Tabla de Contenidos
탄소 섬유 강화 폴리머 또는 CFRP는 경쟁이 치열한 스포츠 장비에서 항공 우주 산업에 이르는 광범위한 산업 분야에서 응용되는 초저밀도, 고강도 복합 재료의 한 종류입니다. 기술적 이름이 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재임에도 불구하고 대부분의 사람들은 이 종류의 재료를 단순히 탄소 섬유 라고 부릅니다 .
이름에서 알 수 있듯이 이 화합물은 고저항 탄소 섬유 직물로 강화된 폴리머 또는 플라스틱 매트릭스로 형성됩니다. 복합 재료의 최종 특성은 사용된 수지의 유형과 섬유의 특정 특성뿐만 아니라 섬유가 매트릭스 내에서 짜여진 방식과 재료 내에서 갖는 방향에 따라 달라집니다. 한편, 결과 부품의 특성을 추가로 수정하기 위해 일반적으로 다른 첨가제가 추가됩니다.
폴리머 매트릭스
폴리머 매트릭스는 탄소 섬유를 함께 고정된 위치에 유지하는 기능을 수행합니다. 그것은 또한 만들어지는 부분을 형성합니다.공기 경화 수지 또는 일부 열가소성 수지 또는 기타 폴리머가 대신 사용되는 경우가 있지만 거의 항상 열 경화 에폭시 수지로 구성됩니다.
부품 제조 공정에서 에폭시 수지는 다양한 방식으로 포함될 수 있습니다. 경우에 따라 탄소 섬유 시트는 서로 쌓이기 전에 이미 수지에 담가 있습니다. 다른 경우에는 경화되지 않은 수지 층이 놓여지고 탄소 섬유 시트, 또 다른 수지 층 등이 이어집니다.
탄소 섬유
탄소 섬유 제조 공정
탄소 섬유의 제조 공정은 매우 독창적입니다. 본질적으로 합성 고분자 섬유, 즉 플라스틱을 먼저 제조하고 방적하는 것으로 구성됩니다. 이것은 이미 합성된 플라스틱을 녹인 다음 아직 뜨거울 때 늘리거나 중합하면서 잡아당겨 섬유 형태로 준비할 수 있습니다. 어쨌든 최종 결과는 수천 개의 탄소 원자와 수소, 산소 및 기타 원소로 구성된 사슬로 구성된 폴리머 실입니다.
섬유의 기본 구조가 확보되면 다음 단계는 재료의 탄화입니다. 즉, 구조의 다른 모든 원자가 제거됩니다. 이는 일반적으로 합성 섬유 보빈을 진공 상태 또는 불활성 분위기(즉, 산소가 없는 상태)에서 고온으로 가열하여 달성됩니다.
이러한 섬유의 제조 공정은 제조업체마다 크게 다릅니다. 품질과 화학적 및 기계적 특성은 나중에 합성물을 형성할 시트를 준비할 때 섬유가 짜여지는 방식 외에도 합성 및 제조 방법에 크게 좌우됩니다. 이러한 이유로 탄소 섬유 복합재는 다양한 프레젠테이션과 매우 다양한 가격 범위에서 찾을 수 있습니다.
탄소 섬유 라미네이트
탄소 섬유는 단방향 섬유를 포함하는 시트 형태로 플라스틱 매트릭스에 도입될 수 있으며, 이는 특정 방향으로 최종 조각을 강화하도록 전략적으로 배향됩니다. 섬유의 기계적 저항은 기본적으로 축을 따라 발생하므로 다른 방향으로 굽힘에 저항하는 부품을 제조하려면 해당 방향으로 부품을 통과하는 섬유가 반드시 재료에 도입되어야 합니다.
후자는 일반적으로 두 가지 방법 중 하나로 수행됩니다. 가장 저렴한 첫 번째 방법은 섬유가 모두 같은 방향으로 배향된 시트를 가져와 다른 방향으로 쌓는 것입니다. 매우 일반적이고 효과적인 선택은 서로 0°, +60° 및 -60°의 각도로 배치된 세 장의 시트를 쌓는 것입니다. 이 설정은 최소한의 탄소 섬유 레이업으로 모든 방향에서 상대적으로 균일한 강도를 허용합니다.
또 다른 매우 일반적인 옵션은 훨씬 더 비싸지만 수직으로 직조된 탄소 섬유 시트를 사용하는 것입니다. 즉, 천을 만들기 위해 실을 짜는 것과 같은 방식입니다. 2개의 수직 방향으로 섬유를 포함하는 것은 이미 2개의 방향으로 재료를 강화하지만 직조는 재료가 인장 및 굴곡을 받을 때 시트가 서로 분리되는 경향을 크게 줄이는 큰 이점을 추가합니다. 이는 매우 일반적인 유형입니다. 이러한 유형의 라미네이팅된 재료의 실패.
