복합재료 종류와 제작방법 기계시스템공학부 201514277 김태현01 02 03 복합재료의 정의 복합재료의 종류와 특성 복합재료의 제 작방법 Contents 2 / 33복합 재료의 정의 01 3 / 3301 복합재료의 정의 복합재료 (Composite Materials) - 단어의 의미 〮 두 종류 이상의 소재를 복합화한 재료 - 개념적 의미 〮 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후에 물리적 · 화학적으로 각각의 소재가 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 말한다 . 4 / 33복합 재료의 종류와 특성 02 6 / 3302 복합재료의 종류와 특성 복합재료의 분류 복합재료 7 / 33 과립 섬유강화 구조강화 입자강화 분산 단섬유 장섬유 샌 드위치구조 적층구조02 복합재료의 종류와 특성 입자강화 복합재료 8 / 33 〮 과립 복합재료 - 원자나 분자 수준에서 강화가 일어나는 것이 아닌 연속체 역학 관점에서 취급 대략 100 nm 이상의 크기의 입자가 첨가된다 . 예 ) 콘크리트 〮 분산 복합재료 - 원자나 분자 수준에서 강화가 일어남 입자 크기가 대략 100 nm 보다 작은 주로 미세 금속입자를 첨가한 금속합금이다 . 예 ) 알루미늄 분말 소결체 (SAP)02 복합재료의 종류와 특성 섬유강화 복합재료 9 / 33 Year FRP GFRP BFRP CFRP KFRP SFRP AFRP FRM BFRM SFRM AFRM 1940 1950 1960 1970 1980 1990 1 st age 2 nd age 3 rd age 섬유 : G (glass), B (boron), C (carbon), K ( kevlar ), SiC (silicon carbide), A (aluminum) 기지재 Plastic (P) : Epoxy, Polyester, Phenolic, Polyamide Metal (M) : Aluminum, Magnesium, Copper, Titanium02 복합재료의 종류와 특성 GFRP( 유리섬유강화 플라스틱 ) 10 / 33 높은 강도를 동시에 갖는 재료이다 GFRP 특성 - 내식 , 내알칼리성이 매우 우수하다 . - 비중이 철의 약 1/5 이고 강도는 인장강도가 철의 1/3, 강복점은 철의 약 1/2 로 가볍고 튼튼하다 . - 열 전도율이 철의 약 1/180 로 단열성이 크다 . - 열형율이 낮다 . - 유지 , 보수가 편리하다 . - 반투명하며 여러 가지 색 구현가능하다 .02 복합재료의 종류와 특성 CFRP( 탄소섬유강화 플라스틱 ) 11 / 33 CFRP 는 카본 섬유에서 강화된 플라스틱이라고 하는 의미입니다 . 여러 가지 카본 섬유와 여러 가지열경화 수지와의 복합재료입니다 CFRP 특성 - 비강도가 높다 - 뛰어난 피로 · 크리프 특성을 가진다 . - 내후성 · 내약품성이 뛰어난다 . - 마찰 계수가 낮고 마모 하기 어렵다 . - 열수축 · 열팽창이 거의 없고 , 치수 정밀도가 지극히 높다 . - 진동 흡수성이 좋고 , 제진효과가 높다 .02 복합재료의 종류와 특성 PMCs( 고분자복합재료 ) 12 / 33 - 고분자 복합재료 (Polymer Matrix Composites) 는 가장 일반적인 복합재료로 알려져있다 . FRP 라 알려진 이들 복합재료는 모재로 고분자 플라스틱 수지를 , 보강재로 유리 , 카본 , 아라미드 (Aramid) 등의 다양한 섬유를 사용하고 있다 .02 복합재료의 종류와 특성 MMCs( 금속복합재료 ) 13 / 33 - 금속복합재료 ( Metal Matrix Composites, MMC’s ) 는 모재로서 알루미늄과 같은 금속재를 사용하고 탄화 규소와 같은 섬유로 보강 자동차 산업에서의 사용이 점점 확대되고 있다 . - 금속은 폴리머나 세라믹에 비하여 인성 및 열 · 전기전도성이 우수하나 , 경량성은 폴리머에 , 열적성능은 세라믹에 뒤떨어진다 .02 복합재료의 종류와 특성 MMCs( 금속복합재료 ) 강화제 종류 14 / 33 형 태 종 류 섬유경 (㎛) 밀도 (Mg/㎥) 인장강도 (GPa) 영률 (GPa) 장 섬 유 탄소 7~9 1.8 3~6 20 10~15 3.1~3.3 1.8 170~210 단 섬 유 Al 2 O 3 3 3.4 3 100 Al2O3SiO2 2.8 2.6 1~2 100 위 스 크 SiC 0.1~1 3.2 3~21 400~700 Si 3 N 4 0.1~1.5 3.2 14 380 티탄산칼리움 0.4 3.3 7 280 붕산알루미늄 0.5~1 3 7.8 39202 복합재료의 종류와 특성 CCCs( 탄소 - 탄소복합재료 ) 15 / 33 - CMCs （ Carbon-Carbon Composite) sms 경량 , 고강도 , 고탄성 등의 뛰어난 특성을 갖고 있습니다 . 그 독특한 특징으로부터 전자관련 , 환경에너지 관련 , 일반 공업로 관련 , 자동차 수송 기기 관련 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있습니다 . 