복합재료에 사용되는 섬유의 종류

복합재료의 구조적 성질은 주로 섬유보강에 의해 결정된다. 복합 재료에서 매트릭스 수지에 의해 고정된 섬유는 인장 강도를 향상시켜 강도 및 강성과 같은 최종 부품의 특성을 향상시키는 동시에 무게를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

섬유의 물성은 섬유제조과정과 그 과정에서 사용되는 성분 및 코팅약품에 따라 결정됩니다.

유리섬유

복합재료 산업에 사용되는 대부분의 섬유는 유리섬유이다. 유리 섬유는 가장 오래되고 가장 일반적인 강화 재료로 대부분의 최종 시장 응용 분야(항공 우주 산업은 중요한 예외임)에서 더 무거운 금속 부품을 대체하는 데 사용됩니다.

유리 섬유는 다음으로 가장 많이 사용되는 강화 재료인 탄소 섬유보다 무겁습니다. 탄소 섬유는 그다지 단단하지 않지만 충격에 더 강하고 파단 시 신장률이 더 높습니다(즉, 파단되기 전에 더 많이 늘어납니다). 유리 섬유 유형, 필라멘트 직경, 코팅 화학 조성("사이징"이라고 함) 및 섬유 형태에 따라 다양한 특성과 성능 수준을 달성할 수 있습니다.

유리섬유를 만들기 위해서는 원료를 녹여 직경 3.5~24미크론의 가늘고 고도로 분쇄된 필라멘트로 만듭니다. 규사는 주요 원료로, 일반적으로 유리섬유 중량의 50% 이상을 차지합니다. 금속 산화물 및 기타 성분을 실리카에 첨가할 수 있으며 가공 방법을 변경하여 특정 용도에 맞게 섬유를 맞춤화할 수 있습니다.

연속 유리섬유는 로빙이라는 묶음으로 공급됩니다. 로빙은 일반적으로 큰 실패에 실처럼 감겨 있는 꼬이지 않은 실 묶음입니다. 단일 말단 로빙은 스트랜드의 길이를 따라 연장되는 여러 개의 연속 유리 섬유 스트랜드로 구성됩니다. 다중 로빙에는 와인딩 중에 엇갈린 배열로 추가되거나 떨어지는 더 길지만 완전히 연속적이지는 않은 스트랜드가 포함되어 있습니다. 실은 함께 꼬인 실의 그룹입니다.

전기 유리 섬유 또는 E-유리 섬유는 화학 성분으로 인해 탁월한 전기 절연체로 사용되며 특히 항공기 레이돔, 안테나 및 인쇄 회로 기판과 같이 무선 신호 투명성이 필요한 응용 분야에 적합하기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 그러나 복합재료용 유리섬유 중 가장 경제적인 유리섬유이기도 하며 상대적으로 저렴한 비용으로 충분한 강도를 제공하여 많은 응용 분야의 성능 요구 사항을 충족합니다. 이는 전체 유리섬유 강화재의 90% 이상을 차지하는 유리섬유의 표준 형태가 되었습니다. E-유리 섬유의 최소 50%는 산화규소로 구성됩니다. 허용량에는 알루미늄, 붕소, 칼슘의 산화물 및/또는 석회석, 형석, 붕산 및 점토를 포함한 기타 화합물이 포함됩니다.

더 큰 강도가 필요할 경우 1960년대 군용으로 처음 개발된 고강도 유리 섬유를 선택할 수 있습니다. 미국에서는 S 유리 섬유, 유럽에서는 R 유리 섬유, 일본에서는 T glass.2 등 여러 이름이 있습니다. 유리 섬유의 스트랜드 인장 강도는 약 700ksi, 인장 계수는 최대 14Msi입니다. S-유리섬유의 산화규소, 알루미나 및 산화마그네슘의 함량은 E-유리섬유에 비해 현저히 높으며, E-유리섬유에 비해 40~70% 더 강하다.

온도가 주변 온도에서 540°C로 증가하면 E-유리 섬유와 S-유리 섬유의 인장 강도는 절반으로 감소하지만 두 섬유 모두 이 높은 온도 범위에서 여전히 우수한 강도를 나타냅니다. 제조업체는 S 유리 섬유의 공식을 지속적으로 조정합니다. 예를 들어, AGY Holding Corp.(미국 SC, Aiken)은 몇 년 전에 S-3 UHM(Ultra High Modulus) 유리 섬유를 출시했습니다. 업그레이드된 S-3 유리섬유는 향상된 섬유 제조와 독점적 첨가제 및 용융 화학 덕분에 S-유리 섬유유리보다 높고 E-유리보다 40% 더 높은 14,359의 인장 탄성률을 갖습니다.

