KR102109127B1 - Method of joining metal and plastic using hot metal pressing - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 금속과 플라스틱 사이에 강하고 견고하고 균일한 접합부를 형성하는 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 금속과 플라스틱의 접합방법은, 플라스틱 부재 상에 금속 부재를 위치시켜, 상기 금속부재와 상기 플라스틱 부재가 접촉하는 중첩부를 형성하는 단계; 상기 중첩부에 해당되는 상기 금속 부재 상에 제1 온도를 가지는 금속 블록을 위치시키는 단계; 및 상기 금속 블록 상에 재화중량 부재를 위치시켜, 상기 중첩부를 가압함으로써, 상기 중첩부에서 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재가 접합된 접합부를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 접합부에 해당하는 상기 플라스틱 부재에 기포 생성을 방지하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method that forms a strong, sturdy, and uniform joint between metal and plastic. A method of joining metal to plastic according to an embodiment of the present invention includes: placing a metal member on a plastic member to form an overlapping portion in contact with the metal member; Placing a metal block having a first temperature on the metal member corresponding to the overlapping portion; And forming a joint in which the metal member and the plastic member are joined in the overlapping portion by placing the weight member on the metal block and pressing the overlapping portion. It is characterized by preventing the formation of bubbles in the member.

Description

고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법{Method of joining metal and plastic using hot metal pressing}Method of joining metal and plastic using hot metal pressing

본 발명의 기술적 사상은 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method.

기술 개발이 급격해짐에 따라, 다른 성질의 물질들을 서로 접합한 접합부를 형성하여 공학 구조들 및 기계 구성 요소를 제조할 필요가 있다. 대부분의 응용처들에서, 한 종류의 물질을 이용하여 높은 강도, 높은 부식 저항, 높은 전도성, 높은 인성 및 경량성과 같은 특유의 특성들에 대한 요구를 충족하기 어렵다. 따라서, 다른 특성들을 가지는 다른 물질들을 접합시킴으로써, 이러한 요구를 충족할 가능성이 있다. 특히, 자동차 기술이나 항공기 기술과 같은 높은 성능을 요구하는 기술분야에서는 요구되는 특별한 특성들을 가지도록 물질을 개선할 필요가 있는 분야에서 중요하며, 더 나아가 연료 소모 감소를 위하여 경량성을 요구한다. 고분자 물질인 플라스틱들은 높은 부식 저항, 높은 성형성 및 경량성 등과 같이 요구되는 특성을 충족할 수 있다 [1]. 특히, 탄소섬유 강화 플라스틱과 같은 폴리머 복합재들은 높은 피로 강도, 높은 부식 저항 및 높은 무게 대 강도 비율과 같은 추가적인 특성들을 제공할 수 있다 [2-6]. 반면, 마그네슘과 같은 금속들은 높은 열전도성, 우수한 주조성 및 용이한 재활용성을 제공할 수 있다 [7,8]. 따라서, 금속과 플라스틱이 접합된 접합부를 더 강하고, 견고하고 균일하게 형성하기 위한 기술 개발이 요구된다.With the rapid development of technology, it is necessary to form joints in which materials of different properties are bonded to each other to manufacture engineering structures and mechanical components. In most applications, it is difficult to use one type of material to meet the demands for unique properties such as high strength, high corrosion resistance, high conductivity, high toughness and light weight. Thus, by bonding different materials with different properties, it is possible to meet this need. In particular, in the technical field requiring high performance, such as automobile technology or aircraft technology, it is important in the field where materials need to be improved to have required special characteristics, and furthermore, it requires light weight to reduce fuel consumption. Polymeric plastics can meet the required properties such as high corrosion resistance, high formability and light weight [1]. In particular, polymer composites such as carbon fiber reinforced plastics can provide additional properties such as high fatigue strength, high corrosion resistance, and high weight to strength ratio [2-6]. On the other hand, metals such as magnesium can provide high thermal conductivity, good castability and easy recyclability [7,8]. Therefore, there is a need to develop a technology for forming a stronger, more robust, and more uniformly bonded metal-plastic joint.

[1] R.J. Crawford, Plastics Engineering, 3rd edition, Butterworth-Heinmann, Oxford, 1998, pp. 1-40.[1] R.J. Crawford, Plastics Engineering, 3rd edition, Butterworth-Heinmann, Oxford, 1998, pp. 1-40. [2] L. Ye, Y. Lu,Z. Su,G. Meng, Functionalizedcomposite structures for new generation airframes, a review, Compos. Sci. Technol. 65 (2005) 1436-1446.[2] L. Ye, Y. Lu, Z. Su, G. Meng, Functionalizedcomposite structures for new generation airframes, a review, Compos. Sci. Technol. 65 (2005) 1436-1446. [3] P. Beardmore, C.F. Johnson, The potential for composites in structural automotiveapplications, Compos. Sci. Technol. 26 (4) (1986) 251-281.[3] P. Beardmore, C.F. Johnson, The potential for composites in structural automotive applications, Compos. Sci. Technol. 26 (4) (1986) 251-281. [4] T. Roberts, Rapid growth forecast for carbon fibre market, Reinf. Plast. 51 (2007) 10-13.[4] T. Roberts, Rapid growth forecast for carbon fiber market, Reinf. Plast. 51 (2007) 10-13. [5] K.L. 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Kim, C.R. Cho, Effect of plasma treatment on chemical bonding states of porous TiO2 thin films prepared from polymer-blended solution, Thin Solid Films 519 (2011) 6916-6919. [22] A. Landragin, J.Y. Courtois, G. Labeyrie, N. Vansteenkiste, C.I. Westbrook, A. Aspect, Measurement of the Van der Waals force in an atomic mirror, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 1464-1467.[22] A. Landragin, J.Y. Courtois, G. Labeyrie, N. Vansteenkiste, C.I. Westbrook, A. Aspect, Measurement of the Van der Waals force in an atomic mirror, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 1464-1467. [23] K. Pilakoutas, S. Hafeez, S. Dritsos, Residual bond strength of polymer adhesive anchored reinforcement subjectedto high temperatures, Mater. Struct. 27 (1994) 527-531.[23] K. Pilakoutas, S. Hafeez, S. Dritsos, Residual bond strength of polymer adhesive anchored reinforcement subjectedto high temperatures, Mater. Struct. 27 (1994) 527-531. [24] K.W. Jung,Y. Kawahito, S. Katayama, Laser direct joining of carbon fibre reinforced plastic to stainless steel, Sci. Technol. Weld. Join. 16 (2011)676-680.[24] K.W. Jung, Y. Kawahito, S. Katayama, Laser direct joining of carbon fiber reinforced plastic to stainless steel, Sci. Technol. Weld. Join. 16 (2011) 676-680. [25] H.W. Coleman, W.G. Steele, Experimentation, Validation, and Uncertainty Analysis for Engineers, John Wiley & Sons, United States, 2009, pp. 48-50.[25] H.W. Coleman, W.G. Steele, Experimentation, Validation, and Uncertainty Analysis for Engineers, John Wiley & Sons, United States, 2009, pp. 48-50. [26] K.W. Jung,Y. Kawahito, M. Takahashi, S. Katayama, Laser direct joining of carbon fiber reinforced plastic to zinc-coated steel, Mater. Des. 47 (2013)179-188.[26] K.W. Jung, Y. Kawahito, M. Takahashi, S. Katayama, Laser direct joining of carbon fiber reinforced plastic to zinc-coated steel, Mater. Des. 47 (2013) 179-188. [27] The materials project-reaction calculator. https://www.materialsproject.org/apps/reaction calculator/.[27] The materials project-reaction calculator. https://www.materialsproject.org/apps/reaction calculator /.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속과 플라스틱 사이에 강하고 견고하고 균일한 접합부를 형성하는 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 제공하는 것이다.A technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method of bonding metal and plastic using a high temperature metal compression method that forms a strong, sturdy, and uniform joint between metal and plastic.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법은, 플라스틱 부재 상에 금속 부재를 위치시켜, 상기 금속부재와 상기 플라스틱 부재가 접촉하는 중첩부를 형성하는 단계; 상기 중첩부에 해당되는 상기 금속 부재 상에 제1 온도를 가지는 금속 블록을 위치시키는 단계; 및 상기 금속 블록 상에 재화중량 부재를 위치시켜, 상기 중첩부를 가압함으로써, 상기 중첩부에서 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재가 접합된 접합부를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 접합부에 해당하는 상기 플라스틱 부재에 기포 생성을 방지하는 것을 특징으로 한다. The metal-plastic joining method using the high-temperature metal compression method according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is to place a metal member on a plastic member so that the metal member and the plastic member come into contact with each other. Forming; Placing a metal block having a first temperature on the metal member corresponding to the overlapping portion; And forming a joint in which the metal member and the plastic member are joined in the overlapping portion by placing the weight member on the metal block and pressing the overlapping portion. It is characterized by preventing the formation of bubbles in the member.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 중첩부 형성 단계 이전에, 상기 금속 부재의 표면에 산화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. In some embodiments of the present invention, before the step of forming the overlapping portion, the method may further include forming an oxide layer on the surface of the metal member.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 산화층은 다공성인 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the oxide layer may be porous.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 산화층을 형성하는 단계는, 400 내지 600 ℃에서 0 분 초과 내지 20 분간 어닐링하는 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the step of forming the oxide layer may be annealing for more than 0 to 20 minutes at 400 to 600 ° C.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 산화층은 0.1 내지 5 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. In some embodiments of the present invention, the oxide layer may have a thickness in the range of 0.1 to 5 μm.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 온도는 400℃ 내지 600℃ 범위일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the first temperature may range from 400 ° C to 600 ° C.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 접합부 형성 단계시, 0.1 내지 0.3 MPa 로 가압하는 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, in the step of forming the junction, it may be to pressurize to 0.1 to 0.3 MPa.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 블록은 구리 합금, 알루미늄 합금 및 탄소강 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the metal block may include at least one of copper alloy, aluminum alloy and carbon steel.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 부재는 알루미늄 합금, 티타늄 합금 및 마그네슘 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the metal member may include at least one of aluminum alloy, titanium alloy and magnesium alloy.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 부재는 AZ31 마그네슘 합금을 포함하는 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the metal member may include AZ31 magnesium alloy.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 플라스틱 부재는 열가소성 수지와 탄소섬유가 포함된 탄소섬유 강화 플라스틱을 포함하는 것일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the plastic member may include a carbon fiber reinforced plastic containing a thermoplastic resin and carbon fiber.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄 및 폴리아미드 중에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다. In some embodiments of the present invention, the thermoplastic resin may be at least one selected from thermoplastic polyurethane and polyamide.

