The failure in an adhesive-bonded structure starts at the interface, and the interfacial fracture is of interest whenever adhesion between different materials is concerned. One of primary factors limiting the application of adhesive-bonded joints to structural design is the lack of a good evaluation tool for adhesion strength to predict the load-bearing capacity of bonded joints. In the present study, the adhesion strength of a composite/metal interface is evaluated using fracture mechanics characterization of interfacial fracture. Adhesion strength improvement is also investigated using both chemical and physical surface property modification.
The failure of a composite/steel bonding is analyzed by correlating the applied energy release rate with interfacial toughness at the corresponding phase angle. The interfacial fracture toughness of the composite/steel bonding was measured over a wide range of mode-mixities with single-leg bend test specimens. Anisotropic/isotropic interfacial cracks with frictional contact along the crack surfaces are specially treated to characterize crack growth under mode II loading condition. The stress intensities at the anisotropic/isotropic bi-material interface corner are also implemented to estimate the interfacial strength. The applicability of fracture mechanics concepts to adhesive-bonding is validated by comparing the critical stress intensities or energy release rates of lap joints with the measured fracture toughness, and the asymptotic solution is compared with FEA results to investigate the range of applicability.
Adhesion strength improvement by introducing silane-based interphase formation is investigated. The silane-based interphase formation between the epoxy resin of the composite and the steel surface improved both the adhesion strength and fatigue life of co-cure bonded lap joints by chemical bonding introduced at the interface. The effect of surface structure modification on adhesion strength is investigated using micro-patterning of steel surfaces. Micro- and nano-scale surface structure modification has the potential of interfacial toughness enhancement by increasing fracture resistance in the local crack tip region.
접착제 이용 결합 조인트의 하중지지 능력 예측 기법은 접착제를 이용한 접합 조인트 설계에 있어서 가장 중요한 기술이다. 본 연구는 계면 파괴역학 개념을 사용하여 복합재료/금속 접착 조인트의 하중지지 능력 평가 기법을 제시하며 파괴역학의 적용 범위에 대한 고찰을 제시한다. 구체적으로 복합재료/탄소강 결합의 접착 강도를 계면 균열의 에너지 방출률과 계면 파괴인성치 개념을 사용하여 평가하는 방법을 제시 검증하였다. 계면 균열의 에너지 방출률은 유한요소해석 결과를 이용한 가상 균열 닫음 기법 (VCCT) 및 J-적분법을 사용하여 계산하였으며, 계면 파괴인성치는 이종재료 ENF (end-notched flexure) 및 이종재료 SLB (single-leg bending) 시편을 고안하여 측정하였다. 고안된 이종재료 ENF 시편을 사용하여 시편의 두께에 상관 없이 일관된 Mode II 계면 파괴인성치를 측정할 수 있음과 양면 겹치기 접합 조인트의 특성 에너지 방출률이 측정된 계면 파괴인성치와 일치함을 확인하였다. 따라서 에너지 방출률에 근거한 계면 균열 진전 기준은 접착 조인트의 하중지지 능력을 신뢰성 있게 예측하는 실제적인 설계 도구로서 활용될 수 있다. 이종재료 SLB 시편을 통해 다양한 혼합모드 (Mode I + II) 에 따른 함수로서의 계면 파괴인성치 측정이 가능하며 Mode II 성분의 비율이 커질수록 파괴인성치가 증가함을 관찰하였다.
복합재료/금속 계면에 실란 커플제를 기반으로 한 사이상을 형성함으로 화학적인 공유 결합을 유도하였다. 기존의 복합재료/금속 접착 계면은 일반적인 폴리머/금속 계면으로서 비교적 결합력이 약한 분자간 상호 인력이 주된 접착 원리가 되었다. 실란 커플제를 기반으로 한 사이상은 금속과 폴리머 사이에서 양쪽 모재 모두와 공유 결합을 형성함으로 계면의 결합력을 증가시키는 결과를 나타내었다. 사이상의 형성과 이로 인한 공유결합은 특히 동적 하중 하에서 피로 수명을 증가시켰으며 피로 균열의 진전 거동에 큰 영향을 주는 고온 다습한 환경에서 접착의 내구성을 향상시켰다.
표면 구조 변화를 이용한 접착 물성 향상 기법은 탄소강 표면에 마이크로 패턴을 가공함으로 기초연구를 수행하였다. 표면 조도가 접착 강도에 미치는 영향을 정량적으로 측정하고 분석한다면 마이크로 및 나노-스케일 패터닝을 이용해 표면 구조의 최적 설계를 가능케 할 수 있다.
