권동준
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
,
박성민
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
,
박종만
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Gyeongsang National University)
,
권일준
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
CFRP와 금속간의 접합공정이 개선된 구조용 접착제가 제조되었다. 구조용 접착제에 대한 경화시간, 기지재료의 표면상태 그리고 접착제의 양에 따른 최적의 접합공정 조건을 랩쉐어 실험을 통하여 파악하였다. 적합한 접합조건을 확인하기 위해 이종재료간의 접합 파단면 상태를 반사현미경을 이용하여 평가하였다. 이종재료간 접합력 향상을 위해 접착제의 개선뿐만 아니라 CFRP의 표면처리 또한 중요하였다. 구조용 접착제의 경우 180도 조건에 20분의 경화온도 조건이 최적이였으며, CFRP의 표면 처리에 따라 접합특성이 향상됨을 확인하였다. 이종재료 간 접합을 위해 구조용 접착제의 양은 $1.5{\times}10^{-3}g/mm^2$ 조건일 때 최적이었다. 접합공정의 개선 및 최적화를 통해 기존의 접착력 대비 10% 이상의 물성 강화를 나타냄을 확인하였다.
CFRP와 금속간의 접합공정이 개선된 구조용 접착제가 제조되었다. 구조용 접착제에 대한 경화시간, 기지재료의 표면상태 그리고 접착제의 양에 따른 최적의 접합공정 조건을 랩쉐어 실험을 통하여 파악하였다. 적합한 접합조건을 확인하기 위해 이종재료간의 접합 파단면 상태를 반사현미경을 이용하여 평가하였다. 이종재료간 접합력 향상을 위해 접착제의 개선뿐만 아니라 CFRP의 표면처리 또한 중요하였다. 구조용 접착제의 경우 180도 조건에 20분의 경화온도 조건이 최적이였으며, CFRP의 표면 처리에 따라 접합특성이 향상됨을 확인하였다. 이종재료 간 접합을 위해 구조용 접착제의 양은 $1.5{\times}10^{-3}g/mm^2$ 조건일 때 최적이었다. 접합공정의 개선 및 최적화를 통해 기존의 접착력 대비 10% 이상의 물성 강화를 나타냄을 확인하였다.
The structural adhesive have been manufactured for improvement of bonding process between CFRP and metal. The optimal condition for bonding process were investigated by evaluating the lap shear strength with amount of adhesive and curing time and the surface treatment of the CFRP. To confirm proper ...
The structural adhesive have been manufactured for improvement of bonding process between CFRP and metal. The optimal condition for bonding process were investigated by evaluating the lap shear strength with amount of adhesive and curing time and the surface treatment of the CFRP. To confirm proper adhesion conditions, the fracture sections between CFRP and metal was observed using reflection microscope. Not only the improvement of the adhesion condition was important, but surface treatment on CFRP was also important. The optimal curing temperature was at $180^{\circ}C$ for 20 minutes. The improvement for adhesive property was confirmed After surface treatment on CFRP. The optimal amount of structural adhesive for bonding between CFRP and metal was $1.5{\times}10^{-3}g/mm^2$. Through the optimization of bonding process, the improvement of mechanical property over 10% is confirmed in comparison with existing adhesive.
