[논문]복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성치 측정

김원석; 이정주

doi:10.7234/kscm.2008.21.4.007

문제 정의

따라서 접착제를 이용한 접합은 두 재료 사이 접착제 층과 이로 인해 형성된 계면의 결합력이 접착 조인트의 하중지지 능력을 결정한다. 본 연구에서는 계면 파괴역학적 접근법을 사용하여 계면 균열이 존재하는 복합재료/금속 접착 조인트의 하중 지지능력을 예측할 수 있도록 계면 파괴 인성 치를 측정하는 시험법 및 측정값을 제시하고 이를 이용한 하중 지지 능력 예측의 신뢰성을 검증함을 목표로 하였다.
본 연구에서는 복합재료/금속 접착 계면의 Mode II 파괴인 성치 측정을 위해 이종재료 ENF (End-Notched Flexure) 시편을 고안하였으며, 파괴인성치를 측정하기 위한 시험법 및 파괴인 성치 또한 접착 조인트의 설계 자료로서 제시하였다. 측정한 계면 파괴 인성 치를 접착 조인트의 하중지지 능력을 예측하기 위한 변수로 사용하고 평가하기 위해 복합재료/금속 양면 겹치기 접착 조인트 (double-lap joint)의 접착 계면에 다양한 크기의 균열을 내재시키고 파손 시 에너지 방출률을 계산하여 측정한 Mode II 파괴인성치와 비교함으로 파괴 하중 예측의 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 파괴역학을 도입하여 접착제 접합 쪼인트의 파괴를 예측할 수 있도록 계면의 Mode H 파괴인성치를 측정하기 위한 시편을 고안하고 측정 시험을 수행하였다. 또한 측정한 파괴인성치와 접착 조인트의 파괴 하중에서의 에너지 방출률을 비교함으로써 사용한 파손 기준과 고안한 시편으로 측정한 파괴인성치를 검증하였다.

가설 설정

9). 시험편의 두께에 상관없이 동일한 파괴인성치에서 접착이 파괴됨은 접착 조인트의 치수 및 형상이 바뀌어 파괴 하중이 달라져도 에너지 방출률이 계면의 물성얀정해진 파괴인성치에 도달할 때 균열이 진전, 파손을 야기한다는 파괴역학의 기본 가정을 사용하여 파괴를 예측할 수 있음을 나타낸다.
따라서 접착 조인트의 파괴를 예측하기 위해 계면 파괴인성치를 사용할 때에는 동일한 계면이 형성되었는지를 확인하여야 한다. 즉 동일한재료 구성과 동일한 접착법으로 이루어진 계면일 때 동일한 값의 계면 파괴인성치를 갖는다고 가정할 수 있다. 동시경화성형법으로 접착된 복합재료/금속 계면의 모습을 광학 현미경으로 관찰하면 복합재료의 프리프레그에서 빠져나온 에폭시 레진이 탄소강 표면에 흡착된 모습을 보여준다 (Fig.

