43 연구논문 접착제접합된자연섬유강화복합재료의파괴강도특성에미치는섬유방향의영향 윤호철 * * 전북대학원기계설계학과 Effect of Fiber Orientation on Failure Strength Properties of Natural Fiber Reinforced Composites including Adhesive Bonded Joints Ho-Chel Yoon* *Dept. of Mechanical Design, Chonbuk Nat'l Univ., Duckjin 1-664-14, Jeonju, Korea Abstract This paper is concerned with a fracture strength study of composite adhesive lap joints. The tests were carried out on specimen joints manufactured hybrid stacked composites such as the polyester and bamboo natural fiber layer. The main objective of the work was to test the fracture strength using hybrid stacked composites with a polyester and bamboo natural fiber layer. Tensile and peel strength of hybrid stacked composites are tested before appling adhesive bonding. From results, Natural fiber reinforced composites have lower tensile strength than the original polyester. and The load directional orientation and small amount and low thickness of bamboo natural fiber layer have a good effect on the tensile and peel strength of natural fiber reinforced composites. The failure strength of these materials applied adhesive bonding is also affected by fiber orientation and thickness of bamboo natural fiber layer. There for, Fiber orientation 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 : yoonhc@chonbuk.ac.kr (Received May 18, 26) Key Words : Natural fiber reinforced composites, Adhesive bonded joints, Fiber orientation, Hybrid stacked joints 1. 서론 자연섬유강화복합재료는저가이고친환경적이며유리섬유복합재료 (GFRP) 의대체가능성때문에최근많은관심을얻고있다. 유리섬유강화복합재료는이미자동차산업에서많은부분을차지하고있지만, 가볍고고강성인장점에도불구하고분해가어려워폐기가쉽지않기때문에많은공해문제를일으키고있다. 따라서자연섬유의활용은이들문제를해결할수있는대안이될수있다. 자연섬유는여러가지를생각할수있으나, 사이잘 (sisal), 대마등은우리나라실정을고 려할때가격이비싸서사용에제약이있으므로, 쉽게구할수있는대나무를쓰는방안을생각할수있다. 일반적으로알려진자연섬유강화복합재료의특성으로모재에천연물이들어가면재료의단가는낮아지지만인장강도또한낮아지게된다. 그러나섬유형보강재를이용함으로서급격한강도하락을방지할수있으며보강재가없는재료와비교해보면굽힘이나충격에는강한능력을갖게된다 1). 현재세계적으로자연섬유를보강재로사용하여제품을생산하려는연구는많이이루어지고있다. 자연섬유강화복합재료를활용하는데있어서중요한한가지는복합재를조립하는것이며, 접착제접합은그중한방법이될수있다. 접착제접합 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 391
44 윤호철 의장점은쉽고편리하게이종재료를체결하는데유리하며건축, 의료, 기계등산업전반에걸쳐두루사용되는방식이다. 본연구에서는대나무섬유를직조한후보강재로사용한자연섬유강화복합재료를제작하였다. 가격이저렴하고일반적으로널리사용되는열경화성수지인불포화폴리에스테르를모재로선택하였고보강재로는대나무직조판을적층형구조로하여복합재료를제조하였다. 이복합재료를이용하여섬유방향성에따른재료의박리강도와파괴강도를평가하였다. 이러한결과를바탕으로자연섬유강화복합재료에접착제접합을적용하였을때섬유의방향성이접착강도에어떤영향을주는가를평가하였다. 그러기위해서는접착부가장자리에의한응력집중으로파괴가전파하는방향을접착부계면으로향하기보다는복합재료쪽으로유도하여야복합재료에서보강재섬유의방향성에의한파괴를좀더확실히알수있다. 따라서강한접착력을가지게하여접착부계면에서파괴가일어나지않게하였다 2). 