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원숙 위
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1 67 연구논문 윤호철 * 최준용 * 김연직 ** 임재규 *** * 전북대학원기계설계학과 ** 국립익산대학산업설비제어과 *** 전북대학교기계항공시스템공학부, 공업기술연구센터 Effect of Spew Fillet on Failure Strength Properties of Natural Fiber Reinforced Composites Including Adhesive Bonded Joints Ho-Chel Yoon*, Jun-Yong Choi*, Yon-Jig Kim** and Jae-Kyoo Lim*** *Dept. of Mechanical Design, Chonbuk Nat'l Univ., Duckjin , Jeonju, Korea **Dept. of Industrial Facilities Control, Iksan Nat'l Collage, Ma 194-5, Iksan, Korea ***Research Center of Industrial Technology, Engineering Research Institute, Faculty of Mechanical & Aerospace System Eng., Chonbuk Nat'l Univ., Duckjin , Jeonju, Korea Abstract This paper is concerned with a study on fracture strength of composites in an adhesive single lap joint. The tests were carried out on joint specimens made with hybrid stacked composites consisting of the polyester and bamboo natural fiber layer. The main objective of this work was to evaluate the fracture properties adjacent to adhesive bonded joint of natural fiber reinforced composite specimens. From the results, natural fiber reinforced composites have lower tensile strength than the original polyester. But tensile-shear strength of natural fiber reinforced composites with bamboo layer far from adhesive bond is as high as that of the original polyester adhesive bonded joints. Spew fillet at the end of the overlap reduced the stress concentration at the bonded area. Spew fillet and position of bamboo natural fiber layer have a great effect on the tensile-shear strength of natural fiber reinforced composites including adhesive bonded joints. * Corresponding author : jklim@chonbuk.ac.kr (Received June 30, 2005) Key Words : Natural fiber reinforced composites, Adhesive bonded joints, Spew fillet, Hybrid stacked joints 1. 서론 자연섬유강화복합재료는저가이고친환경적이며유리섬유복합재료 (GFRP) 의대체가능성때문에최근많은관심을얻고있다. 유리섬유강화복합재료는이미자동차산업에서많은부분을차지하고있지만, 가볍고고강성인장점에도불구하고분해가어려워폐기가쉽지않기때문에많은공해문제를일으키고있다. 따라서자연섬유의활용은이들문제를해결할수있는대 안이될수있다. 자연섬유는여러가지를생각할수있으나, 사이잘 (sisal), 대마등은우리나라실정을고려할때가격이비싸서사용에제약이있으므로, 쉽게구할수있는대나무를쓰는방안을생각할수있다. 일반적으로알려진자연섬유강화복합재료의특성으로모재에천연물이들어가면재료의단가는낮아지지만인장강도또한낮아지게된다. 그러나섬유형보강재를이용함으로서급격한강도하락을방지할수있으며보강재가없는재료와비교해보면굽힘이나충격에는강한능력을갖게된다 1). 현재세계적으로자연섬유를보 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 563

68 윤호철 최준용 김연직 임재규 강재로사용하여제품을생산하려는연구는많이이루어지고있다. 자연섬유강화복합재료를활용하는데있어서중요한한가지는복합재를조립하는것이며, 접착제접합은그중한방법이될수있다. 접착제접합의장점은쉽고편리하게이종재료를체결하는데유리하며건축, 의료, 기계등산업전반에걸쳐두루사용되는방식이다.

본연구에서는자연섬유강화복합재료에접착제접합을적용하였을때접착부가장자리의응력집중에의한피착제 (adherend) 의응력분포및파괴강도를조사하였다. 특히본실험은재료의응력분포및파괴강도를조사하기위한것으로접착부계면에서의파괴가아니라접착부가장자리의응력집중에의한모재파괴의평가를목적으로하였다. 따라서강한접착력을가지게하여접착부계면에서파괴가일어나지않게하였다 3).

