복합재료에 대하여 복합재료의 정의 복합재료의 조건 복합재료의 구분 1) 보강재 2) 기지재 복합재료의 종류 복합재료의 응용.

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1 복합재료에 대하여 복합재료의 정의 복합재료의 조건 복합재료의 구분 1) 보강재 2) 기지재 복합재료의 종류 복합재료의 응용

2 복합재료의 정의 복합재료를 굳이 정의 하자면 "물성이 다른 두 개 이상의 소재가 혼합되어 구성된 재료" 이다. 그러나 이와 같은 정의에 따르면 실질적으로 이 세상에 존재하는 모든재료는 복합재료라고 할 수 있다. 예를 들어 게재물이나, 정출물, 석출물이 혼합된 금속, 심지어는 각각의 단결정의 집합에 의하여 이루어진 다결정체의 모든 금속도 복합재료라고 할 수 있다. 그래서 우리는 몇가지 조건을 주어지고 그 조건을 만족하는 재료를 복합재료로 정의 하고자 한다.

3 복합재료의 조건 인위적으로 제조된것(천연에 존재하는 것은 제외)
물리적이건 화학적이건 그 성질이 서로 다른 재료로 구성되어 있는것 구성된 그들을 분리하는 계면이 존재하는 것 각각의 구성성분이 가지는 성질이외의 새로운 다른 특성을 갖는 것

4 복합재료의 형태

5 보강재 보강섬유 최신 복합재료의 보강재는 주로 연속섬유를 사용한다. 역사적으로
유리섬유가 가장 오래된 보강 섬유이지만, 그 사용빈도 및 중요성 은 탄소섬유(graphite 또는 carbon fiber)가 으뜸이라고 할 수 있다. 그밖에 케블라로 대표되는 아라미드섬유가 널리 쓰이며, 이보다 사 용빈도가 적은 보론섬유와 실리콘 카바이드 등의 세라믹섬유 등도 쓰인다. 이들 섬유는 복합재료 구조물에 가해진 하중을 견디기에 충분할정도로 강인하다. 보강섬유들의 단위무게당 강도 및 탄성계 수는 기존의 금속재료보다 월등히 좋아, 항공기 등 경량화가 요구 되는 구조물에 많이 쓰인다.

6 1 유리섬유 유리는 오래 전부터 사용되어 왔으나, 19세기에 와서야 비로소 가는 섬유형태로 만들어졌다. 유리섬유의 원료로는 규사, 석회석, 붕사 등이 주를 이루며, 그 배합에 따라 성질이 달라진다. 유리섬유는 사용목적에 따른 포장 및 직조방법에 따라 여러 가지로 다르게 분류된다. 유리섬유 로빙은 유리섬유 가닥들의 다발을 의미하는데, 일반적으로 여러 개의 스트랜드를 합쳐 만든다. 유리섬유는 매트(mat) 의 형태로도 만들어지는데, 유리섬유 매트는 단섬유 매트, 연속섬유 매트, 표면 매트의 세 가지로 분류한다. 단섬유 매트는 유리섬유 스트랜드를 25-50mm 의 길이로 짧게 잘라 평면 위에 배열시켜 놓고 적절한 화학처리를 가하여 서로 붙게 만든 것이다. 또 연속섬유 매트는 연속 스트랜드를 나선형으로 서로 꼬아서 매트로 제작한 것이며, 표면 매트는 한 가닥의 유리섬유로 이루어진 아주 얇은 매트로서, 표면 장식용으로 많이 쓰인다.

7 1 유리섬유 유리섬유 직포(fabric)는 직조방법에 따라 평직, 바스켓직, 능직, 크로푸트직, 8축 수자직 등으로 나뉜다. 또한, 두께방향으로 섬유를 보강하여 3차원 보강직포도 쓰이고 있는데, 이러한 직포를 쓴 복합재료는 충격에 대한 손상 허용값이 현저하게 증가한다. 유리섬유의 성질 및 응용분야는 원료조성에 따라 ,A-유리(고알카리용), C-유리(화학용), E-유리(전기부품용), S-유리(고강도용) 등으로 나눌 수 있다. A-유리는 보통 병유리로 알려져 있는 고알카리 유리로서 가장 대표적인 유리이며, 화학물질에 대한 저항성이 높다. 한편, A-유리는 전기적 특성이 떨어지므로, 전기절연 등의 목적으로 저 알카리 조성의 E-유리가 사용 된다. 현재 대부분의 유리섬유 제품은 E-유리섬유로 만들어진다. 특별히 화합물에 대한 저항성이 요구괼 경우에는 C-유리가 사용되며, 높은 인장강도가 요구될때에는 S-유리가 사용된다. S-유리의 인장강도는 E-유리보다 약 40% 가량이나 높다. 따라서, 최신 복합재료에 사용되는 유리섬유는 대부분 S-유리이다.