The structural adhesive have been manufactured for improvement of bonding process between CFRP and metal. The optimal condition for bonding process were investigated by evaluating the lap shear strength with amount of adhesive and curing time and the surface treatment of the CFRP. To confirm proper adhesion conditions, the fracture sections between CFRP and metal was observed using reflection microscope. Not only the improvement of the adhesion condition was important, but surface treatment on CFRP was also important. The optimal curing temperature was at $180^{\circ}C$ for 20 minutes. The improvement for adhesive property was confirmed After surface treatment on CFRP. The optimal amount of structural adhesive for bonding between CFRP and metal was $1.5{\times}10^{-3}g/mm^2$. Through the optimization of bonding process, the improvement of mechanical property over 10% is confirmed in comparison with existing adhesive.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 CFRP와 금속간의 접합을 위해 접합공정에서의 중요한 변수를 확인하고 균질한 이종재료간 접합 력을 확보하기 위한 접합변수를 확인하였다. 접착제의 경화시간에 따라 접착력이 달라지기 때문에 접착제에 맞는 경화시간(20분)을 가져야 하며, 접착제의 도포 균일성, 접착제 내입자의 분산 균질성, 접착면 및 접착제 내에서의 보이드 최소화 등 접착공정의 변수에 의해 이종소재간 접착력이 변화됨을 확인하였다.
본 연구에서는 차량용 구조 접착제로 활용되는 1액형 에폭시 접착제를 이용하여 CFRP와 금속간의 접합공정상의 변수에 따른 접합력 차이를 관찰하였다. CFRP 및 금속 기지의 표면차이에 따른 접합력 변화, 접착제의 경화 시간별 접착력 차이를 관찰하였으며, lap shear 실험에 의해 발생된 lap shear strength (LSS) 강도 결과에 대한 히스토그램 분석과 평균 LSS에 따른 파단면 상태를 정리하여, 상관관계를 반사현미경을 이용하여 확인하였다.
제안 방법
본 연구에서는 차량용 구조 접착제로 활용되는 1액형 에폭시 접착제를 이용하여 CFRP와 금속간의 접합공정상의 변수에 따른 접합력 차이를 관찰하였다. CFRP 및 금속 기지의 표면차이에 따른 접합력 변화, 접착제의 경화 시간별 접착력 차이를 관찰하였으며, lap shear 실험에 의해 발생된 lap shear strength (LSS) 강도 결과에 대한 히스토그램 분석과 평균 LSS에 따른 파단면 상태를 정리하여, 상관관계를 반사현미경을 이용하여 확인하였다. 마지막으로 이종소재간 접착력 강화를 위한 접합공정상의 개선 방법을 이용하여 접합공정에 따른 이종소재간 접착력 개선을 시도하였다.
CFRP/금속과의 이종접합력 평가를 위해 접합 공정상의 문제를 확인하고 시편의 사진 및 파단면의 상태를 반사현 미경(SMZ25, 니콘코리아, 한국)으로 관찰하였다. 파단면의 상태와 접합강도간의 상관관계를 정리하였다.
평균 값을 도출하여 각 실험변수에 따른 접합강도의 경향을 확인하였다[14]. Lap shear 실험을 위해 단축인장실험 조건으로 만능시험기(AGS-X, 동일 시마즈, 일본)를 이용하였다. 접합면적은 10 mm × 10 mm 이며, 10 mm/min의 속도로 실험하였다.
5 mm의 두께를 UD CFRP를 가압성형을 통해 확보하여 이용하였다. 또한 직물 prepreg(SKYFLEX, SK chamical Co., Ltd., 한국)를 이용하여 직물 타입의 CFRP를제작하였다. 금속 기지는 현대제철(주)에서 사용하는 SPR440 을 사용하였다.
CFRP 및 금속 기지의 표면차이에 따른 접합력 변화, 접착제의 경화 시간별 접착력 차이를 관찰하였으며, lap shear 실험에 의해 발생된 lap shear strength (LSS) 강도 결과에 대한 히스토그램 분석과 평균 LSS에 따른 파단면 상태를 정리하여, 상관관계를 반사현미경을 이용하여 확인하였다. 마지막으로 이종소재간 접착력 강화를 위한 접합공정상의 개선 방법을 이용하여 접합공정에 따른 이종소재간 접착력 개선을 시도하였다.
