[논문]Al5052/CFRP 복합소재의 표면특성이 접착성과 기계적특성에 미치는 영향

이민식; 김현호; 강충길

doi:10.7234/composres.2013.26.5.295

Al5052/CFRP 복합소재의 표면특성이 접착성과 기계적특성에 미치는 영향
Effect of Surface Roughness of Al5052/CFRP Composites on the Adhesion and Mechanical Properties 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.5, 2013년, pp.295 - 302

이민식 (부산대학교 기계공학과 정밀가공시스템공학과) , 김현호 (부산대학교 기계공학과 정밀가공시스템공학과) , 강충길 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 차량용 Al5052/CFRP 복합재를 U-채널 몰드에서 컴프레션 몰딩 공정을 통해 제작하였다. Al5052는 샌드블라스팅을 통해 표면처리를 하였다. 표면처리를 하지 않은 판재와 표면거칠기(Ra)가 $1.85{\mu}m$ 및, $4.25{\mu}m$인 Al5052판재를 이용하여 실험을 수행하였다. 표면거칠기가 Al5052/CFRP 복합재의 접착성과 기계적 특성에 대한 영향을 전단시험과 굽힘실험을 통하여 평가하였다. 전단 시험에서는 표면거칠기가 $1.85{\mu}m$ 와 $4.25{\mu}m$ 시험편이 표면처리를 하지 않은 시험편보다 각각 3, 5배의 전단강도의 증가를 보였다. 굽힘시험에서는 표면처리를 하지 않았을 때 굽힘강도가 200 MPa에서 표면처리 후 400 MPa로 증가함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, Al5052/CFRP composites were fabricated for an automobile component by compression molding process inside a U-channel mold. Al5052 sheet were treated by sand blasting with two different particle sizes. Accordingly, surface roughness (Ra) values of $4.25{\mu}m$ and $1.85{\mu}m$ were obtained for the treated Al5052 sheets. The effect of surface roughness of Al5052 sheets on the adhesion and mechanical properties of Al5052/CFRP composites have been evaluated. Shear lap test and 3-point bending test were conducted. Results showed that the shear load for the composite fabricated by using the treated Al5052 sheets with Ra value of $1.85{\mu}m$ and $4.25{\mu}m$ were 3 and 5 times higher than Ra value of $0.73{\mu}m$ of the composite fabricated by using the untreated sheet. The bending stress of 200MPa was obtained for the composite fabricated with untreated Al5052 sheets. The bending stress increased to 400MPa when the composite fabricated from treated sheets. However, the bending stress was not influenced by treating condition through sand blasting.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5 MPa 압력으로 30분간 컴프레션 몰딩하였다. 본 연구에서는 양산형 차체 제품을 제작하기위한 기초연구가 목적이다. Hongyan Zhu는 압력이 0.
4 MPa 이상에서는 기포가 거의 없어졌음을 보여주었다[11]. 본 연구에서는 진공이 아닌 고압 컴프레션 몰딩시 제품을 만들고 자동차 산업에서 양산용 차체로써 타당한 물성치를 나타내는지 평가하기 위함이다.
본 연구에서는 알루미늄을 샌드블라스트 표면처리를 하였고 표면거칠기에 따른 U-형상의 하이브리드 복합소재 제조시 각 위치별로 굽힘 테스트를 통하여 기계적 특성을 평가하였다. 에폭시 중량퍼센트를 측정하여 두께 감소율을 구하여 표면거칠기가 에폭시 함침량과 두께에 미치는 영향을 연구하였다.

제안 방법

1(h)와 같이 시험편을 위치 1~5에서 대칭으로 10×10 mm로 잘라 중량계를 이용하여 (Fig. 1(i)) U-채널 성형 전과 성형 후의 시험편의 에폭시 중량퍼센트를 비교하여 에폭시 증감에 따라 에폭시 유동을 평가 하였다. 10×10 mm의 사각 시험편의 무게를 측정한 후 식 (2)를 통하여 에폭시 중량퍼센트를 구하였다.
본 연구에서는 알루미늄을 샌드블라스트 표면처리를 하였고 표면거칠기에 따른 U-형상의 하이브리드 복합소재 제조시 각 위치별로 굽힘 테스트를 통하여 기계적 특성을 평가하였다. 에폭시 중량퍼센트를 측정하여 두께 감소율을 구하여 표면거칠기가 에폭시 함침량과 두께에 미치는 영향을 연구하였다.
컴프레션 몰딩시 1, 3, 5번 위치에서는 펀치력에 의해 가압을 할 수 있지만 2, 4번인 측면부에서는 수직(90o)으로 가압되지 않는다. 이러한 이유로 Al5052/CFRP/Al5052 시험편의 두께가 2.5 mm일 때 펀치와 다이사이의 공차를 1.85 mm로 두어 클리어런스를 0.7로 조절하였다. 시험편의 두께가 금형의 공차보다 크기 때문에 컴프레션 몰딩시 강제로 시험편이 가압되도록 하였다.
2는 본 연구의 전체적인 개략도를 나타낸 것이다. 이종 소재간의 접착강도를 높이기 위해 알루미늄 양쪽 표면에 Fig. 2(a)와 같이 샌드블라스트 표면처리를 한뒤 양극산화피막 코팅처리를 하였다.
1은 Al5052/CFRP 복합소재의 접합면의 측면부를 나타낸 것이다. 이종재 접합시 갈바닉 효과에 의해 알루미늄의 부식이 촉진되는 것을 방지하기 위해 샌드블라스트 후 양극산화 처리로 알루미늄에 코팅을 하였다. 연질양극산화 처리로 피막 두께가 10 μm 미만이다.