8 2 탄소섬유 탄소섬유는 흑연섬유로도 지칭되며, 탄소원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 현재 최신 복합재료에 사용되는 보강섬유의 대종을 이루고 있다. 탄소섬유의 우수한 기계적 성질은 섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 섬유방향으로 강한 공유결합을 이루고 있는 데 기인하며, 그 성질은 원자들이 얼마나 잘 배열되어 있는가에 따라 달라진다. 흔히, 탄소섬유와 흑연 섬유를 구별하지 않고 언급하지만, 엄밀하게는 1700。C 이상의 온도에서 열처리된 섬유를 흑연섬유라 하며, 그 이하에서 열처리된 섬유를 탄소섬유라고 한다.

9 2 탄소섬유 현재 탄소섬유 복합재료의 시장은 주로 항공 우주산업, 방위산업 및 스포츠 산업 등 원자재의 가격이 별로 문제되지 않는 산업분야에 국한되어 있으며, 특히 우리 나라에서는 대부분의 탄소섬유가 스포츠 레저용품 제작에 쓰이고 있다. 앞으로도 선진국에서는 항공우주에 쓰이는 분량이 크게 차지하고, 개발도상국에서는 스포츠용품 등 기타 제품으로의 수요가 많을 것이다. 또, 탄소섬유 복합재료는 기존의 금속재료가 갖고 있지 않은 여러가지 장점, 즉 높은 무게비 강도 및 탄성계수, 낮은 열변형률, 높은 피로강도 등을 가지고 있으므로 성형기술의 발 달, 가격의 하락, 새로운 기지재료의 개발 등으로 인해 앞으로도 그 용도가 많이 늘어날 전망이다.

10 3 아리미드섬유 아라미드섬유는 방향성 폴리아미드섬유의 총칭으로서 “섬유의 구성물질이 긴 사슬모양의 합성 폴리아미드이며, 적어도 85%의 아미드결합이 두 개의 방향성 고리에 직접 붙어있는 인조섬유”로 정의된다. 이 섬유는 고강도 및 탄성계수 외에 화학적, 열적으로 아주 안정되어 있다. 케블라 섬유는 탄소섬유와 유리섬유처럼 쉽게 부러지지 않으므로 일반 방적기로 직조할 수 있는 장점이있으며, 케블라 섬유로 제조한 복합재료는 충격특성이 아주 우수하다. 케블라 섬유는 우수한 특성 때문에 많은 곳에 응용되고 있다. 로프와 타이어에 가장 많이 사용되며, 복합재료로서는 우주항공 및 일반 스포츠 용구에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다.

11 기지재 보강섬유가 하중을 견디는 요소라면, 이들 각각의 섬유를 제자리에 고정시켜서 구조적인 모양을 이루기 위해서는 기지재료의 필요성이 절대적이다. 기지재료로는 에폭시 수지가 최신복합재료에 쓰이고 있으며, 아직 불포화 폴리에스테르 수지도 일반 복합재료의 상당한 부분을 차지하고 있고, 고온용으로 페놀, 폴리이미드수지와 알루미늄 등 금속이 쓰이며, 최근에는 열가소성 수지도 많이 사용되고 있다.

12 1 불포화 폴리에스테르 수지 불포화 폴리에스테르는 복합재료의 기지재료로 주로 사용되는 열경화성 수지이다. 불포화 폴리에스테르는 사용이 간편하고 우수한 특성 때문에 주로 유리섬유와 함께 복합재료로 아주 많이 사용되고 있는데, 우리가 흔히 일상생활에서 접하는 FRP의 대부분은 폴리에스테르 수지를 기지재료로 사용하여 만들어진다.

13 2 에폭시 수지 에폭시 수지는 현재 최신 복합재료의 기지재료로 가장 많이 쓰이고 있다. 그 이유는 여러 가지가 있겠으나, 높은 강도, 우수한 내구성 및 접착성, 내화성, 그리고 경화반응 동안에 생성물이 없는 점 등을 들 수 있다. 또한, 에폭시 수지는 경화되면 전기 절연성이 우수하여 전기.전자 부품용으로도 많이 사용된다. 에폭시 수지의 주제 및 경화제에는 여러 종류가 있는데, 주제는 크게 bisphenol A계 수지, glycidyl ester, glycidyl amine, novolac, 부롬화 수지 등 5가지로 나눌 수 있으며, 경화제로는 아민계와 anhydride 계로 분류한다.