2 68 윤호철 최준용 김연직 임재규 강재로사용하여제품을생산하려는연구는많이이루어지고있다. 자연섬유강화복합재료를활용하는데있어서중요한한가지는복합재를조립하는것이며, 접착제접합은그중한방법이될수있다. 접착제접합의장점은쉽고편리하게이종재료를체결하는데유리하며건축, 의료, 기계등산업전반에걸쳐두루사용되는방식이다. 이러한접착제접합을할경우일반적으로접착제가가장자리로밀려나와서일종의필릿을형성하는데, 이것을접착제필릿 (spew fillet) 이라고한다. 이러한접착제필릿은비록미관상좋지않으나접착부가장자리의응력집중을줄이는데상당한영향을주며, 접착강도향상에큰영향을미치는인자로알려져있다 2). 본연구에서는자연섬유강화복합재료에접착제접합을적용하였을때접착부가장자리의응력집중에의한피착제 (adherend) 의응력분포및파괴강도를조사하였다. 특히본실험은재료의응력분포및파괴강도를조사하기위한것으로접착부계면에서의파괴가아니라접착부가장자리의응력집중에의한모재파괴의평가를목적으로하였다. 따라서강한접착력을가지게하여접착부계면에서파괴가일어나지않게하였다 3). 가격이저렴하고일반적으로널리사용되는열경화성수지인불포화폴리에스테르를모재로선택하였고보강재로는대나무직조판을적층형구조로사용하였다. 이때대나무보강재의배치와접착제필릿에따른접착강도및재료의파괴강도등의변화를관찰하였다. 또한자동차산업에적용할수있는소재로서의타당성을평가하기위하여, 두께를변화시킨폴리에스테르수지를자동차용강판이나알루미늄판에접합시켜서접착제필릿에의한접착강도평가를수행하였다. 하도록주제와경화제의최적혼합비를사용하였다. 폴리에스테르내부의기포를제거하기위하여진공로에서 0.1bar, 50 상태로 3 4 시간유지하여경화시켰다. 자연섬유강화복합재료가갖는물성치를구하기위하여 ASTM D 638에따라 mm 크기의시험편을제작하였다. 또한, ASTM D 1002 를기준으로단일겹침접착시험편을제작하였다. 사용한접착제는구조용에폭시 (epoxy) 접착제 (3M사 DP-460) 로 2액상혼합형이며상온건조경화가가능하다. 접착부위는 #1000의사포 (sand paper) 로연마하고, 아세톤으로세척하였다. 접착두께를조절하기위하여 0.1mm 구리선을사용하였으며접착제가충분한접착강도를갖도록상온건조한다음실험에제공하였다. 모든시편에서접착부위의표면조도, 접착두께등접착조건은동일하게수행하였다. 접착부의겹침길이는 6mm, 10mm, 14mm 로하였으며, 접착제필릿 (spew fillet) 은접착제의경화조건에맞추어접착 3시간후다듬기작업을통하여 0mm, 1mm, 2mm 로하였다. 단일재료를사용하였을때자동차산업에적용할수있는소재로서폴리에스테르의접합성능과접착제필릿의영향을평가하였다. 폴리에스테르-폴리에스테르, 폴리에스테르-강판 (SPCC), 폴리에스테르-알루미늄판 (Al 6061) 을제작하여실험하였다. 자연섬유강화복합재료를사용하였을때대나무보강재의위치와접착제필릿의영향을평가하였다. 대나무보강재의위치가접착부에가까이있는경우를 narrow type 으로, 접합부에멀리떨어져있는경우를 wide type 이라고정의하였다. 본실험에사용된단일겹침접착시험편을 Fig. 1에정리하였다. 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 제작에사용된수지는열경화성 (thermoset) 불포화폴리에스테르 (unsaturated polyester) 이다. 여기에수지와함께보강재로사용될자연섬유로대나무를선택하였다. 자연적인대나무를두께 1mm의긴직사각형형태로가공한후, 이를직조하여 2mm 두께의직사각형직조판 (bamboo natural fiber layer) 을만들었다. 이러한재료를 RTM(resin transfer molding) 을이용하여수지내에대나무직조판이원하는위치에올수있도록조절하면서판 (plate) 형태의복합적층재를제조하였다. RTM 에유입된공기압은 6 8bar, 진공도는 bar, 주입압력은 1 2bar 로하였다. 폴리에스테르는초기경화현상이나기포발생을최소화 Fig. 1 Single lap adhesive tensile-shear specimen 564 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005

