복합재료 두가지이상의재료를물리적으로결합시켜단일재료가가지지못하는성질을가지도록만든재료 스포츠용품 복합재료의사용이가장활발한분야 가볍고강하고질긴특성을요구 다양한스포츠의개발이가능하여졌다. 1
복합재료의구성 기지재료 강화재료를둘러싸고있는재료 고분자 : 에폭시, 열경화성폴리에스테르 금속 : 알루미늄, 구리 강화재료 섬유, 판, 입자의형태로기지재료에묻혀있으면서응력을주로받아내는역할을하는재료 유리섬유, 탄소섬유, 텅스텐입자, 실리콘카바이드단섬유등 적절한성질을만들어낼수있는장점 2
복합재료의역사 비강도 (specific strength: 단위중량당강도 ) 혹은강성을증가시키기위해개발 움막을짓는데볏짚과진흙을섞은벽돌 층상구조를가지는활 동물의힘줄, 비단등 1930-40 년대유리섬유강화플라스틱이현대복합재료의시작 이후빠른속도로수많은복합재료가개발되었음 스포츠용품, 군사적목적에다양하게응용 3
복합재료의분류 강화재료의기하학적형상에따른분류 이방성복합재료 일방향섬유강화복합재료 : 모든섬유가한방향으로배열되어있는상태 대부분복합재료가이방성이다. 등방성복합재료 모든방향으로동일한성질을가지는복합재료 콘크리트 : 대표적등방성복합재료 4
항공산업의복합재료 5
비강도와비강성도 비강도 = 강도 / 중량 이곳에가까운재료가우수한재료임 복합재료는비강도와비강성도변화폭이넓음 비강성도가증가하면서동시에비강도가증가함 단일금속재료는강성도변화가없음 비강성도 = 탄성계수 / 중량 6
기지재료내의섬유에걸리는응력 무응력상태 섬유와의접착력으로변형이방해됨 섬유에걸리는응력 섬유가응력을대부분받아내도록함 전체적으로변형이억제되는효과 7
강화섬유에의한강화 기지재료에묻혀있는강화섬유 기지재료에의해전달된응력이섬유에전달 중앙부는순수인장응력이걸림 말단부는전단응력이걸림 최적의강화효과는복합재료전체에걸리는수직응력보다섬유에걸리 는응력이월등히높도록하기위해섬유의길이가길어야한다. 단섬유의경우최소길이가보장되어야한다. 임계형상비 (critical aspect ratio): 20 ~ 150 정도 lc d 2 fu my 섬유의인장강도 기지재의전단항복강도 8
섬유재료의특성 섬유는취성파괴를일으키는결함을보유할확률이낮다. 최성재료의강도는최대결함크기의제곱근에반비례 탄소섬유의강도는지름에반비례한다. 길이방향으로원자결합을배열함으로써강도가더욱높아진다. 작은지름은섬유에유연성을제공 : 섬유의굽힘강성은지름의네제곱에비례 섬유는탄성계수, 강도, 유연성모두증가 9
섬유재료의최대직경 교과서 741 쪽의예제 14.3-1 E = 3 GPa 이고지름 25 mm 인유연한나일론섬유는쉽게실패에감을수있다. 단면이둥근다른섬유들이동일한유연성을갖기위해서는지름이얼마이어야하는가? a. 탄화규소 (SiC) b. 피치계탄소섬유 (Pitch-based C fiber) c. 케블라 (Kevlar-49) d. 보론섬유 원형단면의굽힘강성 : EI ( I d / 64) 4 유연성은굽힘강성에반비례하므로동일한유연성이라함은굽힘강성이동일함 EI(Nylon) 3GPa (25μm) / 64 4 EI (SiC) 430GPa d / 64 4 1/4 d(sic) (3/ 430) (25μm) 7.2μm 1/4 d(p-based C) (3/140) (25μm) 9.5μm 1/4 d(kevlar-49) (3/131) (25μm) 9.7μm 1/4 d(boron) (3/ 400) (25μm) 7.3μm 10
다양한섬유재료 유리섬유 가장널리사용되는복합재료강화재 다양한산화물유리로제조 보론섬유 알루미늄강화재로사용 보론은취성재이므로텅스텐필라멘트나탄소로코팅한유리섬유에화학증착하여제조 표면에탄화규소층을코팅하여압축잔류응력을형성하여파괴강도를향상시킨다. 11
보론섬유의단면 압축응력 인장응력 12
탄소섬유 심하게찌그러지고결함이많은흑연구조 섬유의축이기저면에평행하도록만들어져강력한공유결합방향과일치 종방향탄성계수가 1,000 GPa 에이른다. 예비체 (precursor) 라고불리는섬유를탄화시켜제조 폴리아크릴로니이트릴 (PAN) 을열분해하여제조 피치 ( 석유를정제하고남은재료 ; 아스팔트피치, 코울타르피치 ) 로부터도제조가능 13
고분자강화섬유 나일론과폴리에스터 최초의고분자강화섬유 타이어, 벨트, 호스등에사용 케블라 (kevlar), 스펙트라 배열이더잘되어있다. 강도와탄성계수가현저히증가 아라미드 (aramid) 액정용액에서제조 분자의배열이극히잘되어있어높은탄성계수와강도를보인다. 14
