A Study on Mechanical Interfacial Properties of Copper-plated Carbon Fibers/Epoxy Resin Composites
Myung-Sun Hong*
,
**, Kyong-Min Bae***, Woong-Ki Choi*, Hae-Seong Lee**, †
, Soo-Jin Park***, Kay-Hyeok An*, and Byung-Joo Kim*, †
*Carbon Valley R&D Division, Jeonju Institute of Machinery and Carbon Composites, Jeonju 561-844, Korea
**Department of Nano Advanced Materials Engineering, Jeonju University, Jeonju 560-759, Korea
***Department of Chemistry, Inha University, Incheon 402-751, Korea (Received February 28, 2012; Revised March 29, 2012; Accepted May 1, 2012)
본 연구에서는 Polyacrylonitrile (PAN)계 탄소섬유 표면에 구리도금 표면처리가 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계 면 특성에 미치는 영향에 관하여 관찰하였다. 탄소섬유 표면특성은 주사전자현미경, X-선 광전자 분광법, X-선 회절 분석기, 접촉각 측정기로 측정하였고, 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성은 층간전단강도(interlaminar shear strength, ILSS)와 파괴인성(critical stress intensity factor, K IC )측정을 통하여 알아보았다. 실험결과로부터, 기계적 계면 물성은 탄소섬유 표면에 COOH group과 도금된 구리함량이 증가됨에 따라 순차적으로 증가되는 것이 확인되었으나, 도금시간을 길게 하여 과량의 구리가 도입되었을 경우 기계적 계면 물성을 도리어 감소시키는 것으로 확인되었다.
결론적으로 구리함량이 탄소섬유 복합재료의 기계적 계면물성을 결정하는 중요 요소라 판단되나, 최적의 함량이상에 서는 계면분리에 의한 물성저하의 원인이 될 수 있다.
In this work, the electroplating of copper was introduced on PAN-based carbon fibers for the enhancement of mechanical interfacial strength of carbon fibers-reinforced composites. The surface properties of carbon fibers were determined by scan- ning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and contact angle measurements. Its mechanical interfacial properties of the composites were studied by interlaminar shear strength (ILSS) and critical stress intensity factor (K IC ). From the results, it was found that the mechanical interfacial properties of Cu-plated car- bon fibers-reinforced composites (Cu-CFRPs) enhanced with increasing the Cu plating time, Cu content and COOH group up to Cu-CFRP-30. However, the mechanical interfacial properties of the Cu-CFRPs decreased dramatically in the excessively Cu-plated CFRPs sample. In conclusion, the presence of Cu particles on carbon fiber surfaces can be a key factor to determine the mechanical interfacial properties of the Cu-CFRPs, but the excessive Cu content can lead the failure due to the interfacial separation between fibers and matrices in this system.
Keywords: Cu plating, carbon fibers, interlaminar shear strength, critical stress intensity factor, carbon fibers-reinforced plastics
1. 서 론
1)
탄소섬유는 고강도, 고탄성, 높은 열적 특성, 그리고 높은 전도도를 보이는 첨단소재로서 군사용품, 항공, 건축자재 및 선박 등의 산업에 폭 넓게 이용되는 재료이다. 특히 탄소섬유를 이용하여 제조되는 탄 소섬유 강화 복합재료(carbon fibers-reinforced plastics, CFRPs)는 높 은 비강도, 경량성, 내피로성, 내약품성, 그리고 고탄성률 등을 가진
† 교신저자 (e-mail: [email protected], [email protected])
소재로서 베어링, 기어 캠과 같은 고강도를 필요로 하는 곳이나, 자동 차 동체와 같은 운송장비 분야 및 스포츠 용품 분야 등에서도 본격적 으로 사용되는 유망한 신소재이다[1,2].
