[일신기술]복합소재 - 탄소섬유

복합소재 - 탄소섬유

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탄소섬유의 정의

 

탄소섬유는 탄소로 만든 실이다. 그렇다고 탄소로만 만든 건 아니고, 원사(실) 안에 탄소가 92% 이상 함유된 섬유를 말한다. 탄소섬유 한 가닥 지름은 머리카락 10분의 1 정도이고 미세먼지보다도 작은 7㎛다. 이러한 실을 수만 가닥을 모아 탄소섬유 다발을 만들고 한 다발의 면적이 1㎟이 되면 800kg의 하중을 견딜 수 있을 정도로 튼튼하다. 사실상 탄소섬유 한 가닥으로 웬만한 소형 자동차 한 대를 지탱할 수 있는 정도이다. 탄소섬유가 왜 단단한지는 다이아몬드를 떠올리면 쉽게 수긍이 가지 않을까 한다. 탄소 원자 하나는 다른 원자 4개와 결합할 수 있는데 지구상에서 가장 단단한 물질인 다이아몬드는 탄소원자들끼리만 결합하여 만들어졌다. 일반적으로 알려진 탄소섬유는 철보다 약 5배 가볍고, 강도는 10배가 강하며, 내충격성 및 내열성이 뛰어난 고강도/고탄성 첨단소재로서 항공•우주, 방위산업 및 반도체 등 여러분야에서 핵심소재로 사용되어왔다. 하지만, 탄소섬유는 섬유산업에서 차지하는 비중에 유리섬유에 비해 매우 작아 그 용도에 있어서도 스포츠•레저산업 등과 같은 2차 소재로서만 사용되어졌다고 한다. 그러나 최근에는 탄소섬유의 경량, 고강도, 고내열성 등의 특성을 살릴 수 있는 꾸준한 용도 개발의 노력에 힘입어서 다양한 산업 분야에 널리 퍼지고 있는 상황이다.

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탄소섬유의 분류

 

탄소섬유는 여러가지 분류로 나눌 수 있지만 원료별의 분류를 살펴보면 크게 PAN계와 핏치계로 볼 수 있고 생산량 및 사용량이 가장 큰 것은 PAN계 탄소섬유라고 한다. 탄소섬유들 중 가장 고가이며 당연히 구조체의 특성이 좋다. PAN계 탄소섬유는 ‘중합-방사-소성’ 세 단계를 거쳐 만들어진다. 중합은 섬유 원료인 아크릴에 높은 열과 압력을 가하는 과정이다. 높은 열과 압력에 의해서 물엿같이 변한다. 그 후 방사과정을 거쳐 가래떡 같은 실가닥으로 변한다. 그 뒤에 소성과정을 거친다. 소성은 아크릴에 다시 1,000도가 넘는 고온에서 열처리해 섬유에 있는 질소나 수소원자를 거의 다 없애고 위에서 말한 것처럼 92% 이상의 탄소원자만 남기는 공정이다. 일반적으로 탄소섬유 원단 자체가 강하다고 생각하는 사람들이 많다. 하지만 실질적 강도는 고압 고온 프레스로 성형 시 생성되는 만큼, 이러한 ‘중합-방사-소성’의 단계가 얼마나 중요한지 알 수 있다. 실제로 일반적으로 탄소가 갖는 강도는 철보다 10배 강하지만

철보다 약 14배 강한 T-1000급 탄소섬유가 있다.

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탄소섬유의 특성

분류	탄소섬유 특성
형태적 성질	가늘고 길며 잘 구부러진다. 다양한 형태 가공성이 우수하다. 매트릭스와 조합한 섬유 보강재 제작이 가능하다. 섬유축 방향과 직각방향은 이상성을 가진다.
화학 • 물리적 성질	대부분 탄소원소로 구성되어있다. 불연성이다 산•염기 용매에 강하다. 산화에 의해 열화된다. 고온의 공기, 산화성 산에 대해 약하다. 고온 하에서 금속 탄화물을 형성한다. 다공성이며, 표면 활성화에 의해 흡탈착 성능을 나타낸다.
기계적 성질	밀도가 금속보다 작다. 인장강도, 인장 탈성률이 크다.
열적 성질	선팽창률 계수가 작고 치수 안정성이 우수하다. 고온 하에서도 기계적 특성이 저하되지 않는다. 극저온 영역에서도 열전도성이 작다.
전기•전자적 성질	전도성이 우수하다. 전파를 반사하며, 전파 시일성이 우수하다. X선 투과성이 양호하다.

