[논문]알루미늄과 발포알루미늄의 표면처리에 따른 파괴특성평가

알루미늄과 발포알루미늄의 표면처리에 따른 파괴특성평가
Fracture property on surface treatment of aluminum and aluminum foam 원문보기

정협재 (경희대학교 기계공학과) , 이경엽 (경희대학교 테크노공학대학) , 한범석 (한국자동차부품연구원) , 유용문 (한국자동차부품연구원)

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본 논문에서는 질소 플라즈마 표면처리가 알루미늄/발포알루미늄 복합재의 파괴인성에 미치는 영향을 실험을 통하여 알아보았다.
그러나 알루미늄/발포알루미늄 복합재에서 알루미늄에 플라즈마로 표면처리 할 경우 파괴인성이 얼마나 향상되는 가에 대한 연구결과는 발표된 바 없다. 본 논문에서는 질소 플라즈마 표면처리의 유/무에 따라 알루미늄과 발포알루미늄 복합재의 파괴인성에 어떠한 영향을 미치는 가를 알아보기 위하여 CLS(Cracked Lap Shear)시편을 제작한 후 파괴인성 시험을 수행하여 플라즈마 표면처리가 파괴인성에 어떤 영향을 미치는가에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 표면처리가 알루미늄/발포알루미늄 복합재의 접합력에 미치는 영향을 알기 위해 CLS 시편을 이용한 파괴시험을 시행하였다. 파괴시험을 통하여 얻는 컴플라이언스 및 파괴하중 등과 같은 재료의 파괴특성은 하중-변위(P-δ)선도로부터 결정될 수 있다.

알루미늄 과 발포알루미늄의 접합은 에폭시(정도화성)와 경화제(정도화성)를 중량비 2:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서는 표면처리와 상관없이 에폭시의 양을 0.3ml로 제한하고, 상온에서 24시간의 경화조건을 유지하여 0.2㎜의 동일한 두께의 접착제를 갖는 시편을 제작하였다.
초기 균열은 알루미늄과 알루미늄 복합재 계면에 20㎛ 두께를 갖는 테프론 필름을 10㎜ 삽입하여 형성하였다. 시편 제작 시 발포알루미늄이 알루미늄 5052보다 강도가 약해 시험 도중 시편이 파괴되는 경우를 방지하기 위해 발포알루미늄의 접합면 반대쪽에 알루미늄을 붙여서 발포알루미늄을 강화하였다. 알루미늄 과 발포알루미늄의 접합은 에폭시(정도화성)와 경화제(정도화성)를 중량비 2:1의 비율로 혼합하여 사용하였다.
파괴시험은 Instron 8871를 사용하여 일정변형률 (0.5㎜/min)하에서 수행하였다.
플라즈마를 이용한 알루미늄 표면처리시 중요한 공정변수 중 하나가 표면처리 시간이다. 표면처리 시간이 접촉각에 미치는 영향을 규명하기 위해 처리시간을 5 분, 10 분, 20 분, 30 분으로 달리하여 표면처리 하였으며 이에 따른 접촉각 변화를 측정하였다. Fig.

본 연구의 시편제작을 위해 Al 5052(25㎜ * 100㎜ * 5㎜)와 발포알루미늄(25㎜ * 100㎜ * 5㎜, 밀도 0.4~0.5)을 사용하였다. 플라즈마 표면처리 전에 알루미늄의 이물질을 제거하기 위해 아세톤으로 5분간 초음파세정을 하였다.
시편 제작 시 발포알루미늄이 알루미늄 5052보다 강도가 약해 시험 도중 시편이 파괴되는 경우를 방지하기 위해 발포알루미늄의 접합면 반대쪽에 알루미늄을 붙여서 발포알루미늄을 강화하였다. 알루미늄 과 발포알루미늄의 접합은 에폭시(정도화성)와 경화제(정도화성)를 중량비 2:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서는 표면처리와 상관없이 에폭시의 양을 0.
45GHz, Power는 700W를 적용하였다. 플라즈마 가스는 질소를 사용하였으며 표면처리시 가스의 압력은 160kPa, 진공은 90kPa를 유지하였다.

1) 질소 플라즈마 처리 후 알루미늄의 접촉각은 5분 이후에는 시간에 따른 접촉각의 변화가 크지 않았다. 따라서 5분 이후에는 플라즈마 표면처리가 알루미늄 표면의 친수성에 크게 영향을 주지는 못한다는 것을 알 수 있었다.
2) CLS시편을 이용한 파괴시험에서 표면처리를 한 Case 2가 약 536N, 표면처리를 하지 않은 Case 1은 약 293N의 파괴하중을 나타내었으며 Case 2가 Case 1에 비하여 약 86%정도 높았다.
1) 질소 플라즈마 처리 후 알루미늄의 접촉각은 5분 이후에는 시간에 따른 접촉각의 변화가 크지 않았다. 따라서 5분 이후에는 플라즈마 표면처리가 알루미늄 표면의 친수성에 크게 영향을 주지는 못한다는 것을 알 수 있었다.

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