KR100887832B1 - Jointing method between composition and steel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판으로 된 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 접합할 때 복합재료의 경화시 흘러나오는 여분의 수지를 접착제로 활용하여, 외면겹치기 등의 동시 경화조인트(Co-cured single lap joint)의 접합 강도를 향상시킴과 함께 자동차에 사용되는 복합재료 부품설계에 유용하게 적용할 수 있도록 한 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 관한 것이다.The present invention utilizes the extra resin flowing out during the curing of the composite material as an adhesive when joining a flat plate carbon fiber-epoxy composite material and steel material, co-cured single lap joint (co-cured single lap joint) The present invention relates to a method of simultaneously hardening joints between carbon fiber-epoxy composites and steel materials to improve the joint strength and to be useful for the design of composite parts used in automobiles.

이를 위해, 본 발명은 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계와; 비경화된 복합재료를 크기와 두께에 맞게 적층하는 단계와; 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계와; 가접합된 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계와; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계와; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음 가압을 위한 압력 호스와 연결하여 소정의 압력을 가해주는 동시에 온도 싸이클에 따라 경화공정을 수행하는 단계와; 상기 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법을 제공한다.To this end, the present invention comprises the steps of polishing the surface of the steel material with sandpaper and then wiped with acetone; Stacking the uncured composite material in size and thickness; Pre-bonding the joint surface of the composite material and the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded composite material and the steel material with a Teflon film, and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; Vacuum packing the composite material and the steel material in a state where a Teflon film and a resin blocking Teflon dam are disposed; Putting a vacuum-packed composite material and steel material together with a Teflon film and resin blocking Teflon dam into an autoclave, connecting it to a pressure hose for pressurization, applying a predetermined pressure, and performing a curing process according to a temperature cycle; ; The resin contained in the composite material is bonded to the surface of the steel material by hardening, and thus the composite material and the steel material is bonded to provide a co-cured bonding method between the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material. do.

복합재료, 강철재료, 동시 경화 접합 방법, 수지, 배향각도, 표면조도, 외면겹치기, 접합강도, Composite materials, steel materials, simultaneous hardening method, resin, orientation angle, surface roughness, outer surface overlap, joint strength,

Description

탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법{Jointing method between composition and steel}Joining method between composition and steel}

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법을 설명하는 개략도,1 is a schematic diagram illustrating a method of co-curing bonding between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법으로 제작된 시편을 보여주는 평면도 및 측면도,2 is a plan view and a side view showing a specimen manufactured by a method of co-curing bonding between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 강철재료 접합면을 연마하는 사포 메쉬와 평균 표면조도와의 관계를 나타내는 그래프,Figure 3 is a graph showing the relationship between the sandpaper mesh and the average surface roughness polishing the steel material joint surface according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 강철재료의 표면조도에 따른 접합강도를 나타내는 그래프,4 is a graph showing the bonding strength according to the surface roughness of the steel material according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료에 가해지는 내기 압력에 따른 접합강도를 나타내는 그래프,5 is a graph showing the bonding strength according to the bet pressure applied to the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료의 섬유 배향각도의 변화에 따른 접합강도를 나타내는 그래프.6 is a graph showing the bond strength according to the change of the fiber orientation angle of the carbon fiber-epoxy composite according to the present invention.

본 발명은 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 관한 것으로서, 평판으로 된 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 접합할 때 복합재료의 경화시 흘러나오는 여분의 수지를 접착제로 활용하여, 외면겹치기 등의 동시 경화조인트(Co-cured single lap joint)의 접합 강도를 향상시킴과 함께 자동차에 사용되는 복합재료 부품설계에 유용하게 적용할 수 있도록 한 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of simultaneous hardening bonding between carbon fiber-epoxy composite material and steel material, wherein when the flat carbon fiber-epoxy composite material and steel material are joined, the extra resin flowing out during curing of the composite material is used as an adhesive. Carbon fiber-epoxy composites and steels to improve the joint strength of co-cured single lap joints, such as surface overlap, and to be useful in the design of composite parts used in automobiles. A method of simultaneous hardening bonding between materials.

현재, 항공기 또는 자동차 분야에서 복합재료와 강철재료간의 결합을 요하는 부품들이 산재해 있는 것을 감안하더라도, 현재 탄소섬유 등의 복합재료와 강철재료간의 직접적인 접합 기술 연구는 알려진 바가 없다.At present, even though there are scattered parts that require a combination of composite and steel materials in the aircraft or automobile field, research on direct bonding technology between composite materials such as carbon fiber and steel materials is currently unknown.

