[논문]탄소복합재 접착공정을 위한 CFRP의 레이저 표면처리 기법의 적용

황문영; 강래형; 허몽영

doi:10.7234/composres.2020.33.6.371

[국내논문] 탄소복합재 접착공정을 위한 CFRP의 레이저 표면처리 기법의 적용
Application of Laser Surface Treatment Technique for Adhesive Bonding of Carbon Fiber Reinforced Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.6, 2020년, pp.371 - 376

황문영 (Department of Mechatronics Engineering, and LANL-JBNU Engineering Institute-Korea, Jeonbuk National University) , 강래형 (Department of Mechatronics Engineering, Department of Flexible and Printable Electronics, and LANL-JBNU Engineering Institute-Korea, Jeonbuk National University) , 허몽영 (Korea Institute of Carbon Convergence Technology)

초록
AI-Helper

접착강도는 표면처리 기술을 통해 향상시킬 수 있다. 가장 일반적인 방법은 기계적인 결합력을 향상시킬 수 있는 접착 표면의 변화이다. 본 연구는 접착면의 레이저 표면 처리가 기계적 결합력에 미치는 영향과 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)의 접착 결합에 대해 설명한다. 1064 nm의 레이저를 활용하여 표면 조도를 패턴화했다. 레이저 샷의 수, 패턴의 방향, 길이가 CFRP/CFRP 단일 조인트의 접착력에 미치는 영향을 인장 시험을 통해 조사했다. ASTM D5868에 따른 시험을 수행하였으며, 파단 후 손상된 표면을 분석하여 결합 메커니즘을 결정했다. 접착 강도의 증가를 위해서는 CFRP 표면에 최적화된 레이저 샷의 수와 조도 깊이가 구성되어야 한다. 인장방향에서의 전단응력을 고려할 때, 접착층의 파단 경로를 길어지게 하는 45°의 방향의 조도가 접착강도의 증가를 야기했다. 그러나 레이저에 의한 조도의 길이는 접착 강도에 크게 영향을 주지 못했다. 레이저를 이용한 접착면의 표면처리는 기계적 결합 메커니즘을 확보하고 CFRP 접착 조인트의 접착 강도를 향상시키는 적합한 방법이라는 결론을 도출할 수 있다. 레이저 처리를 이용한 이점을 완전히 이용하기 위해서는 최적화된 레이저 공정 변수에 대한 연구가 반드시 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The adhesive strength can be improved through surface treatment. The most common method is to improve physical bonding by varying the surface conditions. This study presents the effect of laser surface treatment on the adhesive strength of CFRP. The surface roughness was patterned using a 1064 nm laser. The effects of the number of laser shots and the direction and length of the pattern on the adhesion of the CFRP/CFRP single joint were investigated through tensile tests. Tests according to ASTM D5868 were performed, and the bonding mechanism was determined by analyzing the damaged surface after a fracture. The optimized number of the laser shots and the optimized depth of the roughness should be required to increase the bonding strength on the CFRP surface. When considering the shear stress in the tensile direction, the roughness pattern in the direction of 45° that increases the length of the fracture path in the adhesive layer resulted in an increase of the adhesive strength. The surface treatment of the bonding surface using a laser is a suitable method to acquire a mechanical bonding mechanism and improve the bonding strength of the CFRP bonding joint. The study on the optimized laser process parameters is required for utilizing the benefits of laser surface processing.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. CFRP sample and standard single lap joint of CFRP/CFRP adhesive joint
표 Table 1. Applied laser parameters for the fabrication of CFRP/CFRP adhesive joint
그림 Fig. 2. Images of laser surface treatment setup and the specimen surface with the laser treatment
그림 Fig. 3. Sample of laser induced line type scribes and their pattern on one side of adherend
그림 Fig. 4. Images of laser affected regions on the CFRP surfaces for varied number of laser shot
그림 Fig. 5. Effect of the number of laser shot on the shear strength of adhesive bonded CFRP
$Fig. 6. Bonded surface of fractured specimen in shear test according to the number of laser shots$ 그림 Fig. 6. Bonded surface of fractured specimen in shear test according to the number of laser shots
그림 Fig. 7. Effect of the number of laser angle on the shear strength of adhesive bonded CFRP
그림 Fig. 8. Effect of the number of laser langth on the shear strength of adhesive bonded CFRP
그림 Fig. 9. Comparison of the adhesive strength of the specimens by the optimized laser surface treatment condition and the specimens by the polishing surface treatment
$Fig. 10. Bonded surface of fractured specimen in shear test according to the number of laser shots$ 그림 Fig. 10. Bonded surface of fractured specimen in shear test according to the number of laser shots

