복합재료의 소개와 응용제1장 복합재료의 개요복합재료(Composite Material)란 간단히 두 종류 이상의 소재를 복합화한 재료를 말하지만 개념적으로는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후에 물리적, 화학적으로 각각의 소재가 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖게한 재료를 말한다. 복합재료는 항공기 부품제조에 있어 가장 진보된 재료로 급속히 인식되고 있다. 오늘날 세계의 복합소재 관련 기술을 보면, 미래의 항공기산업분야 뿐만 아니라 모든 공업분야에 복합재료 관련 기술은 널리 파급될 것으로 보여진다. 서서히 고갈되어가는 화석연료를 절약하고 심각한 상태에 놓인 지구 대기환경을 보호하기 위한 자동차, 철도차량 및 항공기 등의 운송수단의 경량화추세는 현재 선진국에서 강력하게 추진되고 있으며 이를 해결하는 데는 복합재료의 사용이 필수적인 것으로 생각된다.본고에서는 총 9회에 걸처 복합재료에 대한 소개와 응용에 대하여 살펴보고자 한다.제1장 복합재료의 개요제2장 강화섬유제3장 매트릭스 수지제4장 프리프레그제5장 하니컴 샌드위치(honeycomb sandwich)제6장 오토클레이브(autoclave)제7장 복합재료의 성형법제8장 시험법제9장 복합재료의 응용1. 복합재료란 무엇인가?복합재료에 있어서 복합이란 말은 두 가지 혹은 그 이상의 재료들이 더해져서 그 각각의 재료들보다 훨씬 더 성능과 기능이 뛰어난 구조를 가질 때 이를 나타내는 말로 사용된다. 복합재료의 가장 보편적인 구조는 두 가지 요소, 즉 접합재료의 역할을 하는 기지와 강화재의 역할을 하는 섬유로 구성된 복합재료이다. 주로 사용되고 있는 수지복합재료는 강화천, 섬유, 폼(foam), 혹은 허니콤(honeycomb) 등의 재료를 기지(matrix)재료인 수지(resin)에 강화한 재료이다. 이처럼 대부분의 복합재료는 두 가지의 구성체로 되어 있는데 기지재료는 연속성을 가지고 있으며 다른 재료를 둘러싸는 역할을 하고, 다른 하나의 재료는 기지속에 분산되어 있는 형태를 띄고 있다{) "Comp5년도 이후부터 행해졌다는 것을 알 수 있고, 1960년대 초반 이후로 우주, 항공학 에너지,토목,건축 등과 같은 다양한 분야에서도 아주 비강도와 비강성도가 높은 재료에 대한 수요가 계속해서 증가하면서 복합재료의 연구가 더욱 활기를 띠게 되었다.{) Wiliam D. Callister, jr., Materials Science and Engineering An introduction, Fourth Edition, john Willey g Sons, Inc., 1997.초기의 복합재료로서는 도프(dope-진한 죽모양의 액체)와 천으로 제작된 전통 비행기에서 찾아볼 수 있다. 이 비행기는 적당량의 질산염(nitrate) 혹은 부티르산염(butyrate) 도프가 양질의 목화천과 합쳐져서 날개 표비가 가볍고 질긴 것이 특징이다,{{[그림 1] View of Christen eagle.도프와 천으로 이루어진 비행기의 강도와 그 간결성은 여러 시대를 통해서 건재하였고 오늘날에도 여전히 수작업으로 만들어지는 고전적인 비행기다 공중곡예기들의 프레임으로서 인기가 있다. 도프와 천으로 만들어진 비행기의 부드러운 선들과 세심한 손길은 스틴선(stinson), 비취 스테거윙(beech staggerwing), 크리슨 이글(christen eagle)과 같이 전세계적으로 여름에어쇼에 참가하는 도프 비행기들을 통해서 느낄 수 있다.