[논문]복합재료/금속 접착 계면의 혼합모드 파괴인성 측정

김원석; 장창재; 이정주

doi:10.7234/kscm.2011.24.2.001

복합재료/금속 접착 계면의 혼합모드 파괴인성 측정
Mixed-mode fracture toughness measurement of a composite/metal interface 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.24 no.2, 2011년, pp.1 - 8

김원석 (한국항공우주연구원 위성구조팀) , 장창재 (한국과학기술원 기계공학과 대학원) , 이정주 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
AI-Helper

복합재료/금속 접착 조인트의 파손기준을 제시하기 위하여 다양한 혼합모드 하중상태에서 계면파괴인성을 측정하였다. 계면파괴인성은 SLB 시편을 이용하여 측정하였으며 시편의 두께를 변화시킴으로 모드 혼합비율을 다양하게 설정하였다. 실험결과 계면의 파괴인성은 균열 열림에 비해 균열 미끄러짐 모드의 비율이 높은 하중상태에서 더 큰 값을 나타내었다. 균열 열림 및 미끄러짐 하중모드에 따른 계면파괴 거동의 차이를 균열진전 과정을 관찰한 현미경 영상을 기초로 고찰하였다. 표면 거칠기가 접착 강도에 미치는 영향 또한 고찰되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Interfacial fracture toughness under various mixed-mode loading is measured to provide a mixed-mode fracture criterion of a composite/metal bonded joint. Experimental fracture characterization tests were carried out using a SLB (single leg bending) specimen, which controls mode ratio with the specimen thickness. The experimental result of the SLB test conforms that interfacial fracture toughness increases as the mode II component increases. The effect of loading mode on interfacial crack growth is investigated on the basis of crack path observation using microscopic image acquisition technique. The influence of interfacial roughness on adhesion strength is also discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

비율에서 파괴인성 값을 측정하였다. 또한 모드혼합 비율이 계면 파괴인성 값을 변화시키는 원리에 대해 고찰하고자 하였다. 혼합모드 접착 파손 시험을 위해 SLB (single leg bending) 시편을 이용하였으며 컴플라이언스 보정 방법 (compliance calibration method)을 사용하여 파괴인성 값을 결정하였다.
시험은 자체 제작한 용량 15kg의 소형 굽힘 시험기를 사용하여 10p tn/s의- 속도로 변위제어 방식으로 수행하였다. 본 연구에서 SLB 시편을 소형으로 제작하고 저속으로 굽힘 시험을 수행함은 현미경과 카메라를 이용하여 파괴시험을 수행하면서 영상을 획득, 균열진전 거동을 감시하고 균열 선단 부근의 재료 거동을 관찰하기 위함이다(Fig. 2).
본 연구에서는 SLB 시편을 이용한 복합재료/금속 계면의 파괴 인성, & 측정법을 제시하였다. 특별히 혼합모드 파괴 인성을 잔류 열응력을 고려하여 측정하였으며, 균열의 성장과정 및 파단면을 관찰함으로 모드혼합 비율이 달라질 때 계면 파괴 인성이 달라지는 원인을 설명하고자 하였다.
본 연구에서는 혼합모드 하중상태에서 복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성을 측정하는 기법을 제안하고 다양한 모드혼합 비율에서 파괴인성 값을 측정하였다. 또한 모드혼합 비율이 계면 파괴인성 값을 변화시키는 원리에 대해 고찰하고자 하였다.
& 측정법을 제시하였다. 특별히 혼합모드 파괴 인성을 잔류 열응력을 고려하여 측정하였으며, 균열의 성장과정 및 파단면을 관찰함으로 모드혼합 비율이 달라질 때 계면 파괴 인성이 달라지는 원인을 설명하고자 하였다. 수행한 실험결과를 통해 요약한 결론은 다음과 같다.

가설 설정

3과 같이 SLB 시편에 작용하는 하중을 Mode I과 Mode II 성분으로 분리한 후 각각의 하중상태를 보이론에 적용, 식 (10), (11)과 같이 파괴 인성 값을 개별적으로 계산함으로 성분비율을 결정하였다. 파괴 인성 값 자체는 컴플라이언스 보정법을 활용하여 실험적으로 구하였지만 모드 혼합비율 으丄 은 보이론에서 크게 벗어나지 않는다고 가정한 것이다.

