신소재 공학학 과 :담당교수 :학 번 :이 름 :고분자계 신소재1. 고분자의 정의(1) 유기화합물은 탄소 화합물이나 탄산염 등 소수의 간단한 것 이외 전체의 탄소 화합물을 총칭하며, 일반적으로 주로 C, H, O, N, S, P, 할로겐 등의 원소로 구성된 물질이다.(2) 고분자(macromolecular)는 어떤 반복단위가 공유결합에 의해 고리 모양으로 결합된 거대 분자를 말하고, 분자량이 1만개에서 수백만 이상에 걸쳐서 영향을 주는 거대분자로 된 것을 말한다.(3) 중합체 또는 폴리머(polymer)는 반복되는 거대단위들이 길게 연결되어 사슬모양을 이룬 분자(poly+mer=polymer)를 말한다.(4) 반복되는 기본단위의 물질을 단량체(monomer)라 부른다.(5) 단량체의 반복수를 중합도라고 말하고, 중합도가 약 10이상의 것을 폴리머, 그 이하의 것을 올리머(oligomer)라 한다.▲ 고분자 공학에 연계되는 각종 공학분야▲ 고분자 공업의 각종 산업에의 응용2. 고분자 재료의 분류(1) 천연고분자 재료 : 천연고무, 면, 셀룰로스(섬유소), 전분, 단백질, 옻나무, 송진, 가죽, 알긴산 나트륨, 양모 등이 이에 속한다.(2) 변성 천연고분자 재료 : 초산 셀룰로스, 니트로 셀룰로스(3) 합성고분자 재료 : 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 나일론, 폴리염화비닐, 폴리 디 메틸 시로킨산, 페놀 수지, 요소 수지 등cf. 고분자의 용도① 고무(elastomer or rubber)② 접착제(adhesive)③ 플라스틱(plastic)④ 섬유(fiber)⑤ 수지(resin)3. 고분자의 구조: 고분자는 분자구조로 볼 때 모노머(단량체)라고 하는 작은 반복 단위들로 구성되어 있고, 이는 모노머로 존재할 때와는 다른 물성을 나타낸다. 대부분 이들의 골격구조는 선형(linear), 가지형(branched), 교량형(bridged) 및 망형(network) 형태로 존재하며, 이들의 골격구조로 인하여 여러 가지 고분자 특성을 나타낸다.4. 엔지니어링 플라스틱(enginee 약품성, 내충격성, 윤활성도 우수하고 성형성이 좋다.< 자동차의 기어, 베어링, 일반기계부품, 전선피복 등에 사용>?단점 : 용융점은 높지만 고온에서 산화되기 쉽다.(2) 폴리카보네이트(Polycarbonate ; PC)① 플라스틱 중에서 가장 질기며 고경도이고, 견고성도 좋다.② 열가소성 수지로 비정질이므로 투명하다.③ 높은 탄성계수, 사용 가능한 온도범위(-170~130℃)가 넓고, 크리프 특성도 높으며, 높은 전기저항, 낮은 수분 흡수성을 가진다.④ 성형수축이 적고, 치수 정밀도 및 치수 안정성을 요구하는 정밀부품에 사용?용도 : 카메라의 몸체, VCR과 사무용 기기, 조명기구, 자동차 범퍼, 헬멧, 볼트와 너트 등(3) 변성 폴리 페릴린 옥사이드(변성 poly phenylene oxide ; 변성 PPO)① 성질은 PPO와 유사하지만, 열변형온도가 약간 낮다.② 기계적 성질이 우수하고, 강성과 충격강도, 크리프 특성이 좋다.③ 전기적특성이 우수하고, 투전률의 주파수 의존성이 작다.④ 내열성이 있고, 연소가 잘 되지 않는다.⑤ 내수성이 우수하고, 뜨거운 물에도 안정된다.⑥ 유기용매에 침해되지만, 산, 알칼리에는 안정하다.⑦ 성형수축률이 작고, 성형성이 양호하다.?용도 : 사무용 기기를 비롯하여 컨넥터, 스위치 등의 전기 및 전자제품, 휠 커버, 휴즈 박스와 같은 자동차 부품.(4) 폴리에스터(polyester ; PS): 유리섬유 강화 플라스틱에 이용되고, 내열성, 윤활성, 내피로성, 인장 및 굽힘강도 등이 좋으며 금속에 가까운 감촉을 가진다.?용도 : VTR, 에어컨(air conditioner) 등의 각종 전기 부품, 도어 및 핸들 등의 자동차 부품.