( 복합재료 ) 오늘날의재료 ~ 다양한특성의재료를요구함 ( 예 ) 우주항공재료 ~ 강도, 강성도높고밀도낮고충격강도강해야함 - 문제점 : 강하고강성도높은재료는밀도높으며연성이나쁨밀도낮고연성이좋은재료는약하고강성도낮음 -해결책: 둘이상의재료로장점을조합 Coposite ( 복합재료 ) Matrix ( 기질, 매트릭스 ) Dispersed phase ( 분산상 )
Fig. 15.0 스키의단면.
Fig. 15.1 복합재료의성질에영향미치는분산상입자의기하학적, 공 간적특징 : (a) 함량 (concentration), (b) 크기 (size), (c) 형상 (shape), (d) 분포 (distribution), (e) 배향 (orientation).
Fig. 15.2 복합재료의분류.
Particle-Reinorced Coposites ( 입자강화복합재료 ) Large-particle coposites Dispersion-strengthened coposites Large-Particle Coposites ( 과립복합재료 ) ~ 원자나분자수준에서강화가일어나는것이아님 Continuu echanics ( 연속체역학 ) 관점에서취급 Large particle ~ 대략 100 n 이상의크기
복합재료의 elastic odulus, c : ( u) = V + c p V p (upper bound) c ( l) = V p p + V p (lower bound) : elastic odulus, V: volue raction c: coposite, : atrix, p: particle Rule o ixtures ( 혼합법칙 )
Fig. 15.3 vs. vol % or W particles in Cu atrix ( 측정값은상한값, 하한값사이에위치하고있음 ). p p c V V u + = ) ( p p p c V V l + = ) (
(xaples) - Spheroidite steel atrix: errite (α) (ductile) 60 µ particles: ceentite (Fe C) 3 (brittle) (Fig. 11.19) - WC/Co ceented carbide atrix: cobalt (ductile, tough) : 600 µ particles: WC (brittle, hard) (Fig. 15.4) - Autoobile tire rubber atrix: rubber (copliant) 0.75 µ particles: carbon black (sti) (Fig. 15.5)
Dispersion-Strengthened Coposites ( 분산강화복합재료 ) ~ 원자나분자수준에서강화가일어남입자크기가대략 100 n보다작음주로미세금속입자를첨가한금속합금 ( 예 ) Thoria-dispersed nickel (TD nickel): Thoria (ThO 2 ) 미세입자를 3% 분산시킨 Ni 합금 고온강도 Sintered aluinu powder (SAP): Aluina (Al 2 O 3 ) 를코팅한미세 Al 분말을소결한재료 이것을 Al atrix 내에분산시키면강도
Fiber-Reinorced Coposites ( 섬유강화복합재료 ) Inluence o Fiber Length ( 섬유길이의영향 ) ~ 복합재료의 strength & stiness 증가위해선 critical iber length l c 이상이되어야함 이길이이하에선결합이섬유의끝에서끝나충분한하중전달을하지못함 l c * σ d = 2τ c Continuous ibers (or long ibers): d: iber diaeter, : iber ultiate strength : shear strength o iber-atrix interace τ c Discontinuous ibers (or short ibers): σ * l > 15l c l < 15l c
Fig. 15.7 복합재료에서섬유의 길이에따른응력분포 : (a) l = l c, (b) l > l c, (c) l < l c.
Inluence o Fiber Orientation & Concentration ( 섬유배향및농도의영향 ) Fig. 15.8 섬유강화복합재료의배향 : (a) 정렬된장섬유, (b) 정렬된단섬유, (c) 임의배향단섬유.
Continuous and Aligned Fiber Coposites 탄성변형 소성변형 Fig. 15.9 (a) brittle iber 와 ductile atrix 재료의응력 - 변형률거동, (b) 복합재료에서섬유정렬방향으로응력을가한경우.