제안 방법

시편은 프리프레그를 탄소강 평판 (폭: 5 mm, 길이: 35 mm, 두께: 1 nun) 위에 섬유가 평판의 길이 방향과 평행하도록 적층한 후진 공백 성형법으로 경화시켜 복합재료가 경화됨과 동시에 탄소강과 접착되도록 하는 동시경화 (co-cure bonding) 접착법을 사용하여 제작하였다. SLB 시편은 아래층에 대한 위층의 두께 비율 (n/h)이 커질수록 균열 미끄러짐 하중의 비율이 커지게 되는데, 본 연구에서는 복합재료 적층수를 조절하여 위충을 얇게 함으로 균열 열림 하중이 지배적인 상태로 혹은 위층을 두껍게 함으로 균열 미끄러짐 하중이 지배적인 상태로 만들었다. 접착 물성을 향상시키기 위해 접착될 탄소강 표면은 사포 (#6。)로연마하여 표면 거칠기를 형성한 후 아세톤 세척하여 불순물을 제거하였다.
계면의 파괴인성은 혼합모드 하중 상태에서 균열 미끄러짐 모드의 비율이 커질수록 증가하며 그 증가 비율도 순수 미끄러짐 모드에 가까워질수록 커짐을 알 수 있다. 동일한 계면이라 할지라도 하중 상태에 따라 균열진전에 대한 저항력이 다른 이유를 고찰하기 위해 균열이 진전하는 영상을 촬영하였다.
따라서 시편의 C-a 관계를 실험적으로 구한 후, 식 (1)을 적용해 파괴인성을 측정하는 컴플라이언스 보정 방법이 많은 접착 시편의 파괴 인성을 구하기 위한 표준방법으로서 추천되어 왔다[6-9, 17-18]. 본연구에서는 컴플라이언스 보정 방법을 SLB 시편에 적용하기 위해 혼합모드 하중을 받는 복합재료/금속 SLB 시편의 C-a 관계를 실험적으로 구하였다. 실험으로 얻은 C-a 관계는 식 (4)와 같이 균열길이와 컴플라이언스가 무차원 변수 (a/q , E]BC)로 정규화되도록 표현한 후 Irwin-Kies 관계식을 적용하여 계면파괴인성을 결정하였다.
시편은 프리프레그를 탄소강 평판 (폭: 5 mm, 길이: 35 mm, 두께: 1 nun) 위에 섬유가 평판의 길이 방향과 평행하도록 적층한 후진 공백 성형법으로 경화시켜 복합재료가 경화됨과 동시에 탄소강과 접착되도록 하는 동시경화 (co-cure bonding) 접착법을 사용하여 제작하였다. SLB 시편은 아래층에 대한 위층의 두께 비율 (n/h)이 커질수록 균열 미끄러짐 하중의 비율이 커지게 되는데, 본 연구에서는 복합재료 적층수를 조절하여 위충을 얇게 함으로 균열 열림 하중이 지배적인 상태로 혹은 위층을 두껍게 함으로 균열 미끄러짐 하중이 지배적인 상태로 만들었다.
초기 계면균열은 복합재료를 탄소강에 적층하기 전, 에폭시 이형제 (ER-650 from Nabakem)를 탄소강 표면에도 포함으로 접착이 이루어지지 않도록 하여 생성시켰다. 시험은 자체 제작한 용량 15kg의 소형 굽힘 시험기를 사용하여 10p tn/s의- 속도로 변위제어 방식으로 수행하였다. 본 연구에서 SLB 시편을 소형으로 제작하고 저속으로 굽힘 시험을 수행함은 현미경과 카메라를 이용하여 파괴시험을 수행하면서 영상을 획득, 균열진전 거동을 감시하고 균열 선단 부근의 재료 거동을 관찰하기 위함이다(Fig.
혼합모드 접착 파손 시험을 위해 SLB (single leg bending) 시편을 이용하였으며 컴플라이언스 보정 방법 (compliance calibration method)을 사용하여 파괴인성 값을 결정하였다. 파괴 시험을 수행하면서 현미경과 고속 카메라로 균열 선단의 영상을 획득함으로 균열성장 과정을 관찰하였다.

