[논문]복합재-알루미늄 양면겹치기 조인트를 이용한 접착제의 극저온 물성 평가

강상국; 김명곤; 공철원; 김천곤

doi:10.7234/kscm.2006.19.4.023

[국내논문] 복합재-알루미늄 양면겹치기 조인트를 이용한 접착제의 극저온 물성 평가
Evaluation of Cryogenic Performance of Adhesives Using Composite-Aluminum Double Lap Joints 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.19 no.4, 2006년, pp.23 - 30

강상국 (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공) , 김명곤 (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공) , 공철원 (한국항공우주연구원 구조그룹) , 김천곤 (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공)

초록
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극저온 추진제 탱크를 개발하는 과정에서 복합재와 알루미늄 라이너를 접합하기 위한 접착제의 선택은 탱크의 안전성과도 직결된 매우 중요한 문제이다. 따라서 적합한 극저온용 접착제를 선택하기 위해 3종류의 접착필름이 선정되었으며 극저온용으로 개발된 탄소섬유/에폭시와 라이너 재료로 사용되는 알루미늄으로 구성된 양면 겹치기 조인트 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 극저온 환경챔버를 사용하여 상온과 $-150^{\circ}C$에서 인장실험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하였으며 파손 특성을 분석하였다. 또한 양면 겹치기 조인트 시편의 각 구성재료의 온도에 따른 기계적 물성변화를 측정하였으며 이를 이용하여 ABAQUS를 통한 유한요소해석을 수행하여 양면 겹치기 조인트 시편의 인장시험결과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the development of a cryogenic propellant tank, the proper selection of adhesives to bond composite and metal liner is important for the safety of operation. In this study, 3 types of adhesives were tested for the ability to bond CFRP composites developed for cryogenic use and aluminum alloy (Al 6061-T6) for lining the tank using double-lap joint specimens. The double-lap joint specimens were tested inside an environmental chamber at room temperature and cryogenic temperature ($-150^{\circ}C$) respectively to compare the bond strength of each adhesive and fracture characteristics. The material properties with temperature of component materials of double-lap joints were measured. In addition, ABAQUS was used for the purpose of analyzing the experimental results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 극저온에 적합한 접착필름을 선정하기 위해 3종류의 접착필름에 대해 ASTM D3528을 참고하여 복합재료와 알루미늄으로 이루어진 양면 겹치기 조인트 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 극저온 환경 챔버를 사용하여 상온과 -15(TC에서 인장실험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

