Analysis of the mechanical behavior of steel and polymer sandwich composite considering interfacial properties

Abstract

Due to global need to increase energy efficiency, many studies have been conducted to reduce the weight of products and structures while maintaining their performance. In particular, automotive industries have tried to develop new composites, e.g., laminated steel and polymer. By sandwiching polymer with steel layers, the weight of resulting structure has been demonstrated to be reduced within acceptable performance. Although various studies have been conducted to evaluate the mechanical properties and functionalities of the sandwich composites, it is still challenging to accurately predict those due to a lack of consideration of their interfacial properties. Therefore, experimental and theoretical studies were conducted to predict the mechanical behavior of steel-polymer sandwich composites considering interfacial properties in this study. Firstly, the interfacial adhesion in sandwich composites was systematically varied to evaluate its effects on mechanical properties, particularly tensile strength. Furthermore, we investigated why the tensile strength of each component is not fully realized for seemingly simple structures consisting of two steel layers and a core polymer layer when assuming relatively weak adhesion. The resulting interfacial properties of the sandwich composites were characterized and incorporated into a cohesive zone model for finite element simulation. The simulation results revealed that, in contrast to the strong adhesion case, weak adhesion leads to stress concentration around failed cohesive elements, resulting in earlier failure of constituent layers and thus a lowering of the overall tensile strength of the composite. Secondly, the damping performance of lightweight steel-polymer sandwich composites have been typically studied without considering the interface between the heterogeneous materials. Herein, the interface between the steel and polymer layers was investigated experimentally for various steels and polymers. Impact hammer test results revealed that although very thin, the adhesive layer itself greatly influenced the vibration-damping performance of the composite. A five-layered sandwich model that included the adhesive layer accurately predicted the loss factor of the sandwich composite. Thirdly, the formability of the sandwich composite was experimentally evaluated using forming limit diagram. Unlike the general steel sheet, in order to define the formability of the sandwich composite, it was necessary to consider delamination as well as fracture of the specimen. Therefore, the formability test of steel-polymer sandwich composite was simulated considering the interfacial properties using the cohesive zone model. Finally, the effect of the interfacial adhesion on the formability of the sandwich composites was investigated, from which an optimal condition was explored for the interfacial adhesion that can ensure the formability of the sandwich composites. Lastly, thermo-compression behavior of the sandwich composite was simulated. For this purpose, the mechanical properties of polymer according to temperature were evaluated. In addition, the flow of the core polymer and interfacial behavior were observed in the thermo-compression process through the simulation. Finally, through the compressive behavior and interfacial behavior of the sandwich composites according to the temperature, it is intended to present optimal conditions for the welding process of the sandwich composites.

범세계적으로 일어나는 에너지 저감 대책의 일환으로 경량 구조재료에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히 수송 산업의 경우, 스틸과 고분자를 접합한 새로운 복합재료를 개발하기 위해 노력하고 있다. 금속과 고분자를 접합하면, 기계적 물성을 적정 수준으로 유지하면서 경량화가 가능하다고 알려져 있다. 이에 따라 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 기계적 물성과 다양한 기능성을 평가하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 이들을 예측하기 위한 연구의 대부분은 계면 물성에 대한 고려가 없어 실제와 일치하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 계면 물성을 고려하여 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 기계적 물성을 예측하기 위해 실험적, 이론적 연구를 수행하였다. 우선 샌드위치 복합재의 기계적 특성, 특히 인장강도에 계면 접착력이 미치는 영향을 평가하기 위한 다양한 실험을 진행하였다. 또한 접착력이 약한 경우, 스틸층과 고분자층으로 구성된 단순한 구조에 대해서도 각 구성 요소의 인장 강도를 완전히 발현할 수 없는 이유를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션 결과, 접착력이 약하면 시편의 파괴보다 계면의 파괴가 먼저 일어나게 되며, 계면이 파괴된 부분에 응력 집중이 일어나 복합재료의 파괴를 초래하여 전체적인 인장 강도를 낮춘다는 것이 밝혀졌다. 더불어 일반적으로 알려진 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 제진 성능을 예측하는 모델은 이종 재료 간의 계면을 고려하지 않는다. 따라서, 계면 물성이 샌드위치 복합재료의 제진 성능에 미치는 영향을 확인하지 위한 다양한 실험을 진행하였다. 임팩트 해머 시험을 통해 매우 얇은 접착층도 복합재료의 제진 성능에 큰 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 따라서, 기존에 알려진 3층 구조의 제진 성능 예측 모델을 접착층을 고려할 수 있도록 5층 구조로 수정하고 실험 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 또한 샌드위치 복합재료의 성형성을 실험적으로 평가하고, 이를 성형한계도로 나타내었다. 일반적인 강판과는 달리 샌드위치 복합재료의 성형성을 정의하기 위해서는 계면의 박리를 고려해야한다. 따라서, 응집 영역 모델을 통해 계면 물성을 고려하여 샌드위치 복합재료의 성형성 시험을 모사하였다. 이를 통해 샌드위치 복합재료의 성형성에 계면 물성이 미치는 영향을 밝혀 내었으며, 이를 통해 스틸-고분자 샌드위치 복합재료의 성형성을 보장할 수 있는 최적의 계면 접착력을 탐색하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재료의 열압축 거동을 모사하기 위해 코어 고분자의 온간 물성을 평가하였다. 또한 열압축 공정의 시뮬레이션을 통해 코어 폴리머의 유동성과 계면의 거동을 관찰하였다. 이를 통해 샌드위치 복합재의 열압축 공정의 최적 조건을 탐색하고 이를 제시하고자 하였다.