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

그러나, CFRP 복합재의 접착 결합에서 기계적 결합의 효율을 향상시키기 위해 규칙적으로 배향된 표면 조도를 준비하기 위한 연구는 부족했다. 따라서, 본 연구에서는 레이 저에 의해 생성되는 조도의 라인 패턴이 접착 결합에서의 기계적 결합을 향상시키기 위해서 규칙적으로 생성되었다. 레이저에 생성되는 조도 패턴의 방향, 길이, 깊이의 조건에 따라 CFRP/CFRP 접합 조인트의 접합강도를 비교했다.
레이저 표면처리를 통해 일정하게 배향된 패턴의 조도를 이용하여 CFRP/CFRP 복합재 조인트의 접착 강도 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. CFRP/CFRP 복합재 조인트의 접착 강도는 레이저 표면처리에 의한 접착 면에서 얻을 수 있는 기계적 결합 메커니즘에 의해 강화되었다.
Nattapat 등은 레이저에 의한 CFRP 표면의 개질을 연구했다[19]. 하부의 섬유를 손상시키지 않고, 상부의 수지층만을 제거하기 위하여 저전력 CO2 레이저의 사용에 대한 가능성을 조사했다. Tao 등은 CFRP 복합재의 접합 조인트에서의 모드 I 파괴 인성에 대하여 CO2 레이저에 의한 표면 처리의 효과를 조사했다[20].