(그림 1) DC-3와 같은 2차 세계대전 중에 쓰인 전투기들과 초기 비행기들에서도 도프와 천으로 된 복합재료들이 엘리베이터(elevators)나 러더(rudders), 에일러곤(ailerons) 등의 조정면에 계속 사용되었다, 복합재료 기술은 부르티산염 도프와 우리섬유, 폴리에스테르 수지의 도입과 함께 발전하였다. 1940년대와 1950년대에 폴리에스테르 수지를 침투시킨 유리섬유천은 페어링(fairings), 레이돔(radome), 그리고 비구조(nonstructural) 재료로 사용되었다. 1950년대에 에폭시 수지가 소개되면서 유리섬유 강화재와 함께 매. 한국의 경우 한국항공우주연구소와 삼성항공(현 한국항공)의 합작으로 기골을 모두 복합재료로 만든 8인승 쌍발기의 시험비행을 실시한 바 있다. 그림 2는 복합재로 만들어진 8인승기의 기골사진이다.{[그림 2] 복합재 8인승 항공기복합재료 부품들을 사용하는 업체들이 늘어날수록 이를 생산하고 검사하고 유지할 수 있는 항공기술자들도 점점 더 많이 필요하게 되었다. 첨단 복합재료들은 제조기술의 발달과 더불어 기존에 있거나 최근에 나온 재료들과 조합되어 고강도이면서 가벼운 항공기 부품을 만드는 정도까지 발전해 왔다. 이러한 부품들은 섬유강화 플라스틱(fiber reinforced plastic) 혹은 FRP 라고 불린다. 플라스틱(이것은 실제 기지재료임)이 충격을 받으면 많은 조각으로 부숴지는 값 싼 작은 장난감과 연결되어 좋지 않은 연상을 하게 한다 이러한 이유 때문에 복합재료 또는 첨단 복합재료라는 말이 대중적으로 사용된다.첨단 복합재료에 대한 일반적인 오류는 과거에 사용되던 유리섬유로 만들어져 수년간 생산되었다. 새로운 첨단 복합재료들은 더욱 강한 강화천과 수지재료들을 사용하여 과거 유리섬유 복합재료처럼 수리될 수 없고 그런 방법으로는 최대의 강도를 되살릴 수도 없다. 첨단 복합재료를 유리섬유에 사용되던 수리방법과 재료들로 수리하면 감항성이 없는(unairworthy) 수리가 될것이다. 그러한 전통적인 수리방법은 과도한 무게 증가를 가져오고, 재료의 피로 민감성을 증가시키고, 유연성을 감소시킨다.강도와 응력을 견디는 적응성(adaptability)으로 인해서 첨단 복합재료들은 구조재료로 사용되고 있다. 이러한 복합재료들은 수리시에 각각의 절차에 따라야 하는데 그 이유는 수리된 부품이 반드시 그 부품의 완전함을 되살려야 하기 때문이다. 여분의 수지재료를 첨가했다고해서 여분의 무게가 발생되어서는 안된다. 강화천의 형태 즉, 강화천 패치를 짜고 위치시키는작업은 수리부위에 가해지는 스트레스를 분산시켜야 하므로 매우 중요하다. 다시 한번 강조하지만, 여러분들이 작업하는 복과 패스너(fastener)들의 수는 복합재료의 사용으로 감소되는데 이는 항공기 건설을 용이하게 하고 가격을 낮추어 준다. 어떤 경우에는 초대형의 구조물이 리벳과 이음매(seam)없이 일체형으로 제작될 수 있다.복합재료들은 가격면에서 점점 효율적으로 되어가고 생산기술도 점점 완숙한 단계로 접어들고 있다. 복합재료를 매우 유연하고 진동에 견디도록 셜계하여 금속 구조물에서 발생하는 응력 피로 현상을 제거할 수 있다. 복합재료들은 금속재료처럼 부식되지 않는다. 그러나 복합재료들은 뒷장에서 논의될 자체적인 문제점들이 있다. 많은 사람들이 복합재료는 파괴되지 않는 것처럼 말한다. 만일 이것이 사실이라면 복합재료는 결코 깨지거나 파괴되지 않을 것이므로 복합재료의 수리 부분은 저술되지 말았어야 할 것이다. 