KR20130057008A - 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판을 결합강도를 향상시키면서 안정적으로 결합시킬 수 있도록 한 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 탄소섬유 고분자 복합재의 일측 단부인 제1결합단과, 금속재의 일측 단부인 제2결합단을 결합시키는 장치에 있어서, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단의 끝단면 중앙부에 체결단을 일체로 돌출 형성하고, 상기 금속재의 제2결합단의 끝단면 중앙부에 체결홈을 형성하여, 탄소섬유 고분자 복합재의 체결단을 금속재의 체결홈내에 삽입 체결시키고, 체결단 및 체결홈이 상호 체결된 부분에 암나사를 두께방향을 따라 관통 삽입하는 동시에 암나사에 숫나사를 삽입 체결하여서 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.

Description

탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법{Device and method for joining carbon fiber/polymer composites and metallic plates}
본 발명은 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판을 결합강도를 향상시키면서 안정적으로 결합시킬 수 있도록 한 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 간의 결합은 그 형태에 따라, 1) 단면 조인트(single-lap joint), 2) 양면 조인트 (double-lap joint), 3) 보강물 부착 조인트(joint with attachments) 등으로 나눌 수 있고, 이러한 조인트 방법에는 접착제를 이용한 결합(adhesively bonded)과 접착제 및 볼트를 함께 이용한 결합(hybrid joint)방법이 적용되고 있다.
상기 단면 조인트 방법은 첨부한 도 5에서 보듯이, 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 적층하여 접착제 또는 볼트/너트로 결합하는 방법이고, 상기 양면 조인트 방법은 첨부한 도 6에서 보듯이 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 서로 마주보게 배치한 다음, 그 위쪽 및 아래쪽에 탄소섬유 복합재를 덧대어 접착제로 결합하는 방법이며, 상기 보강물 부착 조인트 방법은 첨부한 도 7에서 보듯이 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 적층하여 접착제로 결합하는 동시에 그 위쪽 및 아래쪽에 보강플레이트를 더 적층하여 접착제 또는 볼트/너트로 결합하는 방법을 말한다.
그러나, 위와 같은 종래의 결합 방법은 공통적으로 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부가 서로 결합된 지점에 응력이 집중됨에 따라, 결합 강도가 감소하는 단점이 있다.
즉, 단면 및 양면 조인트 방법의 기계적 응력 분포 그래프를 나타내는 도 8 및 도 9의 원으로 표시된 부분과 같이, 단면과 양면 조인트 방법 모두 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부가 서로 결합된 지점에 박리응력의 집중이 존재하며, 이러한 응력집중으로 인하여 이종 재료의 결합 강도가 감소하는 단점이 있다.
이러한 단점을 감안하여 단면 및 양면 조인트 방법에 볼트/너트 또는 보강플레이트와 같은 보강물을 더 추가하여 결합 강도를 높일 수 있고, 이러한 보강물은 급작스런 파괴에 대응하는 일종의 안정장치(Fail-safe 구조) 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 보강물의 접착은 응력집중의 완화정도가 그리 높지 못한 단점이 있다.
즉, 보강물의 일종인 볼트/너트의 경우, 볼트의 머리 부분과 나사산이 탄소섬유 복합재에 접촉하며 압축력으로 가해질 때의 신율(ultimate strain)이 높지 않아, 탄소섬유 복합재로부터의 파괴가 시작될 수 있는 단점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래의 결합 방법은 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부가 서로 다른 높이를 가지며 적층됨에 따라, 외관적으로 자연스러워 보이지 않는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판 간의 결합을 위한 효과적인 결합설계를 통하여 결합강도 및 안정성을 높일 수 있고, 외관적으로 자연스러운 결합형태를 제공할 수 있도록 한 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 탄소섬유 고분자 복합재의 일측 단부인 제1결합단과, 금속재의 일측 단부인 제2결합단을 결합시키는 장치에 있어서, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단의 끝단면 중앙부에 체결단을 일체로 돌출 형성하고, 상기 금속재의 제2결합단의 끝단면 중앙부에 체결홈을 형성하여, 탄소섬유 고분자 복합재의 체결단을 금속재의 체결홈내에 삽입 체결시키고, 체결단 및 체결홈이 상호 체결된 부분에 암나사를 두께방향을 따라 관통 삽입하는 동시에 암나사에 숫나사를 삽입 체결하여서 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치를 제공한다.
