복합재료에 대하여

목차

Ⅰ. 복합재료의 종류
(1) 알루미나 섬유강화 금속 복합재료
(2) 보론 섬유강화 금속 복합재료
(3) 탄소 섬유강화 금속 복합재료
(4) 탄화규소 섬유강화 금속 복합재료
(5) 내열용 금속 복합재료
Ⅱ. 복합재료의 활용분야
1. 항공기 구조물
2. 우주 구조물
3. 자동차 구조물
4. 스포츠, 레저용품
5. 그 밖의 복합재료 응용분야
Ⅲ. 복합재료는 왜 강한가?
① 강화섬유의 사용
② 일정한 방향으로 배열된 섬유
③ 기지재의 역할
④ 낮은 열팽창 계수

본문내용

개페어링
CF/EP
Hybrid
L-1011
페어링,Fillet
KF/EP
수직안정판
CF/EP
S-76
동체
CF/EP
KF/EP
영국
재규어
방향타
CF/EP
토네이토
꼬리날개
CF/EP
RB211-535
엔진카바
CF/EP
프랑스
미라쥬F1
수평안전판
BF/EP
미라쥬2000
카나드,Fflap,방향타
CF/EP
도핀
Rotor Blade
CF/EP
서독
알파제트
스피드 브레이크
CF/EP
일본
C-1
Ground Spoiler
CF/EP
PS-1
Slat Rail
CF/EP
T-2
랜링기어 도어
CF/EP
방향타
CF/EP
2. 우주 구조물
우주 구조물은 추진 로켓에 의하여 지상에서 우주궤도로 발사되므로, 크기 및 무게에 있어서 엄격한 제한이 요구되며, 궤도상에서 구조물에 걸리는 하중 및 강성조건도 매우 극심한 조건이 요구된다. 그러므로 일반적인 구조재로 사용될 경우, 재료의 구조적, 열적, 물리적 성질과 내환경성, 제조원가, 확보 용이성 등을 고려하여 결정하지만, 위성용 구조재는 경량화가 최대 고려 요소이고 비강도 및 강성이 높은 재료가 필수적으로 요구된다. 더욱이, 인공위성은 점차적으로 다양한 임무를 수행하고 대형화하는 경향이 있으므로 경량화 요구는 더욱 높아지고 있다. 높은 비강도 및 강성을 갖는 경량 구조재에 대한 인공위성 구조물의 요구에 의해 오랫동안 사용되어 온 금속계 경량 구조재에서 첨단 섬유강화 복합재료로 대체되고 있는데, 그 이유는 복합재료가 우월한 열, 기계적 재료특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 요구되는 하중조건 및 용도에 따른 최적설계를 할 수 있는 유연성을 가지고 있기 때문이다.
[표 11] 무게 1㎏감소에 따른 경제적효과
응용분야
절감액(천원/kg)
로 켓,인공위성
210000
미사일
14000
헬리콥터
350~1400
항공기
70~350
선박 및 기타산업
35
자동차
3.5이하
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(-200-250。C)에서의 치수 안정성
c. 고진공에서 중량 감소율 1%이하
d. 인공위성의 장기화에 따른 우수한 크립특성
경량화의 필요성 및 그와 관련된 재료, 설계 및 성형기술이 진보함에 따라 인공위성의 구조재 선정 후보로 복합재료를 우선 생각하는 것이 상식으로 되어있다.
3. 자동차 구조물
복합재료의 경량, 강성, 내환경성은 자동차 부품의 재료로 큰 장점이 되며, 현재 자동차 부품의 복합재료화에 관한 연구가 일본, 미국, 유럽 등지에서 활발히 진행되고 있다. 일본 및 미국에서는 자동차 소재로서 복합재료가 5-6% 사용되고 있으며, 90년대에는 10-12%에 이를 것으로 보고 있다.
[표 12] Ford 실험용 승용차
종목
강(Kg)
CFRP(kg)
감량률(%)
차례
209.1
94.3
54.9
프레임
128.3
94.4
26.4
앞단
43.5
13.3
69.4
후드
22.2
7.6
65.8
지붕판
19.4
6.3
67.5
범퍼
55.8
20.1
64.0
차축
41.7
22.4
46.3
문
70.6
27.7
60.8
브래킷, 시트 등
31.4
16.2
48.4
총 계
622.0
301.9
51.5
4. 스포츠, 레저용품
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, 우리나라 활인 국궁의 프레임과 화살에도 복합재료가 응용되어 널리 사용되고 있다.
5. 그 밖의 복합재료 응용분야
복합재료는 항공기, 자동차 및 스포츠, 레저분야뿐만 아니라, 일반 산업기기, 의료기기, 군수용품, 건축 및 토목자재에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.
탄소섬유의 열적 안정성은 정밀변위 측정기의 프레임으로 사용될 수 있는 특징을 가지고 있다. 단섬유가 섞인 열가소성 수지로 사출성형을 한 기어나 베어링 등의 부품은 가볍고 내마모성, 소음특성이 좋아 특수기계의 부품으로 응용되고 있다.
섬유기계의 높은 응력을 받으면서 빠른 속도로 움직이는 부품에도 경량이고, 피로특성이 우수한 탄소섬유 막대부품이 사용되어 제조 속도의 증가와 부품의 수명도 연장하는 효과를 가져오고 있다.
일반금속에 비하여 탄소섬유 복합재료는 X선의 흡수율이 낮아 의료기기의 부품으로도 응 용되고 있다.
X선용 카세트와 CT 단층촬영용 원통 구조물이 대표적이다. 또한, 탄소섬유 콘크리트가 개발되어 신소재의 혁신을 일으키고 있으며, 기존의 콘크리트에 탄소섬유를 4% 정도 포함시켜 인장, 굴곡강도를 2-3배, 연신율을 10배 이상 증가시킬 수 있어서 이에 대한 응용이 활발하리라 예상된다.
Ⅲ. 복합재료는 왜 강한가?
① 강화섬유의 사용
콘크리트와 철근이 복합되어 좋은 강도를 얻는 것과 마찬가지로 기지재에 강화재를 첨가하여 어떤 재료에서도 얻을 수 없는 높은 강도를 가질 수 있다.
② 일정한 방향으로 배열된 섬유
복합재료에 사용된 섬유 강화재가 모두 일정한 방향으로 배열되어 있어서 섬유방향으로 높은 인장 강도를 얻을 수 있다. 그리고 섬유방향을 서로 다르게 하면서 상하 대칭으로 쌓으면 한 방향이 아닌 여러 방향으로 높은 인장 강도를 얻을 수 있다.
③ 기지재의 역할
*섬유사이에 응력을 전달한다.
*외부로부터 섬유를 보호한다.
*기계적인 마모로부터 섬유를 보호한다.
섬유를 보호하는 동시에 섬유와는 반대되는 성질인 연하고 질긴 재료로 섬유와 상호보완적인 관계를 유지한다.
④ 낮은 열팽창 계수
탄소섬유 복합재료는 섬유방향으로 낮은 열팽창계수를 가지므로, 다리(bridge) 구조물에 보강재로 쓰여 온도변화로 인해 다리가 손상되는 것을 막아준다.

키워드

예비보고서,   재료,   전기,   전자,   기계,   실험