본 발명의 기술적 사상에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법은 새로운 물질을 접합하는 방법으로서 고온 금속 압축법을 적용하였다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트를 접합하기 위하여 고온 금속 압축 방법의 실행, 특성 및 메커니즘을 연구하였다. 본 발명의 효과를 검토하기 위하여, 두 종류의 AZ31 마그네슘 합금 시트를 준비하였다. 하나는 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트이고, 다른 하나는 다른 유지 시간으로 어닐링하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트이다. 어닐링에 의하여 마그네슘 합금의 표면에 형성된 산화층은 접합부의 결합 강도에 중대한 영향을 줌을 알 수 있다. 인장 전단 시험 결과에서는, 산화층을 포함하는 경우에는 접합부가 대략 5.1 kN의 높은 강도를 나타내었다. 산화층을 형성하지 않은 경우에는, 접합 계면에 인접한 탄소섬유 강화 플라스틱의 기포 형성 및 분리가 접합부에서 관찰되었으나, 산화층을 형성한 경우에는 이러한 기포나 분리가 관찰되지 않았으며, 이는 기계적 강도의 향상에 기여할 수 있다. 또한, 어닐링을 하는 경우에는, 접합부의 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 내로 산화층이 성장하였고, 이에 따라 접합 강도를 매우 증가시키는 기계적 고정 효과의 가능성을 제공하는 것으로 분석된다.The metal-plastic bonding method using the high-temperature metal compression method according to the technical idea of the present invention is a high-temperature metal compression method as a method of bonding a new material. In order to bond the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet, the performance, properties and mechanisms of the high temperature metal compression method were studied. In order to examine the effects of the present invention, two types of AZ31 magnesium alloy sheets were prepared. One is an AZ31 magnesium alloy sheet in which an oxide layer is not formed, and the other is an AZ31 magnesium alloy sheet in which an oxide layer is formed by annealing at different holding times. It can be seen that the oxide layer formed on the surface of the magnesium alloy by annealing has a significant effect on the bonding strength of the joint. In the results of the tensile shear test, when the oxide layer was included, the joint showed a high strength of approximately 5.1 kN. When the oxide layer was not formed, bubbles were formed and separated from the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface, but when the oxide layer was formed, no bubbles or separation were observed, which would contribute to the improvement of mechanical strength. Can be. In addition, in the case of annealing, it was analyzed that the oxide layer grew into the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface of the joint, thereby providing a possibility of a mechanical fixing effect that greatly increases the bonding strength.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법에 사용된 금속 부재 및 플라스틱 부재의 미세 구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 수행하는 장치를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합부의 주사전자현미경 사진들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 전면과 후면을 나타내는 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 어닐링 시간에 대한 인장 전단 하중을 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합부의 주사전자현미경 사진들이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 사진들이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 주사전자현미경 사진 및 EDS 맵핑 결과이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 파괴된 표면에 대한 X-선 광전자 분광 분석을 나타내는 그래프들이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진들이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 EDX 원소 맵핑이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 암시야 투과전자현미경 사진 및 EDX 분석이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 EDX 원소 맵핑이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 암시야 투과전자현미경 사진 및 EDX 분석이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체에 대한 고온 금속 압축 접합 기술의 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
1 is a flowchart illustrating a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope photograph showing the microstructure of a metal member and a plastic member used in a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an apparatus for performing a method of joining metal and plastic using the high-temperature metal compression method of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron microscope photograph of a junction of a metal-plastic assembly formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
5 is a photograph showing front and rear surfaces of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing tensile shear load for annealing time of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic joining method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
7 to 10 are scanning electron micrographs of a junction portion of a metal-plastic assembly formed by using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 are photographs showing surfaces destroyed by a tensile shear test of a metal-plastic joint formed using a metal-to-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 are scanning electron micrographs showing surfaces destroyed by a tensile shear test of a metal-plastic assembly formed using a metal-to-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
13 is a scanning electron micrograph and EDS mapping showing the fractured surfaces by a tensile shear test of a metal-plastic assembly formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. Is the result.
14 are graphs showing X-ray photoelectron spectroscopy analysis of a fractured surface of a metal-plastic assembly formed using a metal-to-plastic bonding method using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
15 is a transmission electron microscope photograph of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a transmission electron micrograph and EDX element mapping of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
17 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
18 is a dark-field transmission electron micrograph and EDX analysis of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
19 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
20 is a transmission electron micrograph and EDX element mapping of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
21 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
22 is a dark-field transmission electron micrograph and EDX analysis of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.
23 is a schematic diagram illustrating a mechanism of a high-temperature metal compression bonding technique for a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 본 명세서에서, "AZ31"은 AZ31 마그네슘 합금 시트를 지칭하는 약어로서 사용되고, "CFRP"는 탄소섬유 강화 플라스틱 시트를 지칭하는 약어로서 사용됨에 유의한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the technical spirit of the present invention to a person having ordinary knowledge in the art, and the following embodiments can be modified in various other forms. The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. The same reference numerals in the present specification mean the same elements. Furthermore, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings. Note that, in this specification, “AZ31” is used as an abbreviation referring to the AZ31 magnesium alloy sheet, and “CFRP” is used as an abbreviation referring to the carbon fiber reinforced plastic sheet.

본 발명의 기술적 사상은 고온 금속 압축(hot metal pressing, HMP)으로 알려진 새로운 물질 접합 기술에 관한 것으로서, 서로 다른 물질들, 예를 들어 금속과 플라스틱을 접합하는 기술에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a new material bonding technique known as hot metal pressing (HMP), and to a technique of bonding different materials, for example, metal and plastic.

물질을 접합하는 기술로서, 기계적인 잠금 [9], 지지부를 사용(staking), 크림핑(crimping), 및 마찰을 이용한 리벳팅 등과 같은 기계적 접합 기술을 이용할 수 있다 [10]. 또한, 물질을 접합하는 다른 기술로서 접착식 접합 기술이 있으며, 예를 들어 폴리우레탄, 아크릴, 및 에폭시 등과 같은 접착제를 사용할 수 있다 [11,12]. 그러나, 물질을 접합하기 위한 상술한 기계적 접합 기술과 접착식 접합 기술은 한계가 있다. 예를 들어 기계적 접합부에 천공이나 드릴링하여 구멍을 형성하는 추가 작업이 필요할 수 있고, 접합을 위하여 장시간이 필요할 수 있고, 접합부의 강도가 불균일할 수 있고, 엄격한 제어될 필요가 있고, 또한 접착 결합을 위한 비싼 접착제를 사용할 필요가 있다.As a technique for bonding materials, mechanical bonding techniques such as mechanical locking [9], staking, crimping, and friction riveting can be used [10]. In addition, as another technique for bonding materials, there is an adhesive bonding technique, and adhesives such as polyurethane, acrylic, and epoxy can be used [11,12]. However, the above-described mechanical bonding technology and adhesive bonding technology for bonding materials have limitations. For example, additional work may be required to form a hole by drilling or drilling in a mechanical joint, a long time may be required for joining, the strength of the joint may be non-uniform, it needs to be tightly controlled, and adhesive bonding is also required. You need to use expensive glue for.

이와 같은 종래의 물질 접합 기술의 한계를 극복하기 위하여, 효율적, 효과적, 및 신뢰성있는 물질 접합 기술들이 개발되어 왔다. 새로운 접합 기술로서, 레이저를 이용한 금속-플라스틱의 직접 접합 기술(laser-assisted metal and plastic direct joining, LAMP), [13-15], 유도 점용접 기술[16], 초음파 금속 용접 기술 [17], 저항 용접 기술 [18] 및 마찰 점접합 기술 [19] 등을 포함할 수 있다. 이들 중에, 가우시안 빔을 가지는 연속 Nd:YAG 레이저를 이용하거나, 선형 빔을 가지는 연속 다이오드 레이저를 이용하는 등과 같은 상기 레이저를 이용한 금속-플라스틱의 직접 접합 기술이 가장 유명하며, 그 이유는 화학적 결합 [20-22], 물리적 결합 [13,14,22] 및 기계적 결합 [23]에 의하여 더 강한 접합부를 형성할 수 있기 때문이다. 이러한 레이저를 이용한 금속-플라스틱의 직접 접합 기술을 이용한 종래의 결과는 연속 파동 디스크 레이저를 이용하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 3 mm 스테인리스 강판을 접합하였고, 이에 따라 4.8 kN의 인장 전단 하중을 가지는 중첩 접합부를 형성하였다 [24].In order to overcome the limitations of the conventional material bonding technology, efficient, effective, and reliable material bonding technologies have been developed. As a new joining technology, laser-assisted metal and plastic direct joining (LAMP), [13-15], induction spot welding technology [16], ultrasonic metal welding technology [17], Resistance welding technology [18] and friction point bonding technology [19]. Among them, the direct bonding technique of metal-plastic using the laser, such as using a continuous Nd: YAG laser having a Gaussian beam or using a continuous diode laser having a linear beam, is the most famous, because chemical bonding [20 -22], because stronger bonding can be formed by physical bonding [13,14,22] and mechanical bonding [23]. The conventional results using the direct bonding technique of metal-plastic using such a laser were to bond a carbon fiber reinforced plastic sheet and a 3 mm stainless steel sheet using a continuous wave disc laser, thereby overlapping the joint with a tensile shear load of 4.8 kN. Formed [24].

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법(S100)을 설명하는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method (S100) of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 금속과 플라스틱의 접합방법(S100)은, 금속 부재의 표면에 산화층을 형성하는 단계(S110); 플라스틱 부재 상에 상기 금속 부재를 위치시켜, 상기 산화층과 상기 플라스틱 부재가 접촉하는 중첩부를 형성하는 단계(S120); 상기 중첩부에 해당되는 상기 금속 부재 상에 제1 온도를 가지는 금속 블록을 위치시키는 단계(S130); 및 상기 금속 블록 상에 재화중량 부재를 위치시켜, 상기 중첩부를 가압함으로써, 상기 중첩부에서 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재가 접합된 접합부를 형성하는 단계(S140);를 포함한다.Referring to Figure 1, the method of bonding the metal and plastic (S100), forming an oxide layer on the surface of the metal member (S110); Placing the metal member on a plastic member to form an overlapping portion in contact with the oxide layer and the plastic member (S120); Positioning a metal block having a first temperature on the metal member corresponding to the overlapping portion (S130); And placing a weight member on the metal block and pressing the overlapping portion to form a junction in which the metal member and the plastic member are joined at the overlapping portion (S140).

상세하게, 상기 산화층을 형성하는 단계(S110)에서, 어닐링 온도는 400 내지 600 ℃이고, 어닐링 시간은 0 분 초과 내지 20 분간 수행할 수 있다. 상기 어닐링 온도와 어닐링 시간을 만족하는 경우, 상기 산화층은 0.1 내지 5 ㎛, 보다 좋게는 1 내지 3 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. In detail, in the step of forming the oxide layer (S110), the annealing temperature is 400 to 600 ° C, and the annealing time may be performed for more than 0 minutes to 20 minutes. When the annealing temperature and the annealing time are satisfied, the oxide layer may be formed to a thickness of 0.1 to 5 μm, more preferably 1 to 3 μm.

본 발명에서, 상기 산화층은 상기 제1 온도를 가지는 열이 상기 금속 부재로부터 플라스틱 부재로 급격히 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 산화층은 기포가 생성되는 것을 방지하며, 이로 인해 접합계면의 간극, 크랙 등을 방지하게 된다. In the present invention, the oxide layer serves to prevent the heat having the first temperature from being rapidly transferred from the metal member to the plastic member. The oxide layer prevents bubbles from being formed, thereby preventing gaps, cracks, and the like at the junction interface.

또한, 상기 산화층은 상기 접합부 형성 단계(S140) 시, 상기 플라스틱 부재 내부로 성장할 수 있다. 즉, 상기 산화층은 상기 플라스틱 부재 내부로 성장된 가지 형상의 가지부를 가질 수 있다. 상기 가지부는 상기 플라스틱 부재와 상기 금속 부재를 보다 강하게 고정시키는 효과가 있다. In addition, the oxide layer may grow into the plastic member during the forming of the junction (S140). That is, the oxide layer may have branch portions having branch shapes grown inside the plastic member. The branch portion has an effect of fixing the plastic member and the metal member more strongly.

한편, 본 발명에 따른 상기 산화층은 다공성 산화층일 수 있다. 즉, 상기 산화층이 다공성인 경우, 상기 접합부 형성 단계시, 기포가 외부로 배출시키는 통로와 같은 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 상기 산화층을 구비함으로써 기포를 제거할 수 있기 때문에 금속 부재와 플라스틱 부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있다. Meanwhile, the oxide layer according to the present invention may be a porous oxide layer. That is, when the oxide layer is porous, in the step of forming the junction, it may serve as a passage through which bubbles are discharged to the outside. Accordingly, the present invention can improve the bonding force between the metal member and the plastic member because the air bubbles can be removed by providing the oxide layer.

본 발명을 상술함에 있어, 상기 금속 블록은 열전도도와 고온 내구성이 좋은 금속을 사용할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 금속 블록은 구리 합금, 알루미늄 합금 및 탄소강 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. In detailing the present invention, the metal block may be a metal having good thermal conductivity and high temperature durability. As a specific example, the metal block may include at least one of copper alloy, aluminum alloy, and carbon steel.

본 발명을 상술함에 있어, 상기 금속 부재는 내식성, 강성 등이 우수한 산화막을 형성할 수 있는 금속 또는 합금이면 족하다. 구체적인 일 예로, 상기 금속 부재는 알루미늄 합금, 티타늄 합금 및 마그네슘 합금 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. In detailing the present invention, the metal member is sufficient as long as it is a metal or alloy capable of forming an oxide film having excellent corrosion resistance and rigidity. As a specific example, the metal member may include at least one of aluminum alloy, titanium alloy, and magnesium alloy.

본 발명을 상술함에 있어, 상기 플라스틱 부재는 열에 의해 용융되어 상기 금속부재와 접합할 수 있으면서 높은 강도를 가지는 것이면 좋다. 상기 플라스틱 부재는 열가소성 수지와 탄소섬유가 포함된 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)을 포함할 수 있다. In detailing the present invention, the plastic member may be melted by heat and have high strength while being able to bond with the metal member. The plastic member may include a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) containing a thermoplastic resin and carbon fiber.

구체적인 일 예로, 상기 열가소성 수지는 유리 전이 온도가 약 120 내지 160℃이고, 융점이 약 350 내지 450 ℃일 수 있다. 바람직한 일 예로 상기 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄, 폴리아미드, PA6 소재 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. As a specific example, the thermoplastic resin may have a glass transition temperature of about 120 to 160 ° C, and a melting point of about 350 to 450 ° C. As a preferred example, the thermoplastic resin may include any one or two or more of a thermoplastic polyurethane, polyamide, PA6 material.

실험 방법Experiment method

상기 금속 부재로서 AZ31 마그네슘 합금 시트를 선택하였다. 상기 AZ31 마그네슘 합금은 이중 롤 스트립 캐스팅 공정을 수행한 후에 가역적 중온 밀(reversible warm mill)을 통하여 압연하여 형성하였고, 두께가 2.0 mm 이었다. 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트의 화학 조성은 무게비로 2.9% Al, 0.75% Zn, 0.33% Mn, 0.03% Si, 및 잔부는 Mg 이었다.AZ31 magnesium alloy sheet was selected as the metal member. The AZ31 magnesium alloy was formed by rolling through a reversible warm mill after performing a double roll strip casting process, and the thickness was 2.0 mm. The chemical composition of the AZ31 magnesium alloy sheet was 2.9% Al, 0.75% Zn, 0.33% Mn, 0.03% Si, and the balance of Mg by weight ratio.