69 2.2 실험및해석모델 인장시험기 (Instron 4206) 를이용하여단일겹침접착시험편에인장전단하중에의한파괴를유도하였으며그때의파괴강도를로드셀 (loadcell) 로측정하여데이터를저장하였다. 하중속도 (crosshead speed) 는 3mm/min 로일정하게유지하였다.

접착부에인장전단하중이가해지도록경계조건을적용시켰으며하중을 0 에서 980N 까지점차증가시키는방법으로비선형해석을하였다. Fig. 2, 3 은해석모델, 경계조건을 Table. 1 은해석에사용한물성치를나타낸것이다. Fig. 2 Mesh model for finite element method 3. 실험결과및고찰 3.1 단일재료시험편 3.1.1 단일시험편 150 35 5mm 크기의대나무섬유, 폴리에스테르, 폴리에스테르 + 대나무섬유시험편에대한인장시험결과는 Fig.

4에나타내었다. 모재의두께가얇으면접착제가장자리의응력집중의영향에관계없이시편내의불특정한곳에서파괴가일어났다. 그러나모재의두께가두꺼울경우에는접착제가장자리의응력집중의영향을받으므로이부분에서응력이집중하여모재를관통하는절단파괴 (sectional failure) 가일어났다. 겹침길이가 6mm이면시편의두께가 3.5mm 이상에서, 겹침길이가 10mm이면 4.

3 실험및해석모델 인장시험기 (Instron 4206) 를이용하여단일겹침접착시험편에인장전단하중에의한파괴를유도하였으며그때의파괴강도를로드셀 (loadcell) 로측정하여데이터를저장하였다. 하중속도 (crosshead speed) 는 3mm/min 로일정하게유지하였다. 적층형복합재료에서대나무보강재가위치하는높낮이 (narrow type 과 wide type) 와접착제필릿의크기 (0, 1, 2mm) 에따른접착부에서응력분포를알아보기위하여유한요소해석을하였다. 물성치는단일재료시험편의인장시험을통하여나타난그래프를이용하였으며 2, 3 차원의대나무보강재의위치와접착제필릿의형태가다른해석모델을만들었다 4). 접착부에인장전단하중이가해지도록경계조건을적용시켰으며하중을 0 에서 980N 까지점차증가시키는방법으로비선형해석을하였다. Fig. 2, 3 은해석모델, 경계조건을 Table. 1 은해석에사용한물성치를나타낸것이다. Fig. 2 Mesh model for finite element method 3. 실험결과및고찰 3.1 단일재료시험편 단일시험편 mm 크기의대나무섬유, 폴리에스테르, 폴리에스테르 + 대나무섬유시험편에대한인장시험결과는 Fig. 3과같다. 인장강도는대나무섬유를포함한재료가포함하지않은재료에비해낮게나타났다. 이것은일반적으로알려진자연섬유강화복합재료의인장강도가약해지는특성과일치한다 1). 그러나강도의하락은비교적작은것으로나타났으며, 모재에대한대나무섬유의부피충진율이 40% 인것을생각하면, 재료강도와경제적인면을고려했을경우에효율적임을알수있다 폴리에스테르 / 폴리에스테르시험편접착제필릿을제거하고접착부의겹침길이와재료의두께를달리했을때의결과를 Fig. 4에나타내었다. 모재의두께가얇으면접착제가장자리의응력집중의영향에관계없이시편내의불특정한곳에서파괴가일어났다. 그러나모재의두께가두꺼울경우에는접착제가장자리의응력집중의영향을받으므로이부분에서응력이집중하여모재를관통하는절단파괴 (sectional failure) 가일어났다. 겹침길이가 6mm이면시편의두께가 3.5mm 이상에서, 겹침길이가 10mm이면 4.5mm 이상에서, 겹침길이가 14mm이면 5mm 이상에서절단파괴가일어났다. 일반적으로겹침길이가길수록접착강도는증가하는것으로알려져있으며, 그증가하는정도는겹침길이에선형적으로비례하지는않는다 5). 본실험에서절단파괴가일어나는한계두께 (critical thickness) (Fig. 4의점선 ) 도선형적으로증가하지않는다. Fig. 3 Mesh model of spew fillet and its size Table. 1 Mechanical Properties of material 75[MPa] Unsaturated Young's modulus 5.2[GPa] polyester Poisson's ratio [MPa] Epoxy Adhesive Young's modulus 30[MPa] Poisson's ratio [MPa] LongitudinalModulus 3[GPa] Major Poisson's ratio 0.26 Bamboo Fiber Longitudinal Shear Modulus 10[Mpa] (heat pressed) Transverse Modulus 0.1[GPa] Transverse Poisson's ratio 0.26 Transverse Shear Modulus 5[Mpa] Fig. 4 Relation between fracture load of single overlap specimens and polyester thickness 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 565

