[논문]탄소 복합재와 알루미늄 이종재료 단일겹침 접착 체결부의 강도에 관한 실험 연구

강태환; 이창재; 최진호; 권진회

doi:10.5139/jksas.2007.35.3.204

탄소 복합재와 알루미늄 이종재료 단일겹침 접착 체결부의 강도에 관한 실험 연구
An Experimental Study on the Strength of Single-Lap Bonded Joints of Carbon Composite and Aluminum 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.35 no.3, 2007년, pp.204 - 211

강태환 (경상대학교 대학원 항공공학과) , 이창재 (경상대학교 대학원 항공공학과) , 최진호 (경상대학교 항공기부품기술연구소) , 권진회 (경상대학교 항공기부품기술연구소)

초록
AI-Helper

연구에서는 5가지의 접착길이를 갖는 탄소 복합재-알루미늄 단일겹침 체결부에 대한 실험을 통해 단일겹침 접착 체결부의 파손양상 및 강도를 연구하였다. 시편은 필름 형태의 접착제인 FM73m을 사용하여 이차접착으로 제작하였다. 실험 결과, 이종재료 접착 체결부의 강도는 금속-금속 체결부의 강도보다는 낮고, 복합재-복합재 체결부의 강도보다는 높게 나타났다. 접착길이 대 폭의 비가 1보다 작은 경우, 접착길이의 증가가 강도 저하에 미치는 영향이 컸지만, 접착길이 대 폭의 비가 커질수록 접착길이의 효과는 줄어드는 것으로 나타났다. 모든 시편은 최종적으로 층간분리의 형태로 파손되었다. 따라서 고강도 접착제를 사용한 체결부의 강도향상을 위해서는 적층판의 층간분리 파손을 지연시킬 수 있는 설계가 중요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experiments were conducted to investigate the failure and strengths of carbon composite-to-aluminum single-lap bonded joints with 5 different bonding lengths. Joint specimens were fabricated to have secondary bonding of laminate and aluminum with a film type adhesive, FM73m. Tested joints have the bonding strengths between the values of aluminum-to-aluminum joints and composite-to-composite joints. In the joints with bonding length-to-width ratio smaller than 1, the strength decreases as the bonding length increases. In the joints with the ratio larger than 1, however, the strength converges to a constant value. Final failure mode of all the specimens was delamination. To use the maximum strength of the adhesive, it is important to design the joint to have strong resistance to delamination.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 항공기에 많이 사용되고 있는 접착제와 모재를 선택하여 단일겹침 체결부의 접착길이와 성형압력을 조절함으로써 파손 특성 및 강도가 어떻게 달라지는지를 실험적으로 고찰하였다. 시편은 성형된 복합재 적층판을 알루미늄과 접착제로 체결하는 이차접착 방법으로 제작하였고, 5가지 형상을 가진, 총 30개의시편에 대한 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 필름 형태의 FM73m 접착제를 사용한 알루미늄 2024-T3와 USN-125 탄소/에폭시 복합재 단일겹침 체결부의 강도가 접착면적과 접착압력에 따라 어떻게 변하는지를 실험으로 연구하였다. 체결부의 접착강도는, 접착길이가 작을경우, 접착길이가 커짐에 따라 감소한다.

가설 설정

모든 시 편은 워 터젯(water jet)으로 가공하였다. 워터젯으로 가공된 시 편의 단면은 Fig.