자동차를 비롯한 각종 산업구조물에서는 강철재료가 가장 많이 사용되고 있으므로, 앞으로 기계적 성능이 우수한 복합재료와 강철재료를 접합해야 하는 구조형태가 많이 발생될 것이므로, 제조 공정이 간단한 외면겹치기 동시경화 조인트의 접합 강도를 향상시키는 방법의 개발이 절실히 요구되고 있다.Since steel materials are used the most in various industrial structures including automobiles, many structural forms that need to join steel materials with composite materials with excellent mechanical performance will be generated. There is an urgent need for development of ways to improve.

이에, 비강성, 비강도를 비롯한 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 진동특성이 우수한 탄소섬유-에폭시 복합재료를 항공기 및 자동차 부품에 사용하는 사례가 늘어나고 있다.Accordingly, there are increasing cases of using carbon fiber-epoxy composite materials for aircraft and automobile parts as well as excellent mechanical properties including non-rigidity and specific strength.

상기 복합재료의 많은 장점에도 불구하고 자동차 구조물에서 많이 사용되고 있는 강철재료에 복합재료를 접합하여 자동차 구조물 내지 부품으로 활용하기 위해 서는 그 접합기술 공정에 대한 완전한 정립이 필수적으로 요구된다.In spite of many advantages of the composite material, in order to bond the composite material to steel materials which are widely used in automobile structures and to utilize them as automobile structures or parts, a complete formulation of the bonding technology process is required.

대개, 복합재료의 접합방법으로는 기계적 접합방법과 접착제를 이용한 접합방법이 있지만, 복합재료의 경우에 구멍을 뚫으면 기계적 강도가 매우 많이 저하되므로 접찹제를 이용한 접합방법이 많이 사용된다.In general, the bonding method of the composite material includes a mechanical bonding method and a bonding method using an adhesive, but in the case of the composite material, the bonding strength using a gluing agent is widely used because the mechanical strength is greatly reduced.

그러나, 기존의 접착제를 이용한 접합방법은 또 다른 접착제 성분이 포함되기 때문에 복합재료 본연의 특성을 그대로 발휘하지 못하게 되고, 접착제를 이용하는 접합 제조 공정은 실제로 복잡하여 활용되기에 어려운 단점이 있다.However, the conventional bonding method using the adhesive does not exhibit the inherent characteristics of the composite material as it contains another adhesive component, and the bonding manufacturing process using the adhesive is actually difficult to be utilized due to the complexity.

본 발명은 기계적 특성이 우수한 탄소섬유-에폭시 복합재료를 각종 기계 구조물에 활용하기 위해 필요한 접합공정을 간소화하면서, 평판으로 된 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 접합할 때 복합재료의 경화시 흘러나오는 여분의 수지를 접착제로 활용하여, 외면겹치기 등의 동시 경화조인트(Co-cured single lap joint)의 접합 강도를 향상시킴과 함께 자동차에 사용되는 복합재료 부품설계에 유용하게 적용할 수 있도록 한 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention simplifies the bonding process required to utilize the carbon fiber-epoxy composite material having excellent mechanical properties in various mechanical structures, and flows during curing of the composite material when joining the carbon fiber-epoxy composite material and steel material into a flat plate. By using the excess resin as adhesive, it improves the bonding strength of co-cured single lap joints such as surface overlap and makes it useful for designing composite parts used in automobiles. The object is to provide a method of co-curing bonding between fiber-epoxy composites and steel materials.

즉, 본 발명은 복합재료의 경화공정 중 흘러나오는 여분의 수지를 접착제로 사용하는 방법으로서, 기존에 별도의 접착제를 이용하는 경우에 필수적으로 요구되는 복합재료 접합면의 표면처리 및 접착제를 이용한 접합공정이 필요없기 때문에 전체 접합 공정이 매우 간단한 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경 화 접합 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.That is, the present invention is a method of using the excess resin flowing out during the curing process of the composite material as an adhesive, the surface treatment of the bonding surface of the composite material and the bonding process using the adhesive that is essential if a separate adhesive is conventionally used Since this is not necessary, the objective is to provide a method of co-curing bonding between carbon fiber-epoxy composites and steel materials in which the entire bonding process is very simple.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계와; 비경화된 복합재료를 크기와 두께에 맞게 적층하는 단계와; 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계와; 가접합된 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계와; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계와; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음 가압을 위한 압력 호스와 연결하여 소정의 압력을 가해주는 동시에 온도 싸이클에 따라 경화공정을 수행하는 단계와; 상기 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object is the step of polishing with acetone after polishing the surface of the steel material with sandpaper; Stacking the uncured composite material in size and thickness; Pre-bonding the joint surface of the composite material and the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded composite material and the steel material with a Teflon film, and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; Vacuum packing the composite material and the steel material in a state where a Teflon film and a resin blocking Teflon dam are disposed; Putting a vacuum-packed composite material and steel material together with a Teflon film and resin blocking Teflon dam into an autoclave, connecting it to a pressure hose for pressurization, applying a predetermined pressure, and performing a curing process according to a temperature cycle; ; The resin contained in the composite material is bonded to the surface of the steel material by hardening, and thus the composite material and the steel material is bonded to provide a co-cured bonding method between the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material. do.