4 70 윤호철 최준용 김연직 임재규 폴리에스테르 / 강판, 알루미늄판시험편겹침길이가 10mm 인조건에서폴리에스테르에 1mm 두께의강판및알루미늄판을단일겹침으로접착한시험편의인장전단시험결과를 Fig. 5에정리하였다. 폴리에스테르의두께가 5mm 이하에서는모재에서파괴가일어나고그이상으로두꺼우면접착부가장자리에서파괴가일어나며파괴강도는점차높아진다. 강판과결합된폴리에스테르의두께가 6mm 이상인경우, 그리고알루미늄판과결합된폴리에스테르의두께가 8mm이상인경우에는단일겹침인장전단시편의특성상모멘트가과도하게작용하므로점차접착강도가낮아진다 6). 알루미늄판과강판에따른폴리에스테르에서의파괴강도차이는알루미늄의연신량이크기때문에약간의모멘트완화로알루미늄판을결합하는경우가약간크게나타났다. 접착제필릿이없는시편보다있는시편의파괴강도가큰것으로나타났다. 이것은접착제필릿이접착부가장자리의응력집중을완화시킨것으로해석된다. 보강재가접착부에멀리떨어진경우 (wide type) 에 2303N(Fig. 6) 으로거의비슷하였다. 그러나대나무보강재가접착부에가까운경우 (narrow type) 에는 745N(Fig. 6, 7) 으로매우낮은파괴하중을얻었다. 그이유는대나무보강재가접착부에가까운경우 (narrow type) 에곧바로계면파괴 (layer failure) 가일어나서접착부가장자리의응력집중에견딜수있는절단파괴 (sectional failure) 를가질수없기때문이다. 접착부가장자리의응력집중은접착제필릿의영향을받는다. 접착제필릿의크기는시편의파괴강도와시편의응력집중위치도변화시킨다.(Fig.10) 이러한응력집중위치의변화는대나무보강재가접착부에가까운경우 (narrow type) 에파괴의형상에도영향을미치게된다.(Fig. 9) polyester, wide type, narrow type 시험편의파괴형상에대하여나타낸것이 Fig. 8, 9이다. 3.2 자연섬유강화복합재료시험편 대나무보강재가단일겹침인장전단시편접합부위를중심으로위치가변화할때, 모재내에서파괴에미치는영향을알아보았다. 모두접착부가장자리에충분히응력이집중하도록 6mm 두께의시험편을사용하였고, 겹침길이는 10mm 로실험을하였다. 대나무보강재가없는경우 (polyester) 는접착부의가장자리에서파괴 (sectional failure) 가일어났으나대나무보강재가접착부에멀리떨어진경우 (wide type) 에는혼합파괴 (sectional + layer failure) 가일어났다. 접착제필릿이없는경우모재의파괴하중은대나무보강재가없는경우에 2362N(Fig. 5), 대나무 Fig. 6 Tensile-shear strength - displacement curves of various single overlap specimens Fig. 5 Relation between tensile-shear strength of various single overlap specimens and polyester thickness Fig. 7 Variation of tensile-shear strength - displac ement curves with spew fillet size 566 Journal of KWS, Vol. 23, No. 6, December, 2005