또한, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 체결단과 금속재의 체결홈은 접착제에 의하여 상호 접착되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단의 끝단면은 체결단까지 일정한 각도(θ)로 경사지게 형성되고, 금속재의 제2결합단의 끝단면도 체결홈까지 동일각도(θ)로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단의 끝단면은 체결단까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성되고, 상기 금속재의 제2결합단의 끝단면도 체결홈까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 탄소섬유 고분자 복합재의 일측 단부인 제1결합단과, 금속재의 일측 단부인 제2결합단을 결합시키는 방법에 있어서, 상기 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단의 끝단면 중앙부에 체결단을 일체로 돌출 형성하고, 상기 금속재의 제2결합단의 끝단면 중앙부에 체결홈을 형성하는 가공단계와; 상기 체결단을 포함하는 탄소섬유 고분자 복합재의 제1결합단과, 상기 체결홈을 포함하는 금속재의 제2결합단을 솔벤트로 클리닝하는 단계와; 클리닝된 금속재의 제2결합단 표면에 실란 프리머를 도포하는 단계와; 체결단 및 체결홈의 표면에 접착제를 도포한 후, 체결단을 체결홈내에 삽입 체결시키는 단계와; 상기 체결단 및 체결홈이 상호 체결된 부분에 암나사를 두께방향을 따라 관통 삽입하는 단계와; 상기 암나사에 숫나사를 삽입 체결하는 단계와; 상기 접착제를 오븐에서 경화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유 고분자 복합재는 연속탄소섬유와 에폭시가 혼합된 것이고, 상기 금속재는 알루미늄 재질로 만들어진 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 접착제는 에폭시 계열의 접착제로서 DGEBA(Diglycidyl Ether of Bisphenol-A) 수지와 아민 하드너(amine hardener)를 100:25의 무게비로 혼합시킨 것임을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판을 결합시키기 위하여, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재의 각 결합단의 형상을 효과적인 결합 구조로 설계하고, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재의 각 결합단을 접착제를 이용하여 상호 삽입 체결시키는 1단계 결합과정과, 암나사 및 숫나사를 이용한 2단계 결합과정을 통하여 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 간의 결합강도를 안정적으로 향상시킬 수 있고, 이에 상호간의 박리 및 전단응력 집중에 의한 강도 저하 현상을 해결할 수 있다.
또한, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재의 결합부분이 일자형 구조를 이루기 때문에 깨끗한 결합면을 제공하여 외관미를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 장치와, 비교예에 따른 종래의 결합장치를 비교하여 나타낸 단면도,
도 3 및 도 4는 도 2의 실시예 및 비교예에 따른 결합 장치의 응력집중도 및 전단응력을 테스트한 결과 그래프,
도 5 내지 도 7은 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 종래의 결합 장치를 나타낸 개략도,
도 8 및 도 9는 종래의 결합 장치에 대한 응력 분포를 설명하는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판을 상호 체결시킴에 있어서, 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 평판을 서로 삽입 체결하여 일자형 구조를 이루게 된다.
즉, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 일측 단부인 제1결합단(12)과, 금속재(20)의 일측 단부인 제2결합단(22)을 서로 삽입 체결시키는 방법을 채택하여, 결합강도를 높일 수 있고, 결합부분이 외관상 일자형 구조를 이룸에 따라 외관미를 높일 수 있다.
이를 위해, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 일측 단부인 제1결합단(12)과, 금속재(20)의 일측 단부인 제2결합단(22)을 삽입 체결시키기 위한 최적의 치수설계를 하고, 이 치수설계를 기반으로 기계적 정밀 가공을 함으로써, 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면 중앙부에 체결단(14)이 일체로 돌출 형성되도록 하고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면 중앙부에 체결홈(24)이 형성되도록 한다.
이때, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)는 연속탄소섬유와 에폭시가 혼합된 것이고, 상기 금속재(20)는 알루미늄 6061-T6 재질로 만들어진 것으로 채택된다.