(5) 폴리 부틸렌 테레프탈레이트(poly butylene terephthalate ; PBT)① 기계적 강도 및 강성이 우수하다. 엔지니어링 플라스틱 중에서 탄성계수가 가장 크다.② 내열성이 우수하고, 고온에서 연속 사용이 가능하다.③ 각종 유기 용제에 강하다.④ 흡수율이 낮고, 성형품의 전기 특성의 hylene ; PTFE): 용융 점도가 매우 높아 성형이 곤란하다. 일반적인 것은 압축성형, 액압성형, 램 압출성형, 또는 패스트(paste) 압출성형법이 이용된다. 시트, 환봉, 튜브 등을 기계 가공하여 제품화한다. 화학장치의 라이닝, 파이프, 피팅, 밸브, 전선피복, 복사기 롤러, 식품제조장치의 부품, 에어 돔의 지붕 등ⅱ. 파워풀오로알콕시 불소수지(PFA): PTFE에 가까운 특성을 가지며 용융 성형이 용이 하고, 파이프 피팅, 오일 실, 전선 피복, 광섬유의 피복, 조리용품 등에 사용.ⅲ. 4불화 에틸렌 6불화 프로피렌 공중합체(FEP): 사출성형 및 압출성형이 가능하고, 전선 피복, 광섬유 피복, 전자제품, 튜브, 각종 용기의 라이닝에 사용.ⅳ. 에틸렌 4불화 에틸렌 공중합체(ETFE): 기계적 강도, 전기 절연성, 내방사선성이 매우 우수하며, 전선 피복을 중심으로 컴퓨터의 기내 배선 케이블, 원자로 제어용 케이블의 피복에 이용.ⅴ. 폴리 불화비닐덴(PVDF): 기계적 강도, 내기후성이 우수하고, 화학장치용 밸브, 펌프, 항공기 및 군사용 기기의 배선피복, 고분자 압전체, 기타줄 등에 이용.(10) 폴리 프로필렌(poly prophylene ; PP)① 내열성이 우수하다.② 습기를 흡수하지 않는다.③ 내약품성이고, 균열 발생에 대한 저항성이 크다.④ 전기적 특성이 우수하다.⑤ 가공성이 우수하다.⑥ 플라스틱 중에서 비중이 가장 작고, 기계적 특성의 밸런스가 좋다.(11) 폴리에틸렌(polyethylene ; PET): 열가소성 수지이고, 투명성 수지의 일종이다.① 각종 엔지니어링 플라스틱 중에서도 고수준의 내열성을 갖는다.② 강성이 풍부하고, 내크리프성을 가지고, 치수의 안정성이 우수하다.③ 성형품의 마무리 표면에 대한 광택이 우수하다.④ 전기적 특성이 우수하다.?용도 : 일용 잡화용품에서부터 전기, 전자 등의 하이테크 분야에까지 광범위하게 사용.(12) ABS(acrylonitrile butadience styrene): 아크릴로니트릴(acrylon 안정성이 우수하다.④ 과열수증기나 비등수에 견딘다.⑤ 가공성이 비교적 좋고, 성형수축도 적고, 내크리프성도 좋다.⑥ 난연소성이고, 독성이 없다.?용도 : 가장 많이 자동차에 40%정도 사용되고, 그 다음이 전기.전자분야 30%, 나머지는 정밀기계, 식품, 의료 및 공업용에 사용.(17) 폴리페닐렌 살파이드(polyphenylene sulfone ; PPS)① 고온내열성과 함께 -50℃의 저온에서도 상온에서와 같은 특성을 갖는다.② 넓은 온도 범위에 걸쳐 우수한 치수 안정성과 내크리프성을 나타낸다.③ 전기 절연성이 우수하고, 넓은 주파수 영역에 걸쳐 저온 안정성을 나타낸다.④ 불연성이고, 난연소제를 첨가하지 않아도 안전하다.⑤ 독성이 없고 안전하다.?용도 : 자동차용 배기가스 밸브, 안개등의 렌즈, 각종 센서, 전기/전자 부품, 전자 레인지, 스팀 다리미 등에 이용(18) 폴리이미드(polyimide ; PI): 금속대체 재료라 불리는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱이다.① 내열성이 우수하고, 250℃ 부근의 온도에서 사용 가능하며, 내크리프성이 우수하다.② 저온에서 고온까지 특성의 변화가 적다.③ 내충격성 및 치수 안정성이 좋다.④ 전기 절연성이 우수하고 내약품성도 좋지만, 알칼리에 침해된다.⑤ 내마모성이 좋고 난연소성이며, 내방사선도 양호하다.?용도 : 성형의 어려움과 가격이 비싸기 때문에 우주/항공 또는 특수분야에 사용.