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하이브리드 경량 구조의 핵심 과제
현대적인 디자인 컨셉에서 자동차, 항공우주 알루미늄, 강철, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등 다양한 경량 소재의 하이브리드 어셈블리를 접착 본딩 기술을 사용하여 접합하는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다. 이 접합 기술은 2차원 힘 전달과 설계에 최적화된 형상을 가능하게 하지만, 접합 파트너와 접착제 간의 열팽창 계수가 다르다는 핵심적인 기술적 과제에 직면해 있습니다. 소위 델타-알파 문제(델타-a 문제)라고 불리는 이 문제는 특히 주기적 또는 공정 관련 온도 하중에서 내부 응력과 치명적인 고장 메커니즘으로 이어질 수 있습니다(유럽 알루미늄 협회 2015; Dietrich 2018).
소재별 열팽창 계수와 그 효과
각 재료에는 특징이 있습니다. 열팽창 계수(α)는 온도에 따른 길이 변화를 설명합니다. 이 값의 범위는 혼합 건축용 접합부에 사용되는 재료에 따라 상당히 다릅니다. 강철은 α ≈ 11.5-13.1 × 10-⁶ K-¹의 값을 가지며 알루미늄은 α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹의 상당히 높은 팽창 계수를 가집니다. 에폭시 수지 접착제는 α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹ 범위이며, CFRP 복합재는 섬유 방향에서 -1.0에서 1.5 사이의 값과 섬유 방향 횡방향으로 최대 65 × 10-⁶ K-¹의 강한 이방성 팽창 특성을 보입니다.
섬유(Dietrich 2018).
예를 들어 생산 공정이나 -40°C~+200°C의 온도 범위에서 작동하는 동안 온도 사이클 동안 발생하는 상대 변위와 응력은 접착 조인트에 상당한 스트레스를 가합니다. 특히 중요한 것은 접착제가 점탄성에서 탄성 또는 플라스틱 특성으로 변화하는 유리 전이 온도(Tg)에 가까운 영역으로, 이는 접합 강도와 서비스 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다(DFR Solutions nd).
손상 메커니즘과 그에 따른 기술적 결과
서로 다른 열팽창 계수로 인한 접착 조인트의 손상은 다양한 메커니즘을 통해 나타납니다. α 값이 다르면 전단 및 인장 응력이 발생하여 접착제 자체에 계면 파손과 응집 파손이 모두 발생할 수 있습니다. 접착제 갭 두께와 부품 치수는 응력 분포에 결정적인 영향을 미치는 요소입니다. (유럽 알루미늄 협회 2015; NPL 1999).
특히 CFRP 접합부에서는 팽창의 이방성을 고려해야 하므로 라미네이트 구조와 섬유 방향도 응력 발생에 큰 영향을 미칩니다. 열 응력은 접합 파트너의 불일치와 경화 중 접착제의 수축으로 인해 발생하므로 경량 구조 및 복합재를 설계할 때 이를 고려해야 합니다(Dietrich 2018).
추가적인 영향 요인으로서의 수분
수분은 온도와 함께 접착 강도에 결정적인 영향을 미치는 추가적인 요인으로 작용합니다. 접착제의 기계적 특성을 크게 변화시키고, 기판에 대한 접착력을 약화시키며, 접착층의 박리, 균열 또는 변형과 같은 노화 관련 손상을 가속화할 수 있습니다. 온도와의 상호 작용은 특히 실외용 및 전자 부품에서 접착제의 확산과 가수분해 분해 과정을 증가시킵니다.
서비스 수명 예측 및 테스트 방법
교번 열 하중을 받는 접착 조인트의 수명은 가속 노화 테스트, 주기적 온도 테스트 및 최신 예측 모델을 조합하여 안정적으로 예측할 수 있습니다. 시간 경과 테스트는 실제 온도 사이클에서 장기 하중을 시뮬레이션하여 접착제의 고장 거동과 균열 발생을 시뮬레이션합니다. 단계적 등온법(SIM) 또는 단계적 응력법(SSM)과 같은 최신 단주기 예측 방법을 사용하면 서로 다른 접합 재료의 열 불일치와 관련된 크리프 거동 및 이완 효과를 신속하게 결정할 수 있습니다(NPL 1999).
피로 및 열충격 테스트는 피로 사이클의 횟수와 손상 메커니즘의 발생을 기록하여 서비스 수명을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다. 실질적인 서비스 수명 예측을 위해 실험 결과를 수치 시뮬레이션 및 기후 변화 테스트와 같은 확립된 테스트 방법과 결합하는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다.
최적화된 재료 조합 및 접착 시스템
열팽창 계수가 비슷한 접착제와 피착재 재료를 조합하면 열에 의한 균열, 박리 또는 응력 형성의 위험을 최소화하는 데 특히 효과적입니다. 알루미늄이나 강철과 같은 금속 피착재와 에폭시 수지 접착제를 함께 사용하는 것은 팽창 계수를 줄이기 위해 접착제 제형을 필러 또는 유연제로 특별히 수정한 경우 특히 권장됩니다. 팽창 계수 (유럽 알루미늄 협회 2015; Dietrich 2018).
실리콘 접착제와 폴리우레탄 시스템은 낮은 탄성 계수 또는 높은 탄성으로 인해 다양한 열팽창 계수로 유리한 특성을 제공하며 열 균열과 피로를 줄여줍니다.
실용적인 솔루션 및 설계 권장 사항
하이브리드 경량 건축에서 신뢰할 수 있는 접착 조인트를 성공적으로 구현하려면 몇 가지 요소가 중요합니다. 적절한 접착제와 유연성을 갖춘 접착 시스템을 최적화하면 응력을 줄이는 데 도움이 됩니다. CFRP 라미네이트 구조의 선택과 중첩 길이, 접착제 간격 두께 및 접합 형상의 최적화가 결정적인 요소입니다. 공정 제어 및 온도 관리는 유리 전이 온도의 임계 영역을 피할 수 있는 방식으로 선택해야 합니다(DFR Solutions nd; NPL 1999).
실무에 대한 시사점
자동차 및 항공우주 산업의 개발 엔지니어, 재료 과학자 및 품질 팀에 구체적인 실용적 시사점이 있습니다. 델타-알파 문제를 분석하고 시뮬레이션하는 것은 하이브리드 경량 구조에서 안정적이고 내구성이 뛰어난 접합부를 설계하는 데 필수적입니다. 다음과 같은 테스트 방법
결론
접착제와 접합 부품의 다양한 열팽창 정도는 최신 혼합 건축 접착 조인트의 기계적 무결성에 중요한 요소입니다. 개발 엔지니어는 접착 특성을 구체적으로 수정하고 부품과 접합 형상을 최적화하며 확립된 테스트 방법을 사용하여 목표한 방식으로 기계적 성능에 영향을 미치고 고장 위험을 최소화할 수 있습니다(Dietrich 2018, NPL 1999, DFR Solutions nd).
출처 목록
Dietrich, R. (2018). FRP-금속 하이브리드 구조의 열팽창 비호환성 분석. 뮌헨 공과대학교. 사용 가능: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
유럽 알루미늄 협회 (2015). 이종 재료 결합. 이용 가능:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). 접착 조인트의 주기적 피로 시험. 사용 가능: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR 솔루션 (nd). 전자 제품의 온도 순환 및 피로. 사용 가능:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