일반적으로 섬유강화 복합재의 물성은 강화재로 사용되는 섬유와
기지재료의 물성에 크게 의존하지만, 외부충격의 일차적인 확산 경로
로서 작용되는 섬유와 매트릭스의 접촉 계면에서의 결합력에 의해서
도 크게 좌우된다고 알려져 있다. CFRPs에서 계면은 외부에서 가해
지는 응력이나 변형을 매트릭스에서 섬유로 전달하여 충격이 복합재
료 전반에 걸쳐 균일하고 연속적으로 흡수되도록 하여주는 매개체 역
Table 1. Composition and Condition of the Copper Plating Bath
Composition CuSO 4 10 g/L
H 2 SO 4 20 mL/L
Conditions
PH 3.0
Temperature 25 ± 1 ℃
Plating time 0, 10, 30, and 120 s 할을 하기 때문에 계면에서의 결합 정도에 따라 제조된 CFRPs의 최
종 기계적 물성은 크게 달라진다[3,4].
일반적으로, 탄소섬유 표면에 아무것도 처리하지 않은 복합재료는 층간 전단 강도(interlaminar shear strength, ILSS) 또는 파괴 인성 (critical stress intensity factor, K IC )이 낮은 강도를 나타나는 것으로 알 려져 있으며[5,6], 이것은 섬유나 매트릭스 사이의 약한 접착과 결합 때문인 것으로 알려져 있다[7-14]. 따라서 다양한 표면처리 즉, 기상산 화[15], 액상산화[16], 양극산화[17], 그리고 플라즈마[18] 등의 방법으 로 탄소섬유 표면의 불순물 등을 제거하고, 매트릭스와 결합력을 향 상시키는 관능기(carboxyl, carbonyl, 및 hydroxyl)를 증가시켜 탄소섬 유와 매트릭스 사이의 계면 결합력을 향상시키는 것으로 알려져 있다 [19].
다양한 표면처리 중 미량의 금속을 탄소섬유 표면에 코팅하면 탄소 섬유의 표면극성이 크게 증가되어 최종 복합재료의 기계적 계면물성 을 증대시키는 것으로 보고되어 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다[9-11]. 금속도금의 방법에는 전해 도금, 치환 도금, 그리고 화학 환원 도금 등이 있으며, 그 중 전해 도금은 외부전원으로부터 운반되 는 전자가 음극면 위에서 금속이온으로 전이하여 음극반응에 의해 음 극표면에 금속피막이 형성되는 것으로 알려져 있다[11,12]. 탄소섬유 표면의 금속도금 처리는 금속 매트릭스를 이용할 뿐만 아니라 고분자 매트릭스를 기본으로 하는 탄소섬유 복합재료에서도 적용되고 있는 데[13,14] 이는 탄소섬유의 고분자 매트릭스에 대한 젖음성을 높여 최 종 복합재료에서의 기계적 물성을 향상시키는 데 중요한 역할을 하기 때문이다.
본 연구에서는, 탄소섬유에 전해 구리도금을 하여 에폭시 수지를 매트릭스로 하는 일축방향 CFRPs를 제조하여, 구리도금처리 시간에 따른 탄소섬유 표면에 특성을 조사하였다. 또한, 구리도금 처리된 탄 소섬유 복합재료의 기계적 계면물성을 알아보기 위해 ILSS와 K IC 로 측정하여 고찰하였다.
2. 실 험
2.1. 재료
본 연구에서 강화재로 사용된 탄소섬유는 표면처리 및 사이징 처리 가 되어있지 않은 PAN계 탄소섬유(TZ-607, 12 K, 태광산업(주))이다.
기지로 사용한 에폭시 수지는 국도화학(주)의 이관능성 에폭시 올리 고머인 diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA)계 YD-128 (e.e.w. : 184 ∼190 g/eq, 점도: 11500∼13500 cps)을 사용하였다. 경화제는 TCI사 제품인 4,4'-diaminodiphenylmethane (DDM)을 사용하였으며, YD-128
의 고점도를 낮추기 위해 methylethylketone (MEK)을 희석제로 사용 하였다. 본 연구에 사용된 에폭시 수지 및 경화제의 화학적 구조는 Scheme 1 에 나타내었다.