극저온 환경챔버를 사용하여 상온과 -150。<3에서 인장시험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하였으며 파손 특성을 분석하였다. 또한 양면 겹치기 조인트 시편의 각 구성 재료의 저온 물성을 측정하여 온도에 따른 거동을 관찰하였다.
제작된 시편을 극저온 환경챔버를 사용하여 상온과 -150。<3에서 인장시험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하였으며 파손 특성을 분석하였다. 또한 양면 겹치기 조인트 시편의 각 구성 재료의 저온 물성을 측정하여 온도에 따른 거동을 관찰하였다. 또한 ABAQUS 를 사용한 유한요소해석 수행을 통해 양면 겹치기 조인트의 파손과정을 추론하였다.
또한 양면 겹치기 조인트 시편의 각 구성 재료의 저온 물성을 측정하여 온도에 따른 거동을 관찰하였다. 또한 ABAQUS 를 사용한 유한요소해석 수행을 통해 양면 겹치기 조인트의 파손과정을 추론하였다.
조인트 길이는 10mm이며 접착면은 사포(#400)를 사용하여 복합재와 알루미늄 모두 동일한 조건으로 연마한 후에 접착제를 부착하였다. 또한 복합재 부분에서 그립이 물려지는 부분은 극저온 인장시험을 위해 연마포(emery cloth)를 탭으로 부착하였다. 스페이서(spacer)는 바깥쪽 피접착물인 복합재 사이의 공간을 유지하는 역할을 하며 안쪽 접착물인 알루미늄과 두께 방향의 열변형 차이로 인한 굽힘 응력(bending stress)이 생기지 않도록 동일한 재료인 알루미늄을 사용하였다.
접착제 성형이 끝난 세 종류의 양면 겹치기 시편을 사용하여 상온과 극저온에서 접착강도를 비교하기 위한 인장시험을 수행하였다. Fig.
27mm/min으로 하였다. -150。(3에서 시험을 수행하기 위해서는 그립으로부터 시편이 미끄러지는 것을 방지하기 위해 약간의 초기하중을 부가하며』 50。(:의열평형에 도달한 이후에 인장시험을 수행하였다.
양면 겹치기 조인트 시편을 구성하고 있는 피접착물인 Graphite/Epoxy와 알루미늄 二리고 세 종류의 접착제에 대해 저온에서의 인장 강성 및 강도, 열팽창계수를 취득하였다. 복합재료는 ASTM, D3039를 참조하여 시편을 제작, 실험을 수행하였다.
제작된 접착제와 알루미늄 시편을 극저온 환경 챔버를 사용하여 상온, -50°C, -IOO°C, -150。<3에서 각각 인장시험을 수행하여 인장 강성과 강도의 변화를 관찰하였다. 또한 티타늄실리케이트(titanium silicate)를 더미 게이지(dummy gauge) 로사용한 하프브리지 회로(half bridge circuit)를 통해 열변형을 측정하여 각 온도에서의 열팽창계수를 취득하였다. 이렇게 취득한 물성을 사용하여 4절에서 유한요소해석을 수행하였다.
또한 티타늄실리케이트(titanium silicate)를 더미 게이지(dummy gauge) 로사용한 하프브리지 회로(half bridge circuit)를 통해 열변형을 측정하여 각 온도에서의 열팽창계수를 취득하였다. 이렇게 취득한 물성을 사용하여 4절에서 유한요소해석을 수행하였다.
양면 겹치기 조인트의』50。(3에서의 조인트 부분의 응력 분석을 통해 파손과정을 살펴보기 위한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. MSC/PATRAN 2003을 사용하여 모델링 및 경계조건 등을 포함한 전처리 과정과 응력 및 변형률 등의 분석을 위한 후처리 과정을 수행하였으며 구조해석은 ABAQUS 6.
제작된 시편을 극저온 환경 챔버를 사용하여 상온과 -15(TC에서 인장실험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 3종류의 접착 필름을 선정하였으며 ASTM D3528을 참고하여 극저온용으로 개발된 Graphite/Epoxy 와 라이너 재료로 사용되는 알루미늄 (A16061-T6)으로 양면 겹치기 조인트 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 극저온 환경챔버를 사용하여 상온과 -150。<3에서 인장시험을 수행하여 각 접착제의 접착강도를 비교하였으며 파손 특성을 분석하였다.
양면 겹치기 조인트 시편은 ASTM D3528을 참조하여 Fig. 1과 같은 형태로 제작하였다. 바깥쪽 피접착물(outer adherend) 로 사용된 Graphite/Epoxy 복합재료는 극저온용으로 개발된 소재이며 안쪽 접착물(inner adherend)인 알루미늄 6061-T6은일반적으로 금속 라이너로 많이 사용되는 재료이다.
또한 복합재 부분에서 그립이 물려지는 부분은 극저온 인장시험을 위해 연마포(emery cloth)를 탭으로 부착하였다. 스페이서(spacer)는 바깥쪽 피접착물인 복합재 사이의 공간을 유지하는 역할을 하며 안쪽 접착물인 알루미늄과 두께 방향의 열변형 차이로 인한 굽힘 응력(bending stress)이 생기지 않도록 동일한 재료인 알루미늄을 사용하였다.
복합재료는 ASTM, D3039를 참조하여 시편을 제작, 실험을 수행하였다. 또한 벌크(bulk) 접착제 시편은 ASTM D638, 알루미늄은 ASTM B557의 규격에 따라 독본(dog-bone) 형태로 Fig.
초기 온도 20。(3의 상태에서 모든 노드에 대해 니50。(:의 온도를 부가하였으며 알루미늄의 한쪽 단면에 10kN의 기계적 하중을 부가하였다. 사용한 요소는 8절점 고체요소(sohd 이ement)이며 전체 노드 11429개, 전체 요소 9400개를 사용하였다. 또한 해석에 사용한 물성값은 앞에서 수행된 실험결과에서 -150。(3의 값을 사용하였다.