대상 데이터

Al5052 소재는 용접성이 우수하여 자동차 부품에 널리 사용되어 왔으며 본 연구에서 사용된 Al5052의 두께는 0.5 mm 의 박판으로 기계적 특성은 Table 2에 나타나 있다.
Ra 값에 따라 전단강도에 끼치는 영향을 분석하기 위해 길이와 폭이 각각 100, 25 mm인 Al5052 시편에 CFRP를 10 mm 정도 접합하여 시험편을 제작하였다. Fig.
본 시험에 사용된 CFRP는 Toray사의 카본 섬유이며 평직 섬유를 사용하였다. 프리프레그의 두께는 0.
Al 평판을 그립부에 붙여 수평을 맞추었으며 MTS에서 전단시험 조건은 20 mm/min 속도로 전단시험을 수행하였다. 시험 개수는 조건당 3개씩이며 가장 높은 수치와 가장 낮은 수치를 제외한 중간 수치를 데이터로 활용하였다.
시험편의 두께는 CFRP는 0.3 mm×5 = 1.5 mm와 Al5052는 0.5 mm×2 = 1.0 mm으로 총 2.5 mm이다.
U-채널 컴프레션 몰딩 실험은 Ra 값에 따라서 Al5052/CFRP/Al5052 복합소재의 제품의 기계적 특성 및 에폭시유동의 영향을 알아보는 실험이다. 하이브리드 시편 제작시 두께 0.3 mm의 CFRP 5장과 샌드블라스트로 표면처리 된 0.5 mm의 Al5052 판재를 Fig. 2(d)과 같이 양쪽으로 샌드위치 적층하여 Al5052/CFRP/Al5052 복합재료 시편을 제작 하였다. 시험편의 두께는 CFRP는 0.

