산업의 전 분야에 걸친 급속한 발전으로 기계적 강도를 충분하게 갖는 가벼운 구조물에 대한 요구가 증대되고 있으며, 복합재료 적층 구조물에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 항공우주 분야 및 운송 교통 산업 분야에서는 설계, 제작 기술의 발전에 따라 초기의 보조 구조물로서의 적용 단계를 지나 보다 높은 하중을 지지하는 일차 구조물로의 사용이 점차 증대되고 있다.
체결부나 접착부위가 없는 일체형 제품을 만드는 것이 실제 구조물의 설계나 제작에는 이상적이기는 하지만, 부품의 크기, 가공 용이성, 제작 용이성, 경제적인 측면, 유지· 보수 및 점검, 장·탈착의 편이성 때문에 일반적으로 전체 구조물은 여러 개의 독립된 부품을 조립하여 제작된다. 복합재료 부품은 하나의 단품으로 사용될 수 있으나, 대부분 복합재료 또는 금속 부품과 함께 구조물의 일부를 이루게 된다.
접착 방법은 접착제를 이용한 접착 계면이 연속적이기 때문에 접착 면적 위로 하중을 받는 경우에 응력 분포가 일정하며 그리고 피로 균열 진전에 대한 저항성이 기계적인 체결에 의한 방식에 비하여 우수하다. 또한, 복잡한 형상의 부품 접착이 용이하고 접착제를 이용한 구조물의 기밀 밀폐가 용이하다. 특히 접착제나 접착부의 형태를 다양하게 선택 할 수 있는 장점이 있으며, 접착 공정의 단순화로 경제적인 체결이 가능하고, 부식에 대한 저항이 매우 강한 장점이 있다. 기계적인 체결 방법은 체결구로 인한 체결 표면에 불연속면이 발생하는 반면, 접착 체결방법은 불연속적인 조립 표면이 발생하지 않기 때문에 손상된 복합 재료 구조물의 수리 방법으로 많은 부분에서 널리 응용, 적용되어왔다. 대부분의 복합재료 적층판의 수리는 불연속면을 발생시키지 않게 수리되어야 하며, 형상이나 치수가 안정적으로 유지되어야 하므로 경사식 또는 계단식 접착 개념이 많이 사용되고 있다. 경사식 접착 방법이나 계단식 접착 방법은 완만한 표면을 갖고 그리고 상대적으로 높은 접착 강도를 갖는 효과적인 접착 방법이다. 스카프식 접착 방식은 가장 안정적이고 높은 접착 효율을 나타내는 접착 방식으로 보고되고 있다. 그러나 공정의 경제적인 측면과 접착 공정을 반드시 거쳐야 하는 조립 공정의 측면에서 계단식 접착 방식이 훨씬 경제적이다. 경사식 접착 방법은 높은 하중을 받는 구조물에 사용되기 때문에 넓은 접착 면과 완만한 경사각을 통하여 높은 접착 효율을 얻을 수 있기 때문에 접착면을 제작하기 위해서는 공정에 상당한 주의가 필요하며 대부분 기계 가공이 필요하다. 또한, 기계 가공에 의한 복합재료 구조물의 손상과 경제적 손실이 발생할 수 있다. 특히, 경사식 접착 공정을 이용한 접착에는 정확한 접착 치수가 필요하며, 접착용 치 공구가 필요하다. 이에 반해, 계단식 접착 방법은 계단의 증가에 따라 기계적 강도 증가가 가능하고, 부품 제작 공정 중 접착부의 제작이 부품 제작의 일부 공정으로 가능하다. 또한 여러 개의 계단으로 구성된 접착면이 사전 부품 제작 공정에서 준비되므로 조립 기준면의 확보가 추가적인 가공 없이 가능하다. 그리고 하나의 부품마다 기계 가공을 거쳐 접착면을 확보해야하는 경사식 접착 방법과는 달리, 간단한 치 공구를 부품 제작 몰드에 조립하여 부품제작과 동시에 접착면을 제작할 수 있다. 그러므로 간단한 제작 공정으로 접착부에 대한 치수 안전성을 확보할 수 있다.
경제적인 측면에서, 접착 구조물의 품질 검사가 용이하지 않으며, 검사에 많은 비용이 소요된다. 또한 접착 면적의 증가에 따라서 접착부내에서 결함이 존재할 가능성이 증가하고 또한 넓은 접착 면적에 따른 경제적인 손실을 야기 시키므로 최적의 접착 면적 및 접착 방식이 고려되어야 한다.