유리섬유는 상대적으로 내화학성이 높지만 물에 노출되면 침출되어 침식됩니다. 예를 들어, 직경이 10μs인 E-유리 필라멘트를 뜨거운 물에 24시간 동안 방치하면 일반적으로 무게의 0.7%가 손실됩니다. 그러나 침출된 유리 섬유가 필라멘트 외부에 보호 장벽을 형성하기 때문에 침식 속도가 크게 느려집니다. 7일 노출 후 전체 체중 감소는 0.9%에 불과했습니다. 침식을 늦추기 위해 섬유 제조 공정에 실란 화합물과 같은 내습성 접착제를 사용합니다.

C 유리 섬유 또는 E-CR 유리 섬유로 알려진 내식성 유리 섬유는 E 유리 섬유보다 산성 용액에 대한 내성이 더 높습니다. 그러나 E-유리 섬유와 S-유리 섬유는 C-유리 섬유보다 탄산나트륨 용액(알칼리)에 대한 내성이 더 높습니다. 무붕소 유리 섬유는 성능과 가격면에서 e-유리와 비슷하며 산성 환경에서 더 높은 내식성(E-CR 유리 섬유와 유사), 더 높은 탄성 계수 및 더 나은 고온 성능을 나타냅니다. 또한, 제조 과정에서 붕소를 제거하면 환경에 미치는 영향이 적어 결정적인 장점이 됩니다.

탄소섬유

탄소 섬유는 고성능 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 섬유이며 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온, 아스팔트 및 리그닌이나 바이오 기반 PAN과 같은 탄소가 풍부한 바이오 기반 전구체를 포함한 다양한 전구체로부터 생산됩니다. . 전구체 섬유를 화학적으로 처리하고 가열하고 연신한 후 탄화시켜 고강도 섬유를 형성합니다. 시장에 출시된 최초의 고성능 탄소 섬유는 레이온 전구체로 만들어졌습니다. 팬 기반 탄소 섬유는 오랫동안 구조적 응용 분야에서 레이온을 대체해 왔지만 레이온의 "도그본(dogbone)" 단면과 고온 특성으로 인해 열 차폐재에서 탄소/탄소(C/C) 복합재를 제거하는 데 종종 선택되는 섬유가 되었습니다. 팬 기반 탄소 섬유는 가장 널리 사용되는 탄소 섬유입니다. 뛰어난 강도(1000 KLB/sq. 인치)와 높은 강성을 포함하여 다양한 놀라운 특성을 제공합니다. 아스팔트 섬유는 석유 또는 석탄 역청으로 만들어지며 강성이 높거나 매우 높으며 축방향 열팽창(CTE-열팽창)이 낮거나 음입니다. CTE 특성은 전자 기기 하우징과 같이 열 관리가 필요한 우주선 응용 분야에 특히 유용합니다.

탄소섬유는 유리나 아라미드 섬유보다 강하지만 전기 전도성으로 인해 충격 저항성이 낮을 뿐만 아니라 접촉하는 금속에 갈바닉 부식을 일으킬 수 있습니다. 제조업체는 라미네이트 적층 과정에서 차단재나 베일층(보통 유리섬유/에폭시)을 사용하여 후자의 문제를 극복합니다.

고성능 탄소섬유의 기본 섬유 형태는 토우(tow)라 불리는 연속적인 섬유다발이다. 탄소 섬유 다발은 수천 개의 연속적이고 꼬이지 않은 필라멘트로 구성됩니다. 필라멘트 수는 숫자 뒤에 "K"가 붙는데, 이는 1000을 곱한 것을 의미합니다(예를 들어 12K는 필라멘트 수가 12000임을 의미합니다). 토우는 섬유 권취 또는 인발 성형과 같은 공정에 직접 사용될 수 있거나 단방향 테이프, 직물 및 기타 향상된 형태로 변환될 수 있습니다.

사출성형

사출성형이라고도 하며, 탄소섬유 강화 나일론, 폴리카보네이트 등의 열가소성 수지 원료(펠렛)를 가열·용해하여 금형의 캐비티(갭)에 사출하는 것을 말합니다. 짧은 사이클, 복잡한 형상의 성형에 적합한 성형방법입니다.