특히, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과 금속재(20)의 제2결합단(22) 간의 접착제 도포 면적을 증대시키고 접착층내 응력집중을 완화시켜 접합강도를 향상시키고자, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면은 체결단(14)까지 일정한 각도(θ)로 경사지게 형성되고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면도 체결홈(24)까지 동일각도(θ)로 경사지게 형성되도록 한다.
바람직하게는, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면은 체결단(14)까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성되고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면도 체결홈(24)까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성되도록 한다.
한편, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과 금속재(20)의 제2결합단(22)에 대한 치수 설계의 일례는 첨부한 도 1의 하단부에 기재된 바와 같다.
다음으로, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 체결단(14)을 포함하는 제1결합단(12)의 끝단면과, 상기 금속재(20)의 체결홈(24)을 포함하는 제2결합단(22)의 끝단면에 접착제(34)를 도포하기 전에, 접착제(34)의 접착이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 한 클리닝 과정 및 실란 프리머 도포 과정이 진행된다.
즉, 접착제 도포 이전에, 상기 체결단(14)을 포함하는 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과, 상기 체결홈(24)을 포함하는 금속재(20)의 제2결합단(22)을 솔벤트로 클리닝하고, 클리닝된 체결홈(24)의 표면에 실란 프리머(중성 정제수에 1% silane 액을 첨가한 용액)를 도포한다.
이어서, 클리닝된 체결단(14)을 포함하는 제1결합단(12)의 끝단면과, 실란 프리머가 도포된 체결홈(24)을 포함하는 제2결합단(22)의 끝단면에 접착제(34)를 도포한 후, 체결단(14)을 체결홈(24)내에 삽입 체결시킨다.
이때, 상기 접착제(34)는 에폭시 계열의 접착제로서 DGEBA(Diglycidyl Ether of Bisphenol-A) 수지와 아민 하드너(amine hardener)를 100:25의 무게비로 혼합시킨 것을 사용한다.
이에, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과 금속재(20)의 제2결합단(22)이 접착제(34)에 의하여 1차 접합된다.
즉, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 체결단(14)이 금속재(20)의 체결홈(24)내에 삽입 체결되는 동시에 체결단(14)과 체결홈(24)이 접착제(34)에 의하여 1차 접합된다.
상기 제1결합단(12)의 끝단면 및 제2결합단(22)의 끝단면이 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성됨에 따라, 접착층내 응력집중이 완화되고 접착제 도포 면적이 증대되면서 접착제에 의한 접합강도를 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과 금속재(20)의 제2결합단(22)이 암나사(30) 및 숫나사(32)에 의하여 2차 접합되는 단계가 진행된다.
즉, 상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 체결단(14) 및 금속재(20)의체결홈(24)이 상호 체결된 부분에 암나사(30)를 두께방향을 따라 관통 삽입한 후, 상기 암나사(30)내에 숫나사(32)를 삽입 체결하는 단계가 진행된다.
좀 더 상세하게는, 상기 금속재(20)의 체결홈(24)이 형성된 제2결합단(22)의 한쪽 외표면을 통하여 암나사(30)를 삽입하되, 체결단(14)을 관통하여 제2결합단(22)의 다른쪽 외표면까지 삽입한 후, 상기 암나사(30)내에 암나사의 체결방향과 반대방향으로 숫나사(32)를 삽입 체결함으로써, 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과 금속재(20)의 제2결합단(22)이 암나사(30) 및 숫나사(32)에 의하여 2차 접합되는 단계가 완료된다.
최종적으로, 접착제(34)를 비롯하여 암나사(30) 및 숫나사(32)에 의하여 결합된 탄소섬유 고분자 복합재(10) 및 금속재(20)를 오븐에 넣어 접착제(34)를 경화시키는 단계가 진행된다.
여기서, 본 발명을 실시예 및 비교예를 통하여 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예
상기와 같이, 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 체결단(14)을 금속재(20)의 제2결합단(22)의 체결홈(24)내에 접착제를 이용하여 1차로 삽입 체결하고, 암나사(30) 및 숫나사(32)를 이용하여 2차 체결하되, 결합을 위한 설계치수를 첨부한 도 2의 (a)에서 보듯이 t= 10 mm, tm= 5 mm, tc= 2.5 mm, lb= 20 mm, lh= 0mm, db= 0 mm, θ= 45°로 하였다.