1) 모재의두께가얇으면접착제가장자리의응력집중의영향에관계없이시편내의불특정한곳에서파괴가일어났다. 그러나모재가 5mm 이상두꺼울경우에는접착제가장자리의응력집중의영향을받으므로이부분에서응력이집중하여모재를관통하는절단파괴 (sectional failure) 가일어났다.

5 71 4. 결론 Fig. 8 The failure model of adhesive bonded joints in natural fiber reinforced composites Fig. 9 The failure of narrow type with 0, 1, 2mm spew fillet 본연구에서는접착제접합을자연섬유강화복합재료에적용시키고접착제필릿에의한응력분포및파괴강도의변화를조사하여접착제필릿과대나무보강재의위치가접착제를적용한시편에서모재의파괴강도에영향을주는것을알게되었다. 1) 모재의두께가얇으면접착제가장자리의응력집중의영향에관계없이시편내의불특정한곳에서파괴가일어났다. 그러나모재가 5mm 이상두꺼울경우에는접착제가장자리의응력집중의영향을받으므로이부분에서응력이집중하여모재를관통하는절단파괴 (sectional failure) 가일어났다. 2) 접착제필릿의크기 (0, 1, 2mm) 는접착제가장자리에서응력집중의위치를변화시키며필릿의크기가클수록응력집중을완화시켜주는것으로확인되었다. 3) 대나무보강재가접착부에가까운경우 (narrow type) 에곧바로계면파괴 (layer failure) 가일어난다. 따라서접착부가장자리의응력집중에견딜수있는절단파괴 (sectional failure) 를가질수없기때문에매우약한강도에서파괴가일어난다. 4) 자연섬유강화복합재료의단일겹침접착제접합에서파괴의형상및강도특성은대나무보강재의위치와접착제필릿의크기 (0, 1, 2mm) 에영향을받는다. 참고문헌 Fig. 10 The stress distribution in hybrid stacked joints and spew fillet 1. J. M. Ferreira, H. Silva, J. D. Costa and M. Richardson : Stress analysis of lap joints involving natural fibre reinforced interface layers, Composites Part B: Engineering, 36-1 (2005), M. Y. Tsai, J. Morton : The Effect of a Spew Fillet on Adhesive Stress Distributions in Laminated Composite Single-lap Joints, Composite Structures 32 (1995), P. T. Cheuk, Liyong Tong : Failure of Adhesive Bonded Composite Lap Shear Joints with Embedded Precrack, Composites Science and Technology 62 (2002), L. Dorn, Weiping Liu : The Stress State and Failure properties of Adhesive-bonded plastic/metal joints, Butterworth Heinemann Ltd (1992) 5. D. W. Seo, H. C. Yoon, Y. B. Jeon, H. J. Kim and J. K. Lim : Effect of Overlap Length and Adhesive Thickness on Stress Distribution in Adhesive Bonded Single-Lap Joints, Key Engineering Materials, Vol , (2004), Robert W. messler Jr : Joining of advanced materials, Butterworth Heinemann Ltd, (1993) M. Y. Tsai : The effect of a spew fillet on adhesive stress distributions in laminated composite single-lap joints, Composite Structures, Vol. 32, (1995), 大韓熔接學會誌第 23 卷第 6 號, 2005 年 12 月 567

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DBPIA-NURIMEDIA 43 연구논문 접착제접합된자연섬유강화복합재료의파괴강도특성에미치는섬유방향의영향 윤호철 * * 전북대학원기계설계학과 Effect of Fiber Orientation on Failure Strength Properties of Natural Fiber Reinforced Composites including Adhesive Bonded Joints Ho-Chel