제안 방법

필름 형태의 접착제인 FM73m을 접착면적만큼 재단하여시편에 접착하고 오토클레이브에서 진공백 성형방식(120℃, 1시간)으로 접착시킨다. 시편의 겹침길이(。는 15, 20, 25, 30, 35 mm의 다섯 가지로하고 성형압력의 효과를 살펴보기 위해, 1=25 mm인 시편에 대해, 접착성형 압력을 2기압과 4 기압 두 가지를 적용하였다. 압력은 오토클레이브로 조절한다.
본 연구에서는 시편에 변형률게이지를 부착하여 변위와 함께 변형률도 측정하였다. 그러나 하중-변형률 곡선은 하중-변위 곡선과 물리적 의미가 동일하므로 본 논문에서는 따로 보이지 않았으며, 추후 해석결과와의 비교시에는 변형률 정보를 사용할 계획이다.
참고문헌[3]에서 접착부의 표면처리를 사포 #400으로수행한 경우 체결부의 강도가 가장 개선됨을 보였다. 본 연구에서는 이 결과를 참고하여 성형된복합재료 적층판과 알루미늄 부재를 사포질(사포 mesh #400)한 후 아세톤으로 닦는다. 필름 형태의 접착제인 FM73m을 접착면적만큼 재단하여시편에 접착하고 오토클레이브에서 진공백 성형방식(120℃, 1시간)으로 접착시킨다.
이와 같은 단일겹침접착 체결부의 형상은 금속-금속 단일겹침 접착체결 부의 전단강도 시험에 대한 규격인 ASTM D1002-0l과 복합재-복합재 또는 복합재-금속의 전단접착체결 시험에 대한 규격인 D5868-01# 참고하여 결정하였다. 시편제작의 어려움을 덜기 위해 시편규격의 인치 (inch) 단위를 밀리미터 (millimeter) 단위로 변환할 때의 발생하는 소수점 자리를 제거하고 수정된 규격으로 설계한 것이다.
접착 체결부의 파손 특성 및 강도를 변화시키는 다양한 인자들 중에서 접착과정에서 성형압력을 변화시켜 체결부 강도의 변화를 살펴보았다’ 성형압력 변화는 접착을 위해 진공백 성형을 할때 오토클레이브 압력을 2, 4 기압으로 조절하여제어하였다 . 제작사에서 제공하는 사양서에서의접착 성형시 참고 압력은 40+5 psi로 3 기압 내외이다[16].
3 mm의 속도로 하중을 가하였다. 접착부에서의 정확한 변위 측정을 위해서 알루미늄과 복합재 양쪽에 변형률 게이지를 부착하였으며, 시험 중 발생하는 체결부의 파손양상을 관찰하기 위해 Fig. 4에 보인 바와 같이 디지털 현미경 캠코더를 설치하였다. 체결부의 파손양상은 디지털 현미경 캠코더를 통해동영상 파일로 PC에 저장된다.
접착제는 필름 형태의 고온경화용 접착제인 Cytec사의 FM73m을 사용하였다. 체결부의 두께, 표면처리 방법, 접착제의 종류와 두께, 가해 준압력, 체결부에서 겹침의 폭과 길이 등은 ASTM D1002-01, D5868-01 을 참고하여 결정하였다.

대상 데이터

시편은 성형된 복합재 적층판을 알루미늄과 접착제로 체결하는 이차접착 방법으로 제작하였고, 5가지 형상을 가진, 총 30개의시편에 대한 실험을 수행하였다. 사용한 복합재료는 SK 케미컬의 USN-125(탄소섬유/에폭시 프리프레그)이고, 알루미늄은 2024-T3를 사용하였다. 접착제는 필름 형태의 고온경화용 접착제인 Cytec사의 FM73m을 사용하였다.
고찰하였다. 시편은 성형된 복합재 적층판을 알루미늄과 접착제로 체결하는 이차접착 방법으로 제작하였고, 5가지 형상을 가진, 총 30개의시편에 대한 실험을 수행하였다. 사용한 복합재료는 SK 케미컬의 USN-125(탄소섬유/에폭시 프리프레그)이고, 알루미늄은 2024-T3를 사용하였다.
105 mm이다. 실험에 의해 결정된 일방향 탄소 복합재 USN-125의 재료상수는 E, =162 GPa, E2=9.6 GPa, Gi2=6.1 GPa, %2=Q298, Xt=2652 MPa, Yr=43 MPa, S12=94 MPa 이다.
알루미늄 2024-T3는 표면에 크롬산 양극산화피막처리를 하였고, 표면처리 후 두께는 1.58 mm 이다. 재료상수는 E=73.
인장시험에 사용한 재료시험기는 Instron 5582(10톤 용량)이고 상온에서 ASTM D1002-01, D586891 규격에 따라 분당 1.3 mm의 속도로 하중을 가하였다. 접착부에서의 정확한 변위 측정을 위해서 알루미늄과 복합재 양쪽에 변형률 게이지를 부착하였으며, 시험 중 발생하는 체결부의 파손양상을 관찰하기 위해 Fig.
58 mm 이다. 재료상수는 E=73.0 GPa, G=26 GPa, v =0.33, X=434 MPa, S=268 MPa 이다. 제작사가제공한 필름 형태의 접착제 FM73m의 물성치는 E=2.
사용한 복합재료는 SK 케미컬의 USN-125(탄소섬유/에폭시 프리프레그)이고, 알루미늄은 2024-T3를 사용하였다. 접착제는 필름 형태의 고온경화용 접착제인 Cytec사의 FM73m을 사용하였다. 체결부의 두께, 표면처리 방법, 접착제의 종류와 두께, 가해 준압력, 체결부에서 겹침의 폭과 길이 등은 ASTM D1002-01, D5868-01 을 참고하여 결정하였다.