(19) 폴리아미드 이미드(polyamide-imide ; PAI)① 260℃의 고온에서도 일반 엔지니어링 플라스틱과 동등한 기계적 특성을 갖는다.② 내충격성이 우수하고, 크리프도 적다.③ 내마모성이 우수하고, 치수 안정성이 좋다.④ 금속과 동등한 강성을 가지고, 나연소성이다.⑤ 전기적 특성이 우수하고, 자기 윤활성을 가진다.⑥ 내용제성(耐溶齎性)이 양호하지만, 강알칼리에는 침해된다.?용도 : 중량감소가 중요과제로 되고 있는 항공우주 및 자동차 분야, 다음에 전기 전자 분야에 이용의 확대가 추진되고 있다.(20) 폴리에테르 이미드(polyethe ; LCD)(1) 능동 디스플레이(active display) : 각각의 화소(pixel)에 전압을 걸어 주어 화소 스스로가 빛을 발생 할 수 있는 능력을 갖게 한 것. 음극선관(cathod ray tube ; CRT), 발광 다이오드(light emitting diode ; LED)(2) 수동 디스플레이 : 화소가 직접 빛을 발생하지 않으나 디스플레이에 의해 반사되거나 투과되는 양을 조절하는 것이다. 액정 디스플레이(LCD)5-4. 응용의 예(1) 텔레비전에 이용① 액정을 이용한 텔레비전은 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 전압에서도 작동이 가능하다.② 벽걸이형 대형 TV는 플라즈마 표시장치(PDP) 방식을 이용하여 만든 것으로 기존의 브라운관 대신 2장의 얇은 유리판 사이에 혼합가스를 채운 뒤 고전압을 가하여 발생한 이온가스를 방전시켜 영상을 만들어내는 방식이다.(2) 컴퓨터에 이용: 액정 폴리머는 내열성과 기계적 특성이 통상의 플라스틱에 비하여 대단히 높은 수준에 있는 결정성의 열가소성 플라스틱이다.?액정 폴리머의 특징ⅰ. 강도와 탄성계수가 우수하다.ⅱ. 용융시의 유동성이 우수하여 두꺼운 부분의 수지 충전성이 좋으므로 고정밀도의 성형품이 얻어진다.ⅲ. 성형 수축률 및 선팽창률이 낮고, 치수 안정성이 우수하다.ⅳ. 난연소성이고, 내가수분해성, 내약품성이 우수하다.?액정 폴리머의 용도ⅰ. 전기/전자 분야 : 광 섬유 커플러, 광섬유 컨넥터, 표면 실장용 릴레이 스위치 부품, 모터 부품, 스위치, 프린트 배선 기판, 케이싱 류, 센서 실링, 컨덴서 실링, 전자 오븐렌지 구동부품과 용기ⅱ. 자동차/수송기기 분야 : 연료 펌프, 임펠러, 전자부품, 점화 부품, 트랜스 미션 부품ⅲ. OA기기 분야 : 복사기 단열부품, X-Y 플로터 부품, FDD 캐리지, VTR 샤시, 스피커 진동판ⅳ. 화학기기 분야 : 충전탑 충전물, 유성 부품, 펌프/밸브부품, 계측기기 부품ⅴ. 일용잡화 분야 : 식품용기, 자, 스포츠 용품6. 고효율성 분리막?필요한 물질만을 선택하여 이다.
■ 세라믹스계 신소재1. 세라믹스의 정의: 무기재료를 주원료로 하는 산화물(oxide), 질화물(nitride), 탄화물(carbide) 등과 같이 금속원소와 비금속원소의 조합으로 이루어지는 화합물.이러한 재료는 일반적으로 금속재료, 고분자 재료 등에 비하여 강도, 경도, 내식성, 내열성, 및 내마모성이 매우 크며, 다양한 기능을 갖는 현대 공업재료 중 가장 중요한 위치를 차지하고 있다.(1) 전통 세라믹스(traditional ceramics): 도자기, 유리, 시멘트, 내화물 등(2) 파인 세라믹스(fine ceramics, new ceramics or advanced ceramics): 정밀하게 고도화된 고성능 및 고기능의 전자재료, 기계재료 등2. 파인 세라믹스의 분류▶ 재료의 기능에 따라 분류(1) 일렉트로닉 세라믹스(electronic ceramics; 전자 세라믹스): 전자기적 기능, 광학적 기능(2) 엔지니어링 세라믹스(engineering ceramics; 구조용 세라믹스): 기계적 강도, 열적 특성 및 내식성 등을 충분히 향상시킨 세라믹스(3) 바이오 세라믹스(bio ceramics; 생체 세라믹스)▶ 금속 & 비금속의 결합방법에 따라 분류(1) 산화물계 세라믹스 : 산소와 결합(2) 비산화물계 세라믹스 : 산소 이외의 원소와 결합① 탄화계 세라믹스 - 탄소와 결합② 질화계 세라믹스 - 질소와 결합③ 붕화물계 세라믹스 - 붕소와 결합④ 규화물계 세라믹스 - 규소와 결합▶ 재료의 특성에 따라 분류: 고온재료, 초경재료, 전자재료, 자성재료, 광학재료 및 생체재료용 세라믹으로 분류3. 