제안 방법

공유하는 방식으로 계면을 묘사하였다. 계면 균열은 요소 경계에서 절점들을 분리시켜 서로 다른 절점들을 위치만 같게 설정함으로써 묘사하였다. 균열 면은 마찰이 있는 미끄러짐 접촉면(frictional contact surface)으로 근사\ 요소들이 상호 침투하지 못하도록 설정한 후 해석하였다' Fig.
이는 보 이론으로는 전단 변형률, 균열 선단에서의 웅력 특이성, 잔류 열응력의 영향들을 고려할 수 없기 때문이다. 따라서 유한 요소 해석 결과를 이용하여 에너지 방출률을 구한 후 보 이론으로 얻은 이론식에 보정 상수를 곱하여 주는 방식으로 이론 식을 보정하여 사용하였다.
위한 시편을 고안하고 측정 시험을 수행하였다. 또한 측정한 파괴인성치와 접착 조인트의 파괴 하중에서의 에너지 방출률을 비교함으로써 사용한 파손 기준과 고안한 시편으로 측정한 파괴인성치를 검증하였다.
본 연구에서는 Mode I 성분이 없는 상태 (균열 닫힘 상태)의 Mode II 에너지 방출률을 구하기 위해 닫혀있는 균열 면에 작용하는 마찰을 고려한 식 (3)을 이용하여 Mode II 에너지 방춤률을 구하였다 [13].
따라서 해석 대상으로 하는 구조물의 균열 부근의 에너지 방출률을 구하고 사용된 재류-의 파괴 인성 치름 측정한다면 구조물의 파괴플 예측하는 것이 가능해진다. 본 연구에서는 접착제로 접합된 이종재료 계면 규열 문제를 대상으로 하여 계면 균열에서의 에너지 방출률은구하고 접착 계면의 물성으로서의 파괴인성지를 측정하여 접착 조인트의 하종지지 능력 평가를 수행하였다. 해석 대상Q 로 한, 이종재료 접합 조인트는 Fig.
유한요소 해석으로 구한 파괴인성치 는 유한요소 해석모델에 파괴하중을 대입하여 응력 및 변위장을 구한 후 2장에서 언급한 가상 균열 닫음 기법을 사용하여 구하였다. 각 두께에서 대표적인 파괴하중을 유한요소 해석에 적용하여 얻은 파괴인 성치 와 이론식 (7)에 대입하여 얻은 파괴인성치 G: 를 비교함으로 식 (8)의 보정계수 # 와 # 를 얻었다 (Fig 8).
유한요소 해석은 8절점 평면 변형률 요소틀 사용하였으며, 서로 다른 재료 물성이 부여된 요소들이 경계에서 동일 절점을 공유하는 방식으로 계면을 묘사하였다. 계면 균열은 요소 경계에서 절점들을 분리시켜 서로 다른 절점들을 위치만 같게 설정함으로써 묘사하였다.
접착 물성을 향상시키기 위해 탄소강 표면을 sandpaper #60으로 연마하여 표면 조도를 조절한 후 아세톤세척 과정을 거쳤다. 접착 계면에 초기 균열을 주기 위하여 접착하기 전 탄소강 표면에 에폭시 이형제 (Epoxy release agent ER-650, 남방 CNA, Korea)를 도포하였으며 초기 균열 길이 (%)는 5, 10, 15, 20 mm로 설정하였다. 접착 조인트의 하중 지지 능력 측정 시험은 정적 인장 하중을 유압 재료 시험기 (MTS-815) 를 사용하여 가해 주었으며 인장 속도는 1 mm/min 로 설정하였다.
15mm 두께의 프리프레그 (SK SkyFlex, USN₁₅0B)를 16장 적층하여 구성된 적층 판(#)을사용하였다. 접착 물성을 향상시키기 위해 탄소강 표면을 sandpaper #60으로 연마하여 표면 조도를 조절한 후 아세톤세척 과정을 거쳤다. 접착 계면에 초기 균열을 주기 위하여 접착하기 전 탄소강 표면에 에폭시 이형제 (Epoxy release agent ER-650, 남방 CNA, Korea)를 도포하였으며 초기 균열 길이 (%)는 5, 10, 15, 20 mm로 설정하였다.
접착 계면에 초기 균열을 주기 위하여 접착하기 전 탄소강 표면에 에폭시 이형제 (Epoxy release agent ER-650, 남방 CNA, Korea)를 도포하였으며 초기 균열 길이 (%)는 5, 10, 15, 20 mm로 설정하였다. 접착 조인트의 하중 지지 능력 측정 시험은 정적 인장 하중을 유압 재료 시험기 (MTS-815) 를 사용하여 가해 주었으며 인장 속도는 1 mm/min 로 설정하였다.
접착 조인트의 설계 자료로서 제시하였다. 측정한 계면 파괴 인성 치를 접착 조인트의 하중지지 능력을 예측하기 위한 변수로 사용하고 평가하기 위해 복합재료/금속 양면 겹치기 접착 조인트 (double-lap joint)의 접착 계면에 다양한 크기의 균열을 내재시키고 파손 시 에너지 방출률을 계산하여 측정한 Mode II 파괴인성치와 비교함으로 파괴 하중 예측의 신뢰성을 검증하였다.