차량용 부품의 경우 2000년대 후반부터 금속과 금속간의 체결기법에 대해 다양한 연구결과가 발표되었다. 마찰교반 접합(friction stir welding, FSW)와 같이 용접의 근본원리를 이용한 접합기술이 발달하였으며, 리벳을 이용하거 핀을 이용하여 금속과 금속간의 결합력 강화와 생산속도 향상을 시도하였다. 하지만 2010년 이후, 환경규제에 따른 해결 책으로 복합재료의 연구개발 및 적용 사례가 확대되었다.
이종소재가 연구개발 대상으로 부각된 당시, 항공용 접착제로 많이 알려진 구조용 접착제를 이용하여 차량용 부품간 이종접합을 실시하였다. 하지만 고강도 및 고접착특 성을 요구하는 항공용 접착제에 비해 차량용 구조접착제의 경우 진동 안정성, 소음 차단성, 작업 성능 안정화를 위한 고점도와 강인성, 경제성을 필요로 하기 때문에 직접적인 적용에 한계가 있었다[10,11].
CFRP/금속과의 이종접합력 평가를 위해 접합 공정상의 문제를 확인하고 시편의 사진 및 파단면의 상태를 반사현 미경(SMZ25, 니콘코리아, 한국)으로 관찰하였다. 파단면의 상태와 접합강도간의 상관관계를 정리하였다.
CFRP와 금속간의 접합력을 평가하기 위해 ASTM D5868 규격을 따랐으며, 시편을 축소시켜 실험조건에 따라 5회의 실험 결과를 정리하였다. 평균 값을 도출하여 각 실험변수에 따른 접합강도의 경향을 확인하였다[14]. Lap shear 실험을 위해 단축인장실험 조건으로 만능시험기(AGS-X, 동일 시마즈, 일본)를 이용하였다.
대상 데이터
, 한국)를 이용하여 직물 타입의 CFRP를제작하였다. 금속 기지는 현대제철(주)에서 사용하는 SPR440 을 사용하였다.
2는 접착제의 경화시간을 달리하였을 발생되는 이종소재간의 접착력 변화를 나타낸 결과이다. 기지재료는 직물 CFRP와 금속을 이용하였다. 일반적으로 차량용 구조 접착제는 180도의 경화온도와 20분 정도 경화 시간을 가진다.
1은 CFRP/금속간의 접합을 시도할 때 접착제도포 양에 따른 영향을 정리한 결과이다. 기지재료는 직물타입의 CFRP와 금속을 사용하였다. 접착제의 양이 접착력에 영향을 미친다는 결과를 확인할 수 있었다.
본 논문에서 이종재료간 접합 공정에서의 특성을 평가 하기 위해 구조 접착제로 사용하는 일액형 접착제(D, 코스폴, 한국)을 사용하였다. 이종재료간 접합력 평가를 위해 CFRP 와 금속을 사용하였다.
이종재료간 접합력 평가를 위해 CFRP 와 금속을 사용하였다. 티비카본(주)에서 제작한 UD prepreg 를 이용하여 1.5 mm의 두께를 UD CFRP를 가압성형을 통해 확보하여 이용하였다. 또한 직물 prepreg(SKYFLEX, SK chamical Co.
이론/모형
CFRP와 금속간의 접합력을 평가하기 위해 ASTM D5868 규격을 따랐으며, 시편을 축소시켜 실험조건에 따라 5회의 실험 결과를 정리하였다. 평균 값을 도출하여 각 실험변수에 따른 접합강도의 경향을 확인하였다[14].
성능/효과
UD CFRP의 표면 각도에 따라 약 10%의 물성 차이를 보였다. 0도 조건의 표면보다, UD 90도 표면 조건이 이종소 재간 접합강도가 우수하였다. 이는 0도 UD CFRP 표면조건에 비해 90도 UD CFRP 표면조건일 경우 lap shear 실험 시단축 인장 방향에 더 큰 표면 마찰저항을 받는 미세 표면을 가지기 때문에 발생된다고 예상해볼 수 있으며, 이러한 표면차이가 10% 정도의 접착력 강화 효과를 나타낸다고 설명할 수 있었다.