14 3 고온용 수지 A. 페놀수지 페놀과 포름알데히드를 합성시켜 얻는다. 이들은 novolac과 resole이라고도 하는데, 성형할 때 온도와 압력을 동시에 가해 주어야 한다. 페놀수지는 열에 안정되어 있고(약 260℃까지 사용가능) 내수성 등이 우수하며, 가격이 저렴하다는 이점이 있다. B. 폴리이미드 수지 . 폴리이미드 수지는 고온용 수지 중에서 가장 대표적인 수지이며, 개발된 수지 중에서 가장 고온에서 안정한 수지의 하나인데, 약 316。C 정도에서도 구조재로 사용할 수 있다. 폴리이미드 수지에는 응축형과 첨가형이 있다.

15 복합재료의 응용 복합재료의 특성과 그 활용 ▶높은 무게비 강도 및 강성도 등 여러 가지 우수한 재료 특성 ▶성능과 생산성 향상
▶기존재료의 대체로 기술 혁신에 상승적인 역할 담당 GFRP - 유리섬유강화플라스틱 KFRP - 케블러 강화 플라스틱스 CFRP –탄소(카본) 섬유 강화 플라스틱 BFRP - 보론섬유 강화 플라스틱스

16 1 항공기 구조물 최신 복합재료는 항력의 감소, 조종성 향상, Stall 저항성, 레이더 탐지로부터의 안전성, 고속비행에 의한 내열성 등과 같이 점점 까다로워지는 미공군의 고등전술 전투기(advanced tactical fighter, AFT)와 같은 군용 항공기의 성능 요구조건을 만족시킬 수 있다.

17 1-1 항공기의 적용사례 1 에어버스 A310/A300-600의 수직 꼬리 날개
▶탄소/에폭시 구조물로 기존 알루미늄 구조물보다 20% 감량 ▶2,076개의 금속부품에서 95개의 부품으로 생산성 향상

18 1-1 항공기의 적용사례 2 F/A-18 C/D 전투기 본격적인 복합재료 사용 : 전체 구조물 무게 10%, 표면적의 50%

19 1-1 항공기의 적용사례 3 V-22 Osprey ▶1989년에 개발, 거의 완전 복합재료 구조물 항공기 총 중량: 5,850kg, 복합재료중량: 5,400kg (무게비 92%) ▶45,000kg의 원심력을 견뎌야하는 11.6m길이의 로터를 잡아주는 부분탄소/에폭시 테이프를 와인딩하여 제작

20 2 우주구조물 ▶크기 및 무게에 엄격한 제한 요구 ▶궤도상에서 구조물에 걸리는 극심한 하중 및 강성조건 요구
▶경량화가 최대 고려요소, 비강도 및 강성이 높은 재료가 필수적으로 요구

21 2 우주구조물 인공위성용 구조재는 크기 및 무게의 제한에 따른 경량화 요구 못지않게, 운용되는 환경여건에 따른 요구특성을 충분히 고려하여 재료를 선정하여야 한다. 경량화 요구에 부응하는 높은 비강도와 강성 외에 인공위성 구조재로서 요구되는 특성을 요약하면 다음과 같다. a. 정하중 및 발사 때의 동하중을 견딜 수 있는 고강도 및 진동감쇠 b. 가혹한 온도환경( ℃)에서의 치수 안정성 c. 고진공에서 중량 감소율 1%이하 d. 인공위성의 장기화에 따른 우수한 크립특성

22 3 자동차구조물 자동차 부품으로 복합재료 사용에 관한 연구가 활발 ▶일본, 미국, 유럽 등
▶1977년 Ford사에서 SAEC에서 100% 탄소 섬유 실험용 자동차 전시 고분자 수지 복합재료의 특성 ▶가볍고 녹이 슬지 않으며, 충격에 강하다. ▶비교적 자유로운 성형 가능: 유체역학 및 유행감각을 고려한 모델 개발이 용이 Pontiac 사 후드, 범퍼 및 옆면판, 외장 모두 FRP로 제작