이론/모형

MSC/PATRAN 2003을 사용하여 모델링 및 경계조건 등을 포함한 전처리 과정과 응력 및 변형률 등의 분석을 위한 후처리 과정을 수행하였으며 구조해석은 ABAQUS 6.4를 사용하였다.

성능/효과

FM73과 Bondex606이 비슷한 접착 강도를 보였으며 상대적으로 EA9696은 낮은 접착 강도를 보였다. -150%에서 세 종류의 양면 겹치기 조인트 시편은 모두 상온에 비해 접착강도가 증가하였으뗘 Bondex606이 가장 우수한 접착 강도를 보였다. 상온 결과와 비교했을 때, FM73의 경우 443%, Bondex606의 경우 53.
-150%에서 세 종류의 양면 겹치기 조인트 시편은 모두 상온에 비해 접착강도가 증가하였으뗘 Bondex606이 가장 우수한 접착 강도를 보였다. 상온 결과와 비교했을 때, FM73의 경우 443%, Bondex606의 경우 53.0%, EA9696의 경우 89.8%의 증가율을 보였다. 이처럼 저온에서의 접착강도 증가 요인은 접착제의 강도 증가에 기인한 것으로 판단되며 3.
8에 나타나 있다. 온도가 감소함에 따라 곡선의 기울기가 증가하는 것을 알 수 있으며 이 결과로부터 저온에서의 접착제의 취성 (brittleness) 증가로 인한 강성의 증가를 확인할 수 있다. 강도 또한 상온에 비해 증가하는 것을 확인할 수 있으며 이것은 앞에서 설명한 양면 겹치기 조인트의 저온에서의 접착강도 증가의 가장 큰 원인으로 사료된다.
(1) -i5(rc에서 세 종류의 양면 겹치기 조인트 시편은 모두 상온에 비해 접착강도가 증가하였으며 Bondex606이 가장 우수한 접착강도를 보였다. 저온에서의 접착강도 증가 요인은 접착제의 강도 증가에 기인한다.
(2) 상온에서는 양면 겹치기 조인트 강도가 벌크 접착제 시편의 강도에 미치지 못하는 결과를 보였다. 하지만 -150。(3에서는 양면 겹치기 조인트 강도가 벌크 접착제 시편의 강도와 비슷한 결과를 보였으며 FM73은 양면겹치기 강도가 벌크 접착제 시편의 강도에 미치지 못했다.

후속연구

하지만 -150。(3에서는 양면 겹치기 조인트 강도가 벌크 접착제 시편의 강도와 비슷한 결과를 보였으며 FM73은 양면겹치기 강도가 벌크 접착제 시편의 강도에 미치지 못했다. 따라서 접착제 벌크 시편의 강도가 우수하다고 해서 반드시 접착강도도 우수하다고 보장할 수는 없으며 접착제를 적용하기 이전에 반드시 온도와 피접착물 종류 등 실제 운용환경에서의 접착성능을 확인해야 한다.

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상세보기
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김명곤, 강상국, 김천곤, 공철원, '극저온 환경에서 탄소섬유강화 복합재의 인장물성에 관한 연구' 한국복합재료학회지, 제17권, 제6호, 2004, pp. 52-57

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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