비교예
비교예는 기존의 양면 조인트 방식으로서, 결합을 위한 설계치수는 첨부한 도 2의 (b)에서 보듯이, t= 10 mm, tm= 5 mm, tc= 2.5 mm, lb= 20 mm, lh= 0, db= 0, θ= 90°로 하였다.
시험예
본 발명의 실시예에 따른 결합 구조와, 비교예에 따른 양면 조인트 구조에 대한 박리응력 및 전단응력 집중도 즉, 인장하중 하에 접찹제 층에 형성되는 박리응력과 전단응력 집중도를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같다.
도 8 및 도 9에서 보듯이, 본 발명의 실시예에 따른 결합 구조는 박리응력 집중도가 비교예의 것에 비하여 약 10배 정도 낮게 형성되고, 전단응력 집중도는 5 배 정도 낮게 형성됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 결합 구조는 암나사 및 숫나사 결합에 의한 기계적 압축력이 더해짐에 따라, 박리응력 및 전단응력 집중도가 더 낮아지는 것을 알 수 있고, 결국 본 발명의 실시예에 따른 결합 구조는 비교예에 다른 종래 구조에 비하여 접착제에 의한 접함강도 및 암수나사에 의한 결합강도에 의하여 전체적인 접합 및 결합강도가 개선됨을 알 수 있다.
10 : 탄소섬유 고분자 복합재
12 : 제1결합단
14 : 체결단
20 : 금속재
22 : 제2결합단
24 : 체결홈
30 : 암나사
32 : 숫나사
34 : 접착제

Claims (7)

  1. 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 일측 단부인 제1결합단(12)과, 금속재(20)의 일측 단부인 제2결합단(22)을 결합시키는 장치에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면 중앙부에 체결단(14)을 일체로 돌출 형성하고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면 중앙부에 체결홈(24)을 형성하여, 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 체결단(14)을 금속재(20)의 체결홈(24)내에 삽입 체결시키고, 체결단(14) 및 체결홈(24)이 상호 체결된 부분에 암나사(30)를 두께방향을 따라 관통 삽입하는 동시에 암나사(30)내에 숫나사(32)를 삽입 체결하여서 된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 체결단(14)과 금속재(20)의 체결홈(24)은 접착제(34)에 의하여 상호 접착되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면은 체결단(14)까지 일정한 각도(θ)로 경사지게 형성되고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면도 체결홈(24)까지 동일각도(θ)로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면은 체결단(14)까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성되고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면도 체결홈(24)까지 45°≤θ< 90°로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치.
  5. 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 일측 단부인 제1결합단(12)과, 금속재(20)의 일측 단부인 제2결합단(22)을 결합시키는 방법에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)의 끝단면 중앙부에 체결단(14)을 일체로 돌출 형성하고, 상기 금속재(20)의 제2결합단(22)의 끝단면 중앙부에 체결홈(24)을 형성하는 가공단계와;
    상기 체결단(14)을 포함하는 탄소섬유 고분자 복합재(10)의 제1결합단(12)과, 상기 체결홈(24)을 포함하는 금속재(20)의 제2결합단(22)을 솔벤트로 클리닝하는 단계와;
    클리닝된 체결홈(24)의 표면에 실란 프리머를 도포하는 단계와;
    실린 프리머가 도포된 체결홈(24) 및 체결단(14)의 표면에 접착제(34)를 도포한 후, 체결단(14)을 체결홈(24)내에 삽입 체결시키는 단계와;
    상기 체결단(14) 및 체결홈(24)이 상호 체결된 부분에 암나사(30)를 두께방향을 따라 관통 삽입하는 단계와;
    상기 암나사(30)내에 숫나사(32)를 삽입 체결하는 단계와;
    상기 접착제(34)를 오븐에서 경화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄소섬유 고분자 복합재(10)는 연속탄소섬유와 에폭시가 혼합된 것이고, 상기 금속재(20)는 알루미늄 재질로 만들어진 것임을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 접착제(34)는 에폭시 계열의 접착제로서 DGEBA(Diglycidyl Ether of Bisphenol-A) 수지와 아민 하드너(amine hardener)를 100:25의 무게비로 혼합시킨 것임을 특징으로 하는 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 방법.
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