2.2. 실험방법 2.2.1. 전해 구리도금
탄소섬유 표면의 구리도금은 연속공정이 가능한 전해도금 방법을 사용하였다. 양극에는 구리판과 음극에는 탄소섬유를 사용하여 전류 밀도를 0.4 A/m 2 로 유지하여 전해 도금시켰다. 본 연구에서 사용한 도 금액은 Table 1에 나타내었다. 탄소섬유 표면에 구리도금처리 시간을 0, 10, 30, 그리고 120 s로 변화시켜 처리하였으며, 각각 as-received, Cu-CF-10, Cu-CF-30, 그리고 Cu-CF-120으로 명명하였다. 이렇게 전 해 구리도금 처리된 탄소섬유는 건조기에서 완전히 건조시킨 후, 분 석 및 탄소섬유/에폭시 수지 복합재료의 제조에 사용하였다. 각 구리 도금 처리시간에 따른 도금의 양은 atomic absorption spectropho- tometry (AAS)를 사용하여 확인하였다.
2.2.2. 시편 제조
일축방향 CFRPs는 다음의 공정을 통해 제조하였다. 에폭시 수지와
경화제의 당량비를 1 : 1로 혼합하여 70℃에서 녹이고, MEK를 에
폭시 수지와 무게비 1 : 1로 첨가하여 희석시켰다. 전해 구리도금
처리한 탄소섬유를 희석시킨 에폭시 수지와 함께 filament winding
을 통하여 탄소섬유의 일방향 프리프레그(prepreg)를 제조하였다. 이
렇게 제작한 프리프레그는 24 plies로 균일하게 적층하여 vacuum
bag molding방법을[20] 이용하여 150 ℃에서 8.0 MPa의 압력으로
180 min 동안 경화시켜 CFRPs를 제조하였다. 이때 제조한 복합재료
의 규격은 길이, 폭, 두께가 각각 150, 50, 5 mm로 제조하였으며, 기
계적 물성 평가 시에는 ASTM 규격에 맞추어 다이아몬드 절삭기로
가공하여 사용하였다.
Table 2. Cu Quantification of Cu ‐plated Carbon Fibers Measured by AAS
Time (s) Copper/Carbon fiber (g/g)
as-received 0
10 0.121
30 0.152
120 0.261
Table 3. Characteristics of Wetting Liquids Used in This Work
Liquid γ L L
(mJ/m 2 )
γ L sp
(mJ/m 2 )
γ L
(mJ/m 2 )
Water 21.8 51.5 72.8
Diiodomethane 50.42 0.38 50.8
Ethylene glycol 31.0 16.7 47.7
Figure 1. SEM micrographs of the copper-loaded carbon fibers; (a) as-received, (b) Cu-CF-10, (c) Cu-CF-30, (d) Cu-CF-120, and (e) EDS micrographs of Cu-CF-120.
2.2.3. 표면 특성
전해 구리도금 한 탄소섬유 표면을 관찰하기 위해 주사전자현미경- 분광분석기(scannig electron microscopy-energy dispersive spectrome- ter, SEM-EDS, Hitatchi Japan)로 측정하였고, 표면 결합에너지를 분석 하기 위해 X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, Thermo Scientific, Germany) 을 이용하여 분석하였다. XPS 측정에 사 용된 광원은 AlK α 를 사용하였으며, chamber 내의 압력은 10 -8 ∼10 -9 torr 로 조절하였다. 또한, 탄소섬유의 구리도금에 따른 미세구조 변화 를 관찰하기 위해 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD, RIGA- KU, USA) 를 사용하였고 source로 구리분석이 가능한 CuK α 를 이용 하여 측정하였다[21]. 탄소섬유 표면의 도금처리 시간에 따른 표면자 유에너지 변화는 표면장력계(K-100 processor Tensiometer, Krüss GmbH.
Co., Germany)를 이용하였다. 접촉각 측정을 위하여 사용된 젖음액으 로는 물과 diiodomethane, ethylene glycol의 세 가지를 사용하였으며, 그 특성을 Table 3에 나타내었다. 접촉각은 Wicking 방법으로 각각의 젖음액에 대해서 분석하였다[22].
2.2.4. 기계적 계면특성 시험
제조한 CFRPs의 기계적 계면특성은 삼점 굴곡시험(three-point bending test) 으로부터 얻을 수 있는 층간 전단 강도(ILSS)와 파괴 인 성(K IC ) 을 통하여 ASTM D2344와 ASTM E399를 따라 span-to-depth ratio 4 : 1, cross-head speed 2 mm ⋅min -1 의 속도로 만능재료시험기 (Universal Testing Machine, UTM), (Lloyd, UK) 룰 이용하여 분석하였 다. 시편의 크기는 두께 5 mm, 폭 10 mm, 길이 50 mm로 고정하였고, 각 샘플당 5개씩 실험하여 평균값을 취하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 전해 구리도금
Table 2는 전해 구리도금 처리로 인한 탄소섬유 표면에 도입된 구 리의 양을 AAS를 이용한 분석한 결과이다. Table 2에서 보이는 바와 같이 도금처리 시간이 길어질수록 도금된 양이 점점 증가하는 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따른 탄소섬유 표면에 구리 도 금처리가 되었는지 관찰하기 위해 Figure 1에 나타낸 것처럼 SEM을 이용하여 확인하였다.
Figure 1 은 전해 구리도금처리 된 탄소섬유 표면을 SEM을 이용하 여 관찰한 결과이다. 보는 바와 같이 미처리 샘플 Figure 1(a)의 경우 표면에 이물질 등이 보이지 않는 깨끗한 표면이 관찰되었다. 반면 전 해 도금을 한 (b)는 표면에 구리가 도금되려는 것을 확인할 수 있었으 며, (c)는 탄소섬유 표면에 구리가 도금 된 것을 관찰할 수 있었다. 마 지막으로 도금시간을 가장 많이 한 (d)의 경우 다른 전해 도금처리를 한 것들과 달리 표면에 구리 클러스터들이 다수 형성된 것을 관찰 할 수 있었다. Figure 1(e)는 탄소섬유 표면에 구리도금처리 시간을 많이 한 Cu-CF-120의 표면을 직사각형으로 범위를 지정하여 EDS를 분석 한 결과이다. 분석 결과, 탄소와 산소, 구리 그리고 황이 관찰되었고, 이중 구리의 피크가 가장 주요하게 관찰된 것으로 보아 전해 구리도 금을 통해 탄소섬유 표면에 구리가 도입된 것을 확증할 수 있었다.
3.2. 표면 특성
Figure 2는 탄소섬유 표면에 구리도금처리를 하지 않는 것과 한 것을
XRD 로 측정한 그래프이다. 2θ 10 o ∼70 o 범위에 탄소섬유를 측정한
것이며, 우측상단에 나타낸 그래프는 탄소섬유 표면에 구리도금처리
된 것과 구리도금이 처리되지 않는 것을 비교하여 어떠한 차이점이
Figure 2. XRD spectra of copper-loaded carbon fibers as a function of plating time.
Figure 3. XPS spectra of copper-loaded carbon fibers as a function of plating time.
Table 4. Elemental Compositions and O 1s /C 1s Ratio of As-received and Copper-plated Carbon Fibers
Time Elemental compositions (%)
O 1s /C 1s Cu 2p /C 1s
C 1s O 1s Cu 2p
as-received 75.30 21.06 - 0.279 -
Cu-CF-30 64.97 32.52 2.51 0.500 0.038
(a) (b) (c)
Figure 4. High resolution O 1s spectra of the copper-loaded carbon fibers; (a) as-received, (b) Cu-CF-30, and Cu 2p spectra of the of the copper-loaded carbon fibers; (c) Cu-CF-120.
있는지 관찰하기 위해서, 구리피크인 2θ 32 o 를 확대하여 비교하였다.
관찰한 결과, 탄소섬유 표면에 구리도금을 처리하지 않은 것에 비해 도금처리시간을 많이 한 Cu-CF-120의 피크가 증가한 것을 관찰할 수 있었다. 일반적으로 XRD 피크 세기의 증가는 그 성분의 양적 증가를 의미하는 것인데, Cu-CF-120의 경우 탄소섬유 표면에 도금처리 시간 을 많이 하였기 때문에 구리입자들이 도금처리 하지 않는 것에 비해 도금이 많이 되었기 때문으로 판단된다.
전해 구리도금 처리에 따른 XPS 표면특성을 관찰하기 위해 미처리 탄소섬유 및 Cu-CF-30의 XPS survey 결과 및 화학적 조성분석 결과 를 Figure 3과 Table 4에 각각 나타내었다. 탄소섬유 표면에 구리도금 처리에 관계없이 284.7 eV와 532.1 eV 부근에서 각각 C 1s 와 O 1s 의 피 크를 관찰할 수 있었다. 또한, 표면처리를 하지 않는 탄소섬유에 비해 탄소섬유 표면에 구리도금 처리를 한 것은 Cu 2p peak 가 938.9 eV에서 생성된 것을 확인 할 수 있었다.
Figure 3 에서 보는 바와 같이 탄소섬유 표면에 전해 구리도금 처리를 하기 전과 후에 데이터를 비교하면 C 1s peak 는 감소하고 O 1s peak 는 증 가한 것을 볼 수 있다. 이는 탄소섬유 표면에 C=C 또는 C-H group들이 깨져 O=C 또는 COOH 같은 산소 관능기들이 새롭게 형성됨과 동시에 전해 구리도금 과정에서 Cu 2 O가 함께 도입되어 O 1s peak가 증가하였고, 이로 인해 O 1s /C 1s 의 비가 증가한 것으로 판단된다.
탄소섬유 표면에서 형성된 관능기의 구성에 따른 O 1s 변화를 살펴
보기 위해 sub-peak를 Figure 4에 나타내었다[24,25]. Figure 4(a) 에서
보는 바와 같이 전해 구리도금을 하지 않는 탄소섬유의 O 1s sub-peak
는 O=C (BE = 531.3 eV), O-C (BE = 532.1 eV), COOH (BE = 533.3
eV)의 group들로 구성됨을 확인할 수 있었다[27,28]. 반면, Figure 4(b)
에서는 Cu 2 O (BE = 530.3 eV), O=C (BE = 531.4 eV), O-C (BE =
532.4 eV), COOH (BE = 533.3 eV)의 sub-peak가 존재하는 것을 확인
할 수 있었다[26]. 상기의 결과에서 알 수 있듯이 구리도금처리 한 탄
소섬유에서 도금 처리하지 않은 탄소섬유보다 COOH group은 증가하
였고, O=C와 O-C group은 감소하였다. 이는 탄소섬유 표면에 있는
C=C 또는 C-H group들이 전해 구리도금처리로 인해 group이 깨지고
산소 관능기들이 붙었다고 판단된다. 구리도금 된 탄소섬유에서 Cu 2 O
Figure 6. Surface free energy of copper-loaded carbon fibers as a function of plating time.
Figure 5. Relative ratio of the area of the carbon sub-peaks in the O 1s XPS spectra.
group 이 생성된 것을 볼 수 있는데, 이는 공기 중에 노출됨으로써 구 리와 공기와 산화 반응하여 Cu 2 O 가 생성되었기 때문인 것으로 판단 된다[27]. Figure 4(c)는 Cu 2p 변화를 살펴보기 위해 sub-peak를 나타낸 것이다. 탄소섬유에 구리도금 처리를 한 탄소섬유의 Cu 2p sub-peak 는 Cu 2 O (BE = 932.6 eV), CuO (BE = 934.6 eV), CuSO 4 (BE = 936.3) 의 sub-peak 가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로, O 1s sub-peak 의 나타낸 Cu 2 O 가 나타난 것을 확인할 수 있었으며, 이는 앞서 언급 한 데로 탄소섬유 표면의 구리가 공기 중에서 산화되어 그 표면의 일 부가 Cu 2 O 로 전이된 것으로 판단된다.
Figure 5 는 O 1s sub-peak 에 나타난 산소관능기들의 상대적 구성비율 을 관찰하기 위해 각 Figure 4에서 관찰된 각 관능기의 그래프상 면적 을 구하고 이를 상대 값으로 하여 나타낸 결과이다. 보는 바와 같이 구리도금 처리 시간이 증가할수록 Cu 2 O 와 COOH가 증가하는 것과 O-C 와 O=C는 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 결과로 인해, 구리 도금 과정 중 강한 산성의 조건에 노출된 탄소섬유 표면의 O-C와 O=C 등의 관능기가 과산화 조건에서 COOH로 일부 전환되는 것으로 판단되며, Cu의 경우 공기 중의 산소와 반응하여 Cu 2 O 전이되는 것으 로 추측된다[28].
3.3. 접촉각 측정
고체상에서 표면 및 계면특성은 서로 다른 조성 사이에서 발생되는 분자간의 인력성으로 이는 표면자유에너지라 정의된다. 이러한 계면 에서의 결합은 분자간의 인력과 표면자유에너지의 관점에서 기술될 수 있으며, 고체의 표면자유에너지를 측정하는 데 이용하는 방법 중 접촉각 측정방법은 여러 공정 중에 일어나는 고체의 흡착, 젖음, 및 접착 현상 등을 예측 가능하게 한다[29].
다음과 같은 식은 Washburm식을 기본으로 한 wicking방법은 면접 촉각 측정기로 측정하기 어려운 분체 및 섬유와 같은 물질의 접촉각 을 결정하는데 사용되는 방법이다[30-33].
⋅
⋅
⋅(2)
여기서 m은 시간 t에 따라서 섬유를 적시는 액체의 질량, c는 충전 도, γ L 은 액체의 표면 장력, θ는 섬유와 액체의 접촉각, ρ와 η는
각각 액체의 밀도와 점도를 나타낸다.
무전해 구리 도금 처리를 한 탄소섬유의 표면자유에너지는 물과 diiodomethane, 그리고 ethylene glycol의 젖음액으로부터 측정한 접촉 각 결과로부터 Owens[34]와 Wendt[35] 사용하여 구하였으며, 그 식은 아래와 같이 나타내었다.
(3)
위에 식으로부터 전해 구리도금처리 한 탄소섬유의 표면자유에너 지 결과값을 Figure 6에 나타내었다. 탄소섬유의 극성 요소 (γ S SP ) 는 도금시간이 증가할수록 증가함을 보이다가 과량의 도금처리에서는 더 이상 증가되지 않는 포화상태 또는 일부 감소되는 현상이 관찰되 었으며, 비극성 요소 (γ S L ) 는 미약하게 감소하였다. 이 결과로부터 전 해 구리도금은 탄소섬유의 극성 요소의 변화에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, Cu-CF-30가 Cu-CF-120보다 높은 값을 나타내 었다. 초반 표면자유에너지가 증가했던 이유는 초반 산성조건에 탄소 재료가 노출됨에 따라 표면에 산소관능기의 형성이 유도되었으며, 더 불어 구리가 탄소섬유 표면에 도입됨에 따라 큰 폭으로 극성요소가 증가된 것으로 사료된다. 한편, 과량으로 구리가 도금된 샘플에서는 도입된 구리입자간의 클러스터 형성이 가속화되어 입자경이 커지고 더불어 표면이 산화되어 전체적으로 극성이 포화상태로 진행된 것으 로 판단된다. 이러한 금속 클러스터의 양이 증가되면, 금속끼리의 결 합력이 크게 증가되어 탄소섬유와의 계면 분리현상에 의한 최종복합 재료의 기계적 계면물성이 큰 폭으로 감소될 수 있다. 이러한 물성저 하는 계면강도와는 다른 이종의 재료간의 계면 분리현상으로 인식될 수 있다. 한편 비극성요소의 경우는 SEM에서 관찰한 결과 도금시간 이 증가할수록 섬유간에 뭉침 현상으로 전체적인 비표면적의 감소로 인해 점차적으로 약간씩 감소되는 것으로 판단된다.
3.4. 기계적 물성
탄소섬유 강화 복합재료에서 기계적 특성 및 내구성은 섬유와 매트
릭스 수지간의 계면 결합력에 큰 영향을 받는데, 우수한 기계적 특성
및 내구성을 발현하기 위해서는 이들 구성 요소들 사이의 물리적 계
면 결합력이 더욱 요구된다. 본 연구에서는 탄소섬유 표면에 구리도
금을 처리하여 탄소섬유 강화 복합재료의 계면에서의 기계적 물성을
time. Figure 8. Dependence of ILSS and K IC on the γ S SP (R, coefficient of regression).
알아보기 위해 일방향 복합재료의 양단을 단순 지지하고 중앙에 하중 을 가하여 시편의 최대 전단응력을 발생시켰으며, 다음의 식 (4)로부 터 ILSS를 계산하였다[36].
(4)
여기서 P는 하중, b는 시편의 넓이, 그리고 d는 시편의 두께를 나타 낸다. 탄소섬유 표면에 구리도금 시간에 따른 에폭시 수지 복합재료 의 ILSS 값은 Figure 7에 나타내었다. Figure 7에서 보는 바와 같이 도금시간에 따른 복합재료의 시편의 ILSS 변화는 강도의 값이 Cu- CF-30 까지 점차 증가하다가 Cu-CF-120에서는 물성이 감소하여 도금 처리 하지 않은 것과 비슷한 값을 나타냈다. 도금처리 시간을 오래한 Cu-CF-120 에서 감소는 섬유 표면에 과다한 구리도금으로 인한 금속 자체간 높은 결합력으로 금속-탄소간 계면이 박리되는 현상으로 인해 크게 물성이 저하될 수 있을 것으로 유추되며, 더불어 금속도금으로 섬유간의 뭉침이 발생하여, 섬유-수지간의 젖음이 방해되어 최종 복 합재료의 ILSS가 큰 폭으로 감소한 것으로 사료된다.
3.5. 파괴 인성
파괴인성에 대한 현상에 이해는 Grifith[37]에 의해 최초로 제시되 었으며, 외부 하중의 이동으로 가해지는 에너지와 재료에서 crack 발 생으로 인한 표면에너지증가 사이에 균형으로 설명된다. 파괴 이론을 기본으로 하는 임계응력세기인자라고 정의된 parameter K C 는 crack 끝에서 응력장의 크기를 정의하는 하나의 측도 계수로 사용된다.
본 연구에서 제조한 탄소섬유 강화 복합재료의 임계응력세기인자 (K IC )는 응력 (P)과 crack 길이의 함수 (Y)로 표시된 식 (5)를 이용하여 계산하였다[34].
∙ (5)
(6)
여기에서 P는 파괴 강도, S는 span, 그리고 W와 B는 각각 시편의 폭과 두께를 의미한다.
K IC 값의 변화는 기계적 계면특성인 ILSS의 변화와 유사함을 알 수 있으며, 또한 복합재료의 파괴인성은 이러한 계면결합력의 정도에 크 게 의존한다는 것을 알 수 있었다. 시간에 따른 구리도금 처리를 한 Cu-CF-30 의 K IC 값이 가장 높은 물성을 나타냈으며, Cu-CF-120은 물 성이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 ILSS와 동일한 사유로 판 단된다.
Figure 8 에서 나타낸 그래프는 극성에 따른 ILSS와 K IC 강도의 변 화를 나타낸 것이다. 보는 바와 같이 극성이 증가함에 따라 강도가 증 가하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 탄소섬유 표면에 구리도금에 따 른 표면의 산소관능기와 금속의 존재로 인해 극성요소의 증가로 섬유 - 수지간 계면결합력이 증가하여 최종 기계적 물성이 증가했다고 판단 된다.
4. 결 론
본 연구에서는 탄소섬유 표면에 전해 구리도금을 시간에 따라 처리 하여 탄소섬유 강화플라스틱의 전단 강도와 파괴 인성의 특성을 향상 시키기 위해 탄소섬유 표면에 구리도금 처리를 하여 이것에 대해 미 치는 영향을 살펴보았다. 전해 구리도금 처리 전후 탄소섬유의 표면 특성을 관찰하였으며, 이로 인해 CFRPs의 기계적 특성에 미치는 영 향에 대하여 살펴보았다. 실험 결과 탄소섬유의 구리도금에 의해 CFRPs 의 기계적 계면 물성이 증가하는 것을 관찰되었다. 이는 탄소 섬유의 구리 도금처리에 의해 탄소섬유 자체의 표면자유에너지의 극 성요소가 증가되고 이에 따라 섬유-수지간 계면결합력이 증가되었기 때문으로 판단된다. 한편, 과량으로 금속이 도입된 Cu-CF-120에서는 금속간 뭉침에 의해 섬유-수지간 계면박리 및 섬유의 뭉침으로 인한 섬유-수지간 젖음 감소로 인해 기계적 계면 물성이 도리어 감소된 것 으로 사료된다.
감 사