고강도 중량비 CFRP 화합물 로 부품 제조 ;
앞서 언급한 바와 같이 탄소섬유에 수지를 산재시켜 라미네이팅하여 부품을 만들지만, 부품의 전체적인 형태는 금형을 이용하여 부여한다. 실제로 제조 공정은 금형 내부 표면의 수지 층으로 시작하여 외부에서 볼 수 있는 탄소 섬유 시트를 배치한 다음 다른 수지 층과 공정을 반복합니다.
특히 높은 힘이 필요하지 않은 부품을 제조하는 경우 일반적으로 수지가 경화되는 동안 금형을 누르는 것으로 충분하며 경우에 따라 일반적으로 가열하기도 합니다. 그러나 항공기의 동체 부품이나 포뮬러 1 자동차의 날개와 같이 가능한 최대의 저항을 가져야 하는 중요한 부품의 경우 구조에서 발생할 수 있는 기포를 제거하기 위해 부품을 진공 상태로 두어야 합니다. . 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
또한 이러한 경우 조각은 일반적으로 수지를 더 빨리 경화시키기 위해 오토클레이브에서 어닐링됩니다. 이 요구 사항으로 인해 탄소 섬유 부품의 제조 비용은 매우 비쌉니다. 탄소 섬유 시트가 이미 상당히 비싸다는 것은 말할 것도 없습니다.
부품 설계 단계에서 모델링하기 어려운 재료의 전도도 및 다중 파손 모드와 관련된 다른 단점뿐만 아니라 이러한 단점은 CFRP 복합재가 많은 주요 응용 분야에서 잠재력을 최대한 발휘할 수 없음을 의미합니다. 이에 대한 예는 SpaceX가 탄소 섬유로 차세대 주력 우주선인 Starship을 만들려는 의도를 포기했을 때 나타났습니다. 우주선의 다양한 구성 요소를 제작할 수 있을 만큼 충분히 큰 오토클레이브를 만드는 것은 너무 비싸고 비실용적이었기 때문에 대신 스테인리스 스틸을 사용하기로 결정했습니다. 이는 항공 우주 산업에서 비정통적인 선택입니다.
CFRP 복합 재료의 특성
다양한 응용 분야에서 활용되는 CFRP 복합 재료의 고유한 속성이 많이 있습니다. 그들 중 일부는 다음과 같습니다.
- 매우 가볍고 내구성이 뛰어난 소재입니다. 그것은 강철과 심지어 티타늄보다 훨씬 더 높은 강도 대 중량 비율을 가지고 있습니다.
- 그들은 매우 높은 탄성-중량비 계수를 가지고 있으며 어떤 금속보다 높습니다.
- 내피로성이 높은 소재입니다.
- 폴리머 매트릭스와 여기에 포함된 탄소 섬유는 모두 화학적으로 불활성이어서 CFRP 복합재에 매우 우수한 내식성을 제공합니다.
- 열팽창 계수가 매우 낮아 CFRP 복합재로 만든 부품이 가열되거나 냉각될 때 변형이 거의 발생하지 않습니다.
- 그들은 전기 전도성을 가지고 있습니다. 흑연은 매우 우수한 전도체이며 탄소 섬유는 본질적으로 흑연이므로 흑연을 포함하는 화합물은 특히 섬유 방향으로 전기를 전도합니다. 응용 프로그램에 따라 이것은 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있습니다.
이러한 특성 외에도 CFRP 복합재는 특정 응용 분야에 따라 불리할 수 있는 몇 가지 추가 특성을 가지고 있습니다.
- 자외선(UV)에 민감합니다. 자외선은 대부분의 고분자 수지와 탄소 섬유를 분해하여 기계적 특성을 파괴하는 자유 라디칼에 의한 다양한 화학 반응을 촉진할 수 있습니다. 이것은 일반적으로 화합물에 도달하기 전에 방사선을 흡수하는 페인트 층으로 해결됩니다.
- 일반적으로 CFRP 복합재는 내충격성이 낮습니다.
- 재료 파손 측면에서 CFRP 복합재가 강도 한계에 도달하면 탄소 섬유가 부서지기 때문에 파손이 종종 치명적입니다. 고장 모드에는 박리(섬유 시트가 서로 분리될 때) 및 섬유 파열이 포함됩니다.
CFRP 복합 재료의 특성은 이방성입니다.
앞서 언급한 CFRP 복합재의 특성 대부분은 비등방성입니다. 즉, 재료 전체에서 균일하지 않고 측정 방향에 따라 달라집니다. 이것은 그들이 잘 정의된 방향을 따르는 정렬된 섬유로 구성되어 있다는 사실의 결과입니다. 결과적으로 이러한 방향에 따른 재료의 특성은 다른 방향에 따른 특성과 매우 다릅니다.