엔지니어링 세라믹스: 하중을 지탱하고 열과 환경에 견뎌야 하는 구조물, 또는 그 부품에 사용하는 세라믹스cf. 세라믹의 장단점?장점 : 고강도, 고경도, 내열성, 내마모성, 내부식성 우수.?단정 : 인성이 부족하여 취성을 가지고 있다.▶ 성분원소 : 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride), 지르코니아(zirconia), 알루 탄성계수, 재료강도, 원자의 결합방식, 고온물성② 접합계면의 현상: 젖음성(wettability) 및 확산(diffusion), 생성물 강도, 계면구조③ 강인한 접합 계면의 형성: 미시적으로 원자결합 양식 및 결합 적합성 등이 지배인자이고, 거시적으로는 계면 생성 및 계면형태 등이 재배인자가 된다.④ 열팽창 및 탄성계수의 차에 의한 잔류응력의 완화: 잔류응력 완화층 및 접합부 형상의 최적화가 중요하다.(1) 세라믹스의 접합법① 기계적 접합법⒜ 접합방법 : 가열결합, 냉각결합, 끼워 맞춤, 압입 나사 멈춤, 주조⒝ 특 징 : 열팽창 차가 요구 고정밀도 가공이 필요, 중가격② 접착법⒜ 접합방법 : 유기 접착제(에폭시, 이미드 등) / 무기 접착제(실리카계, 알루미나계)⒝ 특 징 : 저가격 / 내열성, 취성③ 화학적 접합법⒜ 접합방법 : 직접 접합법(고상접합, 마찰압접 등), 무기물 개재 접합, 활성 금속법, 메탈라이징법⒝ 특 징 : 고강도, 봉착성, 고신뢰성, 중가격(2) 잔류응력의 완화① 완화층의 설치⒜ 열팽창계수의 매칭 - 중간의 열팽창계수 재료의 개재, 열팽창계수의 단계적, 연속적 변화⒝ 세로탄성계수의 조정 - 저탄성 재료의 개재, 저탄성재와 저팽창재/고탄성재의 조합⒞ 변화에 의한 해방 - 연성금속의 소성변형, 형상기억합금의 의탄성 변형⒟ 취성층 균열에 의한 해방 - 금속간 화합물 중의 균열, 중간 세라믹스 중의 균열② 접합법의 개량⒜ 접합온도의 저온화 - 고강도 저온 접합재의 개발, 상온 접합⒝ 열변형률의 국소화 - 국소가열에 의한 접합⒞ 접합조건의 최적화 - 접합 반응, 생성물의 제어③ 접합부 설계⒜ 접합부의 이산화 - 부분적인 접합, 접합면에 슬릿의 도입⒝ 응력접중/인장부하의 회피 - 접합부 형상의 최적화, 응력집중부 형상의 설계(3) 엔진 부품의 세라믹스 접합① 디젤 엔진용 글로 플러그(glow plug) :세라믹스와합금의 브레이징(brazing)에 의한 것(디젤 엔진의 시동성을 높이기 위한 것이다.)② 디젤용 핫 플러그(hot plug)⒜세라믹스와 이외에도 비교적 넓은 음역에서 작은 음까지 재생하기 때문에 여러 가지 음악을 내장한 IC와 연결하여 스피커로 사용된다.(3) 초음파 송수신 세라믹스① 공기중 초음파 송수신기 : 공기중의 초음파를 감지하는 것. 거리측정, 물체감지 등② 수중 초음파 송수신기 : 수중에서 초음파를 감지하는 것. 어군탐지기③ 초음파 진단장치 : 인간의 내장의 모양이나 임산부의 태아상태 등을 파악할 수 있는 의료장치. 이것은 보통 3MHz의 초음파 펄스를 이용하며, 이 때 송수신기로서 사용되는 것은 압전 세라믹 진동자이고, 일반적으로 PZT 압전 세라믹스가 이용.(4) 반도성 세라믹스: 세라믹스 중에서 도체와 절연체의 중간 성질인 반도성을 띠는 세라믹스.① 서미스터(thermister ; thermal sensitive resistor): 온도에 민감하세 전기전도가 변화하는 반도체 재료를 응용. 각종 센서나 회로 보호용 소자에 사용.