제안 방법

장비 내부의 갈바노미러 시스템과 F-Theta 렌즈를 사용하여 최적의 출력을 발생시킬 수 있는 초점을 일정하게 유지했다. 25 × 25 mm2 면적의 접합부에 대한 정확한 확인을 위해 빔 트레이서를 활용하여 레이저 처리 표면의 면적을 실시간으로 확인했다. 이러한 레이저 표면 처리에 대한 개념도를 Fig.
각각의 조도를 형성하기 위한 레이저 샷의 수와 그에 따른 조도의 깊이가 접착 강도에 미치는 영향을 조사했다. 접착 강도의 증가를 위해서는 CFRP 표면에 최적화된 레이저 샷의 수와 조도 깊이가 구성되어야 한다.
2에 나타냈다. 레이저 처리에 의한 표면층의 모폴로지 특성 변화를 확인하기 위해 100배 확대의 광학 현미경을 사용했다.
이와 같은 표면처리 조건에서의 접착 강도 상승효과를 확인하기 위해서, 일반적인 연마 표면처리가 수행된 CFRP의 단일 조인트 시편과 접착 강도를 비교했다. 레이저 처리의 각도는 모두 동일하게 45°조건에서, 레이저 샷 수를 20, 30, 40까지 증가 시켜 접착 강도를 Fig. 9와 같이 비교했다. 기존 0°_20 shots 조건의 경우 평균 14.
따라서, 본 연구에서는 레이 저에 의해 생성되는 조도의 라인 패턴이 접착 결합에서의 기계적 결합을 향상시키기 위해서 규칙적으로 생성되었다. 레이저에 생성되는 조도 패턴의 방향, 길이, 깊이의 조건에 따라 CFRP/CFRP 접합 조인트의 접합강도를 비교했다.
레이저에 의해 생성되는 조도의 방향, 깊이, 길이, 형태에 따라 CFRP/CFRP 결합에서의 기계적 결합 접착 메커니즘에 미치는 영향을 단일 랩 조인트의 접착 강도시험을 통해 조사했다. 접착 강도 시험은 재료 시험기(Instron 4469)를 이용하여 ASTM D5868 규격에 따라 13 mm/min의 크로스 헤드 속도로 인장 방향으로 수행되었다.
시험의 하중이 접착층의 라인에 정확하게 전달될 수 있도록 동일한 두께의 그 립을 시편의 양단에 추가하였다. 시험 후에는 접착층의 파 단면의 관찰하여 손상 메커니즘을 조사했다.
앞서 수행된 접착 강도 시험의 결과들로부터, 최적의 레 이저 표면 처리 조건은 깊은 조도를 만들기 위해서 하나의 조도 생성 시 레이저 샷 수가 많을수록, 생성되는 조도의 각 도는 45° 조건을 만족할수록, CFRP 조인트의 접착 강도 향상을 나타냈다. 이와 같은 표면처리 조건에서의 접착 강도 상승효과를 확인하기 위해서, 일반적인 연마 표면처리가 수행된 CFRP의 단일 조인트 시편과 접착 강도를 비교했다. 레이저 처리의 각도는 모두 동일하게 45°조건에서, 레이저 샷 수를 20, 30, 40까지 증가 시켜 접착 강도를 Fig.
적층 CFRP 접착 면의 조도를 조절할 수 있는 기계적 결합에 대한 메커니즘을 얻기 위해 일정한 조건에 따라 조절된 레이저에 의해 생성되는 일직선 형태의 조도가 만들어졌다. Fig.
5에서와 같이 레이저의 의한 조도의 동일한 수, 방향, 길이 조건에 대해서 레이저 샷 수가 증가할수록 접착 강도는 증가했다. 접착 강도 결과에 대한 보완을 위하여 전 단 파손된 시편의 파단면의 확대 이미지를 Fig. 6과 같이 비교했다. 레이저 샷 수가 증가할수록 완전하게 접착되어 섬유층의 파손을 발생키는 면적이 증가하는 것을 확인했다.
레이저에 의해 생성되는 조도의 방향, 깊이, 길이, 형태에 따라 CFRP/CFRP 결합에서의 기계적 결합 접착 메커니즘에 미치는 영향을 단일 랩 조인트의 접착 강도시험을 통해 조사했다. 접착 강도 시험은 재료 시험기(Instron 4469)를 이용하여 ASTM D5868 규격에 따라 13 mm/min의 크로스 헤드 속도로 인장 방향으로 수행되었다. 시험의 하중이 접착층의 라인에 정확하게 전달될 수 있도록 동일한 두께의 그 립을 시편의 양단에 추가하였다.
CFRP 간의 접착을 위해서는 2액 상의 접착제인 Hysol E20HP(3M)가 사용되었다. 주제와 경화제의 혼합 비율은 100: 55 중량비가 적용되었으며, 충분한 경화를 위해 상온에서 경화 공정 후 24시간 후에 접착 강도 시험을 진행했다.

대상 데이터

CFRP 간의 접착을 위해서는 2액 상의 접착제인 Hysol E20HP(3M)가 사용되었다. 주제와 경화제의 혼합 비율은 100: 55 중량비가 적용되었으며, 충분한 경화를 위해 상온에서 경화 공정 후 24시간 후에 접착 강도 시험을 진행했다.
5 mm3의 크기로 평직 탄소 섬유 /에폭시 복합재료를 사용했다. CFRP 접착 부의 표면처리는 1064 nm의 파장의 레이저(20 W)를 이용하여 수행했다. 사용된 레이저는 100 µs의 펄스 지속 시간과 20 kHz의 속도 범 위로 작동한다.
CFRP/CFRP 조인트 접착 강도 시험을 위한 CFRP 시편은 Fig. 1과 같이 100 × 25 × 2.5 mm3의 크기로 평직 탄소 섬유 /에폭시 복합재료를 사용했다. CFRP 접착 부의 표면처리는 1064 nm의 파장의 레이저(20 W)를 이용하여 수행했다.
CFRP 접착 부의 표면처리는 1064 nm의 파장의 레이저(20 W)를 이용하여 수행했다. 사용된 레이저는 100 µs의 펄스 지속 시간과 20 kHz의 속도 범 위로 작동한다. 사용된 레이저의 자세한 특성은 Table 1에 표시했다.