성능/효과

1. 표면거칠기가 클수록 알루미늄과 에폭시 사이의 접촉 면적이 증가하며 전단하중에 매우 큰 증가를 보였다. 표면처리를 하지 않았을 때(Ra = 0.
2. 표면처리를 하지 않은 시편의 경우 굽힘응력은 측면부인 2번과 4번에서 현저히 낮은 150~200 MPa을 나타냄을 알 수 있었고 표면처리를 한 시편의 경우 측면부의 굽힘응력이 400 MPa로 증가함을 알 수 있었다.
3. Ra 값이 클수록 에폭시가 깊게 침투하여 성형 후에도 각 위치별 에폭시 함침량이 증가함을 알 수 있었다. 에폭시 함침량이 증가할 때 두께가 증가하였으며 균일한 두께를 얻기 위해서는 에폭시 유동을 제어해야 하는 필요성이 있다.
25일 때 각각 3배 와 5배의 전단하중의 증가를 보임을 확인 할 수 있었다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 거친 알루미늄 표면조도가 클수록 에폭시는 거친 표면사이로 깊게 침투되며 샌드블라스트를 통한 물리적인 에칭법이 CFRP와 Al5052의 기계적인 접착성에 매우 중요한 역할을 함을 알 수 있었다.
또한 Ra 값에 따라서도 큰 증가를 보였다. Ra값이 1.85에서 4.25로 증가할 때 전단하중과 변위는 각각 3000에서 5000 N으로 변위는 각각 0.8에서 1.27 mm으로 증가함을 알 수 있었다. 표면처리를 하지 않은 시편 Ra = 0.
10은 표면거칠기에 따라 위치별 에폭시 중량퍼센트를 나타낸다. 샌드블라스트 처리를 하지 않은 시편 Ra = 0.73일 때 측면부인 2번과 4번의 에폭시 중량퍼센트는 각각 5, 7% 정도가 됨을 알 수 있었다. 펀치와 하부금형 사이의 클리어런스가 0.
7%보다 증가했음을 알 수 있다. 알루미늄 표면이 거칠수록 알루미늄과 에폭시의 접촉면적이 증가되며 에폭시가 거친표면사이로 깊게 침투됨을 알 수 있었다. 전체적으로 모든 위치에서 Ra 값이 증가할수록 에폭시 중량퍼센트는 증가함을 통해 거친 표면은 에폭시 중량퍼센트를 약간 증가시키는 역할을 함을 알 수 있었다.
알루미늄 표면이 거칠수록 알루미늄과 에폭시의 접촉면적이 증가되며 에폭시가 거친표면사이로 깊게 침투됨을 알 수 있었다. 전체적으로 모든 위치에서 Ra 값이 증가할수록 에폭시 중량퍼센트는 증가함을 통해 거친 표면은 에폭시 중량퍼센트를 약간 증가시키는 역할을 함을 알 수 있었다.
25 μm이다. 큰 연마재로 표면처리를 한 알루미늄 시험편이 깊고 큰 입자가 떨어져 나갔으며 Ra 값이 증가 할수록 알루미늄 표면의 거친정도의 편차가 증가함을 알 수 있었다. Ra = 0.
표면거칠기에 따라서 살펴보면 표면 거칠기가 Ra = 0.73에서 4.25로 증가함에 따라 각 위치에서 에폭시 중량퍼센트가 증가하는 경향을 보였다. Ra = 0.
전단 실험 후 파단은 Al과 CFRP의 10 mm 접착된 부분이 떨어지게 되었다. 표면거칠기에 따라서 표면처리를 하지 않은 Ra 값이 0.73의 경우 전단실험후 CFRP와 Al이 깔끔하게 떨어져 나갔고 표면거칠기가 증가할 수록 전단 실험 후 Al의 접착된 부분에서 많은양의 에폭시가 묻어있음을 확인 할 수 있었다. 표면거칠기가 증가함에 따라 에폭시가 Al 시편 깊은곳에 침투하여 파단 후에도 에폭시가 다량 묻어 있게 되었다고 생각된다.
27 mm으로 증가함을 알 수 있었다. 표면처리를 하지 않은 시편 Ra = 0.73일 때의 전단하중보다 Ra가 1.85와 4.25일 때 각각 3배 와 5배의 전단하중의 증가를 보임을 확인 할 수 있었다. Fig.
표면처리를 하지 않은 시험편인 Ra = 0.73는 알루미늄과 CFRP의 접착상태가 양호하였고 샌드블라스트로 표면처리를 한 시편인 Ra = 1.85와 4.25는 알루미늄의 거친 표면에 에폭시가 함침되었음을 볼 수 있었으며 Ra 값이 클수록 더 거친표면에 에폭시가 깊게 함침되어 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CFRP의 특성은?	이러한 자동차 산업에서의 경량화에 대한 요구는 고강도 알루미늄합금, 마그네슘 외에도 CFRP(Crabron Fiber Reinforced Plastic)이라는 복합소재가 개발되어 적용되고 있다. 그중 CFRP는 비강도, 비강성이 뛰어나 수많은 연구가 이루어 지고 있다[3,4]. 그러나 CFRP 복합재료의 낮은 연신율, 낮은 파괴강성 및 연결접합의 어려움 등으로 인하여 자동차 부품의 적용에는 많은 제약을 받고 있다.
	자동차 부품에 적용하기 알루미늄 표면 처리 방법으로 저비용 표면처리 기술이 요구되는 이유는?	[9]은 플라즈마에 의해 표면 처리를 하여 T-peel 강도와 전단강도가 각각 6배와 33%의 증가를 보여주었다. 그러나 자동차 부품에 적용하기 위해 알루미늄 표면처리 방법으로 화학적 에칭 처리 및 Plasma를 통한 표면처리는 고비용이며 대량생산에 적합하지 않다. 대량생산에 적합한 저비용 표면처리 기술이 요구되고 있으며 물리적인 표면처리를 통한 평균 표면 거칠기(Roughness average)인 Ra 값에 의한 기계적 특성, 접합성, 에폭시 함침량에 따른 연구가 필요하다.
	CFRP 복합재료가 자동차 부품의 적용에 많은 제약을 받는 이유는?	그중 CFRP는 비강도, 비강성이 뛰어나 수많은 연구가 이루어 지고 있다[3,4]. 그러나 CFRP 복합재료의 낮은 연신율, 낮은 파괴강성 및 연결접합의 어려움 등으로 인하여 자동차 부품의 적용에는 많은 제약을 받고 있다. 최근, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로, CFRP와 금속재료를 접합하여 용접이 가능하도록 하여 단일소재가 가지는 재료의 한계점을 극복할 수 있도록 하이브리드 복합 재료에 대한 연구가 진행되고 있다[5].

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