② 배리스터(varistor ; voltage variable resistor): 전압에 의해 저항 값이 크게 변화하는 소자. IC회로의 피뢰침 역할을 한다.(5) 자성 세라믹스: 자성재료는 일반적으로 자기이력 특성에 따라 연자성 재료(soft magnetic material)와 경자성 재료(hard magnetic material)의 두가지로 대별할 수 있으나, 그 중간적인 특성을 가진 자기기록 재료 및 자기광학 재료(magnetic-option material) 등도 있다.(6) 초전도 세라믹스: 초전도 세라믹스는 극히 적은 적외선을 받아도 온도가 변하고, 결정의 내측에 접해 있는 전하 차가 생기는 성질을 가지고 있으며, 이 변화를 전기신호로 이용하는 재료이다.(7) 세라믹 센서(ceramic sensor): 센서는 인간의 오감인 시각, 청각, 후각, 촉각, 미각을 대신하여 외부 상황을 감지하고, 대응하여 신호로 출력을 발생시키는 것으로 지능 세라믹스 또는 감각 세라믹스로서 자동제어의 필수 소자이다.ex) 도난 방지기, 가스센서, 소리 세라믹스5. 바용되는 세라믹스.① 미생물 세포의 분리: 적절한 가공을 가진 다공질 유리를 이용하므로 세균, 임과균의 생체세포를 분리할 수 있다.② 생체물질 및 의약품의 분리/정제: 다공질 유리막 및 칼럼, 애퍼타이트 과립 또는 겔 칼럼 등을 이용하여 각종 단백질, 인터페론, DNA나 RNA 등의 핵산, 배당체 등이 분리/정제되고 있다.③ 효소 및 미생물의 고정화: 연속적인 발효 또는 반응을 일으킬 경우 효소나 효소를 생산하는 미생물을 고정화한 칼럼을 이용한 바이오 반응④ 혈액성분의 흡착제거5-4. 바이오 세라믹스의 특성(1) 생체 적합성: 손상된 생체조직을 제거한 후 생체재료를 인체에 이식하면, 조직이 새롭게 회복되면서 생체 이식재료와 반응하는데 이때 생체재료의 이식재료에 대한 적응성.(2) 생체 불활성: 생체조직에 대하여 거의 활성을 갖고 있지 않은 바이오 세라믹스는 생체세포와 화학적, 또는 생물학적으로 결합할 수는 없다.(3) 흡수성: 이식 후 시간이 경과할수록 점점 녹아서 없어지고 그 자리를 새로운 생체조직으로 대체.(4) 생체활성: 이식할 때 생체 내에서 제한된 반응이 일어나면서 이식재료가 뼈와 결합.5-5. 바이오 세라믹스의 종류? 생체 활성재료 : 수산화 애퍼타이트, 인산칼슘, 바이오 글래스? 불활성 재료 : 카본 세라믹스, 알루미나(1) 수산화 애퍼타이트(hydroxyapatite : HA, 화학식 :): 생체 적합성이 매우 좋고, 뼈에 직접 결합하기 때문에 생체재료로서 중요.① 알칼리성 : 산에 쉽게 용해하고 알칼리에는 잘 용해되지 않는다.② 이온 교환성이 우수하고, 금속이온에 의해 쉽게 치환 가능.③ 충격저항이 높지만, 무기질만의 재질이기 때문에 깨지기 쉽고, 급격한 힘을 가하면 부러질 위험이 있다.(2) 인산칼슘(TCP , 화학식 :): 뼈 치환 속도가 빠르고, 인체내에 이식된 소결체의 구멍에 신생 뼈가 서서히 진입하여 자기 자신의 뼈와 치환하므로 뼈 접합(bone graft) 재료로 많이 응용.(3) 바이오 글래스(bioglass): 생체와 뼈와 직접 결재료는 뼈와 화학적으로 직접 결합하지 않기 때문에 뼈와 결합력을 증대시키기 위하여 재료표면을 다공질로 하거나 요철을 만드는 기계적인 고정 방법을 적용하였다.(5) 뼈 접합용 나사: 골절의 치료나 뼈 절단 수술 후 뼈 접합방법에 깁스 고정법 등과 같은 보존적 요법과 임플랜트를 사용하는 내고정법이 주로 채택.6. 광학 세라믹스: 세라믹스는 자외선 및 적외선에 가까우며 가시 광으로 투명한 것이 많고, 각종 분야에 응용되고 있다. 그러므로 세라믹스는 광의 투과, 흡수, 굴절, 또는 반사가 기본인 광학적 성질을 가지며, 전계, 자계의 요소도 조합하여 고도의 광학적 기능을 발휘하고 있다.6-1. 빛의 특성(1) 빛의 굴절(2) 이방성 결정과 굴절률: 이방성이 있을 때는 빛의 진행방향, 진동방향 및 결정방향의 상호관계에 의해 복잡한 광학현상을 나타낸다.(3) 빛의 파장과 굴절률: 굴절률은 빛의 파장에 따라 변화하고, 이 현상을 분산이라고 부른다.6-2. 광학 세라믹스의 종류(1) 유 리 : 실리카()유리섬유, Nd 함유 레이저 유리,유리, 다성분계 유리섬유, As-Se-S유리 등(2) 단결정 : YAG,,등(3) 소결체 :투명 소결체, PLZT 등(4) 박 막 :,, 아모퍼스 실리콘,등광기능응 용재료투과성광섬유계 유리다성분계 유리붕화물 유리굴절굴절률 분포형 마이크로 렌즈광학 렌즈규산염 유리편광성광 메모리광도파로결정투명성나트륨 램프투명소결체형광성형광등인산칼슘감광성정밀가공감광성 유리포토크로믹 성선글래스AgCl 함유 유리레이저 발진고체 레이저YAG, Nd 함유 인산 유리광자기 특성파라델 회전광스위치Tb 함유 유리광전기 특성광메모리PLZT광음향 효과광회절 격자계 유리에너지 전송레이저 가공용적외광 도광성 케이블AS-S계 유리광변조성광 아이솔레이터YIG, 희토류 함유 유리6-3. 광기능의 종류(1) 광섬유(optical fiber): 광섬유는 전화회선을 전선으로 바꿔 빛으로 정보를 집어 넣고, 장거리에 빛을 전달하기 위한 유리섬유(외경) 이다.(2) 투명 알루미나: 세라믹스는 분체를 사용.
1. NACA airfoil의 종류와 그 특징- airfoil의 정의 및 각 부위의 명칭(1) airfoil의 정의 - 날개의 단면형상(a) 비행기의 날개 (b) airfoil : 날개의 단면형상그림 1-1. airfoil 형상(2) airfoil 의 각 부위의 명칭 : NACA에서 정한 명칭 표기법ⅰ. 앞전(Leading Edge) : 에어포일의 앞부분 끝(둥근 원호나 뾰족한 쐐기모양)ⅱ. 뒷전(Training Edge) : 에어포일의 뒷부분 끝(모양은 뾰족한 모양)그림 1-2. airfoil의 L.E. 와 T.E.ⅲ. 시위(chord) 앞전과 뒷전을 연결한 선C로 표시하며 특성길이의 기준이 된다.ⅳ. 두께(Thickness) 윗면과 아랫면 사이의 수직 거리가장 두꺼운 곳의 길이를 최대두께(Maximum thickness)두께와 시위 길이와의 비를 두께비라 한다.그림 1-3. airfoil의 시위 및 두께ⅴ. 평균 캠버선(Mean Camber Line)위 캠버와 아래 캠버의 평균선으로 두께의 중심선이다.평균 캠버선의 앞끝을 앞전(leading edge), 뒤 끝을 뒷전(trailing edge)이라 부른다.ⅵ. 캠버 또는 최대 캠버 (Camber or Maximum Camber): 시위선에서 평균 캠버선까지의 최대 거리ⅶ. 아래 캠버 (Lower Camber): 시위선으로부터 아랫면(lower surface)까지의 거리ⅷ. 위 캠버 (Upper Camber): 시위선으로부터 윗면(upper surface)까지의 거리그림 1-4. airfoil의 캠버(camber)ⅸ. 앞전 반지름(Leading Edge Radius) : 앞전에서 평균캠버선에 접하도록 그은 직선위에 중심을 가지고 아래 윗면에 접하는 원의 반지름그림 1-5. airfoil의 앞전 반지름(3) 날개의 형태■ 날개의 평면모양 : 스팬(span), 시위(chord), 날개면적(S), 가로세로비(AR; Aspect ratio), 테이퍼비(taper ratio), 후퇴각(Sweep Back Angle) 가 있다는 뜻이다. 마지막 두개의 숫자는 최대두께비를 나타내는데 이 예에서는 12% 두께비이다.(4) NACA 6 계열6계열 에어포일은 NACA 65, 3-218, a=0.5 와 같이 나타낸다. 첫째 자리의 6은 6계열 표현임을 나타내며 둘째 자리의 5는 이 에어포일을 설계할 때 기본으로 삼은 대칭형 에어포일에서 압력이 최소가 되는 위치를 앞전에서 시위선 비율의 10단위를 표시한 것이다. 즉, 이 에어포일의 기본형은 최소압력이 시위선의 50%에서 이루어진다는 뜻이다. 