대상 데이터

시편의 재료로서 일방향 탄소섬유/에폭시 복합재료 (USN 150 from SK Chemical)와 탄소강 (SM45C) 이 사용되었다. 시편은 프리프레그를 탄소강 평판 (폭: 5 mm, 길이: 35 mm, 두께: 1 nun) 위에 섬유가 평판의 길이 방향과 평행하도록 적층한 후진 공백 성형법으로 경화시켜 복합재료가 경화됨과 동시에 탄소강과 접착되도록 하는 동시경화 (co-cure bonding) 접착법을 사용하여 제작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Gg小은 컴플라이언스 보정법을 이용한 식 (5)를 사용하여 구하였으며 G/와 G* 는 보 이론을 이용하여 Naim [22]에 의해 유도된 식 (7), (8)을 사용하여 계면의 파괴 인성을 구하였다.
본연구에서는 컴플라이언스 보정 방법을 SLB 시편에 적용하기 위해 혼합모드 하중을 받는 복합재료/금속 SLB 시편의 C-a 관계를 실험적으로 구하였다. 실험으로 얻은 C-a 관계는 식 (4)와 같이 균열길이와 컴플라이언스가 무차원 변수 (a/q , E]BC)로 정규화되도록 표현한 후 Irwin-Kies 관계식을 적용하여 계면파괴인성을 결정하였다.
또한 모드혼합 비율이 계면 파괴인성 값을 변화시키는 원리에 대해 고찰하고자 하였다. 혼합모드 접착 파손 시험을 위해 SLB (single leg bending) 시편을 이용하였으며 컴플라이언스 보정 방법 (compliance calibration method)을 사용하여 파괴인성 값을 결정하였다. 파괴 시험을 수행하면서 현미경과 고속 카메라로 균열 선단의 영상을 획득함으로 균열성장 과정을 관찰하였다.

성능/효과

10과 같이 2차 함수를 사용함으로 근사할 수 있다. 계면의 파괴인성은 혼합모드 하중 상태에서 균열 미끄러짐 모드의 비율이 커질수록 증가하며 그 증가 비율도 순수 미끄러짐 모드에 가까워질수록 커짐을 알 수 있다. 동일한 계면이라 할지라도 하중 상태에 따라 균열진전에 대한 저항력이 다른 이유를 고찰하기 위해 균열이 진전하는 영상을 촬영하였다.
달라지기 때문이다. 파괴된 시편의 금속 파단면을 관찰하면 균열 미끄러짐 모드일 때 균열 열림 모드일 때보다 에폭시 수지가 더 많이 남아있음을 확인할 수 있다. (Fig.

후속연구

금속 사.이의 반데르발스 결합만을 끊으면서 진전할 때는 에너지의 소모가 상대적으로 작다、따라서 접착조인트는 가능한 한 계면에서 전단응력으로 하중이 전달되도록 설계되어야 하며 향후 금속 표면의 미세 구조를 제어할 수 있는 표면가공 기술을 개발한다면 균열 열림 모드에서도 기계적 잠금 효과가 나타날 수 있도록 표면의 미세지형을 가공함으로써 균열 열림 하중상태에서도 접착 강도가 큰 조인트의 가능성도 생각할 수 있다.

참고문헌 (27)

Higgins, A., "Adhesive bonding of aircraft structures," Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 20, No. 5, 2000, pp. 367-376.