접착제를 도포할 때 인위적으로 접착제를 이종재 료간 모서리 부분에 도포 할 경우 접착제의 접착력과 접착 제가 기지재료를 강하게 잡을 때 가지는 접착제의 강인성 및강성의 영향으로 이종소재간 접착력이 향상될 수 있었다. LSS 시편을 제작하면 총 3개의 모서리를 만들 수 있으며, 모서리 부분에 접착제가 존재할 경우, 기존대비 접착력이 15% 가량 향상되며, 균질성 높은 접합면을 형성됨을 확인하였다.
접착 파단면의 형상에 따라 접합력의 차이를 나타낼 수 있었으며, 접착제 도포 시 모서리 부분을 활용한다면더 높은 접착력 확보가 가능함을 확인하였다. 궁극적으로 접착제의 파단면과 접착제가 가지는 LSS 강도간에 상관관 계가 있음을 확인하였다.
로봇을 이용하여 접착제를 도포한다고 하여도 이종소재간에 가해지는 가압 공정에서 축이 안 맞을경우 문제가 되며, 접착제의 흐름성이 없기 때문에 접착층의 불안정화가 발생 될 수 있는 점이 접착공정에서의 문제 점이다. 따라서 이를 개선하기 위해 소재 및 공정부분에서 많은 노력을 하여야 이종재료간의 접합력 향상 및 균질성 확보를 할 수 있었다.
때문에 공정에 맞는 최적화 데이터 구축을 통해 이종소재간 접합안정성 강화가 필요함을 확인 하였다. 접착 파단면의 형상에 따라 접합력의 차이를 나타낼 수 있었으며, 접착제 도포 시 모서리 부분을 활용한다면더 높은 접착력 확보가 가능함을 확인하였다. 궁극적으로 접착제의 파단면과 접착제가 가지는 LSS 강도간에 상관관 계가 있음을 확인하였다.
접착메커니즘에서 접착제의 두께가 얇을수록 높은 계면 안정성을 가지기 때문에 최적의 접착제 도포양이 존재함을 확인할 수 있었다. 접착제의 양이 1.
6과 같이 이종재료간의 접합면 증가를 유발시켜 접착력을 높이는 이종 재료간 모서리 활용에 따른 접착제의 크랩프 효과를 활용할수 있다. 접착제를 도포할 때 인위적으로 접착제를 이종재 료간 모서리 부분에 도포 할 경우 접착제의 접착력과 접착 제가 기지재료를 강하게 잡을 때 가지는 접착제의 강인성 및강성의 영향으로 이종소재간 접착력이 향상될 수 있었다. LSS 시편을 제작하면 총 3개의 모서리를 만들 수 있으며, 모서리 부분에 접착제가 존재할 경우, 기존대비 접착력이 15% 가량 향상되며, 균질성 높은 접합면을 형성됨을 확인하였다.
본 연구는 CFRP와 금속간의 접합을 위해 접합공정에서의 중요한 변수를 확인하고 균질한 이종재료간 접합 력을 확보하기 위한 접합변수를 확인하였다. 접착제의 경화시간에 따라 접착력이 달라지기 때문에 접착제에 맞는 경화시간(20분)을 가져야 하며, 접착제의 도포 균일성, 접착제 내입자의 분산 균질성, 접착면 및 접착제 내에서의 보이드 최소화 등 접착공정의 변수에 의해 이종소재간 접착력이 변화됨을 확인하였다. 때문에 공정에 맞는 최적화 데이터 구축을 통해 이종소재간 접합안정성 강화가 필요함을 확인 하였다.
5 × 10-3 g/mm2 수준일 경우 LSS 실험 결과에서 변곡점을 나타냈으며, 그 이상 접착제를 도포할 경우 접착력은 유지 및 저하의 결과를 나타내었다. 접착제의 양을 도포면적에 비해 적을 경우 완벽한 접착제의 도포가 이루어지지 못하기 때문에 반드시 적정 수준에 맞게 접착제를 도포하여야 함을 확인하였다.
기지재료는 직물타입의 CFRP와 금속을 사용하였다. 접착제의 양이 접착력에 영향을 미친다는 결과를 확인할 수 있었다. 접착력 강화를 기대 하며 접착제를 기지재료에 많은 양을 도포하는 경향이 있다.
3(c)와 같은 경우 30분동안 경화를 시킨 뒤 실험 후의 파단면 결과이다. 파단면에서 접착제의 응집이 크게 발생되었으며, 접착제 자체의 취성이 높아져 파단면에 접착제 층의 큰 균열발생을 확인할 수 있었다.
7(a)는 100번의 이종재료간 LSS 실험결과에 대한 히스토그램을 정리한 그림이다. 평균이 15.06 MPa를 나타내며, 표준분포가 3.22, 분산값이 10.5 로 비교적 표본값에 대한 분포가 안정적임을 확인할 수 있었다. 평균적으로 Fig.
용액상태이기 때문에 현미경의 불빛 반사가 되는 상태였다. 하지만 20분의 경화를 실시한 경우 파단면에 크레이즈의 발생을 관찰할 수 있었고,균열의 정도가 안정 적인 상태임을 확인할 수 있었다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFRP에 홀 가공을 할 경우 문제점은 무엇인가?
기본적인 용접의 기술로는 CFRP와 금속간의 접합을 유지 할 수 없기 때문에 CFRP와 금속간의 홀 작업 이후 볼트 또는 리벳, 핀을 이용한 접합시키는 기술이 연구되고 있다. 하지만, CFRP에 홀 가공을 할 경우 발생되는 delamination 과 천공작업을 위해 사용되는 드릴공구의 내구성에 따른 공구의 단가문제, 작업성 효율이 문제가 된다. 차량용 부품을 제조하기 위해 항공용 리벳을 바로 적용하기에는 단가의 문제가 있기 때문에 경제적이면서 접합성능이 만족스 러운 기계적 접합법과 기존의 항공분야에서 CFRP와 금속 간의 접합을 위해 사용되었던 구조용 접착제와 같은 화학적 접합법, 이 두 접합방법을 혼용하는 방식으로 CFRP와금속간의 접합, 차량용 부품화 최적화를 연구하고 있는 중이다[8,9].
CFRP와 금속간의 홀 작업 이후 볼트 또는 리벳, 핀을 이용한 접합시키는 기술이 연구된 이유는 무엇인가?
기본적인 용접의 기술로는 CFRP와 금속간의 접합을 유지 할 수 없기 때문에 CFRP와 금속간의 홀 작업 이후 볼트 또는 리벳, 핀을 이용한 접합시키는 기술이 연구되고 있다. 하지만, CFRP에 홀 가공을 할 경우 발생되는 delamination 과 천공작업을 위해 사용되는 드릴공구의 내구성에 따른 공구의 단가문제, 작업성 효율이 문제가 된다.
구조용 접착제를 이용하여 차량용 부품간 이종접합의 한계는 무엇인가?
이종소재가 연구개발 대상으로 부각된 당시, 항공용 접착제로 많이 알려진 구조용 접착제를 이용하여 차량용 부품간 이종접합을 실시하였다. 하지만 고강도 및 고접착특 성을 요구하는 항공용 접착제에 비해 차량용 구조접착제의 경우 진동 안정성, 소음 차단성, 작업 성능 안정화를 위한 고점도와 강인성, 경제성을 필요로 하기 때문에 직접적인 적용에 한계가 있었다[10,11]. 따라서 차량용 구조 접착 제의 경우 내부 첨가제의 양을 늘려 기능성과 점도 조절이 가능해야 하며, 고속 경화 성능을 통해 공정라인에서 적절한 경화가 이루어져야 한다.