쉼표 뒤의 3은 아래 첨자로 표시하는 수도 있는데 아랫면이나 윗면에서 바람직한 압력분포가 이루어지는 설계 양력계수로부터 더 크거나 작은 양력계수의 범위를 열 배 하여 표시한다. 이 예에서는 바람직한 압력분포가 성계 양력계수보다 0.3 작거나 큰 범위에서 이루어진다. 빼기 기호 다음의 첫째 숫자는 설계한 양력계수를 열 배 하여 표시한다. 이 예에서는 설계 양력계수가 0.2라는 뜻이다. 마지막 두자리는 다른 계열과 마찬가지로 최대 두께비를 나타낸다. a=0.5는 평균 캠버선의 휘어진 형태를 나타낸다. 이 기호를 표시하지 않은 에어포일은 a=1 이라는 뜻으로 원호를 나타낸다. 6계열 에어포일 표시방법은 에어포일의 공력특성을 기준으로 표현하고 있다는 점에서 다른 계열의 표시방법과 차이가 난다.- NACA 0012 란?(1) 첫 번째 숫자 : 최대 평균캠버(max mean camber)의 크기를 시위의 백분율로 표시한 값 (2) 두 번째 숫자 : 최대 평균 캠버의 위치를 앞전으로부터 시위의 십분율로 표시한 값(3) 세 번째와 네 번째 숫자 : 최대두께(maximum thickness)의 크기를 시위의 백분율로 표시한 것. 2. airfoil 에서의 공력중심(aerodynamic center)과 압력중심(center of pressure)이란?- center of pressure압력은 단위면적당 작용하는 힘이며, 압력과 면적의 곱은 힘이 된다. 그림 2-1에서 보여준 에어포일 주위의 압력분포는 그림 2-2과트는 어떠한 받음각과 양력에서도 상쇄된다. 양력은 그림 2-4에서와 같이 공력중심에 작용하는 모멘트가 없는 하나의 힘으로 표시된다.그림 2-4. 대칭에어포일의 공력중심캠버진 에어포일 역시 공력중심의 위치는 앞전으로부터 시위길이의 1/4 지점에 있다. 그러나, 대칭에어포일 공력중심에서는 모멘트가 서로 상쇄되어 존재하지 않는 반면, 캠버진 에어포일에서는 모멘트가 상쇄되지 않고 비평형 모멘트는 받음각 변화에 따라 일정하게 된다.아음속에서의 공력중심은 시위의 1/4 지점에 위치하지만, 속도가 천음속을 지나 초음속에 가까워지면 공력중심은 뒤쪽으로 점점 이동하여 초음속 영역에서 공력중심은 앞전으로부터 시위의 1/2 지점(시위의 중앙)에 위치하게 된다. 이와 같은 공력중심의 이동은 초음속기 시대의 개발초기 음속을 돌파하기 위한 트림 문제에 부딪히기도 하였다.(2) 날개 평면형상에 따른 공력중심그림 2-5는 날개평면 형상에 따른 공력중심의 위치를 보여준다. 그림 2-5a에서 직사각형 날개의 공력 중심은 익형에서와 동일한 시위 1/4 지점에 위치한다. 그림 2-5b에서 직선의 테이퍼진 날개는 길이방향에 따른 각 시위의 1/4 지점이 동일한 직선상에 있는 테이퍼 날개를 보여 주며 공력중심 역시 이 시위의 1/4 지점을 연결하는 직선상에 있음을 알 수 있다. 만약, 각 시위의 1/4 지점이 동일 직선상에 있지 않다면 날개는 그림 2-5c와 같이 후퇴각(sweep angle)을 가지는 날개이다. 이 경우 공력중심은 날개 길이 방향의 각 단면에 걸쳐 공기역학적인 특징들을 일정율로 평균한 지점이 되며 위치는 그림과 같다.그림 2-5. 날개 평면형상에 따른 공력중심의 위치3. airfoil에서 stall 이란?- stall(실속)(1) 실속이란, 높은 받음각에 의해 상대풍 속도와 관계없이 양력을 발생시키지 못하게 되는 현상을 말하며 갑작스런 고도 강하 또는 스핀과 같은 비정상 비행의 원인이 된다. 실속이 일어나면, 날개의 뒤쪽에서 박리(separation)된 공기흐름의 후류가 기체가 진 흐름에 운동에너지를 주어 뒷전에 이를 때까지 흐름이 날개로부터 떨어지지 않도록 만든다.공기를 날개 안으로 빨아들임으로써 흐름이 떨어지는 것을 막기 위해서 분리가 일어날 위치에 작은 구멍을 뚫고 그 구멍을 통하여 빨아들인다. 이 방법도 불어주는 방법과 마찬가지로 효과를 볼 수 있지만 항공기에서 압축공기를 만들기가 흡입압력을 만드는 것보다 쉬우므로 잘 사용되지 않는다.