대상 데이터

동시 경화 성형법으로 접착된 복합재료/금속 계면의 Mode II 파괴인성치, Gm는 본 연구에서 고안된 이종재료 ENF 시편을 이용하여 측정하였다. ENF 시편은 Russell과 Street [14] 가복합재료의 Mode II 층간 파괴인성치를 측정하기 위해 도입한 이후 접착제 결합의 Mode II 파괴인성치를 측정하는 데에도 선호되어 사용되어온 시험편이다 [15].
4). 재료는 탄소강 (SM 45C)과 일방향 적층된 탄소섬유/에폭시 복합재료로서 0.15mm 두께의 프리프레그 (SK SkyFlex, USN₁₅0B)를 16장 적층하여 구성된 적층 판(#)을사용하였다. 접착 물성을 향상시키기 위해 탄소강 표면을 sandpaper #60으로 연마하여 표면 조도를 조절한 후 아세톤세척 과정을 거쳤다.

이론/모형

해석 대상으로 한 Fig. 1의 복합재료/금속 양면 겹치기 접합 조인트는 ASTM D3528 규격을 기반으로 치수를 결정하였다 (Fig. 4). 재료는 탄소강 (SM 45C)과 일방향 적층된 탄소섬유/에폭시 복합재료로서 0.

성능/효과

파괴인성치에서 접착이 파괴됨을 확인하였다. 다양한 초기 균열 길이를 가진 양면 겹치기 접착 조인트 또한 계면 균열의 에너지 방출률이 ENF 시편을 이용하여 측정한 파괴인성치에 도달할 때 파괴됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 이종재료 ENF 시편을 사용하여 접착 계면의 파괴 인성 치들 k 측정한다면 시편과 동일한 방식으로 형성된 계면을 가신 접착 조인트가 특정 하중에서 나타내는 에너지 방출률과 비교함으로써 귟열 진선의 여부 및 파괴 하중을 예측할 수 있다.
에너지 방출률과 일치함이 확인하였다. 따라서 계면 파괴 인성 치를 이용한 접착 조인트의 파괴 예측은 조인트의 형상 변화에 상관없이, 동일한 접착 계면이 형성되었다면 동일한 계면 파괴 인성 치를 사용하여 파손을 예측할 수 있음이 검증되었다.
다양한 초기 균열 길이를 가진 양면 겹치기 접착 조인트 또한 계면 균열의 에너지 방출률이 ENF 시편을 이용하여 측정한 파괴인성치에 도달할 때 파괴됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 이종재료 ENF 시편을 사용하여 접착 계면의 파괴 인성 치들 k 측정한다면 시편과 동일한 방식으로 형성된 계면을 가신 접착 조인트가 특정 하중에서 나타내는 에너지 방출률과 비교함으로써 귟열 진선의 여부 및 파괴 하중을 예측할 수 있다.
ENF 시험편과 양면겹치기 접합 시험편 모두 동일한 접착 계면이 생성되었다. 또한 파괴인성치는 균열 부근에서 하중이 인가되는 Mode의 함수이듯이 계면 균열 또한 균열 열림 (Mode I)과 균열 미고러짐 (Mode II ) 그리고 두 가지의 혼성 정도에 따라 다른 파괴인성치를 갖는디L 본 연구에서 비교한 ENF 시험편과 양면 겹치기 접함 시험편 모두 균열이 온전히 닫혀진 균열 미끄러짐 조건이었기에 동일한 파괴 인성 치로 비교가 가능하였다.
실험결과 고안된 이종재료 ENF 시편은 두께에 상관없이 동일한 파괴인성치에서 접착이 파괴됨을 확인하였다. 다양한 초기 균열 길이를 가진 양면 겹치기 접착 조인트 또한 계면 균열의 에너지 방출률이 ENF 시편을 이용하여 측정한 파괴인성치에 도달할 때 파괴됨을 확인하였다.
각 두께에서 대표적인 파괴하중을 유한요소 해석에 적용하여 얻은 파괴인 성치 와 이론식 (7)에 대입하여 얻은 파괴인성치 G: 를 비교함으로 식 (8)의 보정계수 # 와 # 를 얻었다 (Fig 8). 이를 이용하여 매 실험마다 유한 요소 해석을 반복함을 피하였다.
이상과 같이 이종재료 ENF 시편으로 측정한 계면 파괴인 성치가 계면 균열을 가진 양면 겹치기 접착 조인트 시편의 파괴시나타나는 에너지 방출률과 일치함이 확인하였다. 따라서 계면 파괴 인성 치를 이용한 접착 조인트의 파괴 예측은 조인트의 형상 변화에 상관없이, 동일한 접착 계면이 형성되었다면 동일한 계면 파괴 인성 치를 사용하여 파손을 예측할 수 있음이 검증되었다.
초기 균열의 길이가 클수록 하중지지 능력은 감소하며 초기균열 길이가 길어질 때 그 감소 폭이 더 커짐을 알 수 있다' 실험적으로 구한 파괴하중의 평균값을 유한 요소 해석 모델에 대입하여 계면 균열에서 에너지 방출률을 구했을 때, 다양한 초기균열 길이에 상관없이 에너지 방출률 값이 이종재료 ENF 시험에서 구했던 계면의 파괴인성치 값의 표준편차 범위 안에 위치하고 있음을 확인할 수 있다. (Fig.
(F0 7). 하중이 특정 값에 도달하면 계면균열이 불안정적으로 잔전(wistable crack propagation), 접착은 갑작스럽게 파괴된다' 서로 다른 5개의 두께를 가진 시편 모뚜불얀정적인 균열진전 거동으로 인해 접착의 파괴와 동시에 순간적인 하중 감소를 보여 주었으며 시험편의 두께가 두꺼울수록 더 큰 하중지지 능력을 가짐을 관찰할 수 있다. (Fig.

