When adhesive joints are exposed to high environmental temperatures, the tensile load capabilities of adhesive joints decrease because the elastic modulus and failure strength of rubber toughened structural epoxy adhesives decrease. Therefore, adhesive joints have been restricted to low environmental temperatures although they have many advantages over mechanical joints.
In this thesis, the mechanical properties of rubber toughened structural epoxy adhesives were investigated with respect to filler content and environmental temperature. To predict the stiffness of filler containing epoxy adhesives with respect to filler content and environmental temperature, the modified Halpin equation and a thermal degradation function were proposed. Also several means to improve the performance of adhesive joints at higher temperatures such as addition of fillers in the adhesive, modification of the cure conditions of adhesive joints and the surface treatments of adherends were investigated. In order to estimate the filler effects, the coefficient of thermal expansion of adhesive layer was calculated and a crack propagation model in the filler containing adhesive layer were proposed to predict the tensile load capabilities of the adhesive joint. From the tensile tests and in-situ cure monitoring of the adhesive joint, it was revealed that the tensile load capability of the adhesive joint was much dependent on actual cure finish temperature rather than autoclave inside temperature. For the investigation of the adhesion characteristics of plasma surface treated adherends, the surface free energies of plasma surface treated adherends and the load capabilities of the plasma surface treated adhesive joints were measured with respect to gas flow rate, chamber pressure, power intensity, and surface treatment time. The chemical bonding mechanism between the adhesive and adherend was analyzed with XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), from which the load capabilities of the adhesive joints were estimated with respect to surface treatment time.
일반적으로 접착조인트는 고온 환경에 노출되었을 때, 접착제의 기계적 물성인 인장강성과 인장강도가 감소하기 때문에 접착조인트의 강도 또한 감소하게 된다. 이러한 이유로, 기계적 조인트에 비하여 많은 장점을 가짐에도 불구하고 접착조인트는 고온 환경하에서 사용의 제한을 받아왔다. 따라서 본 연구에서는 이러한 접착조인트의 고온 환경 특성을 강화시키고자 세가지 방법을 도입하였다. 첫째, 본 연구에서 사용된 고무인성강화 구조용 접착제에 알루미나와 E-glass 와 같은 충진재를 첨가시켜 접착제 자체의 물성을 강화시키는 것이다. 둘째, 접착조인트의 경화조건에 즉 경화압력 및 경화온도 등을 조절하여 접착조인트의 성형잔류열응력을 최소화하는 것이다. 셋째, 플라즈마 및 기계적 표면처리를 이용한 피접착체의 최적의 표면처리조건을 연구하여 피접착체와 접착제간의 계면강도를 증가시키는 것이다. 2장에서는 본 연구에서 사용한 구조용 에폭시 접착제에 충진재를 첨가하여 부피분율과 주위온도에 따른 기계적 물성을 측정하였다. 알루미나를 30 % 첨가한 경우, 80℃ 에서 인장강성은 9.5배, 인장강도는 2.4배가 높아졌으며, E-glass를 20 % 첨가한 경우, 80℃ 에서 인장강성은 4.6배, 인장강도는 3.3배가 증가하였다. 또한, 충진재의 기하학적 형상과 부피분율을 고려하는 수정 Halpin 식과 DMA 결과로부터 얻어지는 유리전이온도를 고려하는 열화 함수를 이용하여 시험온도 구간 (20-80℃) 에서 에폭시 접착제의 인장강성 예측식을 제안하였다.
3장에서는 이러한 충진재가 함유된 에폭시 접착제를 이용한 접착조인트의 강도를 측정하고, 충진재에 의한 접착층의 열팽창계수를 계산하여 접착층에 작용하는 성형잔류열응력과 접착조인트 강도를 비교분석하였다. 충진재 강화 금속 접착조인트의 하중전달능력은 알루미나를 30 % 첨가한 경우, 20℃ 에서 인장강성은 1.9배, 80℃ 에서 2.2배가 높아졌으며, E-glass를 30 % 첨가한 경우, 20℃ 에서 인장강성은 1.2배, 80℃ 에서 1.2배가 증가하였다. 그러나 접착층의 이론적인 열팽창계수로부터 E-glass는 최소 26.9%이상 첨가해야 접착조인트 전단강도가 증가함을 알 수 있었다. 알루미나를 첨가한 경우, 균열 진전 모델을 제시하고, 충진재의 부피분율에 따른 파괴균열길이의 증가를 접착층의 접착길이 증가로 가정하는 새로운 유한요소해석 기법을 통하여, 60℃ 이하에서 접착조인트 강도를 비교적 잘 예측하였다.
4장에서는 접착조인트의 경화조건 즉, 경화온도 및 경화압력에 따른 접착조인트의 실제 경화온도를 유전기법을 이용하여 측정하고 실제경화온도가 접착조인트의 하중전달능력에 미치는 영향을 분석하였다. 접착조인트에서 접착제는 피접착체에 비하여 매우 작은 부피를 차지하므로 열용량이 큰 피접착체에 의하여 실제 경화공정에서 오토클레이브의 온도 싸이클을 따라가지 못하여, 제작자가 원하지 않는 온도에서 경화가 완료되는 경우가 발생한다. 그러므로, 접착조인트의 경화공정에서 가해지는 압력은 오토클레이브내의 대류계수를 증가시켜 접착조인트에 가해지는 열을 증가시켜, 조인트의 온도가 오토클레이브 내부의 공기온도와 거의 일치하게 만드는 효과를 가진다. 따라서 4장에서는 제조압력과 제조온도, 조인트의 형상에 따른 접착조인트의 실제 경화온도를 측정하고, 접착조인트의 잔류열응력이 접착조인트 강도에 미치는 영향을 분석하였다.
5장에서는 플마즈마 표면처리기를 설계 및 제작하고, 탄소섬유 /에폭시 복합재료의 최적 플라즈마 표면처리조건에 대하여 연구하였다. XPS 및 AFM, SEM 분석기법을 이용하여 플라즈마 표면처리가 접착성능에 미치는 영향에 대하여 연구하고, 기계적 표면처리 결과와 비교 분석하였다. CCP 방식의 RF 플라즈마 시스템을 설계 제작하였으며, 아르곤 유량 (20-60 sccm)에 따른 표면에너지의 변화는 없었으며, 진공압력, RF power에 대해서는 각각 400-800 mTorr, 30 W, 30 초에서 최대의 표면에너지를 얻었다. 탄소섬유/에폭시 복합재료 표면의 C=O 결합 밀도는 싱글랩 조인트의 강도에 비례하였다.