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탄소섬유복합재

 

 

탄소섬유 그 자체만으로는 물건을 만들기에는 부족한 면이 많다. 원하는 재료의 특성을 얻기가 어렵기 때문이다. 그렇기에 금속이나 플라스틱 고분자 수지 등 다른 재료에 섞어 써야 한다. 이를 탄소섬유 복합재료라 한다. 이는 단일재료로는 얻기 어려운 우수한 특성을 가진다. 이런 이유로 인해 대부분의 탄소섬유가 탄소섬유복합재의 형태로 산업에서 이용되고 있다. 이러한 특장점이 있는가 하면 안 좋은 면도 있다. 가격면에서는 유사한 소재인 섬유유리나 플라스틱보다 상대적으로 비싸고 당기거나 구부리는 힘에는 매우 강하지만, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다. 예를 들어 탄소섬유로 만들어진 막대는 구부리기 매우 어렵지만 망치와 같은 도구로도 순간적으로 충격을 가하면 쉽게 깨뜨릴 수 있을 정도라고 보면 된다.

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탄소섬유복합재 제조 공정

탄소섬유강화 복합재료의 성형기술은 계속해서 진화되고 있으며, 탄소섬유강화 플라스틱 성형법에는 탄소섬유와 플라스틱을 일정한 비율로 혼합한 뒤 사용하기 편한 형태의 중간재로 만들어 사용하는 중간재 활용법과 중간재를 사용하지 않고 곧바로 탄소섬유와 플라스틱이 만나면서 복합재 부품을 만드는 방법이 있다. 후자로 말한 직접 성형방법은 중간재를 거치지 않아 비교적 경제적이긴 하지만, 여러가지 한계가 많아서 첨단 복합소재 부품에는 프리프레그라는 중간재를 이용한 성형법을 주로 사용한다. 프리프레그를 적용하는 성형방법으로는 크게 오토클레이브 성형법, 프레스 성형법으로 구분된다. 오토클레이브 성형방법은 항공용 부재, 미사일, 우주선 등과 같은 첨단 제품에 응용하는 방법으로 제품에 균일한 압력을 가하여 품질이 우수하지만 성형시간이 길어 공정비용이 높은 단점이 있다고 한다. 프레스 성형방법은 압축 성형기에 암수의 금형을 장치하고 프리프레그를 적층한 후 프레스로 경화하는 방법으로써 공정시간이 짧고, 필요한 재료가 적어 공정비용 및 생산성이 높다는 장점 있다.

 

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일신오토클레이브에서는 오토클레이브와 프레스 모두 다 30년간의 개발과 꾸준함으로 국내외에 활발히 납품을 하고 있다.

 

 

정수압 프레스 (CIP_냉간정수압)

Isostatic Press

 

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온도에 의한 물성 변화가 필요 없는 제품을

상온에서 다양한 크기와 원하는 형태로 성형하는데 사용한다.

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양산용 CIP-C Series는

온도 필요 시 열 jacket 장착 가능 구조로 되어있다.

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실험용

Series	Volume (ℓ)	Pressure (bar)	Pump	Closing Type	Temp. (℃)	Internal Diameter (Φ)
ISA - CIP 500	0.5	~ 6,000	Air Drivedn	C - Clamp / Pin	RT	50 ~ 100
ISA - CIP 1000	1					70 ~ 100
ISA - CIP 2000	2					80 ~ 120
ISA - CIP 3000	3	~ 5,000				100 ~ 200

 

양산용

Series	Volume (ℓ)	Pressure (bar)	Pump	Closing Type	Temp. (℃)
CIP - C	~ 2,000	~ 500	Air Pump	C - Clamp	RT
CIP - P	~ 100	~ 4,000		Pin / Cover
CIP - Y	~ 300	~ 6,000	Hydraulic Pump	Yoke Flame
CIP - Y	~ 2,000	~ 3,000

 

 

 

참고자료

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기사

https://www.thedailypost.kr/news/articleView.html?idxno=70125

​

http://www.worktoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=29316

​

https://www.jjan.kr/article/20140204499348

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논문

https://repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/6556/1/2014-017%20%ED%83%84%EC%86%8C%EC%84%AC%EC%9C%A0%20%EB%B3%B5%ED%95%A9%EC%86%8C%EC%9E%AC%EC%9D%98%20%EA%B8%B0%EC%88%A0%EA%B0%9C%EB%B0%9C%20%ED%98%84%ED%99%A9%EA%B3%BC%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5%20%EC%A0%84%EB%A7%9D.pdf

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위키백과

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%84%EC%86%8C%EC%84%AC%EC%9C%A0

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나무위키

https://namu.wiki/w/%ED%83%84%EC%86%8C%EC%84%AC%EC%9C%A0

 

 

 

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