특성 - 고강도 , 고탄성 , 고인성재료이다 . - 초내열 재료이다 . - 경량성이 높다 . - 열전도도가 높다 .02 복합재료의 종류와 특성 구조강화 복합재료 16 / 33 〮 적층구조 복합재료 - 적층 구조 복합재료는 기준 방향에 대해 균일하거나 다양한 방향을 가진 2 개 이상의 쌓기로 정의된다 . 적층 구조는 같은 물질로 만들 수도 있고 다른 물질로 만들 수도 있다 . 또한 각각의 서로 다른 두께를 가질 수도 있다 . 적층 순서는 기본적으로 첫 번째 축과 관련하여 섬유 방향에 의해 정의된다 . 〮02 복합재료의 종류와 특성 구조강화 복합재료 17 / 33 〮 샌드위치 구조 복합재료 - 샌드위치 구조는 2 개의 얇고 강도 높은 face sheet 와 비교적 두껍고 가벼운 코어로 구성되어 있으며 이들을 접착하기 위한 접착제 층으로 구성되어 있다 . Face sheet 는 비교적 강성과 강도가 커서 인장 응력과 압축 응력을 잘 버텨주고 core 는 비교적 유연하면서 규칙적으로 배열되어 전단 응력에 저항한다 . 〮복합 재료의 제 작 방법 03 18 / 3303 복합재료의 제작 방법 SMC ( Sheet molding compound) 19 / 33 - SMC 는 높은 기계적 강도가 필요한 대형 60% 사이 , 유리 섬유의 길이는 1/2 인치에서 1 인치 (25mm ) 정도이다 .03 복합재료의 제작 방법 BMC ( Bulk molding compound) 20 / 33 - BMC 는 다양한 불활성 필러 , 섬유 보강 , 촉매 , 안정제 및 색소가 혼합된 열경화성 플라스틱 수지 혼합물이다 . -BMC 는 유리 보강은 10% 에서 30% 사이고 , 유리 길이는 일반적으로 1/3 인치에서 1/2 인치 (12.5mm) 사이다 . 〮03 복합재료의 제작 방법 Prepreg 과정 21 / 33 〮 Prepreg 는 pre-impregnated material ( 미리 함침된 재료 ) 의 약어로서 강화섬유 (reinforcement fabric) 에 미리 수지를 함침시킨 것이다 . - 수지와 섬유의 혼합 비율 조절 및 품질관리 용이 - 열 경화성 및 열 가소성 수지 모두 사용 가능 - 열 경화성 수지 프리프레그는 상온 보관 - 열 가소성 수지 프리프레그는 저온 보관03 복합재료의 제작 방법 Hand Lay-up 22 / 33 - 가장 간단하고 오래된 방법으로 여러 섬유층을 수지와 함께 손으로 적층 및 함침하여 원하는 형태로 제작 가공하는 방법이다 . - 설비투자와 공구비용이 적게 들면서도 , 크고 복잡한 형태의 물건을 다양하게 만들 수 있는 장점이 있다 . - 소량생산 방식으로 반숙련공이상의 작업자가 필요하며 , 균일한 품질안정을 이루기 힘들다 .03 복합재료의 제작 방법 Spray-up 23 / 33 - 스프레이 건에서 원사를 컷팅하고 레진을 금형에 분사하여 성형하는 공법이다 . - 핸드레이업보다 빠르게 제품을 성형할 수 있는 특징은 있으나 원사가 컷팅되어 성형시키는 공법이어서 제품의 물성이 낮아지는 것이 단점이다 . - 균일한 품질안정을 이루기 힘들다 .03 복합재료의 제작 방법 Vacuum Bag Molding 24 / 33 1. 이형제를 바른 몰드위에 수지를 함침한 재료를 넣고 인퓨전과 마찬가지로 필 플라이 , 이형필름 , 브리더 등을 적층한다 . 2.용 수지에 맞는 시간동안 경화를 시킨 후 탈형을 한다 .03 복합재료의 제작 방법 Vacuum Bag Molding 25 / 33 강화재는 스트랜드 매트나 직조 로빙을 사용합니다 . 레진과 강화재를 조절할 수 있습니다 . - 수작업으로 발생될 수 있는 기포와 수지의 과잉 사용을 방지할 수 있습니다 . - 진공 보강 방법은 수지 함침율을 높여 적층물 사이의 접착력을 높여줍니다 . - 라미네이팅에 효과적입니다03 복합재료의 제작 방법 Compression Molding 26 / 3303 복합재료의 제작 방법 Filament Winding 27 / 33 - 레진에 함침된 원사는 가이드를 따라 움직이고 , 제품이 회전을 함에 따라 제품 표면에 원사를 감아서 성형하는 공법입니다03 복합재료의 제작 방법 Filament Winding 28 / 33 - 반 자동화된 설비로 생산을 하기 때문에 제품 생산량이 높고 제품 단가도 낮다 . - 다양한 형태의 제품 생산이 어렵다 . - 와인딩 장력 , 와인딩 각도 , 섬유 종류에 따른 물성 설계03 복합재료의 제작 방법 Resin Transfer Molding (RTM) 29 / 33 표면이 넓고 복잡한 형상 제품 제작가능하다 . 촉매의 선택에 따라 상온 경화도 가능하다 . 치수 편차가 커서 성형 후에 다듬질 필요하다 . 대량 생산에 불리하다 .03 복합재료의 제작 방법 Reaction Injection Molding (RIM) 30 / 33 - 서로 반응하여 고분자를 부여하는 두 가지 성분을 가압하 여 서 혼합하고 금형에 사출하여 단시간에 중합시켜 성형하는 방법. - 원료의 유동성이 높으므로 복잡한 형식의 성형에 적합하다. - 낮은 온도 , 낮은 압력에서 성형03 복합재료의 제작 방법 Pultrusion 31 / 3303 복합재료의 제작 방법 Pultrusion 32 / 33 - 원사를 레진에 함침시킨 후 당겨서 성형하는 공법 - 균일한 단면을 가진 제품을 연속적으로 생산할 수있다 . 대량생산에 유리하다 . 불규칙한 단면의 제품을ow}