상기 플라스틱 부재로서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트를 선택하였다. 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트는 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)과 대략 7 mm 길이 및 15 μm 직경을 가지는 잘게 짤린 탄소섬유들의 긴 섬유 펠렛을 포함한 플라스틱 매트릭스로 구성되었다. 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트는 두 개의 층을 가지는 탄소섬유 직조체(fabric)를 이용하여 오토클레이브에서 제조되었다. 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 유리 전이 온도는 대략 143℃ 이었고, 용융 온도는 397℃ 이었다.A carbon fiber reinforced plastic sheet was selected as the plastic member. The carbon fiber reinforced plastic sheet was composed of a plastic matrix comprising thermoplastic polyurethane (TPU) and long fiber pellets of finely chopped carbon fibers having a length of approximately 7 mm and a diameter of 15 μm. The carbon fiber reinforced plastic sheet was manufactured in an autoclave using a carbon fiber fabric having two layers. The glass transition temperature of the carbon fiber reinforced plastic sheet was approximately 143 ° C, and the melting temperature was 397 ° C.

기계적 연마를 종료한 후에, 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트와 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 미세구조들을 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트는 100 ml 에탄올, 5 g 피크르산, 5 ml 아세트산 및 10 ml 탈이온수를 포함하는 용액을 이용하여 약 15초 동안 식각하였다. 식각을 종료한 후에, 식각된 AZ31 마그네슘 합금 시트를 끓는 에탄올에 침지하여 식각 후에 표면에 형성된 식각 용액층을 제거하였다.After the mechanical polishing was completed, microstructures of the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet were observed using a scanning electron microscope. The AZ31 magnesium alloy sheet was etched for about 15 seconds using a solution containing 100 ml ethanol, 5 g picric acid, 5 ml acetic acid and 10 ml deionized water. After the etching was finished, the etched AZ31 magnesium alloy sheet was immersed in boiling ethanol to remove the etching solution layer formed on the surface after etching.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법에 사용된 금속 부재 및 플라스틱 부재의 미세 구조를 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.2 is a scanning electron microscope photograph showing the microstructure of a metal member and a plastic member used in a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.

도 2에서, (a)는 AZ31 마그네슘 합금 시트이고, (b)와 (c)는 탄소섬유 강화 플라스틱 시트이다.In Fig. 2, (a) is an AZ31 magnesium alloy sheet, and (b) and (c) are carbon fiber reinforced plastic sheets.

도 2를 참조하면, 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트는 쌍정 구조들을 가지는 재결정 입자들로 충전된 형상의 미세구조를 가지며, 이질적인 입자들을 가진다. 상기 입자들의 평균 입자 크기는 대략 18 μm 이었다. 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트는 플라스틱 매트릭스 내에서 특유의 패턴으로 배열된 탄소섬유들을 가지는 미세구조를 나타내었다.Referring to FIG. 2, the AZ31 magnesium alloy sheet has a microstructure of a shape filled with recrystallized particles having twin structures, and has heterogeneous particles. The particles had an average particle size of approximately 18 μm. The carbon fiber reinforced plastic sheet exhibited a microstructure having carbon fibers arranged in a unique pattern within the plastic matrix.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법(S100)을 수행하는 장치를 도시하는 개략도이다. 상기 장치는 고온 금속 압축법을 수행할 수 있다.FIG. 3 is a schematic diagram showing an apparatus for performing a metal-to-plastic bonding method (S100) using the high-temperature metal compression method of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention. The device can perform a high temperature metal compression method.

도 3을 참조하면, 기저 강판의 크기는 150 mm x 90 mm x 10 mm 이다. 또한, 두 개의 고정판은 60 mm x 20 mm x 10 mm의 크기를 가지고, 각각 두 개의 관통홀들을 가진다. 상기 금속 부재로서 AZ31 마그네슘 합금 시트와 상기 플라스틱 부재로서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트를 알코올을 이용하여 세정한 후에, 상기 기저 강판 상에 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 상에 AZ31 마그네슘 합금 시트를 적층하고 40 mm의 중첩부를 가지도록 중첩부를 형성하도록 배열한다. 이어서, 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트와 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트를 상기 고정판을 이용하여 압착시킨다. 이러한 압착은 상기 고정판의 상기 관통홀에 볼트를 삽입시키고, 각각의 볼트에 120 N cm의 토크를 인가하여 수행할 수 있다.3, the size of the base steel sheet is 150 mm x 90 mm x 10 mm. In addition, the two fixing plates have a size of 60 mm x 20 mm x 10 mm, and each has two through holes. After the AZ31 magnesium alloy sheet as the metal member and the carbon fiber reinforced plastic sheet as the plastic member were cleaned with alcohol, an AZ31 magnesium alloy sheet was laminated on the carbon fiber reinforced plastic sheet on the base steel sheet and 40 mm of Arranged to form overlapping portions to have overlapping portions. Subsequently, the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet are compressed using the fixing plate. The crimping may be performed by inserting bolts into the through holes of the fixing plate and applying a torque of 120 N cm to each bolt.

이어서, 40 mm x 50 mm x 60 mm의 크기를 가지는 구리로 구성된 금속 블록과 20 kg의 재화중량 부재(dead weight)를 준비한다. 상기 금속 블록은 약 15분 동안 가열되어, 예를 들어 400℃, 500℃? 및 600℃ 와 같은 목표 온도에 도달하게 한다. 이어서, 상기 AZ31 마그네슘 합금 시트와 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 중첩부 상에 상기 가열된 금속 블록을 위치시킨다. 이어서, 20 kg의 재화중량 부재를 이용하여 약 5 분 동안 금속 블록에 압력을 즉시 인가한다. 추가적으로, 상기 금속 블록으로부터 상기 재화중량 부재로의 열전달을 방지하도록, 상기 금속 블록과 상기 재화중량 부재 사이에 절연체가 개재될 수 있다. 이에 따라, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트가 접합된 금속-플라스틱 접합체를 형성한다.Next, a metal block made of copper having a size of 40 mm x 50 mm x 60 mm and a dead weight of 20 kg are prepared. The metal block is heated for about 15 minutes, for example 400 ° C., 500 ° C.? And a target temperature such as 600 ° C. Subsequently, the heated metal block is placed on the overlapping portion of the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. The pressure is then immediately applied to the metal block for about 5 minutes using a 20 kg load weight member. Additionally, an insulator may be interposed between the metal block and the weight member to prevent heat transfer from the metal block to the weight member. Accordingly, a metal-plastic joint in which the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet are joined is formed.

참고로, AZ31 마그네슘 합금 시트는 별도의 공정에서 산화층을 형성하도록 어닐링 처리한 실시예와 산화층을 형성되지 않은 비교예로 준비한다. 이하 실시예에서, 어닐링은 일반적인 전기로에서 수행되었으며 상압, 대기 중에서 진행되었다. 상세하게, 상기 어닐링은 산소를 함유한 산화분위기에서 500 ℃를 유지하면서 1 분 내지 20 분 사이에서 수행하였다. For reference, the AZ31 magnesium alloy sheet is prepared as an example in which an annealing treatment is performed to form an oxide layer in a separate process and a comparative example in which an oxide layer is not formed. In the following examples, annealing was performed in a general electric furnace and was performed in atmospheric pressure and air. In detail, the annealing was performed between 1 minute and 20 minutes while maintaining 500 ° C in an oxidizing atmosphere containing oxygen.

표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 금속-플라스틱 접합체를 형성하는 경우의 실험 조건들을 나타내는 표이다.Table 1 is a table showing the experimental conditions in the case of forming a metal-plastic assembly using a metal-plastic bonding method according to an embodiment of the present invention.

금속-플라스틱 접합체 명칭Metal-plastic joint designations 금속 블록 온도 (℃)Metal block temperature (℃) 어닐링 시간(분)Annealing time (minutes) HMP(A0, A1, A2, A3, A4)HMP (A0, A1, A2, A3, A4) 400400 0, 2, 5, 10, 200, 2, 5, 10, 20 HMP(B0, B1, B2, B3, B4)HMP (B0, B1, B2, B3, B4) 500500 0, 2, 5, 10, 200, 2, 5, 10, 20 HMP(C0, C1, C2, C3, C4)HMP (C0, C1, C2, C3, C4) 600600 0, 2, 5, 10, 200, 2, 5, 10, 20

표 1을 참조하면, HMPA는 금속 블록 온도가 400℃ 인 경우이고, HMPB는 금속 블록 온도가 500℃ 인 경우이고, HMPC는 금속 블록 온도가 600℃ 인 경우이다. HMPA0, HMPB0, 및 HMPC0은 산화되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 경우이고, HMPA1, HMPB1, 및 HMPC1은 2 분의 어닐링을 수행하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 경우이고, HMPA2, HMPB2, 및 HMPC2은 5 분의 어닐링을 수행하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 경우이고, HMPA3, HMPB3, 및 HMPC3은 10 분의 어닐링을 수행하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 경우이고, HMPA4, HMPB4, 및 HMPC4는 20 분의 어닐링을 수행하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 경우이다.Referring to Table 1, HMPA is a case where the metal block temperature is 400 ° C, HMPB is a case where the metal block temperature is 500 ° C, and HMPC is a case where the metal block temperature is 600 ° C. HMPA0, HMPB0, and HMPC0 are for unoxidized AZ31 magnesium alloy sheets, HMPA1, HMPB1, and HMPC1 are for AZ31 magnesium alloy sheets that have been annealed for 2 minutes to form an oxide layer, HMPA2, HMPB2, and HMPC2 Silver is the case of AZ31 magnesium alloy sheets that have been annealed for 5 minutes to form an oxide layer, HMPA3, HMPB3, and HMPC3 are the case of AZ31 magnesium alloy sheets that have been annealed for 10 minutes to form an oxide layer, HMPA4, HMPB4, And HMPC4 is the case of AZ31 magnesium alloy sheets that have been annealed for 20 minutes to form an oxide layer.

이이서, 범용 인장 시험기(Instron-5982, 최대 하중은 100 kN 임)를 이용하여 실온에서 금속-플라스틱 접합체에 대한 인장 전단 시험을 수행하였다. 상기 인장 전단 시험을 위하여, 상기 AZ31 마그네슘 합금은 150 mm x 28 mm x 2 mm 치수를 가졌고, 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 시트는 150 mm x 28 mm x 1 mm 치수를 가졌다. 스트로크는 2 mm/분으로 인가되었다. 신장계는 시험 도중 금속 부분에 부착되었다. Ether, a tensile shear test was performed on a metal-plastic joint at room temperature using a universal tensile testing machine (Instron-5982, maximum load is 100 kN). For the tensile shear test, the AZ31 magnesium alloy had dimensions of 150 mm x 28 mm x 2 mm, and the carbon fiber reinforced plastic sheet had dimensions of 150 mm x 28 mm x 1 mm. The stroke was applied at 2 mm / min. The extensometer was attached to the metal part during the test.

상기 금속-플라스틱 접합체에 대하여 접합 계면들의 단면들과 인장 시험에 의하여 파괴된 표면들을 JSM-7001F-주사전자현미경을 이용하여 분석하였다. 또한, 접합 계면들은 집중된 이온빔 (FIB, FEI Helios Nano-Lab 600)을 이용하여 박리한 후, 접합 계면들의 단면들에 대한 투과전자현미경 분석을 수행하였다.The cross-sections of the bonding interfaces and the surfaces broken by the tensile test were analyzed for the metal-plastic joint using a JSM-7001F-scanning electron microscope. In addition, after the bonding interfaces were peeled off using a focused ion beam (FIB, FEI Helios Nano-Lab 600), a transmission electron microscope analysis of the cross sections of the bonding interfaces was performed.

상기 금속-플라스틱 접합체에 대하여 인장 시험에 의하여 파괴된 표면들을 X-선 광전자 분광기(모드l K-Alpha+ Thermo)를 이용하여 X-선 광전자 분광 분석을 수행하였다. X 선 소스는 단색광 알루미늄 소스를 이용하였다(Al Kα line: 486.6 eV). 대략 400 μm의 직경을 가지는 샘플에 대하여 전압은 12 kV 이었고, 전류는 10 mA 이었다.X-ray photoelectron spectroscopy was performed on the metal-plastic conjugates by using an X-ray photoelectron spectroscopy (Mode 1 K-Alpha + Thermo) on the surfaces destroyed by the tensile test. As the X-ray source, a monochromatic aluminum source was used (Al Kα line: 486.6 eV). For a sample having a diameter of approximately 400 μm, the voltage was 12 kV and the current was 10 mA.