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 제작에사용된수지는열경화성 (thermoset) 불포화폴리에스테르 (unsaturated polyester) 이다. 여기에수지와함께보강재로사용될자연섬유로대나무를선택하였다. 자연적인대나무를두께 1mm의긴직사각형형태로만든것과, 이를직조하여 2mm두께의직사각형직조판 (bamboo natural fiber layer) 으로만든것을준비하였다. 이러한재료를 RTM(resin transfer molding) 을이용하여수지내에대나무직조판의섬유의방향이원하는위치에올수있도록조절하면서판 (plate) 형태의복합적층재를제조하였다. RTM에유입된공기압은 6 8bar, 진공도는 -.8 -.9bar, 주입압력은 1 2bar로하였다. 폴리에스테르는초기경화현상이나기포발생을최소화하도록주제와경화제의최적혼합비를사용하였다. 폴리에스테르내부의기포를제거하기위하여진공로에서.1bar, 5 상태로 3 4시간유지하여경화시켰다. 제조된판형태의자연섬유강화복합재료는보강재의섬유방향성을고려하여소정의크기로절단한후시험편제작에이용하였다. 본연구에서는섬유방향성에따라이방성재료로간주되는재료를각방향에따라인장시험, 전단시험, 박리시험, 접착강도시험으로평가하려고했다. 따라서시험에사용하는시험편을크게 4종류로나누어제작하였다. 본실험에사용된시험편을 Fig. 1에정리하였다. (a) 자연섬유강화복합재료가갖는인장강도를구하기위하여 ASTM D 638에따라 15 35 5mm 크기의인장시험편을제작하였다. 시험편은두께 1mm의하중에평행한방향과수직방향을가진보강재 ( 각각전체재료에서대나무가부피비 2% 를차지함 ), 두께 2mm의직조한보강재 ( 부피비 4%) 를가지고있다. (Fig. 1(a)) (b) 나중에유한요소해석에사용할이방성재료들의물성치를직접실험에의하여구하기위하여대나무보강재를기본으로섬유방향에따른가로방향과세로방향의인장시험편및전단시험편을제작하였다. (Fig. 1(b)) (c) 모재와대나무보강재의계면강도를알기위하여 ASTM D 5528에의거하여복합재료에 Loading Block 을장착한 DCB(double cantilever beam) 시험편을제작하였다. (Fig. 1(c)) (d) 단일겹침접착제접합 (single lap adhesive bonding) 을위하여 ASTM D 12를기준으로시험편을제작하였다. 사용한접착제는구조용에폭시 (epoxy) 접착제 (3M사 DP-46) 로 2액상혼합형이며상온건 (a) Tensile test 1 horizontal bamboo 2 vertical bamboo 3 woven bamboo 4 polyester 1% (b) Shear test (c) Peel test (d) Tensile-shear test 1 horizontal bamboo 2 vertical bamboo 3 woven bamboo Fig. 1 Geometry of Specimens (dimensions in mm) 392 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26
접착제접합된자연섬유강화복합재료의파괴강도특성에미치는섬유방향의영향 45 조경화가가능하다. 접착부위는 #1의사포 (sand paper) 로연마하고, 아세톤으로세척하였다. 접착두께를조절하기위하여.1mm 구리선을사용하였으며접착제가충분한접착강도를갖도록상온건조한다음실험에제공하였다. 모든시편에서접착부위의표면조도, 접착두께등접착조건은동일하게수행하였다. 접착부의겹침길이는 6mm, 1mm, 14mm 로하였으며, 접착제필릿 (spew fillet) 은모두시편에서제거하였다. (Fig. 1(d)) 2.2 실험및해석모델인장시험기 (Instron 426) 를이용하여시험편이파괴되는강도를로드셀 (loadcell) 로측정하여데이터를저장하였다. 하중속도 (crosshead speed) 는기본적으로 3mm/min 로일정하게유지하여자연섬유강화복합재료의인장시험과접착제를적용한시험편의인장전단시험 (tensile-shear test) 을하였다. DCB 시험편은하중속도 (strain rate) 를.25mm/min 으로보강재와모재계면간의박리 (peel) 하중을평가하였다. 적층형복합재료에서모재에보강재의섬유방향에따른시편에서접착부주변의응력분포를알아보기위하여유한요소해석모델을이용하였다 3). 단지대나무보강재의두께와섬유방향만다르게하였고다른모든조건은동일하게한 3차원해석모델을만들었다. 물성치는대나무보강재의인장시험과전단시험, 자연섬유강화복합재료의인장시험을통하여얻은데이터와그래프를이용하였다. 접착부에인장전단하중이가해지도록경계조건을적용시켰으며 4) 하중을 에서 98N까지점차증가시키는방법으로비선형해석을하였다. Fig. 2에해석모델과경계조건을나타내었고, Table 1에해석에사용한물성치 5) 를나타내었다. Unsaturated polyester Epoxy Adhesive Bamboo Fiber (heat pressed) 3.1 인장시험 6 5 Table 1 Mechanical Properties Tensile strength 75 [MPa] Young's modulus 5.2 [GPa] Poisson's ratio.26 Tensile strength 1 [MPa] Young's modulus 3 [MPa] Poisson's ratio.3 Tensile strength 4 [MPa] Longitudinal modulus 3 [GPa] Major Poisson's ratio.26 Longitudinal shear modulus 1 [Mpa] Transverse modulus.1 [GPa] Transverse Poisson's ratio.26 Transverse shear modulus 5 [Mpa] 3. 실험결과및고찰 5mm두께의폴리에스테르, 폴리에스테르 + 대나무섬유를인장시험을하였다. Fig. 3을보면대나무는섬유방향이하중방향과일치할때큰하중을얻을수있다. woven 의경우에는섬유를직조하기위하여섬유들을여러갈래로나누기때문에한덩어리에가까운 horizontal보다약간낮은강도를얻었다. 본실험에사용된대나무보강재는모재인폴리에스테르보다강도가약하므로인장강도가 8.49, 15.46% 하락하였으며, 이것은재료에포함된대나무의부피비 2, 4% 와관계있는것으로나타났다. 3.2 박리시험 복합재료에 Loading Block 을장착한 DCB 시험편으로보강재와모재계면간의박리시험을하였다. 실험 polyester polyester-woven polyester-horizontal polyester-vertical woven type horizontal type vertical type Load, P(N) 4 3 2 1 Fig. 2 Mesh model and boundary condition for finite element method 1 2 3 4 Displacement, δ(mm) Fig. 3 The result of tensile test of bamboo composite materials 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 393
46 윤호철 Load, P(N) 1 8 6 4 horizontal vertical woven 여기서, P는최대하중, 는개구변위, b는시험편폭, a는진행된크랙길이이다. 그결과를 Fig. 5에나타내었다. 크랙구동에작용하는에너지는모든길이에서거의일정함을볼수있다. 약간의진폭차이는대부분 loading pin의변위와크랙진전길이비에기인하는것으로서시편의중간부분에서균열진전속도가약간빨라지기때문이라판단된다. 4 3 2.2.4.6.8 1 Displacement at loading pins δ(mm) Fig. 4 The result of starting point in peel test at.25mm/min strain rate 개시직후박리에의한하중의변화는 Fig. 4에나타내었다. 얇은두께의보강재를가진재료 (horizontal, vertical) 쪽에서박리하중이더크게나타났다. woven 인경우에는보강재표면이거칠게배열되어생기는계면의불균일성때문에최대하중직후에하중의변동이심함을알수있다. ASTM D 5528에의거하여박리에의한하중의기준으로 DCB 시험편의파괴역학적기준이되는모드 I의에너지해방율 (energy release rate)( ) 을이용하였고 6) 진행된크랙길이를기준으로 5mm 단위로계산하였다. 3.3 인장전단시험적층형복합재료로단일겹침형태의접착제접합시험편을제작하여인장전단하중을가했을때시험편의파괴형상을 Fig. 6에나타내었다. woven 과 horizontal 은접착부가장자리에서파괴가일어나기시작하여계면으로균열이전파하였다. 그러나 horizontal은경우에따라계면파괴, 절단파괴그리고섬유의 pull out등다양한파괴의양상을나타내었다. 이것은박리시험의결과로알수있듯이, horizontal이 woven 보다상대적으로보강재계면에서의강도가높아서, 계면전체로균열이진전하기보다는수직으로균열이진전하고, 시편이파괴되면서일부섬유가빠져나간것으로생각된다. vertical도접착부가장자리에서파괴가일어나기시작하였으나시편을가로지르는방향으로균열이전파하여절단파괴 (sectional failure) 7) 를나타내었다. 자연섬유강화복합재료로단일겹침접착제접합을적용하였을때, 인장전단시험에따른파괴하중값을 Fig. 7에나타내었다. 접착부의파괴는접착부가장자리에응력이집중하여원래의인장하중보다낮은강도에서각각파괴가일어났다. 대나무보강재의섬유방향에따른시편의응력분포를알기위하여유한요소해석을하였고 Fig. 8에그결과를나타내었다. 모든조건은동일하고, 대나무보강재의두께와섬유방향만다르게하여해석하였기때 woven type G I (J/mm 2 ) 2 horizontal type 1 horizontal vertical matrix 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 vertical type Crack length, a(mm) Fig. 5 The result of energy release rate in peel test at.25mm/min strain rate Fig. 6 The failure model of adhesive bonded joints 394 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26