바람직한 구현예로서, 상기 접합공정 후, 접합면의 날카로운 모서리를 가공하여 응력 집중을 줄여주는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, after the joining process, the step of reducing the stress concentration by processing the sharp edge of the joint surface is characterized in that the further progress.

바람직하게는, 상기 강철재료의 표면은 표면조도 0.2∼1.7㎛까지 연마되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the surface of the steel material is characterized in that the surface roughness is polished to 0.2 ~ 1.7㎛.

또한, 상기 복합재료 및 강철재료에 대하여 가해지는 압력은 0.4∼1.0Mpa 이 바람직하다.In addition, the pressure applied to the composite material and the steel material is preferably 0.4 to 1.0 Mpa.

또한, 상기 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도는 강철재료와 평행한 면에서의 20∼60도가 바람직하다.In addition, the orientation angle of the fibers contained in the composite material is preferably 20 to 60 degrees in the plane parallel to the steel material.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

먼저, 이하에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.First, the terms used below are defined as follows.

1) 용어 '동시경화'는 복합재료를 경화시킬 때, 복합재료 내의 수지를 이용하여 강철재료와의 접합공정을 동시에 수행한다는 의미이다.1) The term 'simultaneous curing' means that when the composite material is cured, the bonding process with the steel material is simultaneously performed using the resin in the composite material.

2) 용어 '외면겹치기'는 두 가지 이상의 재료가 접합될 때 접합면이 하나일 경우에 사용되는 용어이며, 접합면이 두 개일 경우에는 '양면겹치기'라는 용어를 사용한다.2) The term 'overlap' is used when two or more materials are joined together when there is one joint surface, and when there are two joint surfaces, the term 'overlap on both sides' is used.

3) 용어 '배향각도'는 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향방향을 가리키는 것으로서, 기준좌표에 대해 경사진 각도, 강철재료와 평행한 면에서의 경사진 각도를 표시하는 용어이다.3) The term 'orientation angle' refers to the orientation direction of the fibers contained in the composite material, and indicates the angle of inclination with respect to the reference coordinate and the angle of inclination in the plane parallel to the steel material.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법을 설명하는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법으로 제작된 시편을 보여주는 평면도 및 측면도이다.1 is a schematic diagram illustrating a co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material according to the present invention, and FIG. 2 is a co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material according to the present invention. A plan view and a side view showing a specimen fabricated with.

본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법중 첫번째 단계로서, 강철재료의 표면을 사포로 연마하되, 이 강철재료의 표면을 표면 조도 0.2∼1.7㎛까지 연마한다.As a first step in the method of co-curing bonding between the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material according to the present invention, the surface of the steel material is sanded with sandpaper, and the surface of the steel material is polished to a surface roughness of 0.2 to 1.7 mu m.

상기 강철재료의 연마 단계는 사포를 이용하여 연마하는 표면처리 과정이며, 사포로 연마한 후에는 각종 화학약품, 예를 들면 아세톤으로 닦아낸다. The polishing of the steel material is a surface treatment process using sandpaper. After polishing with sandpaper, the steel material is polished with various chemicals such as acetone.

즉, 사포로 연마한 후, 아세톤으로 접합면을 깨끗이 닦아주면 접합강도를 향상시킬 수 있다.In other words, after polishing with sandpaper, the bonding strength can be improved by wiping the bonding surface with acetone.

두번째 단계로서, 비경화된 복합재료를 크기와 두께에 맞게 적층하는 바, 복합재료 내의 섬유의 배향방향을 결정하여 적층한다.As a second step, the uncured composite material is laminated according to size and thickness, and the orientation direction of the fibers in the composite material is determined and laminated.

이때, 바람직한 상기 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도는 20∼60도이다.At this time, the orientation angle of the fibers contained in the preferred composite material is 20 to 60 degrees.

세번째 단계로서, 상기 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아준다.As a third step, by pressing the joint surface of the composite material and the steel material with a finger to pre-bonding (pre-bonding) to position the joint surface in advance.