- stall Summary : 받음각이 계속 증가하면 양력계수 증가비율이 감소하다가 어느 받음각을 넘어가면 갑자기 양력계수가 감소한다.그림 3-2. 양항 곡선과 실속- separation(박리) : 박리는 경계층의 결과로, 박리되는 것은 참으로 얇은 경계층으로 그것이 유동장을 제어하고, 주류의 흐름방향의 압력분포를 바꾼다. 그런데, 애당초 박리를 지배하는 것은 경계층에 접한 주류의 압력상승으로 박리 초기에는 경계층과 주류는 상호 영향을 미치고 있다가 이윽고 정상적인 박리상태가 출현한다. 본래 속도구배가 있는 영역으로서의 경계층은 와동층(평판에 연한 유동방향으로 x축, 이것에 수직하게 y축을 잡아 z축 방향으로는 변하지 않는 2차원 유동으로하면 와도의 항에서 이해한 바와 같이 경계층내에서는 와도의 z성분이 분포하고 있다.)으로, 경계층이 물체 표면으로부터 박리되면 유체증으로 밀려난 원래 불안정한 와동층은 분열되어 와동군으로 되어 복잡한 후류를 형성한다.경계층내의 압력은 주류의 압력과 거의 비슷하며, 두께 방향으로 거의 일정하므로, 물체 표면에 연한 방향에는 주류의 압력구배로 된다. 따라서, 하류로 진행할 수록 압력이 상승하는 경우를 생각하면, 하류로 갈수록 감속되는 경계층내의 유동은 벽에 가까운 흐름일수록 한층 더 감속되어 결국에는 역류되시 시작한다. 이 전환점은 벽에서 속도구배가 제로로 되는 점으로 경계층이 박리되는 점(박리점)이다.그림 3-3. 경계층의 박리(separation)- separation Summary 점성 때문에 하류쪽의 속도가 감소 → 압력증가 → 역압력 구배형성 → 흐름의 떨어은 받음각을 0보다 더 작게 해야 양력계수가 영이 되는데 이 받음각을 영양력 받음각이라 한다.그림 4-3. 영양력 받음각2차원 에어포일에서 측정되는 항력은 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 먼저 그림 4-1. 과 같은 압력분포에서 공기흐름과 같은 방향으로의 압력을 합하면 뒤로 향하는 힘이 되는데 이것이 압력차에 의한 항력이다. 압력차에 의한 항력 외에도 공기가 에어포일 표면을 지나면서 마찰이 작용하는데 이 마찰력의 합이 마찰항력으로 나타난다. 항력도 양력과 마찬가지로 동압과 날개면적으로 나누어 무차원계수인 항력계수(drag coefficient)를 만든다. 항력계수의 정의는 다음과 같다.항력계수는 영양력 받음각 근처에서 최소가 되며 받음각이 증가하면 받음각의 자승에 비례하여 증가한다. 받음각에 따라 항력계수가 증가하는 이유는 압력분포도 흐름방향의 성분이 증가하기 때문이며, 이와 아울러 에어포일 주변을 흘러가는 공기 흐름의 국부속도가 더 커져 표면에서의 마찰력도 같이 증가하기 때문이다. 그림 4-2. 와 같이 에어포일에 실속이 일어나면 항력계수가 급격하게 증가한다.에어포일을 단면으로 하여 만든 날개는 유한한 스팬을 가지며 공기력의 특성도 에어포일과는 다르게 나타난다. 에어포일에서는 스팬방향의 흐름을 무시하여 2차원 흐름이라고 했지만 날개는 지나는 공기흐름은 3차원 흐름이다. 3차원 흐름에서의 양력계수와 항력계수는 2차원에서의 공력계수와 구별하기 위하여 아래첨자의 소문자 대신에 대문자를 사용하여 삼차원 양력계수를, 삼차원 항력계수를라 표기한다. 날개의 효율을 나타내기 위하여 양력을 항력으로 나눈 양을 양항비라 한다. 양항비가 클수록 같은 양력에서 항력이 더 적으므로 효율적인 날개다.날개 윗면의 유속은 아랫면에 비해서 빠르므로 정압은 날개 아랫면이 윗면에 비해서 높다. 이 압력 차이가 양력을 만드는 근원이지만 날개끝에서는 이 압력차이를 그대로 유지할 수 없다. 왜냐하면 공기흐름은 압력이 높은 데서 낮은 데로 이동하는 성질이 있으므로 날개끝에서는 그림 4-4. 의
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