[논문]탄소 섬유 강화 플라스틱과 금속의 접합에서 표면 패턴에 따른 접합 강도 영향

김지훈; 정성균; 김주한

doi:10.7735/ksmte.2017.26.4.430

[국내논문] 탄소 섬유 강화 플라스틱과 금속의 접합에서 표면 패턴에 따른 접합 강도 영향
Influence of Bonding Strength on Surface Pattern in Bonding of Carbon Fiber Reinforced Plastic and Metal 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.26 no.4, 2017년, pp.430 - 435

김지훈 (Department of Mechanical Engineering, Seoul National University of Science & Technology) , 정성균 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science& Technology) , 김주한 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science& Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the surface profile on CFRP and aluminum metal bonding was studied. A small number of steps were made on the aluminum surface, and the shear stress and elongation were measured using a shear test after bonding with an autoclave method. As the number of surface steps increased, the shear stress and elongation increased. The surface bonding strength increased because of the effect of the mechanical and chemical bonding. When the number of effective stages was exceeded, the shear strength decreased again due to the aspect ratio of the step and the reduction of the penetration effect of the resin into the groove.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 경량구조물에 쓰이는 알루미늄과 CFRP와의 접합에 있어 전단강도 향상을 위하여 오토클레이브 공정을 통한 이종접합에 있어서 표면 패터닝의 영향을 분석하여 인장강도와 연신율의 변화를 정량화 하였으며 최적의 패터닝 공정을 제시하였다.

제안 방법

CFRP와 금속의 결합에 있어 표면의 표면형상에 따른 접합부위의 전단 강도에 대한 연구를 수행하였으며 단에 의한 기계적 접합 시 단의 간격이 전단강도에 영향을 주고 있음을 확인하였다. 전산 모사를 통해 그 영향을 예측하였으며 실험을 통해 단의 개수에 의한 전단강도의 변화를 실험적으로 확인하였다. 실험적으로 전단 강도 증가의 경향은 단수의 개수에 의해 어느 수준까지 유지되었다.
120 mm로 Table 2에 기계적 물성을 나타냈다. 절삭가공에 앞서 연마지로 알루미늄의 표면을 연삭했으며 에탄올을 이용하여 불순물을 제거했다 요철부에 수지가 충분히 확산될 수 있는 구조를 선택함에 있어서 수압절단기를 이용한 절삭가공을 선택하였으며 Fig. 7과 같이 금속에 다단 요철부를 형성하였다. 오토클레이브 경화공정의 열팽창을 줄이기 위해 성형틀을 이용하였으며 테플론 계열의 필름을 이용하여 성형 틀과의 접합을 방지했다.
7과 같이 금속에 다단 요철부를 형성하였다. 오토클레이브 경화공정의 열팽창을 줄이기 위해 성형틀을 이용하였으며 테플론 계열의 필름을 이용하여 성형 틀과의 접합을 방지했다. 시험편은 복합재/금속 인장 시험기 규격 Fig.

대상 데이터

Al5052는 우수한 용접성과 높은 비강도로 자동차 부품에 널리 사용되고 있다. 본 연구에 사용된 Al5052는 4 mm 두께로 기계적 특성은 Table 1에 나타나있다. CFRP제작에 사용된 프리프레그 (SKchemicals; USN 125B)는 평직섬유에 수지 함유율이 33%인 복합재료이다.
오토클레이브 경화공정의 열팽창을 줄이기 위해 성형틀을 이용하였으며 테플론 계열의 필름을 이용하여 성형 틀과의 접합을 방지했다. 시험편은 복합재/금속 인장 시험기 규격 Fig.8의 ASTM D1002-01 [58]과 ASTM D5868-01 [59]를 참고하여 제작하였다. 이러한 방법을 통해 0, 3, 5, 6, 10, 15, 20, 25단이 형성된 시험편을 인장하였다.

성능/효과

CFRP와 금속의 결합에 있어 표면의 표면형상에 따른 접합부위의 전단 강도에 대한 연구를 수행하였으며 단에 의한 기계적 접합 시 단의 간격이 전단강도에 영향을 주고 있음을 확인하였다. 전산 모사를 통해 그 영향을 예측하였으며 실험을 통해 단의 개수에 의한 전단강도의 변화를 실험적으로 확인하였다.
결과 그래프에서 패턴의 간격이 좁아질수록 전단강도가 향상되는 것이 확인되었다.
이 결과는 인장방향에 수직인 요철의 개수에 따른 전단응력의 분포이다. 요철의 개수가 증가할수록 응력이 분산되어짐을 알 수 있고 접합면의 양 끝에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있다. 패턴의 간격 또는 패턴의 개수에 따른 응력집중부의 전단응력과 항복강도가 Fig.
47μm을 보였으며 수압절단기에 의해 쇠가시(Burr)가 형성된 것을 알 수 있다. 접합면의 단면을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과 Fig. 10과 같이 금속의 요철에 수지가 충분히 침투하여 접착면적이 넓어졌으며 보다 강한 기계적 결합이 일어난 것으로 확인하였다. 단일 겹침 전단 시험편의 인장 결과가 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유 강화플라스틱이란?	복합재료란 두 종류 이상의 재료를 섞어 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 말한다. 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유 (CF)를 강화재료 하는 플라스틱계 복합재이다. CFRP는 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성이 있다.
	복합재료란?	복합재료란 두 종류 이상의 재료를 섞어 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 말한다. 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유 (CF)를 강화재료 하는 플라스틱계 복합재이다.
	탄소섬유 강화플라스틱의 특징은?	탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유 (CF)를 강화재료 하는 플라스틱계 복합재이다. CFRP는 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성이 있다. 철강과 비교했을 때 6배의 비강도(specific strength)와 3배의 비탄성률(specific modulus)을 갖고 있으며, 내식성(corrosion resistance), 피로수명(fatigue), 내마모성(wear resistance) 등의 기계적, 화학적 특성 또한 우수하다[1] . 최근 항공 및 자동차 사업에서는 CFRP를 주재료로 하여 기존 기체나 자체 보다 30% 이상의 중량 감소를 보고하고 있다 [2] .

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