즉, 복합재료와 강철재료의 접합면을 가접합(Pre-bonding)할 때, 접합면을 오염시키지 않도록 조심해야 하며 되도록 빨리 가접합하여 공기중의 수분이 접합면에 영향을 주지 않도록 주의하여야 한다.In other words, when pre-bonding the joint surface of composite material with steel material, care should be taken not to contaminate the joint surface and care should be taken to prevent the moisture in the air from affecting the joint surface as soon as possible. .

또한, 복합재료와 강철재료를 가접합한 후에는 접합면에 수직 방향으로 손가락 압력(Finger pressure)을 가하여 떨어지지 않게 눌러준다.In addition, after the temporary bonding of the composite material and the steel material by applying a finger pressure (Finger pressure) in the vertical direction to the joint surface is pressed so as not to fall.

네번째 및 다섯번째 단계로서, 가접합된 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계와, 상기 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태 의 상기 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계가 진행된다.As a fourth and fifth step, covering the temporarily bonded composite material and steel material with the Teflon film on the upper and lower surfaces, and placing the resin blocking Teflon dam at the four edges, and the Teflon film and the Teflon blocking resin. Vacuum packing the composite and steel materials in a state where the dam is disposed.

상기 복합재료 및 강철재료의 위쪽 및 아래쪽에 테프론 필름을 덮는 이유는 복합재료내의 수지가 밖으로 흘러나오는 것을 빠져 나가지 않고 접합면의 골과 골 사이에 잘 흘러 들어가 접착제의 역할을 수행할 수 있도록 함에 있다.The reason why the Teflon film is covered on the top and bottom of the composite material and steel material is to allow the resin in the composite material to flow well between the valleys and valleys of the joint surface without leaving the flow out, and to serve as an adhesive. .

또한, 상기 복합재료 및 강철재료의 측면에는 댐을 설치한 이유는 수지가 흘러나가는 것을 방지함에 있는 바, 댐으로 사용될 재료로는 동시경화조인트 구조물과 수지에 의해 접합이 이루어지지 않도록 하기 위해 테프론 블록을 사용하는 것이 좋다.In addition, the side of the composite material and steel material is because the dam is installed to prevent the flow of resin, the material to be used as a dam Teflon block in order to prevent the joint is made by the joint hardening joint structure and resin It is good to use

마지막으로, 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음 가압을 위한 압력 호스와 연결하여 소정의 압력을 가해주는 동시에 온도 싸이클에 따라 경화공정을 수행한다.Finally, the vacuum-packed composite and steel materials, together with the Teflon film and resin blocking Teflon dam, are placed in an autoclave and connected to a pressure hose for pressurization to apply a predetermined pressure and perform a curing process according to the temperature cycle. do.

동시경화 접합방법 싸이클에 따라 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣어 접합공정을 수행하는 과정으로서, 복합재료 제조공정에 맞게 경화 싸이클을 설정하되 내기 압력(복합재료 및 강철재료에 대하여 가해지는 압력)은 0.4∼1.0Mpa 이 바람직하다.Simultaneous hardening The process of bonding the composite and steel materials vacuum-packed together with the Teflon film and resin blocking Teflon dam in an autoclave according to the cycle, and setting the curing cycle according to the composite material manufacturing process. The pressure (pressure applied to the composite material and the steel material) is preferably 0.4 to 1.0 Mpa.

이에, 상기 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 복합재료 및 강철재료가 용이하게 접합되어진다.Thus, the resin contained in the composite material is bonded to the surface of the steel material by hardening, so that the composite material and the steel material are easily bonded.

바람직하기로는, 상기와 같은 접합공정 후, 접합면의 날카로운 모서리를 가공하여 응력 집중을 줄여주는 단계가 더 진행된다.Preferably, after the bonding process as described above, the step of reducing the stress concentration by processing the sharp edge of the bonding surface is further progressed.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

하기의 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.The following examples are only intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the examples.

실시예 및 실험예Examples and Experimental Examples

본 발명에 사용된 복합재료를 구성하고 있는 섬유와 수지의 성분 및 제조방법은 다음과 같다. The components and manufacturing methods of the fibers and resins constituting the composite material used in the present invention are as follows.