lastic Behavior-Longitudinal Loading ( 탄성거동 - 길이방향하중 ) Isostrain condition : ( 등변형률 ) ε = ε = ε c F = F + c F ( 식유도 ) F = σ A σ = ε V + V =1 = (1 V ) + cl V 복합재료의길이방향인장탄성률
x. 15.1) Continuous & aligned glass iber-reinorced coposite 40% glass ibers, = 69 GPa 60% polyester resin, = 3.4 GPa (a) lastic odulus o this coposite in the longitudinal direction? (Ans.) = (1 V ) + cl V = (3.4) (0.6) + (69) (0.4) = 30 GPa
lastic Behavior-Transverse Loading ( 탄성거동 - 폭방향하중 ) Isostress condition : ( 등응력 ) ε = ε V + ε c σ = σ = σ V c ( 식유도 ) ε = σ / V + V = 1 ct = (1 V ) + V 복합재료의폭방향인장탄성률
x. 15.2) Continuous & aligned glass iber-reinorced coposite 40% glass ibers, = 69 GPa 60% polyester resin, = 3.4 GPa (a) lastic odulus o this coposite in the transverse direction? (Ans.) ct = = (1 V = 5.5 GPa ) + V (3.4)(69) (0.6)(69) + (0.4)(3.4)
Longitudinal Tensile Strength ( 길이방향인장강도 ) * cl ' σ = σ ( 1 V ) + σ * V 복합재료의길이방향파단인장강도 극한강도 (ultiate strength) Transverse Tensile Strength ( 폭방향인장강도 ) 폭방향의강도는여러요인에따라다름 ( 경우에따라서는기질강도보다낮음 ) 섬유와기질의성질섬유와기질의결합강도기공의존재 Fig. 15.9 (a)
( 섬유상재료 ) n 수준의직경, 단결정, 고가 다결정 or 비정질, µ 수준의직경 수백 µ 수준의직경, 금속선재료
Polyer-Matrix Coposites (PMC) ( 고분자기질복합재료 ) ~ 고분자수지가기질, 섬유가강화재로구성 가장많이사용제조용이가격저렴 Glass Fiber-Reinorced Polyer (GFRP) Coposites 분산상 : glass iber ( 유리섬유의조성은 Table 13.10 참조 ) 기질 : unsaturated polyester 용도 : 자동차 & 보트 body, plastic pipe, 저장탱크
Carbon Fiber-Reinorced Polyer (CFRP) Coposites 결정질흑연과비정질상이혼재한섬유 (or graphite iber) 탄소섬유의전구물질 (precursor): rayon, PAN, pitch 용도 : 스포츠용품 ( 테니스채, 낚싯대, 골프채 ), 항공기날개 & 부품 Araid Fiber-Reinorced Polyer Coposites Kevlar & Noex aroatic polyaide (glass iber, carbon iber와는달리고분자섬유임 ) Kevlar의화학구조 (Fig. 15.10) 용도 : bullet-proo vest, 스포츠용품, tire cord, issile case, 압력용기, 브레이크의석면대체재, clutch lining, gasket
Fig. 15.10 Aroatic polyaide (Araid) 섬유의한종류인 Kevlar 의화학구조.
Metal-Matrix Coposites (MMC) ( 금속기질복합재료 ) Matrix: ductile etal ( 초합금, Al, Mg, Ti & Cu alloys) Reinorceent: 입자 or iber 형태, 10~60 vol % 첨가 (SiC, B, C, Aluina 입자, 내화금속 ) 용도 : 항공우주분야등특수분야의재료로사용 ( 열저항성, 뒤틀림저항성, 고온산화저항성, 충격강도 )
Ceraic-Matrix Coposites (CMC) ( 세라믹기질복합재료 ) 세라믹재료의장점 : 고온산화및열화저항성우수 단점인취성파괴특성을향상시키기위해고안됨 Matrix: 세라믹재료 Reinorceent: 세라믹입자, iber or whisker 형상 예 : Al 2 O 3 (aluina) or ZrO 2 (zirconia) atrix 속에안정화된 zirconia 입자분산 Transoration toughening ( 변태강화 ) 를통해균열방지 용도 : 고온프레스, 절삭공구등
Fig. 15.12 Transoration toughening 에대한모식도 : (a) 변태이전의 균열, (b) 응력에의해야기된변태에의한균열억제 (onoclinic ZrO 2 상이 tetragonal ZrO 2 상보다부피가큼 crack 억제 ).
Processing o Fiber-Reinorced Coposites 연속섬유강화 plastic coposite 가공방법 Pultrusion ( 인출성형, 끌어당김성형 ) ~ glass iber, carbon iber, araid iber 를 polyester, epoxy resin 에함침시킨후다이를지나면서경화 Fig. 15.13 Pultrusion 공정에대한모식도.
Prepreg Production Process (Prepreg 제조공정 ) 경화성고분자수지로함침시킨연속섬유강화재 ~ tape 형태로제조, 구조용복합재료로사용, 필요시잘라서가열, 가압하여경화시켜사용, 원하는두께만큼적층으로조절 Fig. 15.14 Prepreg 제조공정에대한 모식도.
Filaent Winding ( 필라멘트감기공정 ) ~ 연속섬유를정해진 pattern 으로감는공정 용도 : 고압파이프, 저장탱크, 압력용기등 Fig. 15.15 다양한 ilaent winding 공정에대한모식도.
Structural Coposites ( 구조용복합재료 ) Lainar Coposites ( 층상복합재료 ) ~ 2차원의 sheet or panel을적층시켜구성예 ) plywood ( 합판 ), ski Fig. 15.16 층상복합재료제조 시의섬유배향층의적층예.
Sandwich Panels ~ 강도높은두개의외부 sheet와강도낮은중간층으로구성 Face aterials: Al 합금, FRP, Ti, steel, plastics Core aterials: 발포고분자, 합성고무, 시멘트, balsa tree, honeycob 구조재 (oil형재료가육각형 cell을형성하여수직으로놓인구조 ) 용도 : 지붕, 바닥, 벽, 비행기동체및날개
Fig. 15.18 Honeycob core sandwich panel 의제조방법모식도.
(Probs.) 15.1, 15.3, 15.8, 15.10, 15.12, 15.15, 15.23 & 15.28.