성능/효과

20회 이상의 샷 수에서 평직 섬유 사이 수지가 기계적 결합을 위해 침투할 수 있는 충분한 공간이 생성됨을 확인했다.
6과 같이 비교했다. 레이저 샷 수가 증가할수록 완전하게 접착되어 섬유층의 파손을 발생키는 면적이 증가하는 것을 확인했다. 5 shots 시편의 경우 충분한 깊이의 조도를 형성하지 못하여 완전하게 접착층을 기계적으로 결합하지 못한 것을 확인했다.
불완전한 접착층의 분리 없이 모두 전단 파단이 발생한 것을 확인했다. 그러나 샷의 수가 증가하고 있음에도 뚜렷한 접착 강도의 증가는 나타나지 않았다.
앞서 수행된 접착 강도 시험의 결과들로부터, 최적의 레 이저 표면 처리 조건은 깊은 조도를 만들기 위해서 하나의 조도 생성 시 레이저 샷 수가 많을수록, 생성되는 조도의 각 도는 45° 조건을 만족할수록, CFRP 조인트의 접착 강도 향상을 나타냈다. 이와 같은 표면처리 조건에서의 접착 강도 상승효과를 확인하기 위해서, 일반적인 연마 표면처리가 수행된 CFRP의 단일 조인트 시편과 접착 강도를 비교했다.
요약하면 레이저를 이용한 접착 면의 표면처리는 기계적 결합 메커니즘을 확보하고 CFRP 접착 조인트의 접착 강도를 향상시키는 적합한 방법이라는 결론을 도출할 수 있다. 레이저 처리를 이용한 이점을 완전히 이용하기 위해서는 최적화된 레이저 공정 변수에 대한 연구가 반드시 필요하다.

후속연구

접착제가 완 전하게 침투하지 못한 일부분들은 물리적 결합력을 감소시킬 수 있다. 따라서 레이저 표면처리를 위한 최적화된 깊이 측정을 위한 연구가 향후에 필요하다.

참고문헌 (21)

Lobel, T., Holzhuter, D., Sinapius, M., and Huhne, C., "A Hybrid Bondline Concept for Bonded Composite Joints," International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 68, 2016, pp. 229-238.

상세보기
Guo, X., Guan, Z.D., Nie, H.C., Tan, R.M., and Li, Z.S., "Damage Tolerance Analysis of Adhesively Bonded Composite Single Lap Joints Containing a Debond Flaw," The Journal of Adhesion, Vol. 93, No. 3, 2017, pp. 216-234.

상세보기
Liu, S., Cheng, X., Zhang, Q., Zhang, J., Bao, J., and Guo, X., "An Investigation of Hygrothermal Effects on Adhesive Materials and Double Lap Shear Joints of CFRP Composite Laminates," Composites Part B: Engineering, Vol. 91, 2016, pp. 431-440.

상세보기
Luo, H., Yan, Y., Zhang, T., and Liang, Z., "Progressive Failure And Experimental Study of Adhesively Bonded Composite Single-lap Joints Subjected to Axial Tensile Loads," Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 30, No. 8, 2016, pp. 894-914.