23 3-1 자동차구조물 적용 1 현재 후드, 그릴, 트렁크, 문, 바퀴덮개 등이 복합재료로 제작
여러 가지 부품을 조합하여 일체로 성형한 부품도 개발 적용 자동차 하중전달 부품에도 복합재료 사용 ▶드라이브 샤프트 : 필라민트 와인딩 기법으로 성형, 강도 및 비틀림 강성도, 내피로성 우수, 금속재 무게의 30~40% Hercules, CIBA-GEIGY, Celanese 등에서 사용 ▶스프링 : 테이프 와인딩, 압축몰딩, pulforming 기법으로 제작Rover, Nissan, GM Renault, Ford 등에서 개발 사용 ▶프레임 : 내충격성, 내식성 및 치수 안정성을 바탕으로 복합재료 사용 Ford사에서는 충돌때 앞부분부터 점차 파괴되는 복합재료 프레임 개발

24 3-1 자동차구조물 적용 2 엔진부품 ▶이점: 중량감소에 의한 동적 관성의 감소, 소음 감소, 강한 내충격성 등
▶푸시 로드, 엔진 블록, 터보차저용 터빈에 적용 가능 ▶ Toyota의 디젤엔진에는 피스톤 헤드, 링이 사용 ▶ Honda, Ford 및 Toyota에서는 커넥팅 로드를 복합재료로 개발 기타 부품 ▶ 동력전달 지지물, 엔진지지 브래킷, 휠, 라디에이터, 타이어, 클러치면, 브레이크 라이닝 등 ▶ Garret사전기 자동차에 사용하는 플라이휠을 복합재료로 개발, 특허 획득

25 3-2 자동차 부품 (FRP) 1

26 3-3 자동차 부품 (FRP) 2

27 3-3 자동차 부품 (FRM)

28 3-4 자동차 부품적용의 미비 원인 가격(원자재, 생산비), 대량 생산성, 부품 결합 및 가공기술, 신규 설비투자, 제품 설계, 제조공정 관련기술 협력체계,자료 체계의 부족, 플라스틱 제품의 내구성에 대한 인식, 수리기술의 보급 결여 등 미국 : 탄소 섬유의 가격 $22/kg 이하일 때 적용 가능 예측 일본 : 1990년대부터 $22/kg 이하로 판매 →활발히 진행될 전망

29 3-5 자동차의 복합재료 적용 전망 원자재 가격 인하, 생산공정의 개발, 대량생산 가능 복합재료 확대 적용 전망
고생산성 제조방법 : 빠른 경화 ▶RIM(reaction injection molding) ▶RRIM(reinforced reaction injection molding):단섬유 성형 ☞보강재료 수지를 함께 짜 넣고 순간적으로 경화 시킴 ▶RTM(resin transfer molding) : 단섬유, 장섬유 보강 복합재료 성형

30 4 스포츠레져용품 스포츠.레저용품의 고급화 및 고성능화 추세에 따라 가격이 높은 탄소섬유, 보론섬유 등을 사용한 테니스 라켓, 골프채, 낚시대, 자전거, 스키, 활 등이 개발되어 기존의 나무나 금속재료를 이용한 제품을 성능면에서 크게 앞서고 있어 그 응용범위가 크게 확대되고 있다. 그밖에 스키, 양궁, 체조기구 등에도 최신 복합재료가 응용되어 그 성능의 우수함이 여러 가지로 입증되어 애호되고 있으며, 우리 나라 활인 국궁의 프레임과 화살에도 복합재료가 응용되어 널리 사용되고 있다.

31 5 토목분야

32 6 그 밖의 응용분야 일반 산업기기, 의료기기 군수용품, 건축 및 토목자재 등 탄소섬유 열적 안정성 –정밀변위 측정기의 프레임
단섬유(chopped fiber)가 섞인 열가소성 수지 –열가소성 수지로 사출성형한 기어나 베어링 –가볍고 내마모성, 소음특성이 좋아 특수 기계 부품으로 응용

33 6 그 밖의 응용분야 탄소섬유 막대 부품 –섬유기계의 높은 응력을 받으면서 빠른 속도로 움직이는 부품
–경량이고 피로특성이 우수하여 제조속도의 증가와 부품 수명 연장 탄소섬유 보강 콘크리트(CFRC) –기존 콘크리트 + 탄소섬유 4% è 인장/굴곡 2~3배, 연신율 10배

34 6 그 밖의 응용분야 탄소섬유의 X선 흡수율이 낮은 특성을 이용 –의료기기의 부품으로 응용
–X 선용 카세트와 CT 단층촬영용 원통 구조물

35 7 무게 감소(1Kg)에 따른 경제적 효과 응용분야 절감액(천원/Kg) 로켓 , 인공위성 미사일 헬리콥터 항공기
선박및 기타산업 자동차 210,000 1,400 350~1,400 70~350 35 3.5이하