- 제조사: SK Chemicals-Manufacturer: SK Chemicals

- 제품명: USN150BX Prepreg (두께 - 0.144mm, 질량 224g/m2)-Product Name: USN150BX Prepreg (Thickness-0.144mm, Mass 224g / m 2 )

- 구성비: 150 g/m2(섬유), 33 g/m2(수지)Composition ratio: 150 g / m 2 (fiber), 33 g / m 2 (resin)

- 섬유의 종류: 탄소섬유-Type of fiber: carbon fiber

- 수지의 종류: 에폭시 수지(Bisphenol A)-Type of resin: epoxy resin (Bisphenol A)

이러한 복합재료와 강철재료간의 외면겹치기 동시경화조인트의 접합강도를 측정하기 위하여 최대10ton 용량의 MTS(Materials Testing Systems)를 사용하였고, 강철재료의 표면조도를 측정하기 위해서 Rank Taylor-Hobson Limited에서 제작된 표면접촉식 표면조도측정기인 Surtronic 3+를 사용하였다.The MTS (Materials Testing Systems) of up to 10ton capacity was used to measure the joint strength of the overlapping joint hardening joint between the composite material and the steel material, and manufactured by Rank Taylor-Hobson Limited to measure the surface roughness of the steel material. Surtronic 3+, a surface-contact surface roughness measuring instrument, was used.

상기 표면조도 측정기를 이용하여 강철재료의 평균 표면조도를 얻었을 뿐만 아니라 최고 표면조도를 측정하여 강철재료의 표면조도가 제대로 측정되었는지 확인할 수 있었다.Using the surface roughness measuring instrument, not only the average surface roughness of the steel material was obtained, but also the highest surface roughness was measured to confirm whether the surface roughness of the steel material was properly measured.

또한, 동시경화조인트의 접합강도를 측정하기 위한 실험방법에 관한 규정은 아직까지 정해져 있지 않으므로 접착제에 의한 접합방법으로 제작된 조인트 시험편에 관한 규정인 ASTM D3165에 의거하여 측정용 시편을 만들어 인장시험기를 사용하여, 접합강도(Joint strength)를 측정하였다. (접합강도 [Pa] = 최대 load [N] / 조인트 접합면의 단면적 [m2])In addition, the test method for measuring the joint strength of the co-curing joint has not yet been determined. Therefore, the tensile tester was made by making a test specimen according to ASTM D3165, which is a regulation on the joint test specimen manufactured by the bonding method using an adhesive. Using, joint strength was measured. (Bond strength [Pa] = maximum load [N] / cross-sectional area of the joint joint [m 2 ])

본 발명의 실시예로서, 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 이용한 동시경화조인트의 접합강도를 향상시키기 위한 방법으로서, (A)강철재료 접합면의 표면조도 결정방법, (B)접합공정시 내기 압력의 결정방법, (C)복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도 결정방법을 고려한다.As an embodiment of the present invention, a method for improving the bonding strength of a co-cured joint using a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, comprising: (A) a method of determining the surface roughness of the joint surface of steel materials, (B) Consider the method of determining the internal pressure, and (C) the method of determining the orientation angle of the fibers contained in the composite material.

상기 (A)강철재료 접합면의 표면조도는 다음과 같이 결정할 수 있다. Surface roughness of the joining surface of the steel material (A) can be determined as follows.

동시경화조인트는 제조공정상의 특성으로 인해 강철재료의 표면조도가 복합재료와의 접촉면이 되므로, 결국 강철재료의 표면조도는 복합재료의 표면조도가 되면서 동시에 두 재료 사이의 경계면 접촉면적을 결정한다.Since the co-curing joint has the surface roughness of the steel material due to the manufacturing process, the surface roughness of the steel material becomes the surface roughness of the composite material and at the same time determines the interface contact area between the two materials.

접촉면적이 증가할수록 접합강도는 높아진다고 알려져 있는 바, 표면조도가 낮은 것부터 높은 것까지를 다 포함할 수 있도록 0.2㎛, 0.3㎛, 0.7㎛, 1.2㎛, 1.7㎛와 표면조도가 매우 높게 평가될 수 있는 널링 처리된 표면까지 7가지의 시험편을 제작하였다.It is known that the bonding strength increases as the contact area increases, so that the surface roughness of 0.2 μm, 0.3 μm, 0.7 μm, 1.2 μm, 1.7 μm and the surface roughness can be evaluated to be very high. Seven specimens were fabricated up to the knurled surface.

이때, 강철재료에 대한 표면을 사포를 이용하여 연마할 수 있는 바, 표면처리를 하기 위해 선정된 사포의 종류와 강철재료의 표면조도 사이의 관계는 도 3의 그래프에서 보는 바와 같이 메시가 조밀한 사포가 보다 매끈한 표면조도를 얻을 수 있다.At this time, the surface of the steel material can be polished using sandpaper, the relationship between the type of sandpaper selected for the surface treatment and the surface roughness of the steel material has a dense mesh as shown in the graph of FIG. Sandpaper can obtain smoother surface finish.

상기한 강철재료의 표면조도에 따라 제작된 동시경화조인트의 접합강도 실험결과는 도 4의 그래프에서 보는 바와 같다.Bonding strength test results of the co-cured joint manufactured according to the surface roughness of the steel material as shown in the graph of FIG.