실험 결과Experiment result

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합부의 주사전자현미경 사진들이다. 도 4에서, (a)는 HMPB1, (b)는 HMPB2, (c)는 HMPB3, 및 (d)는 HMPB4 에 해당된다. 4 is a scanning electron microscope photograph of a junction of a metal-plastic assembly formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 4, (a) corresponds to HMPB1, (b) to HMPB2, (c) to HMPB3, and (d) to HMPB4.

도 4를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 사이의 중첩부의 계면들이 나타나있고, 상기 계면들에는 산화층이 각각 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 산화층의 두께는 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 어닐링 시간에 의존하는 것으로 분석된다. 구체적으로, HMPB1는 180 nm 두께의 산화층을 가지고, HMPB2는 565 nm 두께의 산화층을 가지고, HMPB3은 820 nm 두께의 산화층을 가지고, HMPB4는 1230 nm 두께의 산화층을 가진다. 따라서, 어닐링 시간이 증가될수록 마그네슘 표면에 형성되는 산화층의 두께가 증가된다.4, it can be seen that the interfaces of the overlapping portion between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic are shown, and the oxide layers are formed on the interfaces. It is analyzed that the thickness of the oxide layer depends on the annealing time of the AZ31 magnesium alloy sheets. Specifically, HMPB1 has an oxide layer having a thickness of 180 nm, HMPB2 has an oxide layer having a thickness of 565 nm, HMPB3 has an oxide layer having a thickness of 820 nm, and HMPB4 has an oxide layer having a thickness of 1230 nm. Therefore, as the annealing time increases, the thickness of the oxide layer formed on the magnesium surface increases.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 전면(front side)과 후면(back side)을 나타내는 사진들이다. 도 5에서, (a)는 HMPA0, (b)는 HMPA3, (c)는 HMPB3, 및 (d)는 HMPC3 에 해당된다.Figure 5 is a photograph showing the front (front side) and back (back side) of the metal-plastic assembly formed by using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 5, (a) corresponds to HMPA0, (b) to HMPA3, (c) to HMPB3, and (d) to HMPC3.

도 5를 참조하면, 금속-플라스틱 접합체는 우수한 접합부를 형성하였고, 평균 접합 면적은 대략 1120 mm2 으로 나타났다. 접합 공정에 의하여, 도 5의 (c)와 (d)의 적색 화살표로 표시된 바와 같이 접합부의 측면에 작은 플라스틱 응집체가 형성되었다. 상기 플라스틱 응집체는 HMPB와 HMPC에서는 명확하게 나타났으나, HMPA에서는 명확하게 나타나지 않았다. 또한, 상기 플라스틱 응집체는 HMPB에 비하여 HMPC에서 더 큰 분포와 크기를 나타내었다. 반면, HMPA에서는 상기 플라스틱 응집체의 분포와 크기가 상대적으로 작게 나타났다. 이러한 플라스틱 응집체는 접합 공정 동안 탄소섬유 강화 플라스틱이 용융되고 유동하여 접합 계면들에 형성된 것으로 분석된다. 용융된 탄소섬유 강화 플라스틱의 일부는 재화 중량 부재에 의한 가압에 의하여 접합부의 외부로 돌출된 것으로 분석된다. 또한, 상기 HMPA, HMPB 및 HMPC 에서 상기 플라스틱 응집체의 크기와 분산이 다른 이유는 접합 공정에서 사용된 금속 블록의 온도의 차이에 기인한 것으로 분석된다. 예를 들어, HMPC의 금속 블록의 온도가 600℃이므로, 400℃의 HMPA와 500℃의 HMPB에 비하여 탄소섬유 강화 플라스틱의 용융이 더 강하게 발생할 수 있다.Referring to FIG. 5, the metal-plastic joint formed an excellent joint, and the average joint area was approximately 1120 mm 2 . By the bonding process, small plastic aggregates were formed on the side surfaces of the bonding portion as indicated by the red arrows in FIGS. 5 (c) and 5 (d). The plastic aggregates were clearly seen in HMPB and HMPC, but not clearly in HMPA. In addition, the plastic aggregate showed a larger distribution and size in HMPC compared to HMPB. On the other hand, in HMPA, the distribution and size of the plastic aggregate was relatively small. It is analyzed that these plastic aggregates are formed at the bonding interfaces by melting and flowing the carbon fiber reinforced plastic during the bonding process. It is analyzed that a part of the molten carbon fiber reinforced plastic protrudes to the outside of the joint by pressing by the goods weight member. In addition, the reason why the size and dispersion of the plastic aggregates in the HMPA, HMPB and HMPC are different is analyzed to be due to the difference in the temperature of the metal block used in the bonding process. For example, since the temperature of the metal block of HMPC is 600 ° C, the melting of the carbon fiber reinforced plastic may be stronger than that of 400 ° C HMPA and 500 ° C HMPB.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 어닐링 시간에 대한 인장 전단 하중을 나타내는 그래프이다. 참고로, 도 6에서, HMPA는 금속 블록의 온도가 400℃ 이고, HMPB는 500℃ 이고, HMPC는 600℃ 이다.FIG. 6 is a graph showing tensile shear load for annealing time of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic joining method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. For reference, in FIG. 6, HMPA has a metal block temperature of 400 ° C, HMPB is 500 ° C, and HMPC is 600 ° C.

도 6을 참조하면, 다른 공정 조건 하에서 형성된 금속-플라스틱 접합체의 접합 강도를 평가하도록 인장 전단 시험들을 수행하였다. 인장 전단 시험 결과들은 다른 금속 블록의 온도들에서의 어닐링 시간에 대한 인장 전단 하중이 나타나있다. 상기 인장 전단 하중 수치에서 표준편차(Chauvenet의 기준에 따름)에 대한 최대 허용 편차의 비율은 1.38 이었다 [25]. Referring to Figure 6, tensile shear tests were performed to evaluate the bond strength of metal-plastic joints formed under different process conditions. The tensile shear test results show the tensile shear load versus annealing time at different metal block temperatures. The ratio of the maximum allowable deviation to the standard deviation (according to Chauvenet's standard) in the tensile shear load value was 1.38 [25].

HMPA에서는, 산화층을 가지지 않는(즉, 어닐링 시간이 0 분임) 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 하중은 1.6 kN 이었다. 2 분의 어닐링 시간의 경우에는, 즉 금속-플라스틱 접합체가 산화층을 가지는 경우에는, 인장 전단 하중이 감소되어 1.3 kN 을 나타내었고, 이후 다시 증가되어 5 분의 어닐링 시간의 경우에는 1.9 kN, 10 분의 어닐링 시간에서는 2.9 kN 를 나타내었다. 10 분의 어닐링 시간의 경우에는, 금속-플라스틱 접합체는 최대값의 인장 전단 하중을 가졌다. 이어서 감소되어 20 분의 어닐링 시간의 경우에는 1.8 kN 을 나타내었다.In HMPA, the tensile shear load of the metal-plastic joint without the oxide layer (ie, the annealing time is 0 minutes) was 1.6 kN. In the case of an annealing time of 2 minutes, that is, when the metal-plastic joint has an oxide layer, the tensile shear load was reduced to show 1.3 kN, and then increased again, for an annealing time of 5 minutes, 1.9 kN, 10 minutes. The annealing time of 2.9 kN. For an annealing time of 10 minutes, the metal-plastic joint had a maximum tensile shear load. It was then reduced to show 1.8 kN for an annealing time of 20 minutes.

HMPB에서는, 산화층을 가지지 않는 금속-플라스틱 접합체에 비하여 산화층을 가지는 금속-플라스틱 접합체가 높은 인장 전단 하중을 가졌다. 구체적으로, 산화층을 가지지 않는(즉, 어닐링 시간이 0 분임) 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 하중은 1.9 kN 이었다. 2 분의 어닐링 시간의 경우에는, 인장 전단 하중이 증가되어 3.3 kN 을 나타내었고, 5 분의 어닐링 시간의 경우에는 5.1 kN으로 최대값을 나타내었다. 이후, 어닐링 시간이 증가됨에 따라 인장 전단 하중이 감소되었으며, 10 분의 어닐링 시간의 경우에는 4.3 kN 으로 감소되었고, 20 분의 어닐링 시간의 경우에는 3.8 kN 을 나타냈다. 이러한 결과로부터, 어닐링 동안 마그네슘 합금의 표면에 형성된 산화층이 접합 공정에서 형성되는 접합부의 강도에 영향을 주는 것으로 분석된다. 상기 산화층은 접합부의 인장 전단 강도를 증가시키는 것으로 분석된다.In HMPB, metal-plastic joints with an oxide layer had higher tensile shear loads than metal-plastic joints without an oxide layer. Specifically, the tensile shear load of the metal-plastic assembly without the oxide layer (ie, the annealing time is 0 minutes) was 1.9 kN. In the case of an annealing time of 2 minutes, the tensile shear load was increased to show 3.3 kN, and in the case of an annealing time of 5 minutes, the maximum value was 5.1 kN. Thereafter, as the annealing time was increased, the tensile shear load was decreased, in the case of an annealing time of 10 minutes, it was reduced to 4.3 kN, and in the case of an annealing time of 20 minutes, it was 3.8 kN. From these results, it is analyzed that the oxide layer formed on the surface of the magnesium alloy during annealing affects the strength of the joint formed in the bonding process. The oxide layer is analyzed to increase the tensile shear strength of the joint.

HMPC에서는, 어닐링 시간이 증가됨에 따라 인장 전단 하중이 선형적으로 증가되었다. 산화층을 가지지 않는(즉, 어닐링 시간이 0 분임) 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 하중은 2.0 kN 이었다. 2 분의 어닐링 시간의 경우에는 2.2 kN, 5 분의 어닐링 시간의 경우에는 2.3 kN, 10 분의 어닐링 시간의 경우에는 2.6 kN, 20 분의 어닐링 시간의 경우에는 3.6 kN 이었다. 최대 인장 전단 하중은 20 분의 어닐링 시간에서 나타났다.In HMPC, the tensile shear load increased linearly with increasing annealing time. The tensile shear load of the metal-plastic joint without the oxide layer (ie, the annealing time is 0 minutes) was 2.0 kN. The annealing time of 2 minutes was 2.2 kN, the annealing time of 5 minutes was 2.3 kN, the annealing time of 10 minutes was 2.6 kN, and the annealing time of 20 minutes was 3.6 kN. The maximum tensile shear load was seen at an annealing time of 20 minutes.

HMPB가 모든 어닐링 시간에서 가장 높은 접합 강도들을 나타내었다. 또한, HMPC의 접합 강도는 0 분, 5 분, 및 20 분의 어닐링 시간에서 HMPA에 비하여 더 높게 나타났다. 인장 전단 강도의 분석을 통하여, 표면 산화층은 금속-플라스틱 접합체의 접합부의 강도에 영향을 주는 것으로 분석된다. 또한, 가장 높은 접합 강도는 마그네슘 합금 시트들을 5 분 내지 20 분 사이에서 어닐링하고, 500℃의 금속 블록을 이용한 경우에 달성되었다.HMPB showed the highest bond strengths at all annealing times. In addition, the bonding strength of HMPC was higher than that of HMPA at annealing times of 0 minutes, 5 minutes, and 20 minutes. Through analysis of tensile shear strength, it is analyzed that the surface oxide layer affects the strength of the joint of the metal-plastic joint. In addition, the highest bonding strength was achieved when the magnesium alloy sheets were annealed between 5 minutes and 20 minutes, and a metal block at 500 ° C was used.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합부의 주사전자현미경 사진들이다.7 to 10 are scanning electron micrographs of a junction portion of a metal-plastic assembly formed by using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 산화층을 가지지 않는 금속-플라스틱 접합체로서 HMPB0 에 대한 접합부의 단면이 나타나있다. 도 7에서, (b)는 (a)의 적색 사각형 영역을 확대한 것이고, (c)는 (b)의 적색 사각형 영역을 확대한 것이다. 도 7의 (a)에 흰색 화살표로 표시된 바와 같이 접합 계면에 인접하여 형성된 많은 기포(bubble)이 관찰되었다. 이러한 기포들의 크기는 접합 계면을 따라서 변화되었고, 130 nm 내지 850 nm 의 범위를 나타내었다. 탄소섬유 강화 플라스틱과 아연 코팅 강의 접합을 위하여 LAMP 기술을 사용한 정 등(Junget al.)의 종래 연구에서는, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱의 용융 영역 내에서 밀리미터 이하의 크기의 많은 기포들을 형성되는 것을 보고하였다. 또한, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱의 표면 상의 분리된 기포들의 형성이 와바 등(Wahba et al)에 의하여 보고되었다 [15]. 도 7의 (c)를 참조하면, 적색 화살표로 표시된 바와 같이, 접합 계면에서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트가 분리되어 있다. 또한, 청색 화살표로 표시된 바와 같이, 접합 계면을 따라 분리 영역(debonding)이 관찰되었다. 이와 같이, 기포가 형성되고 또한 접합 계면을 따라 탄소섬유 강화 플라스틱이 분리되면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이의 결합이 저하된다. Referring to FIG. 7, a cross-section of a junction to HMPB0 is shown as a metal-plastic junction without an oxide layer. In FIG. 7, (b) is an enlarged red square area of (a), and (c) is an enlarged red square area of (b). As shown by the white arrow in Fig. 7 (a), many bubbles formed adjacent to the bonding interface were observed. The size of these bubbles changed along the bonding interface, and exhibited a range of 130 nm to 850 nm. In a previous study by Jung et al. Using LAMP technology for bonding carbon fiber reinforced plastics and zinc coated steel, many bubbles with a size of less than millimeters are formed in the melting region of the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface. Reported. In addition, the formation of separate bubbles on the surface of the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface has been reported by Wahba et al [15]. Referring to (c) of FIG. 7, the carbon fiber reinforced plastic sheet is separated at the bonding interface, as indicated by the red arrow. In addition, as indicated by the blue arrow, debonding was observed along the bonding interface. As such, when bubbles are formed and the carbon fiber reinforced plastic is separated along the bonding interface, the bond between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet is lowered.

