations in CFRP laminates. This is because deformation of CFRP laminates increased as the fiber orientations of CFRP laminates increases, which also decreased bonding strength of joints. Ultimate strength in tension of CFRP laminates was calculated when stock-break failure occurred. The larger the bonding strength of the adhesives between CFRP and steel plates, the larger the ultimate strength of CFRP laminates occurred. The same tendency was observed at various test temperatures and fiber orientations of CFRP laminates. In this study, the behavior of a single lap joint between CFRP and steel plates was investigated according to the types of adhesives, the fiber orientations of CFRP laminates, and the test temperature. The results of this study will be helpful in designing the bonded joints between carbon fiber reinforced composite material and steel in various environments.
Fiber reinforced composites have the advantages of high specific strength, specific stiffness, corrosion resistance, abrasion resistance and fatigue properties compared with metal materials. In many cases, fiber reinforced composite materials are used alone in the design of major structures. However, fiber reinforced composite materials are increasingly used in connection with metal materials due to economical efficiency and technical difficulties. In this paper, the behavior of a single lap joint between a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and steel plates which are bonded together by an adhesive was studied. Experimental measurements were made on how failure modes and bonding strength varied depending on types of adhesives, orientations of carbon fibers in CFRP laminates, and test temperature. Three epoxy adhesives with glass transition temperatures of 58, 78, and 98℃, respectively were used to investigate failure modes and bonding strength depending on the types of adhesives. In order to investigate the effects of fiber orientations in CFRP laminates, they were fabricated so that the angles between fiber and load directions were 0, ±60, ±70, and ±80°. The joints were tested at 28, 68, 88 and 108℃ to investigate the effects of test temperature on the behavior of the joints. A vacuum bag molding process was used to fabricate the test specimens. The failure modes and the failure loads were measured from tensile tests on the joints. Tensile test results showed that only two types of failure modes occurred, which are adhesive failure and stock-break failure. Failure modes changed depending on types of adhesives, fiber orientations of CFRP laminates, and test temperature. The lower the glass transition temperature of adhesives, the higher chance of adhesive failure existed. The higher the glass transition temperature of adhesives, the higher chance of stock-break failure in CFRP laminates existed. This is because when the test temperature is higher than the glass transition temperature of the adhesive, failure is likely to occur at the bonded area. The larger the fiber orientations in CFRP laminates, the higher chance of stock-break failure of CFRP laminates existed. The smaller the fiber orientations, the higher chance of adhesive failure existed. This is because the tensile strength of CFRP laminates becomes smaller than the bonding strength of the adhesive joints as the fiber orientations in CRRP laminates increase. When adhesive failure occurred, the bonding strength was calculated. The bonding strength decreased with the increase of the test temperature, and it was found that the decrease of bonding strength was the greatest before and after the glass transition temperature of the adhesive. The bonding strength also decreased with the increase of fiber orientations in CFRP laminates. This is because deformation of CFRP laminates increased as the fiber orientations of CFRP laminates increases, which also decreased bonding strength of joints. Ultimate strength in tension of CFRP laminates was calculated when stock-break failure occurred. The larger the bonding strength of the adhesives between CFRP and steel plates, the larger the ultimate strength of CFRP laminates occurred. The same tendency was observed at various test temperatures and fiber orientations of CFRP laminates. In this study, the behavior of a single lap joint between CFRP and steel plates was investigated according to the types of adhesives, the fiber orientations of CFRP laminates, and the test temperature. The results of this study will be helpful in designing the bonded joints between carbon fiber reinforced composite material and steel in various environments.
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