도 4에서 보듯이, 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 사용한 외면겹치기 동시경화조인트의 접합강도를 향상시키기 위해서는 강철재료의 표면조도를 낮은 것부터 높은 것까지 시험편을 제작하여 실험하여 결정할 수 있으나, 대체적으로 표면조도 1.2㎛ 근처에서 가장 우수한 접합강도를 나타냄을 알 수 있었다. As shown in Figure 4, in order to improve the bonding strength of the outer overlap co-curing joint using a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, the surface roughness of the steel material can be determined by experimenting with the test specimen from low to high, but In general, it was found that the best bonding strength was shown at around 1.2㎛ surface roughness.

따라서, 상기 강철재료의 표면은 표면조도 0.2∼1.7㎛까지 연마하는 것이 좋고, 바람직하기로는 1.2㎛로 연마하는 것이 좋다.Therefore, the surface of the steel material is preferably polished to a surface roughness of 0.2 to 1.7 mu m, preferably to 1.2 mu m.

상기 (B)접합공정시 내기 압력의 결정방법은 아래와 같다.The method of determining the internal pressure in the (B) bonding step is as follows.

복합재료의 경화공정에 적합한 내기 압력으로 제시된 0.7MPa의 압력을 가하여 시험편을 제작하여 접합강도를 측정하였으며 적절한 내기 압력인지 확인하기 위하여 높은 압력과 낮은 압력에서 추가로 시험편을 제작하여 실험을 수행하였는 바, 그 결과는 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같다.The test specimen was fabricated by applying 0.7MPa of pressure suggested for the curing process of the composite material, and the bond strength was measured. The results are as shown in the graph of FIG.

도 5에서 보듯이, 내기 압력이 증가할수록 접합강도가 좋아지지만 증가량은 대체적으로 감소하였다.As shown in Figure 5, as the betting pressure increases, the bonding strength is improved, but the increase is generally reduced.

따라서, 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 사용한 외면겹치기 동시경화조인트의 접합강도를 향상시키기 위해서는 내기 압력을 증가시킬수록 좋지만 복합재료의 경화조건으로 주어지는 내기 압력 이상에서만 제조하여도 좋은 접합강도를 나타내므로, 복합재료 및 강철재료에 대하여 가해지는 내기 압력은 0.4∼1.0Mpa 의 범위로 한정하되, 0.7MPa의 압력으로 가하는 것이 좋다.Therefore, it is better to increase the internal pressure to improve the joint strength of the external overlapping joint hardening joint using carbon fiber-epoxy composite and steel material, but it can be manufactured only at higher than the internal pressure given by the curing condition of the composite material. As shown, the bet pressure applied to the composite material and the steel material is limited to the range of 0.4 to 1.0 Mpa, but is preferably applied at a pressure of 0.7 MPa.

상기 (C)복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도 결정방법은 다음과 같다. The method of determining the orientation angle of the fibers contained in the (C) composite material is as follows.

강철재료는 등방성 재료이므로 재료의 선정 단계에서 이미 물리적 특성이 결정되는 것이지만 복합재료의 경우에는 복합재료 내에 포함된 섬유의 배향방법에 따라 물리적 성질이 달라진다. Since steel is an isotropic material, physical properties are already determined at the material selection stage. However, in the case of composite materials, physical properties vary depending on the orientation method of fibers included in the composite material.

그러므로, 복합재료의 적층각도를 조절함에 따라 강철재료와의 물리적 특성의 차이를 조절할 수 있다.Therefore, by controlling the stacking angle of the composite material it is possible to control the difference in physical properties with the steel material.

특히, 재료간의 강성의 차이가 접합강도를 결정하는 중요한 요소이므로 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도의 결정은 매우 중요하며, 배향각도에 대한 실험결과는 도 6의 그래프에 나타낸 바와 같다.In particular, since the difference in stiffness between materials is an important factor in determining the bonding strength, the determination of the orientation angle of the fibers contained in the composite material is very important, and the experimental results for the orientation angle are shown in the graph of FIG. 6.

복합재료내의 섬유 배향각도가 60도 이상이 되면 복합재료의 면내 강도가 매우 낮아 접합강도에 비해 더 낮은 결과를 초래하므로 복합재료의 면내 파괴가 일어나지 않도록 45도 이내에서 섬유의 배향각도를 조절하여야 한다. If the fiber orientation angle in the composite material is more than 60 degrees, the in-plane strength of the composite material is very low, resulting in lower results than the bonding strength. Therefore, the fiber orientation angle should be adjusted within 45 degrees to prevent in-plane fracture of the composite material. .