도 8을 참조하면, 산화층을 가지는 금속-플라스틱 접합체에 대한 접합부의 단면이 나타나있다. 도 8에서, (a)와 (b)는 HMPB1에 해당되며, (b)는 (a)의 청색 사각형 영역을 확대한 것이고, (c)와 (d)는 HMPB2에 해당되며, (d)는 (c)의 청색 사각형 영역을 확대한 것이고, (e)와 (f)는 HMPB3에 해당되며, (f)는 (e)의 청색 사각형 영역을 확대한 것이다.Referring to FIG. 8, a cross section of a junction to a metal-plastic junction having an oxide layer is shown. In FIG. 8, (a) and (b) correspond to HMPB1, (b) is an enlarged blue square region of (a), (c) and (d) correspond to HMPB2, and (d) is The blue square region of (c) is enlarged, (e) and (f) correspond to HMPB3, and (f) is a blue square region of (e).

도 8의 (a)를 참조하면, 흰색 화살표로 표시한 바와 같이 수 개의 기포가 형성되었으나, 도 7의 HMPB0와 같은 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리 영역은 발견되지 않았다. 또한, 도 8의 (b)를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이의 밀착된 결합을 보이며, 분리 영역이 관찰되지 않았다. 이러한 결과로부터, 마그네슘 합금의 표면에 어닐링을 통하여 형성된 산화층이 결합 메커니즘에 중요한 영향을 주는 것으로 분석된다.Referring to (a) of FIG. 8, several bubbles were formed as indicated by white arrows, but no separation region of the carbon fiber reinforced plastic sheet such as HMPB0 in FIG. 7 was found. In addition, referring to (b) of FIG. 8, there was a close bond between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet, and no separation region was observed. From these results, it is analyzed that the oxide layer formed through annealing on the surface of the magnesium alloy has an important effect on the bonding mechanism.

도 8의 (c)를 참조하면, 접합 계면에서 기포가 발견되지 않았다. 또한, 도 8의 (d)를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 간극이 없는 매우 밀착된 접합 계면을 나타낸다. 또한, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리 영역이 관찰되지 않았다.8 (c), no bubbles were found at the bonding interface. In addition, referring to FIG. 8 (d), a very close bonding interface without a gap is shown between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. In addition, the separation region of the carbon fiber reinforced plastic sheet was not observed adjacent to the bonding interface.

도 8의 (e)를 참조하면, 접합 계면에서 기포가 발견되지 않았다. 또한, 도 8의 (f)를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 간극이 없는 밀착된 결합 계면을 나타낸다. 또한, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리 영역이 관찰되지 않았다. 결과적으로, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트 사이의 결합은 매우 밀착되고, 분리 영역은 관찰되지 않았다.8 (e), no bubbles were found at the bonding interface. In addition, referring to Fig. 8 (f), it shows a close bonding interface without a gap between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. In addition, the separation region of the carbon fiber reinforced plastic sheet was not observed adjacent to the bonding interface. As a result, the bond between the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet was very close, and no separation region was observed.

도 9를 참조하면, 산화층을 가지는 금속-플라스틱 접합체로서 HMPB3에 대한 접합부의 단면이 나타나있고, 상기 단면에 대한 EDS 맵핑이 나타나 있다. 상기 단면에서, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트 사이에 산화층(MgO)이 개재되어 있다. 상기 산화층은 대략 820 nm 두께이고, 접합 계면을 따라서 균일하게 분포된다. 상기 산화층은 EDS 맵핑 결과로부터 MgO로 구성되는 것으로 분석된다. 상기 산화층과 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 사이의 계면은 돌출되지 않고 매끈하게 형성되어 있다. 탄소 맵에 따르면, 탄소 수준은 MgO와 탄소섬유 강화 플라스틱의 계면을 따라서 점진적으로 변화되고, 두 개의 층들 사이에서 마그네슘과 산소가 더 분리된 경계를 나타낸다.Referring to FIG. 9, a cross-section of a junction to HMPB3 as a metal-plastic junction having an oxide layer is shown, and an EDS mapping to the cross-section is shown. In the cross section, an oxide layer (MgO) is interposed between the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet. The oxide layer is approximately 820 nm thick and is uniformly distributed along the bonding interface. The oxide layer is analyzed to be composed of MgO from the EDS mapping results. The interface between the oxide layer and the carbon fiber reinforced plastic does not protrude and is formed smoothly. According to the carbon map, the carbon level is gradually changed along the interface of MgO and carbon fiber reinforced plastic, showing a more separated boundary between magnesium and oxygen between the two layers.

도 10을 참조하면, 산화층을 가지는 금속-플라스틱 접합체로서 HMPB4에 대한 접합부의 단면이 나타나있다. 도 10에서, (b)는 (a)의 청색 사각형 영역을 확대한 것이다. 상기 단면에서, 접합 계면 상과 인접하여 기포들이 형성되지 않았다. 또한, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 밀착된 결합 계면이 형성되어 있다. 따라서, AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면 상에 산화층이 형성되면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 간극이 없는 밀착되고 균일한 결합이 형성됨을 알 수 있다. 또한, AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면 상에 형성된 산화층은 기포의 형성을 방지하고 또한 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리를 방지할 수 있는 것으로 분석된다.Referring to Figure 10, a cross-section of a junction to HMPB4 is shown as a metal-plastic junction having an oxide layer. In FIG. 10, (b) is an enlarged blue square area of (a). In this cross section, no bubbles were formed adjacent to the bonding interface. In addition, a bonding interface in close contact is formed between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. Therefore, it can be seen that when the oxide layer is formed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet, a tight and uniform bond without a gap is formed between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. In addition, it is analyzed that the oxide layer formed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet can prevent the formation of bubbles and also prevent the separation of the carbon fiber reinforced plastic sheet adjacent to the bonding interface.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 사진들이다. 도 11에서, (a)는 HMPB0, (b)는 HMPB1, (c)는 HMPB2, (d)는 HMPB3, (e)는 HMPB4에 해당된다.FIG. 11 are photographs showing surfaces destroyed by a tensile shear test of a metal-plastic joint formed using a metal-to-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 11, (a) is HMPB0, (b) is HMPB1, (c) is HMPB2, (d) is HMPB3, and (e) is HMPB4.

도 11을 참조하면, 파괴된 표면들에 발생한 파괴 모드는 계면 파괴로 나타났다. 또한, 마그네슘 합금 시트들 상에 용해된 탄소섬유 강화 플라스틱 층이 관찰될 수 있다. 도 11의 (a)에 나타난 바와 같이, 산화층이 형성되지 않은 HMPB0의 경우에는 AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이의 접합 영역이 균일하지 않음을 알 수 있다. 반면, 도 11의 (b) 내지 (e)에 나타난 바와 같이, 산화층이 형성된 HMPB1, HMPB2, HMPB3 및 HMPB4의 경우에는, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 균일한 접합 영역이 형성됨을 알 수 있고, 접합 영역의 면적 또한 더 넓게 나타났다. HMPB1, HMPB2, HMPB3 및 HMPB4의 경우에는, AZ31 마그네슘 합금 시트 상의 용융된 탄소섬유 강화 플라스틱 층이 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 용융 영역과 동일한 영역으로 나타났다. 반면, HMPB0의 경우에는, AZ31 마그네슘 합금 시트 상의 용융된 탄소섬유 강화 플라스틱 층이 탄소섬유 강화 플라스틱의 용융 영역과 동일하지 않았다. 이러한 파괴된 표면들의 형상을 고려하면, AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면 상에 어닐링을 통하여 형성된 산화층이 AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 균일하고 넓은 결합 영역을 형성하는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 11, the fracture mode occurring on the broken surfaces was shown as interface failure. Also, a layer of carbon fiber reinforced plastic dissolved on magnesium alloy sheets can be observed. As shown in (a) of FIG. 11, it can be seen that in the case of HMPB0 in which the oxide layer is not formed, the bonding region between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet is not uniform. On the other hand, as shown in (b) to (e) of FIG. 11, in the case of HMPB1, HMPB2, HMPB3 and HMPB4 with oxide layers formed, a uniform bonding region was formed between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. As can be seen, the area of the junction region was also larger. In the case of HMPB1, HMPB2, HMPB3 and HMPB4, the molten carbon fiber reinforced plastic layer on the AZ31 magnesium alloy sheet appeared to be the same area as the melting region of the carbon fiber reinforced plastic sheet. On the other hand, in the case of HMPB0, the molten carbon fiber reinforced plastic layer on the AZ31 magnesium alloy sheet was not the same as the melting region of the carbon fiber reinforced plastic. Considering the shape of these fractured surfaces, it is analyzed that the oxide layer formed through annealing on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet forms a uniform and wide bonding region between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다. 도 12에서, (a)는 HMPB3의 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면이고, (b)는 HMPB3의 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 표면이다.FIG. 12 are scanning electron micrographs showing surfaces destroyed by a tensile shear test of a metal-plastic assembly formed using a metal-to-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In Fig. 12, (a) is the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet of HMPB3, and (b) is the surface of the carbon fiber reinforced plastic sheet of HMPB3.

도 12의 (a)를 참조하면, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 용융층이 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면에 부착됨을 알 수 있다. 도 12의 (b)를 참조하면, 점선 원으로 표시된 바와 같이, 용융된 탄소섬유 강화 플라스틱 층이 잔부가 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 표면에 잔존함을 알 수 있다.12 (a), it can be seen that the molten layer of the carbon fiber reinforced plastic sheet is attached to the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet. Referring to (b) of FIG. 12, it can be seen that, as indicated by the dotted circle, the remainder of the molten carbon fiber reinforced plastic layer remains on the surface of the carbon fiber reinforced plastic sheet.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 인장 전단 시험에 의하여 파괴된 표면들을 나타내는 주사전자현미경 사진 및 EDS 맵핑 결과이다. 도 13에서, (a)는 HMPB3의 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면이고, (b)는 HMPB3의 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 표면이다.13 is a scanning electron micrograph and EDS mapping showing the fractured surfaces by a tensile shear test of a metal-plastic assembly formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. Is the result. In Fig. 13, (a) is the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet of HMPB3, and (b) is the surface of the carbon fiber reinforced plastic sheet of HMPB3.

도 13을 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트의 파괴된 표면에서는 탄소섬유 강화 플라스틱이 부착됨을 알 수 있는 탄소 피크가 관찰된다. 반면, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 표면에서는 마그네슘 피크가 관찰되지 않았다.Referring to FIG. 13, a carbon peak is observed on the fractured surface of the AZ31 magnesium alloy sheet, indicating that the carbon fiber reinforced plastic is attached. On the other hand, no magnesium peak was observed on the surface of the carbon fiber reinforced plastic sheet.

산화층이 AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 접합 강도를 증가시키는 것을 설명하도록, X-선 광전자 분광 스펙트럼 분석을 수행하였다.X-ray photoelectron spectral spectrum analysis was performed to demonstrate that the oxide layer increases the bonding strength of the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet.

표 2는 산화층과 탄소섬유 강화 플라스틱 사이의 계면에 형성될 수 있는 화합물들의 형성 에너지를 나타내는 표이다.Table 2 is a table showing the formation energy of compounds that can be formed at the interface between the oxide layer and the carbon fiber reinforced plastic.

