In the last few decades composites materials, especially fiber-reinforced composites, have been applied increasingly to various fields e.g. sports, automobile, aircraft and defense industries which manufacture high value-added products. As the applications of composite structures increased, various adhesion technologies to join composite parts on the structures have been developed in order to meet the required adhesion performance.
In this work, the surface modification of carbon/epoxy composites was investigated using UV (ultraviolet ray) surface treatment to increase adhesion strength between the carbon/epoxy composites and adhesives. After UV surface treatment, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) tests were performed to analyze the surface characteristics of the carbon/epoxy composites. Comparing the adhesion strengths with the surface characteristics, the effects of the surface modification of carbon/epoxy composites by UV surface treatments on the adhesion strengths were investigated qualitatively and quantitatively.
본 논문에서는 탄소섬유/에폭시 복합재료의 표면에 자외선을 조사한 후 표면의 화학적 조성변화와 접착강도의 변화를 관찰하였다. 먼저 X-선 광전자 분광 분석법 (XPS; X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 통해 탄소섬유/에폭시 복합재료의 표면분석을 수행하였다. XPS 실험은 탄소섬유/에폭시 복합재료와, 표면분석 시 탄소섬유의 영향을 제거하기 위해 복합재료에 사용되는 에폭시수지를 경화시킨 것 두 종류의 시편을 사용하여 각각 자외선 조사 전후의 표면을 분석하였다. 시편 표면의 자외선 조사에는 각각 315-400 nm 와 280-360 nm의 파장을 가지는 UV-A와 UV-B 자외선 형광램프를 사용하였다. XPS 실험을 표면의 화학적 상태를 분석한 결과, 자외선 조사에 UV-A 램프를 사용한 경우에는 탄소섬유/에폭시 복합재료와 에폭시수지 시편 모두 자외선을 조사하지 않은 시편과 큰 차이가 없었다. 하지만 파장이 짧은 UV-B 램프로 자외선을 조사한 경우에는 모든 시편의 표면 원소조성에서 조사시간이 길어짐에 따라 산소의 함량과 표면의 화학적 결합 중에서 C=O (C=O, O=C-OH)의 조성이 크게 증가함을 관찰하였다.
그리고, 접착강도는 전단강도와 박리강도를 측정하였는데, 전단강도는 UV-A 램프를 사용하여 자외선을 조사한 탄소섬유/에폭시 복합재료의 경우 큰 변화가 없었지만, UV-B 램프를 사용한 경우에서 접착부의 전단강도가 크게 나왔으며, 전단강도가 증가함에 따라 접착부 파단면의 파괴형태가 계면파괴에서 피접착재 파괴로 바뀌는 것을 관찰할 수 있었다. 박리강도 실험은 UV-B 램프로 표면에 자외선을 조사한 시편을 가지고 수행하였는데, 초기 12시간 까지는 박리강도가 증가하였지만 그 이후에는 탄소섬유/에폭시 복합재료 표면의 열화현상으로 인해 점차로 감소하였다.
XPS 표면분석과 접착강도 실험결과를 종합하면, 탄소섬유/에폭시 복합재료에 자외선을 조사하였을 때 접착강도는 표면의 C=O 결합 조성과 비례적인 상관관계가 있음을 도출하였다.