참고문헌 (14)
Wang, Z.J., Kwon, D.J., Park, J.K., Lee, W.I., and Park, J.M., "Microstructure and Ablation Performance of CNT-Phenolic Nanocomposites", Composites Research, Vol. 26, No. 5, 2013, pp. 309-314.
Shin, D.W., Kim, J.J., Lee, J.H., Kwon, I.J., and Park, S.M., "Evaluation on the Effect of Beads for Adhesive Improvement of CFRP and Aluminum", Composites Research, Vol. 30, No. 4, 2017, pp. 254-260.
Wang, B., Bai, Y., Hu, X., and Lu, P., "Enhanced Epoxy Adhesion between Steel Plates by Surface Treatment and CNT/ Short-Fibre Reinforcement", Composites Science and Technology, Vol. 127, 2016, pp. 149-157.
Lee, B.E., Park, E.T., Ko, D.C., Kang, B.S., and Song, W.J., "Evaluation of Fracture Behavior of Adhesive Layer in Fiber Metal Laminates using Cohesive Zone Models", Composites Research, Vol. 29, No. 2, 2016, pp. 45-52.
Shin, P.S., Kim, J.H., Choi, J.Y., Kwon, D.J., Lee, S.I., and Park, J.M., "Comparison of Mechanical and Interfacial Properties on Chemical Structures of Acrylic and Epoxy Adhesives", Composites Research, Vol. 29, No. 2, 2016, pp. 79-84.
Lee, K.J., "Recent Research & Development Trend on Friction Stir Welding and Friction Stir Processing", Journal of KWJS, Vol. 31, No. 2, 2013, pp. 26-29.
Moisala, A., Li, Q., Kinloch, I.A., and Windle, A.H., "Mechanical Properties and Microstructure on Dissimilar Friction-Stir-Weld of Aluminium Alloys", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 1, 2011, pp. 75-81.
Kim, T.G., Kyung, D.S., Son, U.C., and Park, S.Y., "Measurements of Defects after Machining CFRP Holes Using High Speed Line Scan", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 33, No. 6, 2016, pp. 459-467.
Kim, D.Y., Kim, H.S., and Kim, J.H., "Evaluation on Effect of Hole Machining for Application of M1.0 Subminiature Screw to CFRP Laminate Using FEM", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 34, No. 2, 2017, pp. 95-99.
Hwang, Y.E., and Yoon S.H., "Effect of Combined Environmental Factors on Adhesive Shear Strengths and Chemical Structures of Adhesives", Composites Research, Vol. 24, No. 1, 2011, pp. 31-36.
Tang, Y.J., Alva, G., Huang, X. Su, D., Liu, L., and Fang, G., "Thermal Properties and Morphologies of MA-SA Eutectics/ CNTs as Composite PCMs in Thermal Energy Storage", Energy and Buildings, Vol. 127, 2016, pp. 603-610.
Jang, J.H., Sung, M.C., and Yu, W.R., Numerical Simulation of the Delamination Behavior of Polymeric Adhesive Tapes Using Cohesive Zone Element", Composites Research, Vol. 29, No. 4, 2016, pp. 203-208.
Kil, M.G., Park E.T., Song, W.J., and Kang B.S., "Study on Enhancement for Interfacial Energy Release Rate of Adhesive Layer in Fiber Metal Laminates using Taguchi Method", Composites Research, Vol. 29, No. 5, 2016, pp. 249-255.
Kim, J.H., Kwon, D.J., Shin, P.S., Beak, Y.M., Park, H.S., Moon, S.O., and Park, J.M., "Improvement on Interfacial, Thermal, and Water Resistance Properties of Wood Sandwich Composites for Stone Bed using CNT-Animal Glue Adhesive", Composites Research, Vol. 30, No. 4, 2017, pp. 235-240.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.