화학식Chemical formula 공간군Space 형성에너지 (eV)Energy of formation (eV) MgCO3 MgCO 3 R3cR3c -2.084-2.084 Mg(CO2)2 Mg (CO 2 ) 2 P21/cP21 / c -2.058-2.058 MgCO3 MgCO 3 C2221C2221 -2.084-2.084 Mg2C3 Mg 2 C 3 PmmmPmmm 0.1690.169 Mg(OH)2 Mg (OH) 2 P3m1P3m1 -2.081-2.081 Mg4H2O5 Mg 4 H 2 O 5 P3m1P3m1 -2.607-2.607 Mg5(HO3)2 Mg 5 (HO 3 ) 2 P3m1P3m1 -2.675-2.675 Mg3(HO2)2 Mg 3 (HO 2 ) 2 P3m1P3m1 -2.503-2.503

표 2를 참조하면, 접합 과정에서 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면 상에 형성된 화합물의 공간 군과 형성에너지가 나타나 있다. 이러한 형성에너지는 DFT 기반 반응 계산기를 이용하여 계산하였다 [27]. MgCO3 및 Mg-H-O 화합물들은 매우 낮은 형성 에너지를 가진다. 그러나, Mg-H-O 화합물들이 가장 낮은 형성 에너지를 나타낸다고 하여도, 이러한 화합물들은 X-선 광전자 분광 분석의 참조 데이터가 없어 X-선 광전자 분광 분석을 시도하지 못하였다. 따라서, MgO 및 MgCO3 화합물들에 한정하여, X-선 광전자 분광 분석을 수행하고, 하기의 도 14에 도시하였다.Referring to Table 2, the space group and the formation energy of the compound formed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet in the bonding process are shown. The formation energy was calculated using a DFT-based reaction calculator [27]. MgCO 3 and Mg-HO compounds have very low formation energy. However, even if Mg-HO compounds show the lowest formation energy, X-ray photoelectron spectroscopy was not attempted because these compounds do not have reference data for X-ray photoelectron spectroscopy. Therefore, only for the MgO and MgCO 3 compounds, X-ray photoelectron spectroscopy was performed and shown in FIG. 14 below.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 파괴된 표면에 대한 X-선 광전자 분광 분석을 나타내는 그래프들이다. 도 14에서, (a)는 HMPB0, (b)는 HMPB1 에 해당된다.14 are graphs showing X-ray photoelectron spectroscopy analysis of a fractured surface of a metal-plastic assembly formed using a metal-to-plastic bonding method using a high temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 14, (a) corresponds to HMPB0, and (b) corresponds to HMPB1.

도 14를 참조하면, HMPB0과 HMPB1은 다른 경향의 X-선 광전자 분광 스펙트럼을 나타내었다. 도 9의 주사전자현미경-EDX 결과들은 산화물(MgO)과 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이의 계면에서 탄소 함유 화합물이 형성되는 가능성을 나타낸 바 있다. 구체적으로, HMPB0 의 경우에는, 관찰된 곡선이 MgO의 이론 곡선과 잘 일치하였고, 반면, HMPB1 의 경우에는, 관찰된 곡선이 MgO의 이론 곡선 및 MgCO3 의 이론 곡선과 잘 일치하였다. 따라서, 마그네슘 합금 시트의 표면에 존재하는 산화층의 종류가 관찰된 분광 스펙트럼들의 특성에 영향을 주는 것으로 분석된다. 이것은 HMPB0에서의 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면에서 관찰된 스펙트럼들과는 대조를 이룬다. 그러나, 상기 분석에서 사용된 MgCO3 의 결합 에너지가 기준 참조 데이터와는 약간 다름에 유의한다. 이는 관찰된 새로운 상이 MgCO3 상이거나 또는 미지의 다른 상일수 있음을 의미한다. 따라서, 현 단계에서는 가능한 새로운 상의 특성을 명확하게 이해하지 못한 한계가 있다.Referring to FIG. 14, HMPB0 and HMPB1 showed different trends of X-ray photoelectron spectral spectra. The scanning electron microscope-EDX results of FIG. 9 have shown the possibility that a carbon-containing compound is formed at the interface between the oxide (MgO) and the carbon fiber reinforced plastic sheet. Specifically, in the case of HMPB0, the observed curve was in good agreement with the theoretical curve of MgO, whereas in the case of HMPB1, the observed curve was in good agreement with the theoretical curve of MgO and the theoretical curve of MgCO 3 . Therefore, it is analyzed that the type of oxide layer present on the surface of the magnesium alloy sheet influences the properties of the observed spectral spectra. This contrasts with the spectra observed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet where the oxide layer in HMPB0 was not formed. However, note that the binding energy of MgCO 3 used in the above analysis is slightly different from the reference reference data. This means that the new phase observed may be a MgCO 3 phase or another unknown phase. Therefore, at this stage, there is a limitation that it is not possible to clearly understand the characteristics of a new image possible.

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진들이다. 도 15에서, (a)와 (b)는 HMPB1에 해당되며, (b)는 (a)의 청색 사각형 영역을 확대한 것이다.15 is a transmission electron microscope photograph of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 15, (a) and (b) correspond to HMPB1, and (b) is an enlarged blue square area of (a).

도 15의 (a)를 참조하면, 흑색 화살표로 표시된 바와 같이, 접합 계면에 인접하여 가지형 구조가 형성됨을 알 수 있다. 도 15의 (b)를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 개재된 나노 미터 크기의 얇은 산화층(Mg oxide)이 관찰된다.15 (a), it can be seen that, as indicated by the black arrow, a branched structure is formed adjacent to the bonding interface. Referring to (b) of FIG. 15, a nanometer-sized thin oxide layer (Mg oxide) interposed between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet is observed.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 EDX 원소 맵핑이다. 도 16에서, HMPB1에 해당된다.FIG. 16 is a transmission electron micrograph and EDX element mapping of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In Fig. 16, it corresponds to HMPB1.

도 16를 참조하면, 산화층은 평행한 두 개의 직선 내에 위치하고, EDX 원소 맵핑에 의하여 상기 산화층은 MgO로 분석된다. 또한, 접합 계면에 인접하여 형성된 가지 형상 구조들도 MgO로 분석된다. 또한, 탄소섬유 강화 플라스틱 내에서 성장한 산화물이 관찰된다.Referring to FIG. 16, the oxide layer is located in two parallel straight lines, and the oxide layer is analyzed as MgO by EDX element mapping. In addition, branched structures formed adjacent to the bonding interface are also analyzed as MgO. In addition, oxides grown in carbon fiber reinforced plastics are observed.

도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다. 도 17에서, HMPB1에 해당되며, (b)는 (a)의 청색 사각형 영역으로 산화층을 확대한 사진이고, (c)는 (a)의 청색 사각형 영역으로 가지형 구조를 확대한 사진이다.17 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 17, it corresponds to HMPB1, (b) is a photo in which the oxide layer is enlarged to the blue square region in (a), and (c) is a photo in which the branched structure is enlarged to the blue square region in (a).

도 17을 참조하면, SAED 패턴의 분석 결과로부터 산화층과 가지형 구조가 모두 MgO로 구성되는 것으로 분석되었고, 도 16의 결과와 일치한다. 상기 산화층은 SAED 패턴에서 나타난 바와 같이, 고각도 결정 입계들로 구성된 다결정 구조를 가진다. 반면, 가지 형상 구조의 결정 입계는 고해상도 투과전자현미경 사진에 명확하게 나타나지 않으며, SAED 패턴 분석에서는 연속 링 패턴을 나타내고 있다. 따라서, 가지형 구조는 매우 미세한 나노 입자 구조를 가지거나 거의 비정질에 가까운 산화물 구조를 가지는 것으로 분석된다. 그러나, 현 단계에서는 가지형 구조의 형성 메커니즘을 명확하게 이해하지 못한 한계가 있다.Referring to FIG. 17, from the analysis results of the SAED pattern, it was analyzed that both the oxide layer and the branched structure consist of MgO, and is consistent with the results of FIG. 16. The oxide layer has a polycrystalline structure composed of high-angle crystal grain boundaries, as shown in the SAED pattern. On the other hand, the grain boundary of the branch-shaped structure does not appear clearly in the high-resolution transmission electron micrograph, and SAED pattern analysis shows a continuous ring pattern. Therefore, it is analyzed that the branched structure has a very fine nanoparticle structure or an almost amorphous oxide structure. However, at this stage, there is a limitation that the mechanism for forming a branched structure is not clearly understood.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 암시야 투과전자현미경 사진 및 EDX 분석이다. 도 18에서, HMPB1에 해당되며, (a)는 암시야 투과전자현미경 사진이고, (b)는 EDX 분석을 나타낸다.18 is a dark-field transmission electron micrograph and EDX analysis of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 18, it corresponds to HMPB1, (a) is a dark field transmission electron micrograph, and (b) shows EDX analysis.

도 18을 참조하면, 마그네슘 함량은 좌측 시작점에서 점진적으로 감소하고 (① 영역에 해당됨), 산화층의 경계로부터 5 nm 떨어진 부분에서 균일한 평탄부를 가지게 되고 (② 영역에 해당됨), 이어서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트가 위치하는 영역에서 급격하게 감소된다 (③ 영역에 해당됨). 탄소섬유 강화 플라스틱이 위치하는 영역에는(③ 영역에 해당됨) 마그네슘 함량이 상당히 낮게 나타나고, 탄소 함량이 높게 나타난다. 이는 산화층의 외측에서 열가소성 폴리우레탄과 반응하며, 탄소 함유 마그네슘 산화물이 합성되는 것으로 분석된다. 이는 도 14의 X-선 광전자 분광 분석 결과와 잘 일치한다. 그러나, 이러한 반응의 메커니즘은 상대적으로 저온에서 발생하는 것으로서, 현 단계에서는 명확하게 이해하지는 못한 한계가 있다.Referring to FIG. 18, the magnesium content gradually decreases from the left starting point (corresponding to area ①) and has a uniform flat portion at a portion 5 nm away from the boundary of the oxide layer (corresponding to area ②), followed by carbon fiber reinforced plastic It is rapidly reduced in the area where the sheet is located (corresponding to area ③). In the area where the carbon fiber reinforced plastics are located (corresponding to area ③), the magnesium content is significantly lower and the carbon content is higher. It is analyzed that it reacts with the thermoplastic polyurethane on the outside of the oxide layer, and the carbon-containing magnesium oxide is synthesized. This is in good agreement with the results of X-ray photoelectron spectroscopy in FIG. 14. However, the mechanism of this reaction occurs at a relatively low temperature, and there is a limitation that is not clearly understood at this stage.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다. 도 19는 HMPB3에 해당되며, (b)는 (a)의 청색 사각형 영역을 확대한 사진이고, (c)는 SAED 패턴을 나타낸다.19 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed by a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. FIG. 19 corresponds to HMPB3, (b) is an enlarged photograph of the blue square area of (a), and (c) shows a SAED pattern.

도 19의 (a)를 참조하면, 접합 계면에 인접하여 형성된 가지 형상 구조들이 흑색 화살표로 표시되어 있다. 도 19의 (b)를 참조하면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에 개재된 매우 미세한 산화층으로서 MgO 층이 나타나 있다. 또한, 삽입된 사진들은 마그네슘 합금 및 산화층의 SAED 패턴들을 나타낸다. 도 19의 (c)를 참조하면, 상기 산화층이 SAED 패턴 분석에 의하여 MgO 임을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 19, branch-like structures formed adjacent to the bonding interface are indicated by black arrows. Referring to FIG. 19B, the MgO layer is shown as a very fine oxide layer interposed between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet. In addition, the inserted photographs show SAED patterns of magnesium alloy and oxide layer. Referring to (c) of FIG. 19, it can be seen that the oxide layer is MgO by SAED pattern analysis.

도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 EDX 원소 맵핑이다. 도 20에서, HMPB3에 해당된다.20 is a transmission electron micrograph and EDX element mapping of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In Fig. 20, it corresponds to HMPB3.

도 20를 참조하면, 산화층은 평행한 두 개의 직선 내에 위치하고, EDX 원소 맵핑에 의하여 상기 산화층은 MgO로 분석된다. 또한, 접합 계면에 인접하여 형성된 가지 형상 구조들도 MgO로 분석된다. 도 16의 결과와 유사하게, 또한, 탄소섬유 강화 플라스틱 내에서 성장한 산화물이 관찰된다.Referring to FIG. 20, the oxide layer is located in two parallel straight lines, and the oxide layer is analyzed as MgO by EDX element mapping. In addition, branched structures formed adjacent to the bonding interface are also analyzed as MgO. Similar to the results in Fig. 16, an oxide grown in the carbon fiber reinforced plastic is also observed.

도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 투과전자현미경 사진 및 선택 영역 전자 회절 패턴이다. 도 21에서, HMPB3에 해당되며, (b)는 (a)의 선택 영역 전자 회절 패턴이다.21 is a transmission electron micrograph and a selective area electron diffraction pattern of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 21, it corresponds to HMPB3, and (b) is a selective region electron diffraction pattern of (a).

도 21을 참조하면, SAED 패턴들을 분석하면, 가지형 구조가 MgO로 구성되는 것으로 분석된다. 도 17과 유사하게 상기 가지형 구조는 링 패턴을 나타낸다.Referring to FIG. 21, when SAED patterns are analyzed, it is analyzed that the branched structure is composed of MgO. Similar to Fig. 17, the branched structure shows a ring pattern.

도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체의 접합 계면의 암시야 투과전자현미경 사진 및 EDX 분석이다. 도 22에서, HMPB3에 해당되며, (a)는 암시야 투과전자현미경 사진이고, (b)는 EDX 분석을 나타낸다.22 is a dark-field transmission electron micrograph and EDX analysis of a bonding interface of a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 22, it corresponds to HMPB3, (a) is a dark field transmission electron microscope photograph, and (b) shows EDX analysis.