마모의 감소는 복합재료를 사용하는 또 다른 이점이다. 복합재료는 비행 중에도 유연성을 유지하므로 금속처럼 응력 크랙을 잘 발생시키지 않는다. 예를 들어 헬리콥터의 로터 블레이드(rotor blades)는 비행 중에 다양한 응력을 받게 된다. 이 경우 복합재료가 사용되면 마모가 감소되는데 그 이유는 섬유가 휘어짐과 뒤틀리는 힘들을 감당하여 금속에서 발생하는 피로등의 현상을 없애주기 때문이다. 복합재료에 대해 쓴 많은 논물들이 복합재료 부품들은 금속부품들보다 수배 더 강하게 만들어질수 있다고 말하고 있다. 이것은 사실이며 항공기 부품에 관해서는 무게가 또한 매우 중요한 요소이다. 만일 복합재료 부품이 금속부품과 같은 충분한 강도를 가진다면 복합재료 부품은 상당한 무게를 감소시키면서 같은 강도를 낼 수 있다. 만일 여러분이 항공기 외에 다리와 같은 것을 복합재료로 건설한다면 무게가 문제가 되지는않을 것이다. 이때는 복합재료 부품을 금속보다 강하게 만들 수 있다. 복합재료의 강도는 사용되는 강화섬유와 사용되는 기지재료, 그리고 특정 응력을 받도록 설계하느냐 하는 공학적인 요소에 달려있다.간단히 말해서 복합재료는 전통적인 알루미늄 재료보다는 수년을 앞서가고 있으며 이상적인 항공기 4th Edition, John Willey & Sons. Inc., p.511, 1997.이러한 복합재료는 사실 매우 오랜 세월동안 진흙담을 보강하기 위한 짚이나, 도자기의 균열을 방지하기 위한 섬유를 넣거나 오늘날의 콘크리트를 보강하기 위한 철근 등등 알게 모르게 인류에게 가까이 사용되었으나 그 중요성이 대두된 것은 전후 냉전으로 인한 군수산업이 크게 발전하기 시작한 수 십년 전에 불과하다.그림 4에서 볼수 있듯이 항공기의 기본 구조재로서 복합재료의 적용은 현재 급격히 증가하고 있는 추세이며 재료의 요건으로는 경량성, 고강도/고강성, 내피로성/내부식성이 중요시 되며, 최근에는 가격 및 제작기간에 대해서도 중요시 되고 있다. {에폭시(epoxy), 폴리에스터(polyester) 등의 다양한 고분자 화합물에 탄소(carbon), 아라미드 섬유(aramid), 유리(glass), 보론(boron) 섬유 등을 사용특성에 맞게 함침시켜 만든 고분자 복합재료가 가장 많이 항공기의 주 구조물(primary structure)이나 2차 구조물(secondary structure)에 적용되고 있다.(그림 4){) A.K. Dhingra and T.P. Doherty: '93 Int. Conference on Advanced Composite Materials (1993) 29{) D.H. Middleton: Composite Materials in Aircraft Structure, John Wiley Inc., New York (1990) 273궁극적으로는 비행기 동체를 모두 복합재료로 만드는 것을 목표로 이에 관한 연구가 매우 빠르게 진행되고 있는 추세이며, 이러한 우수한 특성을 갖는 복합재료 소재의 제조기술뿐만 아니라 소재로부터 완제품에 이르는 성형 및 제조공정에 대한 기술개발과 설계 및 응용기술의 확충이 현재 시급히 요구되고 있다.{[그림 4] The requirements of materials in aero industry.현재 전세계적으로 군용기나 소형 민항ers.
![[재료공학] 복합재료의 개요](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2004/04/25/data2846602-0001.jpg)