상세보기
Ungureanu, D., Taranu, N., Lupasteanu, V., Rosu, A.R., and Mihai, P., "The Adhesion Theories Applied to Adhesively Bonded Joints of Fiber Reinforced Polymer Composite Elements," Buletinul Institutului Politehnic din lasi. Sectia Constructii, Arhitectura, Vol. 62, No. 2, 2016, pp. 37.
Wegman, R.F., and Van Twisk, J., Surface Preparation Techniques for Adhesive Bonding, W. Andrew, Ed., Elsevier, USA, 2012.
Adams, R.D., Adhesive Bonding: Science, Technology and Applications, Woodhead Publishing Limited, England, 2005.
Kwon, D.J., Park, S.M., Park, J.M., and Kwon, I.J., "A Study on Bonding Process for Improvement of Adhesion Properties Between CFRP-Metal Dual Materials," Composites Research, Vol. 30, No. 6, 2017, pp. 416-421.

원문보기 상세보기
Deng, S., Djukic, L., Paton, R., and Ye, L., "Thermoplastic-epoxy Interactions and Their Potential Applications in Joining Composite Structures-A Review," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 68, 2015, pp. 121-132.

상세보기
Gude, M.R., Prolongo, S.G., and Urena, A., "Adhesive Bonding of Carbon Fibre/epoxy Laminates: Correlation between Surface and Mechanical Properties," Surface and Coatings Technology, Vol. 207, 2012, pp. 602-607.

상세보기
Benard, Q., Fois, M., and Grisel, M., "Influence of Fibre Reinforcement and Peel Ply Surface Treatment Towards Adhesion of Composite Surfaces," International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 25, No. 5, 2005, pp. 404-409.

상세보기
Cho, T.M., Choo, Y.S., Lee, M.J., Oh, H.C., Lee, B.C., Park, T.H., and Shin, Y.S., "Effect of Surface Roughness on the Adhesive Strength of the Heat-resistant Adhesive RTV88," Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 23, No. 15, 2009, pp. 1875-1882.

상세보기
Encinas, N., Oakley, B.R., Belcher, M.A., Blohowiak, K.Y., Dillingham, R.G., Abenojar, J., and Martinez, M.A., "Surface Modification of Aircraft Used Composites for Adhesive Bonding," International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 50, 2014, pp. 157-163.

상세보기
Wu, G.M., Shyng, Y.T., Kung, S.F., and Wu, C.F., "Oxygen Plasma Processing and Improved Interfacial Adhesion in PBO Fiber Reinforced Epoxy Composites," Vacuum, Vol. 83, 2009, pp. S271-S274.

상세보기
Leone, C., and Genna, S., "Effects of Surface Laser Treatment on Direct Co-bonding Strength of CFRP Laminates," Composite Structures, Vol. 194, 2018, pp. 240-251.

상세보기
Oliveira, V., Sharma, S.P., De Moura, M.F.S.F., Moreira, R.D.F., and Vilar, R., "Surface Treatment of CFRP Composites Using Femtosecond Laser Radiation," Optics and Lasers in Engineering, Vol. 94, 2017, pp. 37-43.

상세보기
Fischer, F., Kreling, S., and Dilger, K., "Surface Structuring of CFRP by Using Modern Excimer Laser Sources," Physics Procedia, Vol. 39, 2012, pp. 154-160.

상세보기
Yokozeki, T., Ishibashi, M., Kobayashi, Y., Shamoto, H., and Iwahori, Y., "Evaluation of Adhesively Bonded Joint Strength of CFRP with Laser Treatment," Advanced Composite Materials, Vol. 25, No. 4, 2016, pp. 317-327.

상세보기
Wang, H.Q., Sun, J.S., Li, C.N., Geng, S.N., Sun, H.G., and Wang, G.L., "Microstructure and Mechanical Properties of Molybdenum-iron-boron-chromium Cladding Using Argon arc Welding," Materials Science and Technology, Vol. 32, No. 16, 2016, pp. 1694-1701.

상세보기
Tao, R., Alfano, M., and Lubineau, G., "Laser-based Surface Patterning of Composite Plates for Improved Secondary Adhesive Bonding," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 109, 2018, pp. 84-94.

상세보기
Davis, G.D., "Surface Treatment of Aluminum and Titanium: From Basic Research to Production Failure Analysis," Surface and Interface Analysis, Vol. 17, No. 7, 1991, pp. 439-447.

상세보기

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