접착제접합된자연섬유강화복합재료의파괴강도특성에미치는섬유방향의영향 47 Load, P(N) 3 25 2 15 1 5 woven horizontal vertical.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Displacement(mm) Fig. 7 The result of tensile-shear test of bamboo composite adhesive bonded joints 문에시편의응력분포는모두접착제가장자리의집중을보였다. 그러나 horizontal의경우, 보강재의두께가얇고섬유방향이인장에평행하기때문에모재와보강재사이의계면에서응력의차이가다른보강재의경우보다비교적작았다. 이런이유로재료의파괴강도가다른보강재의경우보다비교적큰것으로판단된다. Fig. 9는앞의해석에서대나무보강재의응력분포만을나타낸것이다. 그림에나타난응력분포값은하중이시시각각증가하는비선형해석에서임의의시간을잡았으므로 8) 시편마다다를수있다. woven 의경우접착부에가까운표면과접착부에먼표면의응력차이가거의없으므로유한요소해석상가장이상적인형태가되겠지만실제로는낮은박리강도로 horizontal보다낮은파괴강도를가진다. vertical의경우에는접착제가장자리에서수직으로대나무보강재에응력이국부적으로더집중하므로절단파괴에영향을준것으로판단된다. 4. 결론 Fig. 8 Stress distribution of single-lap adhesive bonded joints (von Mises stress) woven type horizontal type vertical type Fig. 9 Stress distribution of bamboo fiber layer in adhesive bonded joints (von Mises stress) 본연구에서는접착제접합을자연섬유강화복합재료에적용시켰을경우자연섬유의방향성에따른파괴강도평가를수행하였다. 접착제접합을하기전에대나무보강재를사용한자연섬유강화복합재료의인장강도와박리강도를먼저평가하였다. 두께 5mm의인장강도시험편의경우에대나무가 hrizontal, vertical의경우부피비의 2%, woven 인경우부피비의 4% 를차지하였지만인장강도의하락은각각 8.49, 15.46% 정도로나타났다. 이러한재료에접착제접합을응용한결과보강재의섬유의방향만을바꾼동일한조건임에도불구하고 horizontal(2892n) 이 woven(2511n) 보다크고 vertical (1657N) 이가장낮은파괴강도를나타내었다. 접착에의한파괴강도의차이는대나무보강재와모재사이의계면강도에대한관점에서볼때 horizontal(949n) 과 woven(592n) 의차이가났다. 또한접착에의한파괴강도의차이는섬유의방향성에따른보강재내의응력집중에대한관점에서볼때 vertical 의경우가특히응력집중이큰것으로나타났다. 따라서보강재의섬유배열방향성은인장강도와박리강도에큰영향을주며, 인장시험과박리시험을통한분석과유한요소해석으로접착제접합을적용한자연섬유강화복합재료의파괴특성의영향을알수있었다. 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 395
48 윤호철 참고문헌 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 (25), 1-7 2. Robert W. messler Jr : Joining of advanced materials, Butterworth Heinemann Ltd, (1993) 135 3. 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), 123-131 4. L. Dorn, Weiping Liu : The Stress State and Failure properties of Adhesive-bonded plastic/metal joints, Butterworth Heinemann Ltd (1992) 5. Mansur ahmad : Analysis of Calcutta Bamboo for Structural Composite Materials, Doc. paper of Virginia State Univ. (2), Chapter 4. 84-11 6. ASTM D 5528-1 : Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer matrix Composites, (24) 7. P. T. Cheuk, Liyong Tong : Failure of Adhesive Bonded Composite Lap Shear Joints with Embedded Precrack, Composites Science and Technology 62 (22), 179-195 8. SAS Inc. : ANSYS structural analysis guide, chapter 8 Nonlinear structural analysis, ANSYS release 7. manual (22), 8-4 396 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26