이론/모형

1에 보인 바와 같으며 접착부 겹침 길이를 T로 정의하였다. 이와 같은 단일겹침접착 체결부의 형상은 금속-금속 단일겹침 접착체결 부의 전단강도 시험에 대한 규격인 ASTM D1002-0l과 복합재-복합재 또는 복합재-금속의 전단접착체결 시험에 대한 규격인 D5868-01# 참고하여 결정하였다. 시편제작의 어려움을 덜기 위해 시편규격의 인치 (inch) 단위를 밀리미터 (millimeter) 단위로 변환할 때의 발생하는 소수점 자리를 제거하고 수정된 규격으로 설계한 것이다.

성능/효과

참고문헌 [12]의 이중겹침 체결부에서는, 복합재의 층간 분리는 발생하지 않았으며, 접착제가 알루미늄과 복합재 모재의 표면에 모두 남아 있는 혼합모드형태의 파손을 보였다. 따라서 본 연구의 결과로부터, 접착 체결부의 파손양상은 모재의 종류(단일재료 혹은 이종재료 여부)와 하중의 형태(이 중 겹침 혹은 단일겹침 여부)에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 또한 뒤에서 살펴볼 수 있듯이, 파손양상의 차이는 파손강도의 차이로 연결된다.
본 시험에서 FM73m 접착제로 이차 접착한 경우, Fig. 5에 보인 바와 같이, 모든 시편에서 초기 균열은 접착부 양쪽 끝단에서 알루미늄과 접착제의 분리형태로 발생하지만, 초기균열 발생후 접착제 층의 파손 및 복합재의 층간분리 파손으로 균열이 성장하여 최종적으로 파손되는 것을관찰할 수 있었다. Fig.
전체적으로 이종재료 체결부의 강도는 금속-금속 접합 체결 부와 복합재-복합재 접착 체결부 강도의 사이에 위치하였다. 체결부의 파손은 접착부 가장자리에서 알루미늄과 접착제의 계면분리로 시작되어, 최종적으로는 복합재의 층간분리로 끝나는 것을 알 수 있었다.
필름 형태의 FM73m 접착제를 사용한 탄소 복합재-알루미늄 이종재료 접착 체결부의 파손 과정은 복합재-복합재 접착 체결부와는 다소 다르게 나타났다. 참고문헌 [3]에서, 복합재-복합재 동종재료를 상온경화 페이스트 형태 접착제인 EA9309.

후속연구

변위와 함께 변형률도 측정하였다. 그러나 하중-변형률 곡선은 하중-변위 곡선과 물리적 의미가 동일하므로 본 논문에서는 따로 보이지 않았으며, 추후 해석결과와의 비교시에는 변형률 정보를 사용할 계획이다.

참고문헌 (17)

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Cytec Engineering Materials, Ltd, FM73 toughened epoxy film
K. D. Potter, F. J. Guild, H. J. Harvey, M. R. Wisnom and R. D. Adams, 'Understanding and control of adhesive crack propagation in bonded joints between carbon fibre composite adherends I. Experimental', International Journal of adhesion & Adhesive, Vol. 21, 2001, pp. 435-443

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