[논문]탄소 섬유 강화 고분자 복합재의 연삭마모 특성에 관한 연구

고성위; 양병춘; 김형진; 김재동

문제 정의

본 논문은 일방향 탄소섬유 강화 에폭시 기지 복합재의 연삭마모거동에 대한 연구로 SiC 연마지 에 대한 복합재의 비마모율과 마찰계수를 SiC 연 마지의 입자 크기변화와 속도변화에 대하여 결정 하였으며, 탄소섬유 강화 에폭시 기지 복합재의 마모 메카니즘에 대하여 광학현미경 및 주사식전자 현미경(SEM) 관찰을 통하여 연삭마모 톡성을 비교하였다.

가설 설정

고분자들의 성능향상은 매우 중 요하나, 이것은 항상 필요하지는 않다. 동시에 순수 고분자의 마모성능은 나쁠 것이다. 그것은 충진재 들이 대부분의 마모조건에서 우수하다는 사실을 감 안한다면 다른 마모상황에서는 우수하지 않거나 순 수 고분자의 마찰과 마모 양쪽을 개선하지 못할 수도 있다.

제안 방법

동일한 시험조건에서 3개의 시험편을 각각의 시 험거리에 대하여 연삭마모시험을 실시하였으며, 시험 후 시편의 질량변화는 3번 이상 측정하여 평균 값을 구하였다. 핀온디스크(pin-on-disc)형 시험기 에서 복합재 시험편은 SiC 연마지에 대하여 미끄 러졌다.
미끄럼 방향과 시험조건이 연삭마모에 미치는 영 향의 비교는 단지 초기마모상태 구간에서만 비교하 였고, 계의 연삭마모수명은 지배적인 구간에 대하여 고려하였다. 비마모율의 계산은 시험시간과 초 기마모상태 구간에서 손실된 무게를 사용하였다.
미끄럼 방향과 시험조건이 연삭마모에 미치는 영 향의 비교는 단지 초기마모상태 구간에서만 비교하 였고, 계의 연삭마모수명은 지배적인 구간에 대하여 고려하였다. 비마모율의 계산은 시험시간과 초 기마모상태 구간에서 손실된 무게를 사용하였다. 각 슬라이딩 방향에 3개의 시편을 사용하였고 각 시편은 새로운 SiC 연마지 위에서 실시되었다.
1과 같이 3가지 주 미끄 럼방향을 구별하였다. 실험은 복합재 시험편의 섬유방향에 평행 (parallel, P), 직각(anti-paTalle], AP) 과 수직(normal, N)방향으로 SiC 연마지에 대하여실시하였다.
시험장치는 서로 다른 미 끄럼 속도로 동작하게끔 조정되었다. 수직하중(p)19.6N에서 서로 다른 속도(V)인 0.1 ~0.6ms'를 유지시키며 미끄럼 거리 500 ~20Ccm에서 연삭마모시 험을 실시하였다.
시험 시 환경조건은 온도(20℃)와 습도(60%RH)의 조절이 가능한 환경챔버를 제작하여 온도와 습 도를 일정하게 유지시켰다. 시편의 마찰은 실시간 으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편의 질량을 측정하였다. 상대재인SiC 연마지(3)VI)는 지름 80mm # 두께 1.
시험 시 환경조건은 온도(20℃)와 습도(60%RH)의 조절이 가능한 환경챔버를 제작하여 온도와 습 도를 일정하게 유지시켰다. 시편의 마찰은 실시간 으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편의 질량을 측정하였다.
시험 전후 시편의 질량손실은 Mettler 분석천칭 (감도 O.Olmg)으로 측정하여 같은 환경조건에서 시 험을 실시하였다. 연삭마모 결과는 비마모율의 항 으로 주어졌으며 계산은 다음과 같다.
1과 같이 3가지 주 미끄 럼방향을 구별하였다. 실험은 복합재 시험편의 섬유방향에 평행 (parallel, P), 직각(anti-paTalle], AP) 과 수직(normal, N)방향으로 SiC 연마지에 대하여실시하였다.
탄소섬유 강화 복합재의 연삭마모 톡성을 입자 크기가 다른 3종류의 SiC 연마지를 마찰상대재로 하여 마찰상대면의 거칠기에 따른 마모톡성을 조사 하였다.
핀온디스크형 시험기의 시편과 상대재 접촉면 사이의 마찰력은 토크-로드셀(toique-loadcell)을 이용하여 실시간으로 원격측정이 이루어졌다. 건조마찰에 Amonton-Coulomb 법칙을 적용하면 마찰계수는 다음과 같이 계산된다.

대상 데이터

비마모율의 계산은 시험시간과 초 기마모상태 구간에서 손실된 무게를 사용하였다. 각 슬라이딩 방향에 3개의 시편을 사용하였고 각 시편은 새로운 SiC 연마지 위에서 실시되었다.
복합재의 톡성과 구성 재료는 Table 1에 나타내었다. 복합재 판은 다이아몬드 톱으로 조심스럽 게 절단한 후, 이것을 입자가 작은 고운 연마지(15 ㎛)를 사용하여 시편에 크랙이 보이지 않게 가로단 면이 45x5.5mm, 길이 15mm로 연마하여 연삭마모 시험의 시편으로 사용하였다.
시편의 마찰은 실시간 으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시편의 질량을 측정하였다. 상대재인SiC 연마지(3)VI)는 지름 80mm # 두께 1.5mm 인디스크의 표면에 접착제를 사용하여 부착하고 건조 로에서 7일간 완전히 경화 시킨 후 연삭마모시험을 실시하였으며, 본 연구에 사용한 SiC 연마지의 평 균입도는 9~30㎛이었다. 시험장치는 서로 다른 미 끄럼 속도로 동작하게끔 조정되었다.
실험에 사용한 재료는 일방향 탄소섬유 강화 에 폭시기지 복합재 프리프레그(HCU 100NS, 한국카 본)를 적층하여 자체 제작한 hot press 에서 가열 - 가압하여 경화시켜 4.5mm 두께의 판으로 제조하였다. 복합재의 톡성과 구성 재료는 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

(1) 연삭마모 시험에서 비마모율은 SiC의 입도가 작을 때는 섬유방향의 효과가 크게 나타나지 않았 으나, 입도가 큰 30㎛에서는 AP, N 및 P방향의 순 으로 낮아졌다.
(2) 연삭마모 시험에서 섬유파괴 메카니즘은 N방 향은 미소파괴(microfractu), AP방향은 연삭 입자 에 의한 쟁기질(plowing)과 미소절단(microcutting), P방향은 쟁기질(plowing), 절단(cutting) 및 균열 (cracking) 등이 섬유파괴의 주 메카니즘이다.
(3) 연삭마모 시험에서 비마모율은 미끄럼 마모 보다 미끄럼속도는 크게 낮았지만 모든 미끄럼 방 향에 대하여 약 4배 이상 높았다.
(4) 일방향 탄소섬유 강화 복합재의 연삭마모 거 동에 미치는 미끄럼방향의 효과는 미끄럼 속도 0.3m/s까지는 크게 나타나며, 그 이상의 속도에서는 섬유방향의 효과가 크지 않았다.
3은 세 종류 입자크기의 SiC 연마지에 대하여 복합재 시편을 연삭마모 시켰을 때, 복합재의 섬유방향에 따른 비마모율의 변화를 나타내고 있다. 경면 가공한 STS 304 마찰상대재에 비하여 비교적 큰 비마모율이 측정되었으며, SiC 연마지의 입 도가 15㎛작을 때는 마찰방향의 효과가 크게 나타 나지 않았으나, 마찰상대재 입자가 상대적으로 큰 30㎛의 경우 AP 방향, N방향 및 P방향의 순으로 비마모율이 나타났으며, P방향 시편의 경우 상대재 의 입자크기 변화에 비마모율의 변화가 비교적 작 게 나타났으며, 실험에서와 같은 연삭마모 조건에 옹용할 경우 가장 바람직한 방향이라 생각된다. 연삭마모 조건에서는 미끄럼 마모보다 미끄럼 속 도는 크게 낮았지만 비마모율은 4배 이상 높게 나타났다.
실험한 결과는 초기 마모가 일어나는 시간이 대 체적으로 약 2분정도 소요되었으며, 초기 마모 동안 복합재 시편과 마찰상대재 사이에는 단단한 SiC 입자들에 의한 연삭과 쟁기질 등으로 인하여 마모가 많이 일어났으며, 마찰계수가 떨어져 안정 상태로 되면 마모가 현저하게 줄어들었다.
경면 가공한 STS 304 마찰상대재에 비하여 비교적 큰 비마모율이 측정되었으며, SiC 연마지의 입 도가 15㎛작을 때는 마찰방향의 효과가 크게 나타 나지 않았으나, 마찰상대재 입자가 상대적으로 큰 30㎛의 경우 AP 방향, N방향 및 P방향의 순으로 비마모율이 나타났으며, P방향 시편의 경우 상대재 의 입자크기 변화에 비마모율의 변화가 비교적 작 게 나타났으며, 실험에서와 같은 연삭마모 조건에 옹용할 경우 가장 바람직한 방향이라 생각된다. 연삭마모 조건에서는 미끄럼 마모보다 미끄럼 속 도는 크게 낮았지만 비마모율은 4배 이상 높게 나타났다. 마찰계수는 N방향이 가장 높게 나타났으며, AP방향과 P 방향의 순으로 나타났다.
연삭마모 조건에서는 미끄럼마모 조건보다 낮은 속도에서 비마모율은 훨씬 크게 나타났다.

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