세라믹스와금속섬유 세라믹스섬유 알루미나섬유, 탄화규소섬유, 탄화규소휘스커, 탄화규소입자 세라믹스섬유의특징도탄소섬유와같이제조방법에따라많이달라진다. 세라믹스는취성이높아될수있는대로가는섬유로제작하는것이중요하다. 금속섬유 베릴륨, 강철, 텅스텐등이있다. 강도가일정하고재현성이높다. 15
대표적인섬유특성 16
기지재료의특성 고분자, 금속, 세라믹스기지재료가있다. 섬유에측면지지력을제공하고하중을전달하는역할 복합재료에서인성의주제공요소이다. 단, 세라믹스재료는인성을제공하기어렵다. 17
대표적기지재특성 18
계면의역할 복합재료의특성결정에매우중요 가는섬유는표면적이넓고복합재료에서계면이차지하는부분이매우커진다. 열팽창으로인한응력을최소화하기위해섬유와비슷한열팽창계수를가지는것이좋다. 산소나수분의확산경로가되기도한다. 계면강도가높을수록좋다. 기지재료의섬유에대한젖음성이좋아야한다. 화학적결합은높은계면강도를만든다. 계면활성제나코팅을통해계면강도를높인다. 19
섬유의배열 섬유가배열한방향과수직인방향은서로다른기계적성질을보인다. 직교이방성 (orthogonal property) 적층복합재료 (laminate composites) 섬유배열방향이서로다른판을쌓아서원하는방향으로의성질을만들어낼수있다. 직물구조 천을짜듯섬유를직조하여구성 2차원적구조로서 2방향에서강한특성 20
복합재료의섬유배열 적층복합재료 평직 5 간수자직 직물구조 21
집합체복합재료 섬유와달리강화재의치수가모든방향으로거의같을때 대표적으로콘크리트 ( 집합체의부피분율이 0.6-0.75) 큰것과작은것을혼합하여부피분율을높인다. 집합체의강화기구 집합체의고유강도가기지재보다높다. 높은부피분율의불규칙한형상으로기계적인잠금상태를만든다. 아스팔트 : 90% 가집합체이고 10% 타르 22
입자강화복합재료 강도가높은입자를기지재료에넣어제조 SiC 나 Al 2 O 3 입자를알루미늄에넣는다. 강화상의부피분율이콘크리트에비해매우낮다. 일반적으로 0.15 정도 강화재의형상비는대략 1.0 정도 기본적으로등방성이다. 강화기구 제조과정에서냉각하는동안다른열팽창계수로인하여높은전위밀도를형성 23
실용적인복합재료 금속기지복합재료 고온에서사용가능, 횡방향특성이우수, 압축강도와전단강도가우수 섬유재료 : 세라믹스재료 ( 보론섬유, SiC 등 ) 고분자기지복합재료 대표적인복합재료산업의견인차 낮은가격에우수한성질, 매우폭넓은적용경험 섬유재료 : 글라스파이버, 탄소섬유등폭넓은선택가능 세라믹기지복합재료 강화콘크리트형태로오랜동안사용 ( 낮은인장강도가약점 ) 섬유재료 : SiC, 탄소섬유 탄소 - 탄소복합재료 기지와섬유모두탄소로구성 고온특성이매우우수 24
세라믹스기지복합재료강화 취성이높은세라믹스에섬유가도입됨으로써강인화됨 기지에균열발생 반대편기지에균열전파 기지균열과다른위치에섬유균열발생 섬유가뽑힘으로써에너지소모 25
복합재료의특성 섬유와기지의분율 V f + V m = 1 단면사진으로평가 복합재료의밀도 혼합법칙을이용하여계산 V V c f f m m 열팽창계수 V V c f f m m 26
힘의작용방향에따른조건 등변형도 (isostrain) 조건 등응력 (isostress) 조건 27
등변형도조건의탄성계수와강도 F c F m F f 복합재료에걸리는힘이두갈래로나누어진다. F c =F m +F f F= σa A A A c c m m f f A A m f c m f Ac Ac F c 연속섬유복합재료에서는섬유의단면적분율이부피분율과동일함 섬유와기지재료의계면이완전하게접합되어있다고가정하면계면간미끄러짐이없으므로 V V c m m f f c m f c m f Vm V f c m f 종방향 ( 등변형도 ) 탄성계수 E E V E V cl m m f f 28
등응력조건의탄성계수와강도 F c = F m = F f 복합재료에발생하는변형도가두갈래로나뉜다. V V c m m f f F c F c 응력은동일하다. c m f 두식을이용하면 c m f Vm V f c m f 횡방향 ( 등응력 ) 탄성계수 V V E E E 1 m f ct m f 29
섬유방향에따른탄성계수변화 만약, 섬유방향이힘의방향에대해평향하거나수직하지않은경우 30
복합재료의파괴거동 파괴는가장취성이높은상의균열에서시작한다. 31
복합재료의파괴단계 단계적으로층내균열, 층간분리, 섬유피로순으로진전 층내균열 층간분리 섬유피로및파단 32
복합재료의피로특성 균열과국부적인파단이발달한후최종적으로급격하게파괴됨 33
열피로특성 열팽창계수가서로다른섬유재료와기지재료가복합재료를구성하였을때가열과냉각이반복되면열응력이발생하고이로인하여피로현상이발생 섬유주변의균열 34
다음내용 재료와환경 액상-고상반응 기체에의한열화 마찰과마모 방사선손상 35