예를 들어, 에폭시 수지에 70% 탄소 섬유가 포함된 CFRP 복합재의 인장 탄성률은 섬유에 수직인 방향으로 10.3GPa의 값을 갖는 반면, 축 방향 또는 세로 방향에서는 동일한 모듈의 값이 181GPa입니다. 인장 또는 인장 강도의 차이는 훨씬 더 극적이어서 섬유에 수직인 방향으로 40MPa의 값을 나타내는 반면 세로 방향으로는 거의 40배 더 높은 1,500MPa의 값을 나타냅니다. 마지막으로, 이 화합물의 팽창 계수는 수직 방향보다 섬유를 따라 112.5배 더 낮습니다.
CFRP 복합 재료의 일반적인 응용
CFRP 복합재가 다양한 고급 제품에 사용되고 있음에도 불구하고(대부분의 다른 옵션보다 훨씬 비싼 재료이기 때문에) CFRP 복합재는 주로 다음 4가지 산업에서 사용됩니다.
항공 우주 산업에서
이러한 화합물이 항공기 제조에 처음 사용된 것은 1950년대였으며 산업에서의 사용은 계속 증가하고 있습니다. Boeing의 767 및 777 여객기 모델에는 각각 3% 및 7%의 CFRP 화합물이 포함되어 있습니다. 이러한 경우 일부 구조 구성 요소에 사용되었습니다. 반면 신형 보잉 787 드림라이너 기종의 경우 동체와 날개 전체가 탄소섬유로 제작돼 항공기 무게의 50%, 부피의 80%를 차지한다. 이러한 추세는 다른 항공기 제조업체에서도 관찰됩니다.
한편, SpaceX가 Starship을 위해 탄소 섬유를 포기했다는 사실에도 불구하고 Rocket Lab이라는 또 다른 민간 항공 우주 회사는 완전히 탄소 섬유로 만든 재사용 가능한 로켓인 Neutron이라는 새로운 로켓의 건설을 방금 발표했습니다.
자동차 산업에서
수년 동안 세계에서 가장 빠른 경주용 자동차는 탄소 섬유를 사용하여 제작되었습니다. 이것은 외부의 일부일 뿐만 아니라 자동차가 가속할 때 지면에 달라붙도록 하는 차체와 날개를 형성하는 주요 재료일 뿐만 아니라 섀시에도 있습니다. 실제로 McLaren Formula 1 자동차 구조 중량의 60~70%는 탄소 섬유로 구성되어 있습니다(엔진, 휠 및 변속기는 포함하지 않음).
개인용 자동차의 경우 고급 스포츠카와 같은 최고급 자동차만 차체나 구조의 일부에 탄소 섬유를 사용한다.
해군 산업
무게가 가볍고 내부식성이 높기 때문에 CFRP 복합재는 경량 보트 및 초고속 보트 제작에 이상적입니다. 그러나 오늘날에는 요트 및 전문용 선박을 포함하여 대형 선박 건조에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
유지 관리가 덜 필요한 내화학성 외에도 이 소재가 이 산업에 침투하여 알루미늄, 강철, 심지어 유리 섬유와 같은 기타 고분자 화합물과 같은 다른 옵션을 대체하는 주된 이유 중 하나는 무게 절감입니다.
경쟁이 치열한 스포츠에서
스포츠에서 탄소 섬유의 가장 일반적이고 눈에 띄는 응용 분야 중 하나는 고성능 자전거의 프레임 구성입니다. 산악 자전거, 다운힐 또는 투르 드 프랑스를 위한 도로 자전거 등 어떤 종류의 사이클링이든 상관없이 최고의 자전거는 거의 전적으로 탄소 섬유로 만들어집니다.
한편, 탄소 섬유는 고급 골프채, 경기용 낚싯대, 테니스 라켓, 심지어 탁구 라켓과 같이 매우 저항력이 있어야 하는 얇은 구조 요소에도 널리 사용됩니다.
참조
보잉 787 드림라이너 – 개요 . (일차). 사이언스 다이렉트. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner
Barta, C. (2018년 10월 15일). 탄소 섬유: 정보, 구조 및 특성 . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/
Gardiner, G. (2010년 11월 30일). 왜 CFRP인가? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp
Giurgiutiu, V. (2016년 1월 1일). 항공우주 복합재의 구조적 상태 모니터링 . 사이언스 다이렉트. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015
Kopeliovich, D. (2012a, 6월 2일). 탄소 섬유 강화 폴리머 복합 재료 [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites
고메즈, JL (2021년 9월 23일). 탄소섬유란, 그 자체로는 가치가 없고 수지와 함께라면 모든 가치가 있는 소재입니다 . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/
Kopeliovich, D. (2012b, 6월 3일). 70% 탄소 섬유로 강화된 에폭시 매트릭스 복합재 [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers
맥라렌. (2020년 6월 5일). 탄소 섬유의 매혹적인 이야기 . 맥라렌 레이싱. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/
로페즈, JC (2019년 6월 30일). 탄소 섬유: 그것이 무엇이며 왜 그것이 항공과 마찬가지로 소비자 전자 제품에 매력적인지. . . 자타카. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion
Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). 탄소 섬유 강화 폴리머의 전기 저항/전도도 검토. 응용 과학 , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm
