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미소접합시험과 유한요소법을 통한 섬유/에폭시 복합재의 계면 전단강도 해석
Analysis of Interfacial Shear Strength of Fiber/Epoxy Composites by Microbond Test and Finite Element Method

강수근   (한국표준협회 신뢰성기술경영센터CC0187004  ); 이덕보   (한국표준협회 신뢰성기술경영센터CC0187004  ); 최낙삼   (한양대학교 공학대학 기계정보경영공학부UU0001519  );
  • 초록

    미소 드랍릿 시편을 이용한 탄소섬유와 에폭시 수지 사이의 계면전단강도에 대해 시험분석하였다. 또한 드랍릿 모델, 원형 단면 모델, 인발모델의 3종류의 유한요소해석을 통해 섬유/수지간의 응력분포를 계산하였다. 본 연구결과는 다음과 같다. (1) 미소드랍릿 시험의 경우는 인발시험보다 섬유/수지의 계면에서 큰 응력집중이 나타났으며 계면박리가 낮은 하중수준에서도 발생하기 용이함을 알수 있었다. (2) 미소드랍릿시험에서 높은 계면강도를 보였는데, 이는 미소드랍릿의 형상과 사이즈, 바이스팁과 접촉하는 부위의 응력집중효과를 함께 받았기 때문으로 해석되었다.


    Interfacial shear strength between epoxy and carbon fiber has been analyzed utilizing the microbond specimen with an epoxy micro-droplet adhered onto single carbon fiber. The interfacial shear stress distributions along the fiber/matrix interface were calculated by finite element analysis using three kinds of finite element models such as droplet model, circular-crosssection model and pull-out model. Conclusions were obtained as follows. (1) Interfacial shear stress distribution showed that larger stresses were concentrated in the fiber/matrix interface for microbond test than for pull-out test. Thus, debonding at the fiber/matrix interface during microbond test was liable to occur at low load level. (2) Microbond test showed higher interfacial strength which was caused by various effects of micro-droplet geometry and size as well as stress concentration in the region contacting with the micro-vise tip.


  • 주제어

    계면 전단강도 .   미소드랍리트 접합 시험 .   탄소섬유/에폭시 복합재료 .   유한요소법.  

  • 참고문헌 (17)

    1. Yee, A. F. and Pearson, R. A., Vee, A. F. and Pearson, R. A., 'Toughening Mechanisms in Elastomer-Modified Epoxies. Part I: Mechanical Studies,' Journal of Materials Science, Vol. 21 No.7, 1986, pp. 2462-2474 
    2. Lynn S. Penn, Shaw M. Lee, 'Interpretation of the force trace for Kevlar/epoxy single filament pull-out tests,' Fibre Science and Technology, Vol. 17, No.2, September 1982, pp. 91-97 
    3. J. F. Mandell, J. H. Chen, F. J. McGarry, 'A microdebonding test for in situassessment of fibre/matrix bond strength in composite materials,' INT. J. Adhesion and Adhesives, 1980, pp. 40-44 
    4. Pedro J. Herrera-Franco, Venkatesh Rao, Lawrence T. Drzal, Martin Y. M. Chiang, 'Bond Strength Measurement in Composites Analysis of Experimental Techniques,' Composites Engineering, Vol. 2, No. 1, 1992, pp. 31-45 
    5. J. T. Ash, W. M. Cross, D. S. valstad, J. J. Kellar, L. Kjerengtroen, 'Finite element evaluation of the microbond test: meniscus effect, interphase region, and vise angle,' Composites Science and Technology, Vol. 63, 2003, pp. 641-651 
    6. 김영석, 소성역학, 시그마프레스, 2001, pp. 75-77 
    7. Pearson, R. A. and Vee, A. F., 'Toughening Mechanisms in Elastomer-Modified Epoxies. Part 2: Microscopy Studies,' Journal of materials science, Vol. 21 No.7, 1986, pp. 2475-2488 
    8. 문창권, 엄윤성, '섬유직경과 섬유표면처리가 계면전단강도에 미치는 영향,' Polymer(Korea), Vol. 15, No.3, 1991, pp. 289-296 
    9. R. J. Day, J. V. Cauich Rodrigez, 'Investigation of the Micromechanics of the Microbond test,' Composites Science and Technology, Vol. 58, 1998, pp. 907-914 
    10. Atsushi Wada, Hiroshi Fukuda, 'Evaluation of Fiber/Matrix Interfacial Shearing Properties by Means of Microbond Test and Finite Element Analysis,' 日本複合 材料率合誌, Vol. 26, No.2, 2000, pp. 58-64 
    11. H. Ho, L. T. Drzal, 'Evaluation of interfacial mechanical properties of fiber reinforced composites using the microindentation method,' Composites Part A: Applied Science and Manufacturing(Incorporating Composites and Composites Manufacturing), Vol. 27, No. 10, 1996, pp. 961-971 
    12. Umesh Gaur, Bernard Miller, 'Microbond Method for Determination of the Shear Strength of a Fiber/Resin Interface: Evaluation of Experimental Parameters,' Composites Science and Technology, Vol. 34, 1989, pp. 35-51 
    13. H. Heilhecker, W. Cross, R. Pentland, C. Griswold, J. J. Kellar, L. Kjerengtroen, 'The vice angle in the micro bond test,' Journal of Materials Science Letters, Vol. 19, 2000, pp. 2145-2147 
    14. 문창권, 엄윤성, 조현혹, 이장우, 박천욱, '섬유의 표면처리가 탄소섬유강화 복합재료의 기계적특성에 미치는 영향,' Polymer (Korea), Vol. 14, No.6, 1990, pp. 630-637 
    15. C. T. Chou, U. Gaur, B. Miller, 'The Effect of Microvise Gap Width on Microbond Pull-out test results,' Composites Science and Technology, Vol. 51, 1994, pp. 11-116 
    16. J. P. Favre and M. C. Merienne, Oct. 'Characterization of fibre/resin bonding in composites using a pull-out test,' INT. J Adhesion and Adhesives, 1981, pp 311-316 
    17. H. D. Wagner, H. E. Gallis, E. Wiesel, 'Study of the interface in Kevlar 49-epoxy composites by means of microbond and fragmentation tests: effects of materials and testing variables,' Journal of Materials Science, Vol. 28, 1993, pp. 2238-2244 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (2)

    1. Park, Joo-Eon ; Choi, Nak-Sam 2008. "A novel hemispherical microbond specimen for evaluating the interfacial shear strength of single fiber composite" 복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, 21(2): 25~30     
    2. Park, Joo-Eon ; Gu, Ja-Uk ; Kang, Soo-Keun ; Choi, Nak-Sam 2008. "Interfacial shear strength test by a hemi-spherical microbond specimen of carbon fiber and epoxy resin" 복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, 21(4): 15~21     

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    9. 1999 "복합 적층 박판의 열응력 파손에 대한 진동 활용 비파괴평가" 비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing 19 (5): 347~355    
    10. 2000 "서모트로픽 액정폴리머와 폴리아미드6으로 성형된 얇은 복합재료의 미세구조형태" 大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A 24 (7): 1703~1711    

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