Adhesive joints have been widely used for fastening thin adherends because they can distribute the load over a larger area than mechanical joints, require no hole, add very little weight to the structure and have superior fatigue resistance. Since the reliability of adhesive joints is dependent on many parameters such as the shape of joints, type of applied load, and environment, an accurate estimation of the fatigue life of adhesive joints is seldom possible, which necessitates in-situ damage monitoring of the joints during the operation of structures. Recently, a piezoelectric method using piezoelectric characteristics of epoxy adhesives has been successfully developed for the adhesive joints because it can monitor continuously the damage of adhesively bonded structures without producing any defects.
Therefore, in this study, the fatigue characteristics of adhesive joints were investigated with respect to the volume fraction of adhesive filler, curing conditions and environmental temperature. During the fatigue tests, damage monitoring of adhesive joints by the piezoelectric method was performed with respect to the mean and alternating stress, and volume fraction of adhesive filler. A crack propagation model was developed and verified in order to explain the change of damage monitoring signals. Using the analysis results of the measured damage monitoring signals, the diagnosis criterion and system for the reliability assessment of adhesive joints have been constructed.
여러 개의 부품으로 이루어진 구조물에서 조인트의 설계는 중요한 연구 분야가 되어 왔다. 이는 구조물의 효율이 일반적으로 구조물 자체보다는 부품간의 결합부에 의해서 결정되기 때문이다. 특히, 접착제를 이용한 접착 조인트는 넓은 영역에 하중을 분산시켜 주고, 구조물에 리벳이나 볼트의 사용을 위한 구멍을 낼 필요가 없으며, 피로 특성이 우수할 뿐만 아니라 무게 증가도 거의 없기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 장점들에 반해 접착 조인트는 접합되는 물질의 기하학적 형상 및 치수, 표면처리 상태, 사용 온도 및 습도의 환경 변수, 경화 온도와 압력 등의 제조 공정 변수와 작용 하중 등에 많은 영향을 받기 때문에 접착 조인트의 피로 수명을 정확하게 예측하는 것이 어려우며, 접착 조인트의 유지/관리를 위하여 실시간으로 구조물의 안전성 (Reliability)을 모니터링 하는 방법이 필요하다.
본 연구에서는 원형 단면 겹치기 접착 조인트 (Tubular single lap adhesive joint)의 비틀림 피로시험을 통하여 접착층 내부의 전기적 변화를 측정하여 접착 조인트의 피로 수명과 전기적 특성과의 관계를 분석하였으며, 접착 조인트의 실시간 안전성 모니터링을 위해 강철을 피접착제 (Adherend)로 가지는 접착 조인트 자체를 센서로 이용하는 자체 센서 기법 (Self sensor method)를 개발하였다. 또한, 압전 입자를 접착제에 섞는 방법이 접착제의 압전 특성 향상과 접착 조인트의 안전성 진단 민감도 향상에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
제 2장에서는 압전 입자가 함유된 에폭시 접착제의 기계적 및 압전 물성을 측정하였다. 압전 입자의 함유율이 증가할수록 에폭시 접착제의 강성, 강도 및 압전 상수는 증가하였으며, 몇 가지 모델을 이용하여 압전 입자가 함유된 에폭시 접착제의 강성 및 열팽창계수 예측식을 제안하였다.
제 3장에서는 경화 온도, 사용 온도 및 압전 입자의 부피분율에 따른 접착 조인트의 정적 및 피로 특성 변화를 분석하였다. 접착 조인트가 고온에서 제작 될 경우 접착층에 작용되는 잔류 열응력이 증가하게 된다. 이로 인하여, 접착 조인트의 정적 강도 및 피로 특성은 경화 온도가 50 oC 까지는 완만히 감소하다가, 그 이상의 온도에서 경화되게 되면 선형적으로 감소하게 됨을 알 수 있었다. 피로 시험 결과로부터 얻은 S-N curve의 기울기는 거의 일정한 반면, 피로수명이 1일 때의 피로 강도값은 정적 강도와 유사한 경향을 보였다.
에폭시 접착제는 사용 온도가 증가함에 따라서 기계적 물성이 저하되게 된다. 그러므로, 접착 조인트의 정적 강도 및 피로 특성도 사용 온도가 증가함에 따라서 감소하였다.
접착제의 압전 특성 향상을 위하여 첨가한 압전 입자는 접착제의 기계적 물성뿐만 아니라 접착 조인트의 성능도 향상시켰다. 특히, 압전 입자의 부피분율이 7.5% 일 때 가장 우수한 정적 강도 및 피로 특성을 나타내었으며, 그 이상일 때는 압전 입자의 뭉침 현상으로 인하여 접착 조인트의 파괴 모드가 계면 파괴로 변하여 정적 강도 및 피로 특성이 오히려 저하되었음을 알 수 있었다.
제 4장에서는 작용 하중의 형태와 압전 입자가 접착 조인트의 압전 특성에 미치는 영향을 고찰하였으며, 손상 모니터링 결과를 분석하여 접착 조인트의 안전성 진단 시스템을 개발하였다.
접착 조인트로부터 방출되는 전하량의 크기는 전단 평균 응력이나 최대 전단 응력보다는 전단 응력 진폭과 인장 평균 응력에 영향을 받으며, 압전 입자의 부피분율이 증가함에 따라서 접착 조인트에서 방출되는 전하량의 크기도 증가하였다.
접착제의 피로 시험 동안 측정된 손상 모니터링 신호를 분석한 결과, 접착 조인트로부터 방출되는 전하량은 사용 초기에는 거의 변화가 없다가 파괴 시점 근처에서 급격히 증가하여 파괴 시점에서 최대값을 보임을 알 수 있었다. 또한, 피로 수명이 긴 경우 접착 조인트로부터 방출되는 전하량은 피로 수명 전반에 걸쳐 완만히 증가하여 파괴가 일어나는 반면, 피로 수명이 짧은 경우는 파괴 시점 근처까지 거의 변화가 없다가 급격히 증가하는 경향을 보이고 있었다. 전하량 변화 추이를 물리적으로 설명하기 위하여 균열진전모델을 가정하고, 실험과 해석을 통하여 타당성을 입증하였다. 균열을 가지는 접착 조인트의 손상 모니터링 시험을 수행하였으며, 유한요소해석결과와 비교하였다. 실험과 해석결과가 잘 일치하였으며, 이로부터 예측한 접착 조인트의 피로수명에 따른 접착 조인트로부터 발생되는 전하량도 실제 실험결과와 잘 일치하였다.
마지막으로, 손상 모니터링 결과의 전하량과 그 변화량의 관계를 분석하여 접착 조인트의 안전성 진단 기준식을 구성하였으며, 전하량 측정 장비와 안전성 진단 기준식을 포함한 안전성 진단 소프트웨어를 연계하여 접착 조인트의 안전성 진단 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템을 이용하여, 접착 조인트의 안전성 평가 시험을 수행하였으며, 시험 결과 요구 수명의 2% 오차범위 내에서 접착 조인트의 안전성을 예측할 수 있었다.