일단, 45도 이내에서는 배향각도가 증가함에 따라 접합강도는 높아지지만 그 증가량은 감소하게 되므로 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 사용한 외면겹치기 동시경화조인트의 접합강도를 향상시키기 위해서는 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도를 조절하여 면내 파괴가 일어나는 각도를 결정한 뒤, 그 이하로 결정하면 가장 우수한 접합강도를 얻을 수 있다.Once within 45 degrees, the bond strength increases as the orientation angle increases, but the increase decreases. Therefore, it is contained in the composite material to improve the bond strength of the overlapping joint hardening joint using carbon fiber-epoxy composite material and steel material. By determining the angle at which in-plane breakage occurs by adjusting the orientation angle of the fibers, and determining below that, the best bonding strength can be obtained.

따라서, 상기 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도는 20∼60도가 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 45도가 좋다.Therefore, the orientation angle of the fibers contained in the composite material is preferably 20 to 60 degrees, more preferably 45 degrees.

한편, 본 발명에 따른 방법은 섬유강화 플라스틱 복합재료와 금속재료를 이용한 동시경화조인트에서는 재료가 달라지더라도 사용 가능하며, 예를 들면, 유리섬유-에폭시 복합재료와 알루미늄 재료를 사용하여 동시경화조인트를 설계할 경우에도 상기한 방법에 따라 설계하면 우수한 접합강도를 얻을 수 있다.On the other hand, the method according to the present invention can be used even if the material is different in the co-cure joint using a fiber-reinforced plastic composite material and a metal material, for example, a co-cured joint using a glass fiber-epoxy composite material and an aluminum material Even in the case of designing, according to the above-described method, excellent bonding strength can be obtained.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 의하면, 기계적 성능이 우수한 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료를 이용하여 기존의 접착제를 이용한 접착조인트에 비해 제조공정이 간단한 동시경화 접합방법을 이용하여 동시경화조인트 구조물의 접합강도를 향상시킬 수 있는 설계 방법을 제시함으로써, 자동차 구조물에의 응용이 증가되고 있는 탄소섬유를 이용한 복합재료의 응용 가능성의 확대할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.As described above, according to the simultaneous hardened bonding method between the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material according to the present invention, an adhesive joint using an existing adhesive using a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material having excellent mechanical performance By presenting a design method to improve the joint strength of the joint hardening joint structure by using the simultaneous hardening method, which is simpler in manufacturing process, the application possibility of the composite material using carbon fiber, which is increasing in the application to automobile structures It can provide a magnified effect.

또한, 본 발명을 기반으로 탄소섬유강화 복합재료 이외의 다른 종류의 복합재료와 알루미늄 재료를 비롯한 금속재료와의 동시경화 접합방법을 추가로 개발할 수 있는 여건을 제공할 수 있다.In addition, on the basis of the present invention it can provide a condition to further develop a co-cured bonding method of a composite material other than a carbon fiber reinforced composite material and a metal material including an aluminum material.

또한, 복합재료를 이용한 구조물의 기존 접합공정을 훨씬 간소하게 만들어 제조공정 시간과 제조 비용을 줄인 본 발명의 동시경화 접합방법에 의해 제작된 접합 조인트의 접합강도를 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to improve the bonding strength of the joint joint produced by the co-cured joint method of the present invention by reducing the manufacturing process time and manufacturing cost by making the existing joint process of the structure using the composite material much simpler.

Claims (5)