상세보기
Davis, J.R, Aluminum and Aluminum Alloys (ASM Specialty Handbook), ASM International, 1993, pp. 438-450.
Brockmann, W., Geiss, P.L., Klingen, J., Schroder, B., Adhesive bonding: Materials, Applications and Technology, WILEY-VCH, 2009, pp. 205-236.
Albrecht, P. and Sahli, A.H., "Static strength of bolted and adhesively bonded joints for steel structures," Adhesively bonded joints: testing, analysis and design, ASTM STP 981, W.S. Johnson, Ed., Philadelphia, 1988, pp. 229-251.
Noor, A.K., Structures technology for future aerospace systems, AIAA, Virginia, 2000, pp, 58-65.
ASTM D 3433 - 1999, Standard test method for fracture strength in cleavage of adhesives in bonded metal joints.
ASTM D 5528 - 2001, Standard test method for mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites.
ISO 15024 - 2001, Fibre-reinforced plastic composites - determination of mode I interlaminar fracture toughness, Gk, for unidirectionally reinforced materials.
JIS K 7086 - 1993, Testing methods for interlaminar fracture toughness of carbon fiber reinforced plastics.
Arcan, M., Hashin, Z., Voloshin, A., "A methods to produce uniform plane stress state with applications to fiber-reinforced materials," Exp. Mech., Vol. 18, 1978, pp. 141-146.

상세보기
Richard, H.A., "A new compact shear specimen," Int. J. Fract., Vol. 17, 1981, pp. R105-107.

상세보기
Richard, H.A., Benitz, K., "A loading device for the creation of mixed mode in fracture mechanics," Int. J. Fract., Vol. 22, 1983, pp. R55-58.

상세보기
Wang, J.S., Suo, Z., "Experimental determination of interfacial toughness curves using Brazil Nut sandwiches," Acta metal. Mater., Vol. 38, 1990, pp. 1279-1290.

상세보기
Davidson, B.D., Sundararaman, V., "A single leg bending test for interfacial fracture toughness determination," Int. J. Fract., Vol. 78, 1996, pp. 193-210.

상세보기
김원석, 이정주, "복합재료/금속 접착 계면의 파괴인성치 측정" 한국복합재료학회지, 제21권, 제4호, 2008, pp. 7-14.

원문보기 상세보기
정성균, "무게가 상이한 탄소부직포가 삽입된 CFRP 적층판의 층간파괴인성,'' 한국복합재료 학회지, 제22권, 제2호, 2009, pp. 43-48.
DIN EN 6034 - 1995, Aerospace series - Carbon fibre reinforced plastics - Test method - Determination of interlaminar fracture toughness energy Mode II - GIIC.
ASTM D 6671 - 2004, Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites.
Davidson, B.D., Gharibian, S.J., Yu, L., "Evaluation of energy release rate-based approaches for predicting delamination growth in laminated composites," Int. J. Fract., Vol. 105, 2000, pp. 343-365.
Irwin, G.R, Kies, J.A., "Critical energy release rate analysis of fracture strength," Welding J., Vol. 33, 1954, Research Supplement, pp. 193-198.
Jiao, J. Gurumurthy, C.K., Kramer, E.J., Sha, Y., Hui, C.Y., Borgensen, P., "Measurement of interfacial fracture toughness under combined mechanical and thermal stresses," J. Electron. Pack., Vol. 120, 1998, pp. 349-353.

상세보기
Nairn, J.A., "On the calculation of energy release rate for cracked laminates with residual stresses," Int. J. Fract., Vol. 139, 2006, pp. 267-293.

상세보기
Yokozeki, T., Ogasawawa, T., Aoki, T., "Correction method for evaluation of interfacial fracture toughness of DCB, ENF and MMB specimens with residual thermal stresses," Compos. Sci. Tech., Vol. 68, 2008, pp. 760-767.

상세보기
ASTM E 1820-05., Standard test method for measurement of fracture toughness.
ASTM D 5045-99., Standard test methods for plane-strain fracture toughness and strain energy release rate of plastic materials.
Kinloch, A.J., Adhesion and Adhesives: science and technology, Chapman and Han, 1987.
Kim, W.S., Yoon, I.H., Lee, J.J., lung, H.T., "Evaluation of mechanical interlock effect on adhesion strength of polymer-metal interfaces using micro-patterned surface topography," Int. J. Adhes. Adhes., Vol. 30, 2010, pp. 408-417.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

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