15장 복합재료 유기소재파이버공학과 길 명 섭

복합재료 둘 또는 그 이상의 재료를 혼합하여, 서로 다른 재료의 이점만을 살려서 각각 성분보다 나은 성질을 나타내는 재료이다. 넓은 의미 : 둘 또는 그 이상의 성분으로 구성되어 있는 많은 천연물질과 합성물질 실용적인 복합재료의 정의 : 매트릭스 또는 결합재료 중에 강화재료가 분포되어 있는 서로 다른 두 재료 이상의 조합물질

섬유강화복합재료(fiber reinforced composite, FRC) - 강화재로서 섬유를 이용한 복합재료를 말함 - 기재(matrix)의 종류에 따라 섬유강화 플라스틱(FRP), 섬유강화 금속(FRM), 섬유강화 세라믹(FRC), 섬유강화 콘크리트(FRC) 등으로 분류됨 - 섬유는 금속, 글라스, 탄소, 세라믹, 유기물 등이 있음 Aramid Fiber Glass Fiber Carbon Fiber

섬유강화복합재료의 특성 - 높은 비강도(strength/density)와 비탄성률(modulus/density) 보유 - 좋은 피로(fatigue) 특성 지님 - 진동 흡수 특성 보유 - 이방성(anisotropic) 물질 - 제조방법이 용이함

15.1 진공백 성형(autoclave vacuum bag degassing) 매트릭스인 에폭시 수지가 일부 경화된 상태로 섬유와 혼합되어 있는 Prepreg를 오토클레이브(autoclave) 내에서 경화시킴 * Prepreg - Preinpregnated의 줄임말로 수지를 약 42%(무게) 정도 포함하는 것

공정 특성 - 높은 생산량이 필요 없는 고품질의 우주항공용 복합재료 제조 - 최적의 경화사이클이 요구됨 온도 - 조절목적: 성형 중에 복합재료 내부에서의 과다한 발열반응 억제 - 조절방법: Autoclave 내부온도, 복합재료 표면온도 및 내부 온도를 측정하여 허용최대온도차 설정

2) 압력 - 조절목표: 경화과정에서 경화반응이 진행되면서 수지의 점성이 높아지는데 수지의 점성이 높아지기 전에 잉여수지를 배출함 Cure cycle of the carbon epoxy composite in the autoclave.

15.2 압축성형(compression molding) * SMC(sheet molding compound) : piles를 장입제(charge)라 함

공정의 특징 - 금형의 값이 저렴하여 재료의 낭비가 적음 - 장섬유를 매우 높은 부피분율까지 함유(기계적 물성이 좋음) - 사용압력이 낮아 낮은 용량의 프레스 사용 가능 공정(process) 장입준비와 배치 금형의 닫힘 경화 적층 무게계량 - 경화시간 동안 금형을 닫은 채로 유지 - 금형 닫힘속도 조절

15.3 연속인발(pultrusion) 공정 목적: 높은 섬유함유량을 가지는 고분자복합재료를 제조 Resin impregnating tank Roving/mat creel Heated die Puller

특성 - 강화섬유가 주로 축방향으로 배열됨 - 강화섬유와 첨가물이 수지에 함침되어 가열된 다이 내부를 통해서 당겨짐 공정 강화섬유 공급 수지 함침 예비성형 경화 당김 (가이드 장치) - 로빙이나 직물 크릴에서 공급 (길이방향 강화) 롤 형상 (횡방향 강화) 강화제 충전제 자외선 차단제 경화촉매제 이형제 첨가 연속인발 제품에 가깝도록 점진적 으로 변형 다이내에서 이루어짐 온도제어가 중요함

15.4 필라멘트 와인딩(filament winding)공정 섬유에 수지를 함침하여 맨드럴(mandrel)을 회전시키면서 일정하게 감은 후 경화시키는 공정 맨드럴(mandrel): 제품의 기학학적 형상을 결정해 주는 기본 요소 - 영구적인 것(제품의 일부) - 제거가 가능한 것

특성 재료의 가격이 저렴하고 인건비가 적게 듬 컴퓨터나 로봇 제어를 통한 제품의 재현성이 우수 맨드럴 제거가 어려움 오목한 면의 제조가 불가능함

제조 공정 맨드럴 선정 섬유선택 수지선택 와인딩 경화 맨드럴 탈형 알루미늄 강철 석고 - 유리섬유 - 탄소섬유 - 에폭시 - 폴리에스터 - 바이닐에스터 - 온도결정

15.5 RTM(resin transfer molding) 공정 금형을 이용하여 원하는 모양의 제품을 금형 내부에서 경화 후 꺼냄

공정의 특징 낮은 압력을 사용하여 큰 단면적 제품 제조 경화 전에 매우 낮은 점도의 액체가 금형 내에 존재하여 함침이 향상됨 - 깊은 부분이나 taper를 최소화한 제품 제조

15.6 SMC(sheet molding compound) 공정 섬유와 광물성 촉진제가 열경화성수지에 함침된 연속적인 복합판재의 제조 공정 - 복잡한 형상의 제품을 비교적 짧은 시간에 제조함

1) SMC판의 제조 혼합 배합 압축 숙성 온도 조절 수지성분 + 증점제 성분 수지 페이스 + 단섬유

2) BMC와 TMC BMC(bulk molding compound) - 6~12 mm정도의 유리섬유를 15~20% 정도 포함하는 폴리에스터 수지로 이루어짐 - 압축성형, 사출성형, RTM으로 성형 - 섬유의 길이가 작고 섬유의 양이 적어 기계적 성질이 나쁨 TMC(thick molding compound) - 미리 혼합된 수지 paste와 단섬유를 커다란 함침롤을 통과시켜 제조함

BMC