도 22을 참조하면, 마그네슘 함량은 좌측 시작점에서 대략 100 nm 거리에서 1차 평탄부가 나타나고 (① 영역에 해당됨), 이후에 감소되는 경향을 보이며, 산화층으로 덮인 부분의 말단에 도달하기 전 대략 100 nm 거리에서 2차 평탄부가 나타난다 (② 영역에 해당됨). 탄소섬유 강화 플라스틱 영역 내에서는 마그네슘 함량은 급격하게 감소된다. 이러한 거동은 도 18의 HMPB1 의 결과와 유사하다. 이러한 결과로부터, 최외각 평탄부는 열가소성 폴리우레탄과 반응하는 영역이고, 이에 따라 탄소 함유 마그네슘 산화물이 합성됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 22, the magnesium content appears as a primary flat portion at a distance of approximately 100 nm from the left starting point (corresponding to region ①), and tends to decrease thereafter, before reaching the end of the portion covered with the oxide layer, approximately 100 nm At the distance, a second flat part appears (corresponding to area ②). In the area of carbon fiber reinforced plastics, the magnesium content is drastically reduced. This behavior is similar to the result of HMPB1 in FIG. 18. From these results, it can be seen that the outermost flat portion is a region that reacts with the thermoplastic polyurethane, and thus a carbon-containing magnesium oxide is synthesized.

심층 분석In-depth analysis

도 6의 인장 전단 시험 결과로부터, 어닐링을 통하여 산화층이 AZ31 마그네슘 합금 시트에 형성된 경우가 더 강한 접합부를 가지는 것으로 분석된다. 어닐링 시간은 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면에 형성되는 산화층에 영향을 주며, 이에 따라 인장 전단 강도를 증가시킬 수 있다. AZ31 마그네슘 합금 시트를 5 분 내지 20 분 범위에서 어닐링한 경우에 인장 전단 강도가 가장 우수하게 나타났다. 고온 금속 압축 접합 기술을 이용하여 형성한 접합부는 500℃의 금속 블록 온도와 5 분 내지 20 분 범위의 어닐링 시간에서 가장 강한 접합부를 형성하였다. 참고로, 와바 등(Wahba et al.)의 연구에 의하면, PET(polyethylene terephthalate)와 AZ91D 마그네슘 합금 시트을 접합하기 위하여 LAMP 기술을 사용한 경우에서, 플라스틱을 레이저 조사한 경우에는 1.5 kN의 인장 전단 하중을 나타내었고, 금속을 레이저 조사한 경우에는 2.9 kN의 인장 전단 하중을 나타내었다 [15]. 정 등(Junget al.)의 연구에 의하면, 탄소섬유 강화 플라스틱과 아연 코팅 시트에 LAMP 접합 기술을 사용한 경우에는 3.3 kN의 최대 인장 전단 하중을 나타내었다 [26]. 또한, 다른 연구에 따르면, 4.8 kN의 최대 인장 전단 하중이 보고된 바 있다 [24].From the results of the tensile shear test of FIG. 6, it is analyzed that an annealing layer formed on the AZ31 magnesium alloy sheet through annealing has a stronger joint. The annealing time affects the oxide layer formed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet, and thus the tensile shear strength can be increased. Tensile shear strength was the best when the AZ31 magnesium alloy sheet was annealed in the range of 5 to 20 minutes. The junction formed using the high temperature metal compression bonding technique formed the strongest junction at a metal block temperature of 500 ° C. and an annealing time in the range of 5 minutes to 20 minutes. For reference, according to a study by Wabah et al., When LAMP technology was used to bond a polyethylene terephthalate (PET) and an AZ91D magnesium alloy sheet, when the plastic was laser irradiated, it exhibited a tensile shear load of 1.5 kN. When the metal was laser irradiated, it showed a tensile shear load of 2.9 kN [15]. According to a study by Jung et al., The maximum tensile shear load of 3.3 kN was shown when LAMP bonding technology was used for carbon fiber reinforced plastic and zinc coated sheets [26]. In addition, other studies have reported a maximum tensile shear load of 4.8 kN [24].

주사전자현미경 결과들로부터, 접합 계면에 인접하여 기포가 형성되는 것이 관찰되었다. 이러한 기포 형성은 어닐링된 AZ31 마그네슘 합금 시트에 비하여 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트의 경우 더 많이 발생하였다. 따라서, 산화층은 이러한 기포 형성의 방지에 주요한 역할을 하는 것으로 분석된다. 또한, 도 7의 (c)에 나타난 바와 같이, 접합 샘플의 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱의 분리가 관찰되었다. 이러한 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱이 분리되는 것은 접합 계면을 따라서 분리 영역을 형성한다. 그러나, 도 8 및 도 10와 같이 어닐링되어 산화층이 형성된 AZ31 마그네슘 합금 시트에서는 이러한 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리가 관찰되지 않았다. 따라서, 이러한 탄소섬유 강화 플라스틱의 분리는 HMPA0, HMPB0 및 HMPC0 과 같이 산화층이 형성되지 않은 경우에서 인장 전단 하중이 낮게 나타나는 이유로 분석된다. 상기 산화층은 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리를 억제하는 것으로 분석되며, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트의 결합을 강하게 하는 것으로 분석된다. 이러한 강화 효과는 도 8(b), 도 8(d), 도 8(e) 및 도 10(b)에 각각 나타난 HMPB1, HMPB2, HMPB3 및 HMPB4 에서의 밀착된 결합 계면들에 의하여 지지될 수 있다. 다만, 어닐링 하지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트에서도 접합 샘플에 자연적인 산화층이 매우 얇게 존재하지만, 기포의 형성을 억제하거나 또는 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 분리를 방지하기에는 충분한 두께 아닌 것으로 분석된다. 어닐링에 의하여 AZ31 마그네슘 합금 시트에 형성된 산화층은 두꺼울수록, 기포들의 형성을 더 효과적으로 억제할 수 있고, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱시트 의 분리를 더 효과적으로 방지할 수 있다.From the scanning electron microscope results, it was observed that bubbles were formed adjacent to the bonding interface. This bubble formation occurred more in the case of the AZ31 magnesium alloy sheet having no oxide layer than the annealed AZ31 magnesium alloy sheet. Therefore, it is analyzed that the oxide layer plays a major role in preventing the formation of such bubbles. Further, as shown in Fig. 7 (c), separation of the carbon fiber reinforced plastic was observed adjacent to the bonding interface of the bonding sample. The separation of the carbon fiber reinforced plastics adjacent to the bonding interface forms a separation region along the bonding interface. However, separation of the carbon fiber-reinforced plastic sheet was not observed in the AZ31 magnesium alloy sheet annealed and formed with an oxide layer as shown in FIGS. 8 and 10. Therefore, the separation of these carbon fiber reinforced plastics is analyzed as the reason that the tensile shear load is low when the oxide layer is not formed, such as HMPA0, HMPB0 and HMPC0. The oxide layer is analyzed to suppress the separation of the carbon fiber reinforced plastic sheet adjacent to the bonding interface, and is analyzed to strengthen the bond between the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet. This strengthening effect can be supported by tightly coupled bonding interfaces in HMPB1, HMPB2, HMPB3 and HMPB4 shown in FIGS. 8 (b), 8 (d), 8 (e) and 10 (b), respectively. . However, even in the unannealed AZ31 magnesium alloy sheet, the natural oxide layer is very thin in the bonded sample, but it is analyzed that it is not sufficiently thick to suppress the formation of bubbles or to prevent the separation of the carbon fiber reinforced plastic sheet adjacent to the bonded interface. . The thicker the oxide layer formed on the AZ31 magnesium alloy sheet by annealing, the more effectively the formation of bubbles can be suppressed, and the separation of the carbon fiber reinforced plastic sheet adjacent to the bonding interface can be more effectively prevented.

도 11에 나타난 바와 같이, 금속-플라스틱 접합체의 파괴된 표면들의 형상은 산화층의 다른 효과를 나타낸다. 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트와 비교하여, 어닐링된 AZ31 마그네슘 합금 시트는 높은 균일성의 결합 영역을 포함한다. 또한, 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트와 비교하여, 어닐링된 AZ31 마그네슘 합금 시트의 접합부의 결합 영역은 더 넓게 형성되었다.As shown in Fig. 11, the shape of the fractured surfaces of the metal-plastic assembly shows different effects of the oxide layer. Compared to the AZ31 magnesium alloy sheet in which the oxide layer is not formed, the annealed AZ31 magnesium alloy sheet includes a high uniformity bonding region. In addition, compared to the AZ31 magnesium alloy sheet without an oxide layer, the bonding region of the annealed AZ31 magnesium alloy sheet was formed to be wider.

도 14에 나타난 바와 같이, X-선 광전자 분광 스펙트럼들 결과들은 HMPB0와 HMPB3의 파괴된 표면들에 대하여 관찰된 곡선에 상이점을 나타낸다. 이러한 결과로부터, AZ31 마그네슘 합금 시트에 산화층이 형성되면, AZ31 마그네슘 합금 시트와 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 사이에서 결합되는 동안 화학적 화합물의 형성을 야기시킬 수 있고, 이에 따라 접합부의 강도를 증가시킬 수 있다. 이러한 화학적 반응에 대하여 추가적인 연구가 필요하다.As shown in Fig. 14, the results of the X-ray photoelectron spectral spectra show differences in the curves observed for the broken surfaces of HMPB0 and HMPB3. From these results, if an oxide layer is formed on the AZ31 magnesium alloy sheet, it may cause the formation of a chemical compound during bonding between the AZ31 magnesium alloy sheet and the carbon fiber reinforced plastic sheet, thereby increasing the strength of the joint. Further research is needed on these chemical reactions.

도 15 및 도 19의 투과전자현미경 결과들과 도 4의 주사전자현미경 결과들로부터 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트의 접합부에 매우 미세한 MgO 층이 개재됨을 알 수 있다. 이러한 MgO 층의 두께는 어닐링 시간에 의존하고, 더 긴 어닐링 시간에서 더 두꺼운 MgO 산화층이 형성된다. 또한, 이러한 산화층은 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트 사이의 밀봉재로서 기능을 할 수 있다.It can be seen from the results of the transmission electron microscope of FIGS. 15 and 19 and the results of the scanning electron microscope of FIG. 4 that a very fine MgO layer is interposed at the junction of the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet. The thickness of this MgO layer depends on the annealing time, and a thicker MgO oxide layer is formed at a longer annealing time. In addition, such an oxide layer may function as a sealing material between the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet.

HMPB1 및 HMPB3의 투과전자현미경 사진들은 접합 계면들에 인접하여 가지 형상 구조들이 형성됨을 알 수 있고, SAED 패턴 분석에 의하여 이러한 가지 형상 구조들은 MgO로 형성됨을 알 수 있다. MgO 산화층은 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 내부로도 성장한다. 이러한 거동에 대한 메커니즘들을 더 이해하기 위한 차후 연구가 필요하다. 가지 형상 구조들은 기계적 고정 효과를 제공할 수 있고, 결합 강도를 상당히 증가시킬 수 있다.The transmission electron micrographs of HMPB1 and HMPB3 show that branch shape structures are formed adjacent to the bonding interfaces, and SAED pattern analysis shows that these branch shape structures are formed of MgO. The MgO oxide layer also grows inside the carbon fiber reinforced plastic sheet. Further research is needed to further understand the mechanisms for this behavior. Branch shape structures can provide a mechanical fixation effect and can significantly increase the bond strength.

도 18(b) 및 도 22(b)에 도시된 바와 같이, 투과전자현미경-EDX 결과들은 다른 흥미로운 결과를 나타낸다. 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 계면에 가장 인접한 최외측 얇은 MgO 산화층은 Mg, C 및 O의 조성이 약간 다르게 나타난다. 이러한 거동의 메커니즘은 아직 완전히 이해하기 어려우나, 화학적 반응에 의한 것으로 추정할 수 있고, 이는 정 등(Junget al.) [26]에 의하여 보고된 바와 같고, 또는 알려지지 않은 구조의 형성이다. 이러한 현상에 대하여 추가 연구가 필요하다.18 (b) and 22 (b), the transmission electron microscope-EDX results show other interesting results. The outermost thin MgO oxide layer closest to the interface of the carbon fiber reinforced plastic sheet has a slightly different composition of Mg, C and O. The mechanism of this behavior is still difficult to fully understand, but can be assumed to be due to a chemical reaction, as reported by Jung et al. [26], or the formation of an unknown structure. Further research is needed on this phenomenon.