삭제delete 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계; Polishing the surface of the steel material with sandpaper and then wiping it with acetone; 비경화된 탄소섬유-에폭시 복합재료를 강철재료 위에 적층하는 단계; Stacking an uncured carbon fiber-epoxy composite on the steel material; 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계; Pre-bonding the joint surface of the carbon fiber-epoxy composite material with the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; 가접합된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded carbon fiber-epoxy composite material and steel material with a Teflon film and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계; Vacuum packing the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material in a state where a teflon film and a resin blocking teflon dam are disposed; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음, 압력 호스를 연결하여 압력을 가하면서 경화시키는 단계; Placing the vacuum packed carbon fiber-epoxy composite and steel material together with the Teflon film and the Teflon dam for blocking the resin into an autoclave, and connecting the pressure hose to cure under pressure; 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계;Bonding the resin contained in the carbon fiber-epoxy composite material to the surface of the steel material by hardening, thereby bonding the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material; 로 이루어지는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 있어서, In the co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, 상기 접합공정 후, 접합면의 날카로운 모서리를 가공하여 응력 집중을 줄여주는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법.After the bonding process, the step of reducing the stress concentration by processing the sharp edges of the joint surface is further progressed, the simultaneous curing bonding method between the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material. 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계; Polishing the surface of the steel material with sandpaper and then wiping it with acetone; 비경화된 탄소섬유-에폭시 복합재료를 강철재료 위에 적층하는 단계; Stacking an uncured carbon fiber-epoxy composite on the steel material; 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계; Pre-bonding the joint surface of the carbon fiber-epoxy composite material with the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; 가접합된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded carbon fiber-epoxy composite material and steel material with a Teflon film and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계; Vacuum packing the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material in a state where a teflon film and a resin blocking teflon dam are disposed; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음, 압력 호스를 연결하여 압력을 가하면서 경화시키는 단계; Placing the vacuum packed carbon fiber-epoxy composite and steel material together with the Teflon film and the Teflon dam for blocking the resin into an autoclave, and connecting the pressure hose to cure under pressure; 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계;Bonding the resin contained in the carbon fiber-epoxy composite material to the surface of the steel material by hardening, thereby bonding the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material; 로 이루어지는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 있어서, In the co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, 상기 강철재료의 표면은 표면조도 0.2∼1.7㎛까지 연마되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법.And the surface of the steel material is polished to a surface roughness of 0.2 to 1.7 mu m. 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계; Polishing the surface of the steel material with sandpaper and then wiping it with acetone; 비경화된 탄소섬유-에폭시 복합재료를 강철재료 위에 적층하는 단계; Stacking an uncured carbon fiber-epoxy composite on the steel material; 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계; Pre-bonding the joint surface of the carbon fiber-epoxy composite material with the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; 가접합된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded carbon fiber-epoxy composite material and steel material with a Teflon film and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계; Vacuum packing the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material in a state where a teflon film and a resin blocking teflon dam are disposed; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음, 압력 호스를 연결하여 압력을 가하면서 경화시키는 단계; Placing the vacuum packed carbon fiber-epoxy composite and steel material together with the Teflon film and the Teflon dam for blocking the resin into an autoclave, and connecting the pressure hose to cure under pressure; 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계;Bonding the resin contained in the carbon fiber-epoxy composite material to the surface of the steel material by hardening, thereby bonding the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material; 로 이루어지는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 있어서, In the co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료에 대하여 가해지는 압력은 0.4∼1.0Mpa 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법.And the pressure applied to the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material is 0.4 to 1.0 Mpa. 강철재료의 표면을 사포로 연마한 후 아세톤으로 닦아주는 단계; Polishing the surface of the steel material with sandpaper and then wiping it with acetone; 비경화된 탄소섬유-에폭시 복합재료를 강철재료 위에 적층하는 단계; Stacking an uncured carbon fiber-epoxy composite on the steel material; 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료의 접합면을 손가락으로 눌러서 가접합(Pre-bonding)하여 접합면 위치를 미리 잡아주는 단계; Pre-bonding the joint surface of the carbon fiber-epoxy composite material with the steel material with a finger to pre-bond the joint surface; 가접합된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 상부와 하부면을 테프론 필름으로 덮어주는 동시에 사방 테두리 위치에 수지 차단용 테프론 댐을 배치하는 단계; Covering the upper and lower surfaces of the temporarily bonded carbon fiber-epoxy composite material and steel material with a Teflon film and simultaneously placing a resin blocking Teflon dam at a rim position; 테프론 필름과 수지 차단용 테프론 댐이 배치된 상태의 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 진공포장하는 단계; Vacuum packing the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material in a state where a teflon film and a resin blocking teflon dam are disposed; 테프론 필름 및 수지 차단용 테프론 댐과 함께 진공 포장된 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료를 오토 클레이브에 넣은 다음, 압력 호스를 연결하여 압력을 가하면서 경화시키는 단계; Placing the vacuum packed carbon fiber-epoxy composite and steel material together with the Teflon film and the Teflon dam for blocking the resin into an autoclave, and connecting the pressure hose to cure under pressure; 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료에 포함된 수지가 강철재료의 표면에 경화에 의하여 접합되어, 탄소섬유-에폭시 복합재료 및 강철재료가 접합되는 단계;Bonding the resin contained in the carbon fiber-epoxy composite material to the surface of the steel material by hardening, thereby bonding the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material; 로 이루어지는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법에 있어서, In the co-cured bonding method between a carbon fiber-epoxy composite material and a steel material, 상기 탄소섬유-에폭시 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향각도는 강철재료와 평행한 면에서의 20∼60도인 것을 특징으로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재료와 강철재료간의 동시 경화 접합 방법.The orientation angle of the fibers contained in the carbon fiber-epoxy composite material is 20 to 60 degrees in the plane parallel to the steel material, characterized in that the carbon fiber-epoxy composite material and the steel material co-cured bonding method.
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