후속연구

7 J/m?이며 이 값은 본 연구에서 사용한 복합재료/금속 (일방향 USN₁₅0/탄소강) 재료의 동시경화 접착법으로 접착된 계면의 물성이므로 재료 구성이나 접착 방식이 바뀐다면 새롭게 측정하여야 하는 물성 값이다. 그러나 본 연구에서 제시한 이종재료 ENF 시편과 시험 방법은 임의의 접착 계면 물성 측정을 위해 사용할 수 있다.
본 연구에서는 Mode II 복합재료/금속 계면 파괴인성치를 측정하기 위한 시험E 및파괴인성치의 제시에 국한된 것이며 따라서 단면 겹치기 접착조인트 (single-lap joint)와 같이 균열 열림 (Mode I)과 기 f 연 미끄러짐 (Mode II)이 동시에 나타나는 혼합 모드 상태의 접착 조인트의 파손 예측에는 사용될 수 없다. 다양한 혼합모드 에서 계면 파괴인성치를 측정하는 연구 또한 필요하며 접착구조물 설계를 위한 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.
미소 증가량을 나타낸다. 따라서 해석 대상으로 하는 구조물의 균열 부근의 에너지 방출률을 구하고 사용된 재류-의 파괴 인성 치름 측정한다면 구조물의 파괴플 예측하는 것이 가능해진다. 본 연구에서는 접착제로 접합된 이종재료 계면 규열 문제를 대상으로 하여 계면 균열에서의 에너지 방출률은구하고 접착 계면의 물성으로서의 파괴인성지를 측정하여 접착 조인트의 하종지지 능력 평가를 수행하였다.
또한 파괴 인성 치는 하중의 작용 모드에 따라 달라진다. 본 연구에서는 Mode II 복합재료/금속 계면 파괴인성치를 측정하기 위한 시험E 및파괴인성치의 제시에 국한된 것이며 따라서 단면 겹치기 접착조인트 (single-lap joint)와 같이 균열 열림 (Mode I)과 기 f 연 미끄러짐 (Mode II)이 동시에 나타나는 혼합 모드 상태의 접착 조인트의 파손 예측에는 사용될 수 없다. 다양한 혼합모드 에서 계면 파괴인성치를 측정하는 연구 또한 필요하며 접착구조물 설계를 위한 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성치 측정
Interfacial Fracture Toughness Measurement of Composite/metal Bonding 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성치 측정 Interfacial Fracture Toughness Measurement of Composite/metal Bonding 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이정주 (30)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성치 측정
Interfacial Fracture Toughness Measurement of Composite/metal Bonding 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper