COMPOSITE MATERIALS (11강 : 복합재료) ISSUES TO ADDRESS... • What are the classes and types of composites? • Why are composites used instead of metals, ceramics, or polymers? • How do we estimate composite stiffness & strength? • What are some typical applications? 1

각각의 재료가 가지고 있는 단점을 보완하여 단일재료에서는 볼 수 없는 특징을 실현한 재료 복합재료란 무엇인가? 정의 : 2종류 이상의 재료를 혼합하여 각각의 재료가 가지고 있는 단점을 보완하여 단일재료에서는 볼 수 없는 특징을 실현한 재료 FRP : 플라스틱(폴리에스테르수지) + 유리섬유 성형성 고강도

복합재료의 구성 기지(Matrix) + 강화상(분산상) 모상이라고도 함 금속 세라믹스 플라스틱 (폴리머) 섬유(장섬유, 단섬유) 입자(금속, 세라믹) 구조물(금속섬유, 세라믹섬유 등의 직물)

복합재료의 분류 • Composites: 1) 기지의 종류에 따른 분류 • Matrix: • Dispersed phase: --Multi-phase materials 1) 기지의 종류에 따른 분류 • Matrix: --The continuous phase --Purpose is to: transfer stress to other phases protect phases from environment --Classification: MMC, CMC, PMC metal ceramic polymer • Dispersed phase: --Purpose: enhance matrix properties. MMC: increase sy, TS, creep resist. CMC: increase Kc PMC: increase E, sy, TS, creep resist. --Classification: Particle, Fiber, Structural 2

2) 강화강(분산상)의 형태에 의한 분류 • Dispersed phase: --Purpose: enhance matrix properties. MMC: increase σy, TS, creep resist. CMC: increase Kc PMC: increase E, σy, TS, creep resist. --Classification: Particle, Fiber, Structural PRC FRC SRC

FRM : Fiber Reinforced Metals (섬유강화 금속) 용어 설명 FRM : Fiber Reinforced Metals (섬유강화 금속) GFRP : Glass Fiber Reinforced Plastics (유리섬유 강화 플라스틱) = FRP로 통칭 강화재 기지

FRM 제조목적 : 고강도 재료(강도 대 무게 비가 큰 재료) 기지 : 고연성, 강화재와 무반응 → 금속, 플라스틱(중합체, 폴리머) 강화재 : 고강도, 고탄성 : 붕소섬유, → 흑연섬유, 텅스텐선

FRM의 특성 고온 특성이 우수하다. 내환경성이 우수하다. 2차 성형성, 접합성이 우수하다.

FRM 제조법 고상법 : 저온, 고압 액상법 : 고온, 단시간 교과서 142, 143페이지 참조

섬유, 기지, 복합재의 응력-변형곡선 1방향 연속섬유의 1축 인장의 경우 섬유 복합재 기지 응력 변형율

1축 인장 장섬유 강화 복합재료의 탄성율(E), 인장강도(σ) 계산(탄성범위 내) 복합재료에 걸리는 하중은 각 상에 걸리는 하중의 합과 같다. Fc = Ff + Fm 섬유의 체적ƒf, 복합재료의 단면적 A라 하면 σcA = σfAƒb + σmA(1-ƒf) σ는 응력이므로 σc = σfƒf + σm(1-ƒf) -----------(1) 변형율을 ε, 탄성계수를 E라고 하면 (1)로부터 Ecεc = Efεfƒf + Emεm(1-ƒf) εc= εf= εm이므로 Ec= Efƒf + Em(1-ƒf) ------------(2) σ

COMPOSITE SURVEY: Particle-I Particle-reinforced • Examples: 구상화철 입자 강화 복합 재료 초경합금 자동차 타이어 3

COMPOSITE SURVEY: Fiber-I Fiber-reinforced • Aligned Continuous fibers • Examples: --Metal: g'(Ni3Al)-a(Mo) by eutectic solidification. --Glass w/SiC fibers formed by glass slurry Eglass = 76GPa; ESiC = 400GPa. matrix: a (Mo) (ductile) fibers: g ’ (Ni 3 Al) (brittle) 2 m 섬유 강화 복합 재료 (a) (b) 5

COMPOSITE SURVEY: Fiber-II 섬유 강화 복합 재료 Fiber-reinforced • Discontinuous, random 2D fibers • Example: Carbon-Carbon --process: fiber/pitch, then burn out at up to 2500C. --uses: disk brakes, gas turbine exhaust flaps, nose cones. (b) (a) • Other variations: --Discontinuous, random 3D --Discontinuous, 1D 6

COMPOSITE SURVEY: Fiber-III Fiber-reinforced • Critical fiber length for effective stiffening & strengthening: fiber strength in tension fiber diameter shear strength of fiber-matrix interface • Ex: For fiberglass, fiber length > 15mm needed • Why? Longer fibers carry stress more efficiently! Shorter, thicker fiber: Longer, thinner fiber: Poorer fiber efficiency Better fiber efficiency 7

COMPOSITE SURVEY: Structural • Stacked and bonded fiber-reinforced sheets -- stacking sequence: e.g., 0/90 -- benefit: balanced, in-plane stiffness 구조 강화 복합 재료 • Sandwich panels -- low density, honeycomb core -- benefit: small weight, large bending stiffness 9

COMPOSITE BENEFITS • CMC: Increased toughness • PMC: Increased E/r • MMC: Increased creep resistance 10

복합재료 실용화의 장애물 공업적 제조방법의 미확립. 수작업 : 제조비용이 많이 든다. 품질이 균일하지 못하다. 기초 연구의 부족, 재료 설계법 미확립

첨단복합재료의 예 Advanced Composite Materials : ACM 경량화, 모재 기계적 강도 유지가 목적 시판 예(인공위성용) BFRP : 보론섬유 강화 에폭시 BFRM : 보론섬유 강화 알루미늄 CFRP : 탄소섬유 강화 에폭시 KFRP : 케플러섬유 강화 에폭시

2008.1월 런던 히드로공항에서 일어난 B-777 강착 사고 후의 모습

SUMMARY • Composites are classified according to: -- the matrix material (CMC, MMC, PMC) -- the reinforcement geometry (particles, fibers, layers). • Composites enhance matrix properties: -- MMC: enhance sy, TS, creep performance -- CMC: enhance Kc -- PMC: enhance E, sy, TS, creep performance • Particulate-reinforced: -- Elastic modulus can be estimated. -- Properties are isotropic. • Fiber-reinforced: -- Elastic modulus and TS can be estimated along fiber dir. -- Properties can be isotropic or anisotropic. • Structural: -- Based on build-up of sandwiches in layered form. 11