표면 처리 및 산화 그래핀 인터리프에 의한 유리 섬유-알루미늄 라미네이트의 시너지적 박리 강화

결과 및 토론

GO의 특징

흑연 및 GO 플레이크의 표면 형태는 그림 3과 같이 SEM 및 TEM으로 특성화되었습니다. 그림 3a에서 흑연 플레이크의 다층 구조를 관찰할 수 있는 반면, GO의 SEM 및 TEM 이미지는 그림 3에서 볼 수 있습니다. 도 3b 및 c는 박막 구조를 나타낸다. 이는 흑연의 다층 구조가 성층화되어 그래핀 산화물이 성공적으로 합성되었음을 나타냅니다. 그림 3d는 GO 나노시트의 AFM 이미지를 보여줍니다. 제조된 GO의 두께는 약 0.968 nm로 흑연으로부터 완전히 박리된 후 그래핀 옥사이드 나노구조의 단일 층이 달성되었음을 나타냅니다. 또한, GO의 분산 상태는 중합체의 강인화에 중요한 역할을 합니다. GO의 열악한 분산은 수지에서 GO 나노시트로의 응력 전이에 좋지 않은 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 분산된 GO를 특성화하고 평가해야 합니다. 그림 3e 및 f는 에폭시 수지에 분산된 후 GO 시트의 미세 구조를 보여줍니다. 0.5 wt% 농도의 GO 혼입은 수지에 우수한 분산을 나타내는 반면 GO의 약간의 응집은 더 높은 농도(1.0 wt%)에서 관찰될 수 있으며, 이는 응력 집중을 초래하여 강도와 인성을 약화시킬 수 있습니다. 에폭시.

a의 SEM 이미지 흑연 조각. ㄴ GO 시트. ㄷ GO의 TEM 이미지. d GO의 AFM 이미지. 이 에폭시 수지의 GO 시트(0.5 wt%). 에 에폭시 수지의 GO 시트(1.0 wt%)

GO 표면의 화학 구조는 GO와 수지 매트릭스 사이의 계면 상호 작용을 담당하는 폴리머에서 GO의 강화 효율에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소입니다[30, 31, 34]. 제조된 GO의 표면 화학적 성질을 확인하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다. 그림 4와 같이 GO의 C1s 스펙트럼은 4가지 유형의 탄소 결합에 할당된 4개의 피크로 나뉩니다. (1) C–C/C=C(284.5 eV), (2) C–O 286.9 eV), (3) C=O(288.2 eV), (4) O-C=O(289 eV) [35]. 산소화된 작용기의 존재는 GO의 분산 및 GO와 고분자 매트릭스 사이의 결합 강도에 유리합니다[30, 31, 34]

GO 시트의 XPS C1 스펙트럼

알루미늄 합금 표면의 물리적 및 화학적 특성

일반적으로 FRP 복합재와 금속 사이의 계면 박리는 계면 및 응집 파괴를 모두 포함하며, 이는 일반적으로 금속 시트의 표면 특성에 영향을 받습니다. 따라서 알루미늄 합금 표면의 표면 미세조직, 거칠기, 화학적 조성 및 젖음성을 포함한 물리화학적 특성은 다양한 측정 장비를 통해 특성화되었습니다.

그림 5는 알칼리 에칭 전후의 Al 합금 판재의 표면 형태와 미세 구조를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 알칼리 에칭 처리된 Al 합금 표면은 탈지 Al 합금 표면보다 거칠어진다. 알칼리 에칭 처리된 Al 합금의 표면에는 많은 마이크로 스케일의 구멍과 골이 관찰될 수 있는데, 이는 에폭시 수지와 GO를 충전하여 기계적 연동을 형성하고 복합/금속 계면의 결합 강도를 높이는 데 유리합니다. 7, 19, 36]. 또한, 광간섭 프로파일러를 이용하여 알칼리 에칭 전후의 Al 합금판의 표면 프로파일도 측정하였다. 해당 표면 거칠기 값(R _아 , R _q , 및 R _z )는 표 1에 요약되어 있으며, 여기서 R _아 프로파일의 산술 평균 편차를 나타냅니다. R _q 제곱 평균 제곱근 거칠기 및 R _z 는 요철의 10점 높이를 나타냅니다. 표 1에서 알칼리 식각 전후의 측정값의 유의한 차이를 확인할 수 있으며, 이는 Fig. 5의 SEM 관찰 결과와 일치한다. 알칼리 식각 표면의 높은 거칠기는 비표면적의 증가를 의미하여 유리하다. Al 합금 시트와 폴리머 매트릭스 사이의 기계적 연동을 위해.

a 후 Al 표면의 SEM 이미지 탈지 및 b 알칼리 에칭

XPS는 다양한 표면 처리로 Al 합금 표면의 화학적 변형을 분석하기 위해 수행되었습니다. 그림 6은 에칭되지 않은 Al 합금 표면과 에칭된 Al 합금 표면에 대한 Al 2p 및 O 1s의 좁은 스캔 ​​스펙트럼을 나타냅니다. 그림 6a는 γ-알루미늄 산화물(γ-Al₂ O₃ ) [37]. 에칭되지 않은 표면의 O 1s 스펙트럼은 2개의 피크로 분할되어 Al₂에 할당됩니다. O₃ (531.3 eV) 및 수산화알루미늄(533.1 eV) [13].

Al 합금 표면의 XPS 스펙트럼의 좁은 스캔

그림 6b는 74.8 eV에 위치한 첫 번째 피크가 Al₂와 연관되어 있는 에칭된 표면의 디컨볼루션된 Al 2p 이온화 스펙트럼을 보여줍니다. O₃ , 그리고 76.1 eV에서의 피크는 수산화알루미늄에 해당합니다[38]. 에칭된 표면의 O1s 스펙트럼은 두 개의 피크를 보여줍니다. 하나는 Al₂에 대한 것입니다. O₃ (531.5 eV) 및 다른 하나는 수산화알루미늄(533.1 eV) [13]. 식각되지 않은 Al 합금 표면과 식각된 Al 합금 표면의 결과를 비교하면, Al 2p의 결합 에너지의 이동은 Al 합금의 표면 화학적 성질이 표면 처리에 의해 변화되었음을 의미한다[6]. 한편, 식각된 표면의 O1s 피크의 수산화물 대 산화물 강도 비율은 식각되지 않은 표면보다 높으며, 이는 수산화알루미늄과 에폭시의 수산기 사이에 더 많은 수소 결합 형성으로 인해 계면 접착력을 향상시킬 수 있습니다. 분자 [13].

Al 합금 표면의 습윤성에 대한 표면 처리의 영향을 조사하기 위해 표준 액적을 테스트된 샘플의 표면에 떨어뜨려 접촉각을 측정했습니다. 그림 7은 알칼리 에칭 전후의 Al 합금 표면의 정적 접촉각 이미지를 보여줍니다. 알칼리 처리된 Al 판의 표면은 접촉각이 더 작음을 알 수 있는데, 이는 알칼리 에칭 처리로 Al 합금 표면의 습윤성이 더 우수함을 의미한다. 증가된 습윤성은 또한 계면 결합 강도의 개선에 기여할 수 있습니다[6].

표면 처리가 다른 Al 합금 표면의 물방울 접촉각

Mode-I 층간 파괴 인성

DCB 테스트는 다양한 유형의 GFRP/Al 라미네이트에 대해 수행되었습니다. 그림 8은 부하 P 사이의 관계를 보여줍니다. 및 균열 개방 변위(COD). 하중 및 균열 개방 변위의 전반적인 경향을 찾을 수 있습니다(P -COD) FML 시편의 응답은 거의 유사합니다. 즉, 적용된 하중이 처음에는 선형으로 증가하고 하중이 최대에 도달할 때까지 비선형 패턴으로 약간 증가하고 최종 단계에서 점진적으로 감소합니다. 균열 성장 개시의 불확실성으로 인해 임계 하중(P _C )는 P의 교집합으로 정의됩니다. - 초기 곡선보다 5% 높은 준수에 해당하는 선이 있는 COD 곡선[33].

대표적인 하중 및 균열 개방 변위(P -COD) DCB 테스트 중 다양한 표본에 대한 곡선

그림 9는 임계 부하 P를 나타냅니다. _C 시험된 표본의. P _C GO0.5% 시편의 경우 평지와 유사하여 다른 유형의 시편에 비해 훨씬 적습니다. 알루미늄 합금을 알칼리 에칭으로 전처리한 후, P _C SH-GO0% 시편의 비율이 크게 증가하여 계면 접착에서 표면 처리가 중요한 역할을 함을 나타냅니다. 임계 부하 P _C SH-GO0.5% 시편의 경우 알칼리 에칭과 0.5 wt% GO의 첨가를 결합할 때 더 증가하고 가장 높은 P를 얻습니다. _C 평지 및 GO0.5% 시험체에 비해 약 160% 이상 높아 표면처리와 GO 간지 사이에 상승적인 강화 효과가 있을 수 있음을 나타냅니다. 그러나 P _C GO 함량(SH-GO1%)의 추가 증가와 함께 감소하는데, 이는 더 높은 농도에서 GO의 덩어리로 인한 것일 수 있습니다.

임계 부하 P _C DCB 테스트 중 다양한 표본에 대해

그림 10은 균열 성장 증분 ∆a의 함수로 모드 I 파괴 인성을 나타냅니다. (R -곡선) 테스트된 샘플에 대한. 알 수 있는 바와 같이 일반 및 GO0.5% 시편의 경우 모드 I 파괴 인성은 균열 성장 증분 ∆a와 무관합니다. 이는 또한 탈지된 알루미늄 합금과 유리 섬유 적층체 사이의 약한 계면 결합을 나타냅니다. 그러나 다른 유형의 시편의 경우 모드 I 파괴 인성이 균열 성장과 함께 먼저 증가하고 유리 섬유 브리징 효과로 인해 안정되는 전형적인 파괴 거동을 관찰할 수 있습니다.

R 비교 -DCB 테스트 중 다양한 표본에 대한 곡선

GFRP/Al 라미네이트의 층간 기계적 특성에 대한 표면 처리 및 GO 인터리프의 영향을 더 잘 이해하기 위해 모드 I 파괴 인성 G _IC 및 내파괴성 G _IR G는 그림 11에 요약되어 있습니다. _IC R의 시작 값입니다. -곡선 및 G _IR 균열 확장 ∆a 범위 내 5개 점의 평균값 20 ~ 40 mm. Fig. 11에서 알 수 있듯이 G는 큰 차이가 없다. _IC 그리고 G _IR 평야와 GO0.5% 표본 사이. 그러나 G에서 225% 및 600%의 상당한 증가 _IC 그리고 G _IR SH-GO0% 시편의 경우 Al 합금 판을 알칼리 화학 에칭으로 처리했을 때 관찰할 수 있습니다. 이러한 향상은 "Mode-I 층간 파괴 인성" 섹션에 설명된 바와 같이 알칼리 에칭 처리에 의해 Al 합금 판의 습윤성 뿐만 아니라 표면 형태 및 화학이 개선된다는 사실에 기인합니다. 시너지 강화 시험편(SH-GO0.5% 및 SH-GO1%)의 경우 G _IC 그리고 G _IR 표면처리만(SH-GO0%) 또는 GO 인터리프만(GO0.5%)으로 강화한 시편보다 훨씬 높으며, 이는 표면 처리(향상된 계면 접착력)와 GO의 시너지 효과에 기인할 수 있습니다. 간지(강화된 에폭시 매트릭스). 최대 G _IC 그리고 G _IR SH-GO0.5% 표본에서 관찰된 값은 263 J/m ² 입니다. 및 590 J/m ² , 각각 평야보다 약 510%, 820% 높은 수치입니다.

다양한 시편에 대한 Mode-I 파괴인성 및 저항 비교

Mode-II 층간 파괴 인성

ENF 시편의 Mode-II 하중-처짐 곡선은 그림 12에 나와 있습니다. 일반적으로 하중-처짐 곡선은 초기 단계에서 선형 응답을 보인 다음 최대 하중까지 비선형 응답을 나타냅니다. 마지막 단계. 그림 13은 임계 부하 P를 보여줍니다. _C 및 모드 II 층간 파괴 인성 G _IC 하중-변형 프로파일로부터 계산된 시험된 시편의. 임계 하중을 정의하는 기준 P _C ENF 시편의 경우 DCB 시편과 유사합니다. G _IC 그리고 피 _C ENF시편의 경우 DCB시편과 동일한 경향을 보인다. Mode-II 파괴인성과 임계하중의 최대값은 SH-GO0.5%의 시편에서 관찰되었으며, 이는 일반 시편보다 각각 381% 및 99% 높은 값입니다.

ENF 테스트 중 다양한 시편에 대한 대표적인 하중-처짐 곡선

모드 II 파괴 인성 비교 G _IC 및 임계 부하 P _C ENF 테스트 중 다양한 표본에 대해

골절 형태 관찰

강화 메커니즘을 추가로 밝히기 위해 테스트된 GFRP/Al 라미네이트의 파괴 형태를 SEM으로 관찰했습니다.

그림 14는 DCB 시험 후 GO0.5%, SH-GO0%, SH-GO0.5%, SH-GO1% 시편의 파단면을 보여준다. GO0.5% 시편(Fig. 14a 및 b 참조)의 경우 파단면이 매끄럽고 Al 합금판 표면에 유리섬유나 에폭시 수지가 눈에 띄게 부착되어 있지 않다. GO0.5% 시편의 파손 유형은 접착 파손입니다. SH-GO0% 시편(그림 14c 및 d 참조)의 경우 표면에 부착되거나 미세 공극에 매립된 일부 끊어진 섬유 및 에폭시 수지가 관찰될 수 있으며, 이는 알칼리 에칭이 Al 사이의 기계적 연동을 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 합금 판과 폴리머 매트릭스를 제거한 다음 이들 사이의 계면 결합을 향상시킵니다. SH-GO0% 시편의 파손유형은 점착성과 점착성의 조합이다. Resin 분자의 분리로 인한 응집 파괴는 계면 파괴[19]에 비해 더 많은 에너지를 소비할 수 있으며, 이는 SH-GO0% 시편이 GO.5% 시편에 비해 Mode-I 파괴 인성이 더 높다는 것을 나타냅니다. SH-GO0.5% 및 SH-GO1% 시편(그림 14e-h 참조)과 관련하여 더 불규칙하고 거친 파괴 형태가 관찰될 수 있으며, 이는 더 큰 파괴 영역을 생성하고 더 높은 구동력을 필요로 합니다. 그리고 에너지. SH-GO0.5% 및 SH-GO1% 시편의 파손 유형은 거의 응집 파손이며, 이는 GO interleaf를 추가하면 표면 처리로 GFRP/Al 적층체의 층간 파괴 인성을 더욱 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 가능한 이유는 다음과 같습니다. GO는 우수한 기계적 특성으로 인해 일반적으로 더 높은 구동력과 더 높은 파괴 에너지가 필요한 균열 처짐 및 균열 가교 효과를 유도하여 에폭시 수지의 인성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다[30]. 한편, GO 시트 표면의 작용기는 GO와 에폭시 수지 사이의 강한 계면 결합에 기여할 것이며, 이는 에폭시 매트릭스에서 GO를 빼내는 과정에서 더 많은 에너지를 소비할 수 있다. 더욱이, GO의 첨가는 수지 매트릭스의 반응성 작용기를 증가시킨다[39, 40]. 따라서 SH-GO0.5% 및 SH-GO1% 시편의 Mode-I 파괴인성은 SH-GO0% 시편에 비해 더욱 증가하였다.

모드 I GFRP/Al 라미네이트의 파손 표면. 아, 나 GO0.5%. ㄷ , d SH-GO0%. 이 , f SH-GO0.5%. 지 , h SH-GO1%(좌측, Al측, 우측, 합성측)

위의 분석을 바탕으로 Al/GFRP 적층판의 mode-I 층간 파괴인성 향상에 대한 표면 처리와 GO-epoxy interleaf의 시너지 효과가 입증되었습니다. 그러나 과도한 GO는 파괴 인성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. GO의 응집은 응력 집중을 유발하고 에폭시의 인성을 감소시킬 수 있기 때문에(그림 3 참조) SH-GO1%의 모드 I 파괴 인성은 SH-GO0.5% 시편보다 낮습니다.

SEM은 또한 시험된 시편의 ENF 파괴 표면을 조사하기 위해 사용되었습니다. GO0.5% 시편(그림 15a 및 b)의 경우 Al 판과 GFRP 측의 파단면이 비교적 매끄럽고 GO0.5% 시편의 DCB 파단 형태와 유사합니다. SH-GO0%(Fig. 15c), SH-GO0.5%(Fig. 15e), SH-GO1% 시편(Fig. 15g)에서 파손된 섬유와 Al plate 표면에 부착된 잔류 Epoxy가 관찰됨 ), 이는 GO0.5% 시편에 비해 응집파괴가 발생하고 파괴인성이 높음을 의미한다. 또한 SH-GO0.5% 및 SH-GO1% 시편의 경우 Al 판과 합성면의 표면에 전형적인 전단 립이 많이 있어 손상 영역이 증가하고 소성 변형이 더 커짐을 나타냅니다. SH-GO0%보다 더 높은 모드 II 파괴 인성을 갖습니다. 또한, GO의 응집은 SH-GO0.5% 시편에 비해 SH-GO1% 시편의 Mode-II 파괴 인성이 낮은 주요 원인일 수 있습니다.

모드 II GFRP/Al 라미네이트의 파손 표면. 아 , b GO0.5%. ㄷ , d SH-GO0%. 이 , f SH-GO0.5%. 지 , h SH-GO1%(좌측, Al측, 우측, 합성측)