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문제 정의
- 본 논문은 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도를 증가시키기 위해 CFRP의 표면 처리에 관한 연구로, CFRP 표면을 산소환경 하에서 Ar+ 이온 도움 반응법으로 표면처리하였다. 이온도움 반응법 으로 표면처리 시 최적의 이온에너지 양을 결정하기 위해 이온에너지 양에 따른 접촉각 및 표면에너지 값을 결정하였다.
제안 방법
- 입사되는 Ar+ 이온은 할로우 캐소드 타입 이온건(hollow cathod type ion gun)을 이용하여 발생시켰으며 이때 이온의 에너지 는 IKeV로 하였다. 시험 편 표면에 도달하는 이온빔의 전류량은 패러디 컵(faraday cup)을 이용하여 측정하였으며 시험 편에 도달한 전체 이온 에너지의 양은 5X10", 1X1015, 5X 1015, 1X10”, 5X10", 1x10“ ions/cm2 까지 다양한 조건에서 처리하였다. Fig.
- A* r 이온도움 반응법을 적용한 탄소섬유/에폭시 복합재의 표면처리가 CFRP/알루미늄 복합재의 필(peel) 강도에 미치는 영향을 T-peel 시험을 통해 정량화하였다. Fig.
- Ar+ 이온도움 반응법을 이용한 탄소섬유/에폭시 복합재의 표면처리 시 최적의 Af 이온량을 결정하기 위해 접촉각 즉정기(contact angle metergoniometer type)를 사용하여 이온량 변화에 따른 접촉각을 측정하였다. 접촉각은 액체방울이 고체 표면과 더불어 형성하는 각으로서 액체가 고체를 적실 수 있는 정도를 나타내는 젖음성의 척도로 이용된다.
- 성형이 끝난 복합재 시 편의 두께 는 약 2 mm이며 표면의 오염물을 제거하기 위해 아세톤에 10분간 초음파로 표면을 세척하였다. 그 후 에탄올과 삼차 증류수를 사용하여 각각 5분간 초음파로 표면을 세정한 후 고순도 질소 (N2) 가스를 이용하여 시험 편의 표면에 잔류하는 용액을 제거하였다.
- 본 연구에서는 Ar+ 이온도움 반응법으로 CFRP 표면처리 시 최적의 이온에너지 양을 결정하였다. 또한 CFRP 표면처리가 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도에 미치는 영향을 정량화하였다. 다음은 본 연구를 통해 얻어진 결론이다.
- 이를 표면처리하지 않은 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도와 비교 CFRP 복합재의 표면처리에 따른 T-peel 강도의 향상을 정량화하였다. 또한 주사현미경을 이용해 두 경우에 대한 파단면을 비교함으로써 표면처리에 따른 강도 향상 원인을 검토하였다.
- 이온도움 반응법 으로 표면처리 시 최적의 이온에너지 양을 결정하기 위해 이온에너지 양에 따른 접촉각 및 표면에너지 값을 결정하였다. 또한 최적의 조건으로 표면처리된 CFRP를 적용 CFRP/알루미늄복합 재를 제작하였으며 이에 대한 T-peel 시험을 수행 T-peel 강도를 측정하였다. 이를 표면처리하지 않은 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도와 비교 CFRP 복합재의 표면처리에 따른 T-peel 강도의 향상을 정량화하였다.
- 본 연구에서는 Ar+ 이온도움 반응법으로 CFRP 표면처리 시 최적의 이온에너지 양을 결정하였다. 또한 CFRP 표면처리가 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도에 미치는 영향을 정량화하였다.
- Owens의 식을 이용해 표면에너지를 결정하기 위해서는 두액체에 대한 접촉각 측정이 필요하다. 본 연구에서는 증류수와 포름아마이드(foramide) 용액(Junsei Chemical Co. Ltd)을 사용하여 두 액체에 대한 접촉각을 측정하였다. 증류수와 포름아마이드로 측정된 접촉각 결과로부터 Owens의 식 을 이 용해 dispersion force, 八11와 polar force, 八?를 각각 계산하였으며, 이 값들의 합인 표면에너지를 구하였다.
- 또한 최적의 조건으로 표면처리된 CFRP를 적용 CFRP/알루미늄복합 재를 제작하였으며 이에 대한 T-peel 시험을 수행 T-peel 강도를 측정하였다. 이를 표면처리하지 않은 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도와 비교 CFRP 복합재의 표면처리에 따른 T-peel 강도의 향상을 정량화하였다. 또한 주사현미경을 이용해 두 경우에 대한 파단면을 비교함으로써 표면처리에 따른 강도 향상 원인을 검토하였다.
