복합재료 제조 실험 및 특성 분석

문서 내 토픽

1. 복합재료의 정의 및 특성

복합재료는 두 가지 이상의 성질이 서로 다른 물질이 거시적으로 혼합되어 유용한 물질이 된 것이다. 섬유강화 복합재료에서 섬유는 가장 중요한 요소이며 복합재료 부피의 대부분을 차지하고 하중을 전달한다. 복합재료는 기존 금속재료보다 높은 강도와 강성을 가지며, 낮은 비중으로 인해 높은 비강도와 비강성을 나타낸다. 이방성 물질인 복합재료는 섬유방향으로 가장 높은 강성과 강도를 보이며, 우주항공 및 자동차 산업에서 널리 사용된다.
2. 복합재료 제조 공정

복합재료 성형 방법으로는 진공백 성형, 압축 성형, 필라멘트 와인딩, ERM, 포일 성형 등이 있다. 압축 성형은 SMC를 매치드 몰드에서 성형하며 짧은 시간에 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있다. 진공백 성형은 고품질이 요구되는 우주항공용 복합재료 제조에 사용되며 프리프레그를 주로 사용한다. 필라멘트 와인딩은 섬유가 수지통을 통과하여 맨드럴에 감기는 방식이다.
3. 핫프레스를 이용한 복합재료 제조

핫프레스 장비는 상부 및 하부 금형 가압판으로 구성되며 전기식 히터로 구조물을 가열하고 유압 압축 방식으로 압력을 가한다. 제조 공정은 프리프레그를 적층하여 테프론 필름으로 감싼 후 금형에 넣고, 130도까지 가열하여 3.4bar의 압력을 45분간 유지한 후 냉각한다. 적층각도(0도, 90도, ±45도)에 따라 서로 다른 기계적 특성을 가진 복합재료를 제조할 수 있다.
4. 복합재료의 밀도 및 물성 비교

제조된 CF/Epoxy 복합재료의 평균 밀도는 1556.41 kg/m³로 이론값 1540 kg/m³과 거의 유사하다. 철(7874 kg/m³), 알루미늄(2700 kg/m³), 브라스(8400 kg/m³)와 비교하면 복합재료의 밀도가 매우 낮다. 낮은 밀도로 인해 복합재료는 높은 비강도와 비강성을 가지므로 경량화가 중요한 항공우주 및 자동차 산업에서 널리 사용된다.

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1. 복합재료의 정의 및 특성

복합재료는 두 가지 이상의 서로 다른 물질이 거시적 또는 미시적 규모에서 결합되어 새로운 물성을 갖는 재료입니다. 이러한 정의는 현대 재료공학에서 매우 중요한 개념입니다. 복합재료의 가장 큰 장점은 개별 구성 요소의 장점을 결합하면서 단점을 보완할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, 탄소섬유 강화 플라스틱은 높은 강도와 낮은 밀도를 동시에 달성합니다. 복합재료는 항공우주, 자동차, 건설, 스포츠용품 등 다양한 산업에서 활용되고 있으며, 지속적인 기술 발전으로 그 응용 범위가 확대되고 있습니다. 복합재료의 특성은 구성 요소의 종류, 배치, 함량 비율에 따라 크게 달라지므로, 원하는 성능을 얻기 위해서는 이러한 요소들을 정밀하게 제어해야 합니다.
2. 복합재료 제조 공정

복합재료 제조 공정은 매우 다양하며, 각 공정은 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 주요 공정으로는 핸드레이업, 진공백 성형, 필라멘트 와인딩, 펄트루전 등이 있습니다. 각 공정의 선택은 최종 제품의 형태, 요구되는 물성, 생산량, 비용 등 여러 요소를 고려하여 결정됩니다. 제조 공정의 품질 관리는 최종 제품의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 매우 중요합니다. 특히 섬유와 기지재의 함침, 기포 제거, 경화 조건 등을 정밀하게 제어해야 우수한 품질의 복합재료를 얻을 수 있습니다. 현대에는 자동화 및 디지털화 기술이 도입되어 생산 효율성과 일관성이 크게 향상되고 있습니다.
3. 핫프레스를 이용한 복합재료 제조

핫프레스는 열과 압력을 동시에 적용하여 복합재료를 제조하는 효율적인 방법입니다. 이 공정은 특히 열경화성 수지 기반의 복합재료 제조에 매우 효과적입니다. 핫프레스의 주요 장점은 빠른 경화 시간, 높은 섬유 함량 달성, 우수한 표면 품질 등입니다. 온도, 압력, 시간 등의 공정 변수를 적절히 제어하면 원하는 물성의 복합재료를 얻을 수 있습니다. 다만 핫프레스는 복잡한 형상의 제품 제조에는 제한이 있으며, 대형 설비 투자 비용이 높다는 단점이 있습니다. 최근에는 핫프레스 기술이 지속적으로 개선되고 있으며, 다양한 산업에서 고성능 복합재료 생산에 활용되고 있습니다.
4. 복합재료의 밀도 및 물성 비교

복합재료의 밀도는 구성 요소의 밀도와 함량 비율에 따라 결정되며, 이는 최종 제품의 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 일반적으로 섬유 강화 복합재료는 금속에 비해 낮은 밀도를 가지면서도 높은 강도를 제공합니다. 예를 들어, 탄소섬유 강화 에폭시 복합재료는 알루미늄보다 밀도는 낮지만 비강도(강도/밀도)는 훨씬 우수합니다. 복합재료의 물성은 섬유의 종류, 배향, 함량, 기지재의 특성 등에 따라 크게 달라집니다. 따라서 특정 응용 분야에 최적화된 복합재료를 설계하기 위해서는 이러한 요소들 간의 상관관계를 정확히 이해하고 활용해야 합니다. 물성 비교를 통해 각 복합재료의 장단점을 파악하고 적절한 재료를 선택하는 것이 중요합니다.

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