[논문]물리적 표면처리 기법에 따른 복합소재 및 알루미늄간 접합특성 연구

김무선

doi:10.5762/kais.2020.21.11.334

물리적 표면처리 기법에 따른 복합소재 및 알루미늄간 접합특성 연구
A study on adhesion properties between composite material and aluminum according to the physical surface treatment technique 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.334 - 339

초록
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본 연구에서는 탄소섬유 및 유리섬유 강화 복합소재를 대상으로 하여, 접합면에 기계적인 결합력 향상을 위해 물리적인 표면처리 방법을 적용할 때, 알루미늄 및 복합소재, 복합소재 및 복합소재 간의 접합특성을 비교 분석하였다. 접합시편은 접합을 위해 쓰이는 모재 종류와 모재 접합면의 표면처리 방법으로 각각 구분하였다. 물리적인 표면처리 방법으로는 기계적인 마모 (사포) 처리, sand blasting 처리 및 플라즈마 처리기법을 적용하였다. 접합시편은 single lap joint 시편으로 제작하였으며 lap shear strength 측정 실험을 진행하여 그 결과값을 비교하였다. 실험 결과에서 기계적인 마모 및 sand blasting 표면 처리 방법이 물리적인 표면 처리를 진행하지 않은 일반 시편 대비하여 약 4~5배의 접합강도 향상이 있음을 확인하였다. 플라즈마 처리 기법을 적용한 방안에서는 플라즈마 출력과 처리 시간을 150 W 5분, 150 W 10분 및 300 W 3분 처리 조건으로 정의하여 실험을 진행하였으며, lap shear strength 결과에서 앞선 기계적 표면 처리 방안과 유사한 결과를 보였다. 다만 처리 조건에 따라서 접합특성에 미치는 영향은 적음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the adhesion properties between aluminum and composite materials, composite materials, and composite materials were compared according to the physical surface treatment to improve mechanical bonding at the bonding surface when considering carbon fiber and glass fiber-reinforced composite materials. Bonded specimens were classified into the type of base material and the surface treatment method of the bonding surface. Sandpaper, sandblasting, and plasma were applied as physical surface treatment methods. The bonded specimen was prepared as a single lap joint test specimen. An experiment to measure the lap shear strength was conducted, and the results were compared. The experimental results confirmed that the mechanical abrasion and sandblasting treatment improved the lap shear strength approximately 4 to 5 fold compared to the general specimen without physical surface treatment. In plasma treatment, the experiment was conducted by defining the respective plasma output and treatment time as follows: 150 W and 5 minutes, 150 W and 10 minutes, and 300 W and 3 minutes. Moreover, the lap shear strength results were similar to the previous mechanical surface treatments. On the other hand, the effect on the adhesion properties was small, depending on the plasma treatment conditions.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Specification of test specimen for single lap joint test
표 Table 1. Specification of test material
그림 Fig. 2. Fractured surface of mechanically abraded specimen of (a) Al-CFRP, (b) CFRP-CFRP, (c) Al-GFRP and (d) GFRP-GFRP
그림 Fig. 3. Lap shear strength of specimen with (a) non-treated, (b) mechanical abraded and (c) sand blasted surface
그림 Fig. 4. Surface of specimen with (a) 150 W 5 mins & (b) 150 W 10 mins plasma treatment (c) without treatment, (d) 300 W 3 mins plasma treatment and (e) contact angle according to plasma treatment conditions
그림 Fig. 5. Lap shear strength of specimen with (a) 150W 5 mins, (b) 150W 10mins and (c) 300W 3mins plasma treatment

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 접합되는 소재의 다양한 조합을 고려하여 1액형 에폭시 접착제를 적용할 때 접합특성을 분석하였다. 이 때 실험 변수로서 소재 접합면의 표면 처리 여부 및 물리적 표면 처리 방법에 따라 접합력 차이를 분석하였다.

제안 방법

다음으로 플라즈마 처리가 접합특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 앞서 언급한 플라즈마 처리 조건에 따른 접합면의 형상 특성을 비교분석하였다.
실험변수로 고려한 모재의 표면처리 방법으로는 물리적 표면처리를 적용하지 않은 미처리 시편, 사포(mechanical abrasion)를 이용하여 접합면에 기계적 처리를 적용한 시편, 그리고 sand blasting을 진행한 표면처리 시편으로 분류하였다. 마지막으로 플라즈마를 이용한 표면처리 방법은 플라즈마 출력과 처리시간을 다르게 하여 적용하였다.
복합소재 모재는 두께를 3 mm 로 일정하게 유지하기 위해 각 16장씩의 탄소섬유 및 유리섬유 프리프레그를 사용하였다. 복합재료 평판을 성형한 후 ASTM D1002[7] Single lap joint test 규격에 따라서 절단한 후 Fig. 1과 같이 접합시편을 제작하였다.
본 연구에서는 알루미늄과 CFRP 및 GFRP 복합소재를 모재로 하는 이종소재간 접합특성과 복합소재 모재간 접합특성을 표면 처리 방법 및 조건별로 구분하여 그 결과를 비교 분석하였다. 표면 처리 방법 구분은 모재 접합면의 기계적 결합력을 증대할 수 있는 방안을 중심으로, 사포를 이용한 기계적인 마모, sand blasting 처리 및 플라즈마를 이용한 표면 에폭시 제거와 섬유 노출 정도를 조건으로 정의하였다.
접합강도를 높이는 물리적인 방법으로 모재와 접착제간 mechanical inter-locking 효과를 증대할 수 있는 표면 처리가 필요하다. 실험변수로 고려한 모재의 표면처리 방법으로는 물리적 표면처리를 적용하지 않은 미처리 시편, 사포(mechanical abrasion)를 이용하여 접합면에 기계적 처리를 적용한 시편, 그리고 sand blasting을 진행한 표면처리 시편으로 분류하였다. 마지막으로 플라즈마를 이용한 표면처리 방법은 플라즈마 출력과 처리시간을 다르게 하여 적용하였다.
본 연구에서는 접합되는 소재의 다양한 조합을 고려하여 1액형 에폭시 접착제를 적용할 때 접합특성을 분석하였다. 이 때 실험 변수로서 소재 접합면의 표면 처리 여부 및 물리적 표면 처리 방법에 따라 접합력 차이를 분석하였다. 실험은 single lap joint test 방식으로 진행하여 lap shear strength를 측정하는 방식으로 결과값을 비교하였다.
접합특성은 lap shear strength를 기준으로 평가하였으며, 실험 결과로부터 모재 종류 및 표면 처리 방법에 따른 접합특성을 확인하였다.
접합표면 처리 방법별로 각각 제작된 접합시편을 대상으로 single-lap joint 실험을 진행하였다. 실험은 Instron (USA) 社 의 5969 장비를 사용하여 상온에서 진행하였으며, ASTM D1002 규격을 따랐다.
본 연구에서는 알루미늄과 CFRP 및 GFRP 복합소재를 모재로 하는 이종소재간 접합특성과 복합소재 모재간 접합특성을 표면 처리 방법 및 조건별로 구분하여 그 결과를 비교 분석하였다. 표면 처리 방법 구분은 모재 접합면의 기계적 결합력을 증대할 수 있는 방안을 중심으로, 사포를 이용한 기계적인 마모, sand blasting 처리 및 플라즈마를 이용한 표면 에폭시 제거와 섬유 노출 정도를 조건으로 정의하였다.
플라즈마를 이용한 표면 처리 조건으로는 O₂를 이용한 산화 플라즈마 방식으로 150 W 5분 및 10분 처리조건과 300 W 3분 처리 조건으로 구분하여 진행하였다.

대상 데이터

0 mm/min의 하중속도로 진행하였다. 각 조건별 실험은 5개 시편을 대상으로 하였으며, 최대값과 최소값을 제외한 평균값을 구하였다.
복합소재 모재는 두께를 3 mm 로 일정하게 유지하기 위해 각 16장씩의 탄소섬유 및 유리섬유 프리프레그를 사용하였다. 복합재료 평판을 성형한 후 ASTM D1002[7] Single lap joint test 규격에 따라서 절단한 후 Fig.
접합을 위한 접착제로는 1액형 에폭시 타입의 Huntsman사 Araldite 2011을 사용하였다.
접합특성 실험을 위해 제작한 시편의 모재 조합은 알루미늄-CFRP, CFRP-CFRP, 알루미늄-GFRP, GFRP-GFRP 이다. 실험에 사용된 각 모재의 특성은 Table 1 과 같다.

데이터처리

이 때 실험 변수로서 소재 접합면의 표면 처리 여부 및 물리적 표면 처리 방법에 따라 접합력 차이를 분석하였다. 실험은 single lap joint test 방식으로 진행하여 lap shear strength를 측정하는 방식으로 결과값을 비교하였다.

이론/모형

접합표면 처리 방법별로 각각 제작된 접합시편을 대상으로 single-lap joint 실험을 진행하였다. 실험은 Instron (USA) 社 의 5969 장비를 사용하여 상온에서 진행하였으며, ASTM D1002 규격을 따랐다. 그리고 1.

성능/효과

1. 사포 및 sand blasting을 적용한 표면 처리 시편의 접합특성은 표면 미처리 시편 대비 약 4~5배의 lap shear strength의 증가 효과를 보였다. 표면의 단순 거칠기 조절만으로도 접합강도를 향상할 수 있었으며, 이종소재 경우 복합소재 접합특성보다 높은 결과값을 보였다.
2. 플라즈마를 활용한 표면 처리 시편의 접합특성 관련하여, 접합특성에 대한 플라즈마 처리 조건의 영향은 적었으며, 이는 플라즈마로 인해 미세 식각이 생성된 표면에 고점도의 접착제가 스며들지 못하면서 접합특성에서 큰 차이를 보이지 못한 것으로 판단된다.
3에 표면처리 방법별로 lap shear strength 값을 비교하여 나타내었다. 그림에서 보이는 바와 같이, 표면 미처리 시편을 기준으로, 사포를 통한 기계적 표면 처리 시편 및 sand blasting 처리 시편의 lap shear strength가 4~5배 증가함을 확인할 수 있다. 이는 표면 처리 진행 후 생긴 거친 접합 표면의 영향으로 기계적 상호 구속 효과가 발생함으로써 접합강도가 증가한 것으로 볼 수 있다.
기계적 표면 처리 및 플라즈마 처리 조건의 시험결과에서 공통적으로 확인되는 흥미로운 결과는 CFRP와 GFRP 조합 시편의 lap shear stregnth 결과를 비교했을때, GFRP 시편의 결과값이 CFRP 시편 대비하여 더 높은 값을 보인다는 점이다. 이는 CFRP의 경우 동일 하중이 시편 양쪽 끝단에 작용할 때 이로 인한 변형량이 상대적으로 강성이 높은 CFRP 대신 접착제에 대부분 집중되는 반면에 GFRP 시편의 경우 상대적으로 GFRP의 낮은 강성으로 인해 변형량이 접착제와 복합소재 모재에 분산됨으로써 접착제 내부의 변형률 크기가 CFRP 시편보다 감소하였기 때문이다.
이는 표면 처리 진행 후 생긴 거친 접합 표면의 영향으로 기계적 상호 구속 효과가 발생함으로써 접합강도가 증가한 것으로 볼 수 있다. 다음으로 사포처리와 sand blasting 처리 시편의 결과를 비교하였을 때, sand blasting 처리 시편이 Al-GFRP 조합 경우를 제외한 나머지 시편 조합에서 더 높은 lap shear strength 값을 보인다. 이는 수작업으로 진행한 사포를 통한 기계적 표면처리보다 sand blasting 처리 방법이 좀 더 균일하고 조밀하게 거칠기를 향상시킨 것으로 판단된다.
또한 모든 시편 제작 조건에서 알루미늄과 복합재료 조합 접합시편의 접합강도가 상대적으로 높게 측정되었다. 이는 알루미늄의 강성이 CFRP 및 GFRP 로 구성된 복합재료 모재의 강성보다 높기 때문에 동일한 하중을 주었을 때 복합재료 모재보다 변형되는 양이 상대적으로 적다.
사포 및 sand blasting을 적용한 표면 처리 시편의 접합특성은 표면 미처리 시편 대비 약 4~5배의 lap shear strength의 증가 효과를 보였다. 표면의 단순 거칠기 조절만으로도 접합강도를 향상할 수 있었으며, 이종소재 경우 복합소재 접합특성보다 높은 결과값을 보였다.

참고문헌 (7)

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D.Kwon, S. Park, J.Park, I.Kwon, "A Study on Bonding Process for Improvement of Adhesion Properties Between CFRP-Metal Dual Materials", Composite Research, vol.30, no.6, pp.416-421, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2017.30.6.416

원문보기 상세보기
ASTM D1002-10, Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading (Metal-to-Metal), ASTM, International, West Conshohocken, PA, 2015. DOI: https://doi.org/10.1520/D1002-10R19

저자의 다른 논문 :

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].

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