접착제를 이용한 접착방법은 모재에 비하여 접착제가 상대적으로 취약하기 때문에 모재의 변형에 의해 접착제에 발생하는 전단응력이 가장 중요한 설계 요소이다. 또한 복합재료는 일반금속 보다 높은 비 강도를 나타내지만 일반적으로 취성이고, 변형률이 작기 때문에 훨씬 더 신중하게 설계를 고려하여야 한다. 이러한 이유가 복합재료 적층 판을 이용한 접착과 이에 대한 신뢰성 있는 설계 기법을 개발하기 위한 많은 연구나 노력이 진행되는 이유이다.
접착제를 이용한 복합재료 접착 체결부에 대한 거동은 최근까지 많은 연구가 현재까지도 계속 진행 중에 있으나 그러나 대부분의 연구는 비교적 가벼운 하중을 받는 단일 접착 또는 이중 접착 방식에 대한 접착강도의 평가에 대해서 이루어져 왔다. 반면, 접착부에 대한 피로 특성 연구는 시작 단계에 있어 설계에 반영할 수 있는 축적된 자료가 미미하다. 또한 경사식 접착 방법이나 계단식 접착 방법은 복합재료나 금속 재료를 이용한 고 하중을 받는 항공기 구조물에 적용되고 있다.
이에 따라 높은 접착 강도를 나타내면서, 효과적이고 경제적인 접착 방식에 대한 연구가 필요하다. 또한 설계에 반영할 수 있는 축적된 자료가 접착 강도 및 피로특성 등에 대하여 확보되어, 설계에 반영되어야 한다. 따라서 본 연구는 접착 체결부의 기하학적인 형상 변화에 의한 영향을 접착강도와 피로 특성에 대해서 평가하였다. 그리고 경사식 접착 체결 방식과 동일한 특성을 나타낼 수 있는 계단식 접착부의 기하학적인 요소에 대한 기준을 제안하여 효과적이고 경제적인 접착부에 대한 기본적인 설계 자료를 제공하고자 한다.
2. 연구 동향
대부분의 연구는 접합부의 파단에 관해서 많이 수행되고 접합부의 형상에 관해서는 잘 알려져 있지 않으나 겹치기 접합부의 응력 해석에 관한 연구가 실험적 방법과 유한 요소방법으로 연구가 계속 진행되고 있다.
Goeij등은 반복하중 하에서 접착제 접합의 피로 거동이 온도, 응력비, 하중비율과 같은 접합부의 성능을 좌우하기 때문에 체계화되지 않은 것으로 보고하였다. Mahi[5]등은 복합재료 적층판의 강성 감소와 에너지 해방률에 대하여 피로시험 평가하였고, 적층판의 강성 감소와 크랙 사이의 관계를 밝혔다.
Hart-Smith는 여러 가지 종류의 접착 접합부인 단면 겹치기, 양면 겹치기, 다단 겹치기, 경사면 겹치기 접착 접합부에 대한 응력 해석을 수행하였고 모재의 형상 변경이 좀 더 균일한 하중과 응력 분포를 나타낸다고 하였다. 또한 접착 길이가 접합부의 파괴 거동과 전단 응력(τ)에 중요한 영향을 미치며 전단 응력은 접착 길이의 증가에 따라 현저하게 감소함을 보였다.
Owens는 접착제로 접착한 접합부의 파단 저항은 결합 모재의 강성과 강도의 상호 작용에 의존하며 결합부 내에서 응력은 하중과 각 부분의 재료 modulus 와 기하학적인 형상에 의존하며 응력이 재료의 강도를 초과하면 파단이 발생함을 보였다.
Matthews는 접착제를 이용하여 접착한 탄소 섬유 강화 복합재 적층판의 접착 접합부의 접착 길이의 변화에 의한 단일 접착 결합에 대한 영향을 평가하여 접착 길이 증가에 따른 접합강도, 접착제의 파단, 모재의 굽힘에 의한 파단이 발생함을 밝혔다.
Hahn과 Kim은 잔류강도의 기울기가 잔류강도의 멱함수에 역 비례한다고 가정하여 비선형 잔류강도 감소 식을 제안하였다. 이들은 잔류강도 감소식과 정적강도 분포로부터 피로수명을 유도하고 정적강도와 피로수명이 와이블(Weibull) 분포로 나타내질 수 있음을 보였다.
Goland와 Reissner는 얇은 모재의 단일 겹치기 접착에 대하여 선형-탄성 조건 하에서 해석을 하여 하중의 편심에 의한 굽힘 모멘트에 의하여 접착제의 길이 방향 전단 응력 분포가 일정하지 않음을 보였고 접착제 길이 방향과 수직 방향에 대한 응력 분포 및 각 응력에 대한 식을 제안하였다.
