복합재료 기본 개념 정리(구성, 장단점, 특성)

복합재료

섬유강화 복합재료는 가볍고 성능이 좋아 무게의 영향을 많이 받는 항공우주, 자동차 재료로 많이 적용되고 있습니다. 오늘은 복합재료 뜻, 구성, 섬유, 매트릭스 설명, 특성 등  기본적인 개념 정리를 해보았습니다. 

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복합재료 (Composite Material)

복합재료는 두 종류 이상의 소재를 복합적으로 결합한 재료입니다. 이 복합재료는 물리적, 화학적으로 각각의 소재의 특성을 유지하면서 더 우수한 성능을 내기 때문에 항공 우주 분야에서 다양하게 적용되고 있습니다.

복합재료 구성

복합재료는 일반적으로 분산상(Dispersed Phase)인 강화재(Reinforced Material) 연속상인 기지 재료(Matrix)로 구성됩니다. 복합재료의 단면을 잘라보면 단순하게 아래 그림처럼 강화재에 기지재로 채워져 있는 구성입니다. 

복합재료-구성

강화재료는 복합재의 강도, 강성을 결정하는 주요한 재료입니다. 이런 강화재는 복합재를 만들 때 일정한 성능을 내기 위해 그림의 노란색 부분처럼 여러 곳에 분산되어 있습니다. 이런 강화재를 둘러싸고 있는 기지 재료를 복합재의 Matrix라고 하며 강화재를 보호하고 하중을 강화재로 전달하는 역할을 합니다. 

섬유강화 복합재(Fiber-Reinforced Composit)

섬유강화 복합재료(Fiber-Reinforced Composite)란 분산상이 섬유(Fiber)로 이루어진 것을 말하며 이 섬유는 금속재료보다 비강성, 비강도가 우수하고 섬유의 적층 배열을 자유롭게 변경 가능하다는 장점이 있습니다. 

섬유 종류(Fiber)

이런 섬유강화 복합재료에서 주로 쓰이는 섬유들은 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유가 있습니다. 구조물의 특성에 맞게 섬유를 선택하게 되는데 유리 섬유는 고온, 습기, 부식에 좋으나 표면에 균열이 나게 되면 매우 취약해진다는 단점이 있습니다. 탄소 섬유는 비강도, 비탄성률 및 내열성에 좋고 가볍기 때문에 항공기에 주로 적용됩니다. 아라미드 섬유는 열에 강하고 강한 힘을 가해도 늘어나지 않아 방탄 소재로 사용되며 대표적으로는 미국 듀폰사의 Kevlar 섬유가 있습니다. 세라믹 섬유는 주로 고온 크리프(Creep) 향상 목적으로 사용되며 깨지기 쉽다는 단점이 있습니다. 

기지 재료(Matrix)

복합재료에서 기지 재료는 구조물의 전체적인 형상을 잡아주고 힘, 충격을 받았을 때 섬유로 힘을 전달, 섬유를 보호하는 역할을 합니다. 수지, 에폭시가 대표적으로 사용되며 PEEK(Polyether ether ketone), PPS(Polyphenylene sulfide), PEI(Polyetherimide) 등이 있습니다. 

복합재료 제작

복합재료의 제작은 안정적이고 균일한 성형을 위해 얇은 판의 형태로 가공되며 이 얇은 판을 프리프레그라고 합니다. 섬유가 적층 되는 방향에 따라 한쪽 방향으로만 섬유를 나열하면 일방향(Unidirectional), 여러 방향으로 나열하여 어떤 방향에서도 일정 성능을 내는 섬유를 준등방(Quasi-isotropic), 수직으로만 나열한 섬유를 직교적층(Cross plied)으로 구분합니다.

복합재료 특성 영향 인자

복합재료는 섬유, 기지 재료의 제작, 설계 방법에 따라 강도, 강성과 같은 기계적 성질에 영향을 많이 받아 다양한 부분을 고려하는 것이 중요합니다.

 

먼저, 복합재의 주요 성질을 결정하는 섬유의 종류, 배열, 위치에 따라 복합재의 특성이 달라집니다. 섬유는 길이에 따라 단섬유, 장섬유로 구분되는데 단섬유는 섬유와 기질 사이의 힘이 원활하게 되지 않아 외부 응력에 쉽게 변형되는 단점이 있습니다. 또한 섬유를 어떻게 배열하고 각도를 설정하는 방법에 따라서도 강도 등 기계적 성질이 달라집니다. 추가적으로 기지 재료의 종류, 섬유와 기지재의 함량 비율과 결합 강도도 복합재료 성질에 영향을 주게 됩니다. 정리하면 다음과 같습니다. 

 

1. 섬유 종류, 길이

2. 섬유 배열의 방향

3. 섬유 위치

4. 기지 재료 종류

5. 섬유, 기지 재료의 비율

6. 섬유, 기지 재료의 결합 강도

 

오늘은 복합재료의 기본적인 개념, 구성, 특성, 영향을 주는 인자까지 살펴보았습니다. 이 글이 복합재료의 기본적인 개념을 이해하는 데 도움이 되었으면 좋겠습니다.