- 본 논문은 CFRP/알루미늄 복합재의 T-peel 강도를 증가시키기 위해 CFRP의 표면 처리에 관한 연구로, CFRP 표면을 산소환경 하에서 Ar+ 이온 도움 반응법으로 표면처리하였다. 이온도움 반응법 으로 표면처리 시 최적의 이온에너지 양을 결정하기 위해 이온에너지 양에 따른 접촉각 및 표면에너지 값을 결정하였다. 또한 최적의 조건으로 표면처리된 CFRP를 적용 CFRP/알루미늄복합 재를 제작하였으며 이에 대한 T-peel 시험을 수행 T-peel 강도를 측정하였다.
- 즉 낮은 접촉각은 좋은 젖음성을 나타내는 반면 높은 접촉각은 약한 젖음성을 나타낸다. 접촉각 측정을 위하여 사용한 물은 증류수로서 표면처리된시험편 위에 0.04 ml의 양으로 세 곳에 떨어뜨린 후 평균값을 측정하였다. Fig.
- 표면처리는 기존의 이온빔을 이용하는 고분자 개질 방법과는 달리, 이온조사 시 시험 편 표면에 반응성 가스를 흘려줌으로써 반응성 가스와 고분자 표면에 반응이 일어나게 하여 새로운 기능성 그룹을 형성하는 이온도움 반응법을 적용, 산소 분위기에서 Ar+ 이온을 이용하여 하였다. 산소 분 위기는 표면처리 과정 시 시험 편 표면에 질량 흐름 제어기(Mass Flow Controller, MFC Sierra Inc.
- 표면처리에 따른 강도 증가 원인을 이해하기 위해 주사현미경을 이용하여 복합재 시편에 대한 파면을 검사하였다. Fig.
대상 데이터
- 윗 식에서。는 접촉각을 나타내며 riv, 冊, z p 는 측정하는 액체(증류수, 포름아마이드)의 표면에너지, dispersion force, polar force를 나타낸다. 본 연구에서 사용한 증류수의 7m /A 7尸는 72.2 ergs/cm2, 21.8 ergs/cm2, 51.0 ergs/cm?이며 포름아마이 드의 丁 切 7 A 汾는 58.3 ergs/cm2, 39.
- 본 연구에서는 (주)SK케미칼에서 생산하는 탄소섬유/에폭시 프리프레그(USN 150B)를 사용 복 합재를 성형하였다. 복합재 성형은 프리프레그를 310X 100 mm 크기로 절단한 후 이를 0° 단일 방향으로 14플라이 적층하였다.
- 시편 제작을 위해 두께가 2mm인 알루미늄판 (AL5052 H34-2T)을 MEK로 세척한 후 질소가스를 이용하여 표면에 잔류하는 용액을 제거하였다. 그 후 A* r 이온도움 반응법으로 표면처리한 CFRP와 표면처리하지 않은 CFRP를 알루미늄의 압연 방향과 섬유방향이 일치하게 적층한 후 접착제를 이용하여 핫 프레스(hot press) 내에서 Skg/cn?의 일정 압력으로 상온에서 24시간 경화하여 접착시키는 이 차경화법을 적용 저작하였다.
- 3은 시험에 사용된 T-peel 시편을 나타낸다. 접착제는 열경화성 에폭시수지인 비스페놀 A글리시 딜 에테르(Diglycidyl Ether of Bisphenol A-DGEBA, YD-115, (주)국도 화학)와 경화제로 디아닐렌(Dianiline, D-230, (주)국도 화학)을 중량비 4:1의 수지 혼합비로 사용하였다. T-peel 시험은 ASTM D1876-95""에 준하여 수행하였다.
이론/모형
- 접착제는 열경화성 에폭시수지인 비스페놀 A글리시 딜 에테르(Diglycidyl Ether of Bisphenol A-DGEBA, YD-115, (주)국도 화학)와 경화제로 디아닐렌(Dianiline, D-230, (주)국도 화학)을 중량비 4:1의 수지 혼합비로 사용하였다. T-peel 시험은 ASTM D1876-95""에 준하여 수행하였다.
- 최적의 Ar+ 이온량을 결정하기 위해 이온량 변화에 따른 표면에너지를 Owens'")의 식으로부터 결정하였다. Owens의 식을 이용해 표면에너지를 결정하기 위해서는 두액체에 대한 접촉각 측정이 필요하다.
성능/효과
- (1) Ar+ 이온 조사에 의해 표면처리 시 최적의 이온양은 1 X 10 1 x 10"ions/cm2 사이인 것으로 판단되며 이때 접촉각은 81° 에서 8° 까지 현저하게 줄었으며 표면에너지는 1.3배 이상 증가하였다. 이는 이온도움 반응법 을 적용한 표면처리가 표면을 일차적으로 세척해 주고 친수성기능그룹이 표면에 형성되는데 기인하는 것으로 사료된다.
- (2) 표면처리한 경우의 T-peel 강도는 표면처리하지 않은 경우에 비해 약 5.5배 증가하였으며 이는 높은 표면에너지로 인해에폭시 접착제가 접착 계면에서 일정한 확산을 하였는데 기인하는 것으로 사료된다.
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