잔류 강성 감소와 파손 거동을 보면,
Dyer와 Isaac은 손상 축적과 강성 감소 미케니즘이 최종 파단을 일으키게 하고 파손을 특성화시킬 필요가 있다고 하였고 이전의 손상 축적 연구에 주목하여 복합재료 0°와 90°적층판의 피로시험을 통해 다양한 단계의 강성감소를 보였으며 적층 배열에 따른 각 단계의 확장 및 단계의 수를 보였으며 일반적인 피로 성장인 강성 감소의 세 단계를 보이고 있다.
Abdel Wahab은 접착제로 접착한 접합부에서 크랙은 최대 응력이 발생하는 겹치는 선단 근처의 외곽에서 개시되고 접착제 층으로 전파되고 접착제와 모재의 계면이나 모재를 따라서 전파된다고 보았으며 대부분의 하중 조건 하에서 불안정한 크랙성장이 접합부에서 발전되고 완전한 파단이 일어난다고 하였다.
Ferreira는 유리 섬유 강화 복합 적층판에 대한 접착제로 접착한 접합부의 피로 거동을 층별 각도에 대한 효과와 접착 길이의 영향에 대해서 연구하여 길이 증가에 따른 정적인 강도의 증가와 피로 강도의 증가는 횡 전단 응력(peel stress) 값의 변화에 의한 것이라고 주장하였다.
Owens는 복합재료 적층판 모재와 알루미늄 모재를 접착제로 접착한 단일 겹치기 접착에서 파괴에 의한 크랙의 길이 증가에 따른 강성감소를 이론적으로 그리고 실험적으로 연구하여서 파괴 저항과 접합부의 강성감소가 밀접한 관계가 있음을 보였으며 접합부에서 파단은 항상 가장 높은 응력이 발생하는 지역에서 개시됨을 보였다.
Krenk은 접착제로 접착된 접합부에 대한 피로 시험과 피로해석을 단일 겹치기 시험 편을 사용하여서 접착제 두께 변화에 대한 강성 감소의 영향을 유한 요소해석과 실험적인 방법을 통하여 접착제의 두께가 정적인 강도에 영향을 미치거나 동적인 반복하중에 대해서는 영향이 없음을 밝혔고 에너지 해방률로 표현된 크랙 전파의 기준에 대해서는 접착제의 두께의 영향이 없음을 보고하였다.
3. 연구 목적 및 내용
접착 접합부는 정적인 하중 조건 하에서는 잘 사용되지 않고 대개는 피로 하중이 작용하는 영역에서 사용되어 지며, 특정한 피로 하중의 조건에서 수명에 대한 안전을 요구하게된다. 따라서, 접착 결합부의 설계 시에 이러한 피로 하중에 대한 고려가 충분하지 못하거나 접착 접합부의 피로 특성에 대한 고려가 충분하지 못하거나 접착 접합부의 피로특성에 대한 자료가 불충분한 경우, 접착 접합부는 피로하중이 작용하는 영역에 대해서는 적용이 불가능하게 된다.
복잡한 형상을 갖는 알루미늄의 제작은 제작상의 어려움과 경제적인 이유로 인하여 따로 제작하여 연결한다. 접합부가 있는 구조물의 기본적인 구조성능 보다는 접합부의 기하학적 형상, 접착 길이, 접착 각도, 접착제에 의해서 성능이 결정된다. 따라서, 여러 가지 형상인 접착단, 선단 각도, 접착 길이 등을 가지는 두 모재를 서로 접착제로 접착한 전단 접착부를 제작하여 정적 인장하중 하에서의 전단 파괴거동과 실제 구조물의 사용 중 발생할 수 있는 반복하중에 의한 손상을 파악하는 것이 중요하므로 피로 시험을 통하여 피로 파손 거동과 하중 반복에 대한 잔류강성을 파악하고 피로 하중에 대한 수명을 평가하여 구조물의 안전성을 확보하고 적절한 시기에 실제 구조물의 수리, 덧붙임 및 교체의 시기를 판단함으로써 사용환경에 따른 구조물의 수명을 평가하는데 적용할 수 있다.
알루미늄 접착 구조물의 피로 거동에 대한 자료는 구조물의 피로 수명을 이해하는데 필수적이며 피로 특성은 접착부의 형상, 접착 재료, 하중 조건 등 초기 변수에 따라 다르기 때문에 구조물 형상에 대한 실험 자료를 산출하여야 한다. 본 연구에서는 여러 가지 형상을 가지는 접착 접합부가 있는 알루미늄 시편을 사용하여 인장 시험과 피로시험을 수행하여 파괴 거동과 강성 감소를 파악하여 어느 형상이 실제 구조물 적용에 적합한 모델인지를 결정하는데 있다.