도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법을 이용하여 형성한 금속-플라스틱 접합체에 대한 고온 금속 압축 접합 기술의 메커니즘을 설명하는 모식도이다. 도 23에서, (a)는 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금을 접합하는 경우이고, (b)는 탄소섬유 강화 플라스틱과 어닐링되어 산화층이 형성된 AZ31 마그네슘 합금을 접합하는 경우이다.23 is a schematic diagram illustrating a mechanism of a high-temperature metal compression bonding technique for a metal-plastic joint formed using a metal-plastic bonding method using a high-temperature metal compression method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 23, (a) is a case where a carbon fiber reinforced plastic sheet and an AZ31 magnesium alloy without an oxide layer are bonded, and (b) is a case where an AZ31 magnesium alloy having an oxide layer formed by annealing with a carbon fiber reinforced plastic is bonded. .

도 23를 참조하면, 상기 메커니즘은 상술한 결과들을 기초로 구성될 수 있다. 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트를 접합하는 경우에는, 금속 블록으로부터 마그네슘 합금으로, 그리고 이어서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트로 빠르게 열이 전달된다. 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 플라스틱 매트릭스는 전달된 열에 의하여 빠르게 용융될 수 있고, 접합 계면에 인접하여 용융부가 형성될 수 있다. 이어서, 접합 계면에 인접한 용융부로부터 작은 기포들이 생성될 수 있고, 결과적으로 플라스틱 매트릭스를 분리시키고 강화 탄소섬유들로 열이 급격하게 전달될 수 있다 [26]. 금속 블록을 제거한 후에는, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트로부터 분리된 플라스틱 매트릭스는 고상화되고, 접합 계면에서 마그네슘 합금의 표면으로부터 분리되고, 결과적으로 접합 계면에 간극을 형성한다. 따라서, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱의 분리와 기포 형성이 설명될 수 있다.Referring to FIG. 23, the mechanism can be configured based on the above-described results. In the case of bonding the AZ31 magnesium alloy sheet without an oxide layer, heat is rapidly transferred from the metal block to the magnesium alloy and then to the carbon fiber reinforced plastic sheet. The plastic matrix of the carbon fiber reinforced plastic sheet can be rapidly melted by the transferred heat, and a melt can be formed adjacent to the bonding interface. Subsequently, small bubbles can be generated from the melt adjacent to the bonding interface, resulting in separation of the plastic matrix and rapid transfer of heat to the reinforced carbon fibers [26]. After removing the metal block, the plastic matrix separated from the carbon fiber reinforced plastic sheet solidifies, separates from the surface of the magnesium alloy at the bonding interface, and consequently forms a gap at the bonding interface. Thus, separation of the carbon fiber reinforced plastic and bubble formation can be explained adjacent to the bonding interface.

마그네슘 합금 시트의 표면에 산화층(MgO 층)을 포함하는 경우에는, 산화층은 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 직접 접촉하게 되고, 따라서 금속 블록으로부터 열이 탄소섬유 강화 플라스틱 시트로 전달되는 것을 방지한다. 이어서, 금속 블록으로부터 AZ31 마그네슘 합금 시트로 열이 전달된다. 그러나, 산화층은 마그네슘 합금에 비하여 낮은 열전도성을 가지므로, AZ31 마그네슘 합금 시트로부터 탄소섬유 강화 플라스틱 시트로 열이 전달되는 것이 느려지게 된다. 결과적으로, 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 용융이 점진적으로 발생하게 되고, 접합 계면에서 탄소섬유 강화 플라스틱 시트의 용융부가 상대적으로 얇은 층의 형태로서 형성될 수 있다. 이러한 얇은 용융층은 AZ31 마그네슘 합금 시트의 표면에 강하게 접착되고, 결과적으로 금속 블록이 제거된 경우 느린 속도로 고상화되고, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트가 매우 밀착되어 결합한다. 추가로, 산화층은 탄소섬유 강화 플라스틱 시트 내로 성장하고, 기계적 고정 효과를 제공하고, 접합부의 접합 강도를 증가시킬 수 있다.When the oxide layer (MgO layer) is included on the surface of the magnesium alloy sheet, the oxide layer comes into direct contact with the carbon fiber reinforced plastic sheet, thereby preventing heat from being transferred from the metal block to the carbon fiber reinforced plastic sheet. Then, heat is transferred from the metal block to the AZ31 magnesium alloy sheet. However, since the oxide layer has lower thermal conductivity than the magnesium alloy, heat transfer from the AZ31 magnesium alloy sheet to the carbon fiber reinforced plastic sheet is slowed down. As a result, the melting of the carbon fiber reinforced plastic sheet gradually occurs adjacent to the bonding interface, and the melting portion of the carbon fiber reinforced plastic sheet at the bonding interface may be formed as a relatively thin layer. This thin molten layer adheres strongly to the surface of the AZ31 magnesium alloy sheet, and consequently solidifies at a slow rate when the metal block is removed, and the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet are very tightly bonded. Additionally, the oxide layer can grow into the carbon fiber reinforced plastic sheet, provide a mechanical fixation effect, and increase the bonding strength of the joint.

결론conclusion

탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트를 접합하도록 고온 금속 압축 기술을 사용하였다. 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트와 다양한 시간으로 어닐링하여 산화층을 형성한 AZ31 마그네슘 합금 시트를 사용하여 접합 공정을 수행하였다. 이에 따라, 하기와 같은 결론이 도출되었다. A high temperature metal compression technique was used to bond the carbon fiber reinforced plastic sheet to the AZ31 magnesium alloy sheet. The bonding process was performed using an AZ31 magnesium alloy sheet in which an oxide layer was not formed and an AZ31 magnesium alloy sheet in which an oxide layer was formed by annealing at various times. Accordingly, the following conclusions were drawn.

1. 고온 금속 압축 접합 기술을 이용하여, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트를 AZ31 마그네슘 합금 시트에 접합하는 것이 성공적으로 수행되었다.1. Using high temperature metal compression bonding technology, bonding carbon fiber reinforced plastic sheet to AZ31 magnesium alloy sheet has been successfully performed.

2. 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트들을 이용한 접합부에 비하여, 어닐링에 의하여 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 표면에 표면층을 산화시킨 경우가 더 높은 접합 강도가 구현되었다.2. A higher bonding strength was realized when the surface layer was oxidized on the surfaces of the AZ31 magnesium alloy sheets by annealing, compared to the junction using the AZ31 magnesium alloy sheets without an oxide layer.

3. 산화층이 형성되지 않은 AZ31 마그네슘 합금 시트에서는 기포가 형성되고 접합 계면에 인접하여 탄소섬유 강화 플라스틱에서 분리가 발생하였고, 접합 계면을 따라서 분리 영역이 발생하였다.3. In the AZ31 magnesium alloy sheet where the oxide layer was not formed, bubbles were formed and separation occurred in the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface, and a separation region was generated along the bonding interface.

4. AZ31 마그네슘 합금 시트들의 표면 상에 어닐링으로 형성된 산화층들이 있는 경우에는, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트가 분리되지 않고, 접합 계면들에 인접하여 기포가 형성되지 않았다. 이러한 경우에는, 탄소섬유 강화 플라스틱 시트와 AZ31 마그네슘 합금 시트가 단단하게 결합되었다.4. When there were oxide layers formed by annealing on the surfaces of the AZ31 magnesium alloy sheets, the carbon fiber reinforced plastic sheet was not separated, and bubbles were not formed adjacent to the bonding interfaces. In this case, the carbon fiber reinforced plastic sheet and the AZ31 magnesium alloy sheet were tightly bonded.

5. 어닐링에 의하여 AZ31 마그네슘 합금 시트들의 표면에 형성된 산화층은 마그네슘 합금과 탄소섬유 강화 플라스틱 시트들 사이에 균일하고 넓은 결합 영역을 가지는 접합부를 형성하였다.5. The oxide layer formed on the surface of the AZ31 magnesium alloy sheets by annealing formed a joint having a uniform and wide bonding area between the magnesium alloy and the carbon fiber reinforced plastic sheets.

6. 어닐링된 마그네슘 합금 시트 샘플들의 접합 계면에 인접하여 산화층이 탄소섬유 강화 플라스틱 내부로 성장하는 것이 관찰되었고, 이에 따라 접합 강도를 증가시키는 기계적 고정 효과를 제공할 수 있다.6. It has been observed that the oxide layer grows inside the carbon fiber reinforced plastic adjacent to the bonding interface of the annealed magnesium alloy sheet samples, thus providing a mechanical fixation effect that increases the bonding strength.

7. 고온 금속 압축 접합 기술을 이용한 더 강한 접합부에 대한 최적 조건은 500℃의 금속 블록 온도와 마그네슘 합금 시트들을 5 분 내지 20 분 사이에서 어닐링 한 것에 의하여 구현되었다.7. Optimal conditions for stronger joints using hot metal compression bonding techniques were realized by annealing the metal block temperature of 500 ° C. and magnesium alloy sheets between 5 and 20 minutes.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art.

Claims (12)

플라스틱 부재 상에 금속 부재를 위치시켜, 상기 금속부재와 상기 플라스틱 부재가 접촉하는 중첩부를 형성하는 단계;
상기 중첩부에 해당되는 상기 금속 부재 상에 제1 온도를 가지는 금속 블록을 위치시키는 단계; 및
상기 금속 블록 상에 재화중량 부재를 위치시켜, 상기 중첩부를 가압함으로써, 상기 중첩부에서 상기 금속 부재와 상기 플라스틱 부재가 접합된 접합부를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 중첩부 형성단계 이전에, 상기 금속 부재의 표면에 다공성 산화층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 금속 블록의 열이 상기 금속 블록으로부터 금속 부재로, 이어서 플라스틱부재로 열이 전달되며,
상기 산화층은 상기 금속 블록의 열이 상기 산화층에 의해 상기 금속 부재로부터 상기 플라스틱 부재로 열이 전달되는 것이 느려지게 하며, 상기 산화층이 기포를 외부로 배출시켜 상기 접합부에 해당하는 상기 플라스틱 부재에 기포 생성을 방지하는 것을 특징으로 하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
Placing a metal member on the plastic member to form an overlapping portion in contact with the metal member;
Placing a metal block having a first temperature on the metal member corresponding to the overlapping portion; And
Including the step of forming a joint in which the metal member and the plastic member are joined in the overlapping portion by placing the weight member on the metal block and pressing the overlapping portion.
Before the step of forming the overlap portion, further comprising forming a porous oxide layer on the surface of the metal member,
The heat of the metal block is transferred from the metal block to the metal member, and then to the plastic member,
The oxide layer causes heat of the metal block to slow heat transfer from the metal member to the plastic member by the oxide layer, and the oxide layer discharges bubbles to the outside to generate bubbles in the plastic member corresponding to the junction. Characterized in that, to prevent the metal and plastic bonding method using a high-temperature metal compression method.
삭제delete 삭제delete 제 2 항에 있어서,
상기 산화층을 형성하는 단계는,
400 내지 600 ℃에서 0 분 초과 내지 20 분간 어닐링하는 것을 특징으로 하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 2,
The step of forming the oxide layer,
A method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method, characterized by annealing at 400 to 600 ° C for more than 0 to 20 minutes.
제 2 항에 있어서,
상기 산화층은 0.1 내지 5 ㎛ 범위의 두께를 가지는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 2,
The oxide layer has a thickness in the range of 0.1 to 5 ㎛, metal and plastic bonding method using a high-temperature metal compression method.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 온도는 400℃ 내지 600℃ 범위인, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
Wherein the first temperature is 400 ℃ to 600 ℃ range, a method of bonding metal and plastic using a high-temperature metal compression method.
제 1 항에 있어서,
상기 접합부 형성 단계시,
0.1 내지 0.3 MPa로 가압하는 것을 특징으로 하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
In the step of forming the junction,
A method of joining metal and plastic using a high-temperature metal compression method, characterized in that it is pressurized to 0.1 to 0.3 MPa.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 블록은 구리 합금, 알루미늄 합금 및 탄소강 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
The metal block comprises at least one of copper alloy, aluminum alloy and carbon steel, a method of joining metal and plastic using a high-temperature metal compression method.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 부재는 알루미늄 합금, 티타늄 합금 및 마그네슘 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
The metal member comprises at least one of an aluminum alloy, a titanium alloy and a magnesium alloy, a method of joining metal and plastic using a high-temperature metal compression method.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 부재는 AZ31 마그네슘 합금을 포함하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
The metal member includes a AZ31 magnesium alloy, a method of joining metal and plastic using a high temperature metal compression method.
제 1 항에 있어서,
상기 플라스틱 부재는 열가소성 수지와 탄소섬유가 포함된 탄소섬유 강화 플라스틱을 포함하는, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
According to claim 1,
The plastic member comprises a thermoplastic resin and carbon fiber-reinforced plastic containing carbon fiber, a method of bonding metal and plastic using a high-temperature metal compression method.
제 11 항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 열가소성 폴리우레탄 및 폴리아미드 중에서 선택된 하나 이상인, 고온 금속 압축법을 이용한 금속과 플라스틱의 접합방법.
The method of claim 11,
The thermoplastic resin is at least one selected from thermoplastic polyurethane and polyamide, a method of bonding metal and plastic using a high-temperature metal compression method.
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