정보의장 복합재의충전재및섬유보강재특정비영리활동법인과학기술자포럼야자키후미히코 서론제 3 회플라스틱첨가제기초강좌에서는충전재 및섬유보강재의종류, 형태, 용도등의동향에대해살펴보았다. 이번에는복합재에사용되는충전재및섬유보강재에대해, 그리고복합재의종류와강성, 강도와같은기계적인특성에대해서술하고자한다. 다음회에서는나일론복합재에대해서술하고자한다. 1. 섬유강화복합재의정의및특성복합재료 (Composite Materials) 의정의를정확하게표현하는것은어렵다. 간단하게말하자면 2가지이상의재료가조합되어물리적, 화학적으로서로다른상 (Phase) 을형성하면서보다유효한기능을발현하는재료 이다. 뿐만아니라각각의구성요소나제조요소등이재료특성에큰영향을미치기때문에간단하게정의내리기는어렵다. 예를들면, 불포화폴리에스테르 (UP) 유리섬유강화플라스틱 (GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastic) 은섬유강화복합재료 (FRP:Fiber Reinforced Plastic) 로최초로실용화된 FRP이자현재까지도주로사용된다. 또한, FRP용플라스틱인열경화성플라스틱이선행이후, 뒤이어개발된열가소성플라스틱복합재는매트릭스로열경화성수지가사용되었고, 열가소성플라스틱이매트릭스인경우에는섬유강화열가소성플라스틱 (FRTP:Fiber Reinforced Thermoplastics) 으로명기하여구별하고사용되고있다. 계속되는섬유강화복합재의개량목적은고강성, 고강도, 내열성, 내충격성과같은기계적성능을향상시키고자함이다. 특히, 고강성, 고강도가제일우선시되며이를위해복합재료로탄소섬유와같이보 강효과가큰섬유보강재가많이사용되고있다. 그러나, 가격과성능의밸런스면에서유리섬유가압도적으로많이사용되고, 플라스틱도유리섬유와잘맞는열경화성플라스틱이주로쓰인다. 그러나열경화성플라스틱복합재의경우특성은좋지만제조비용이비싸기때문에열경화성복합재와성능은버금가지만제조비용은비교적낮은열가소성플라스틱복합재의개발이계속진행되고있는실정이다. 그림1은섬유보강재를주축으로복합재료들을나열하였다. 그림1. 복합재료그림에서외곽상단에있는 PMC(Polymermatrix composite) 는모재가고분자이고, 분산상으로적용하는것이섬유 ( 보통유리나탄소또는아라미드 ) 재료이다. 플라스틱복합재로는유리섬유를사용한 GFRP가압도적으로많고, 목재열경화성수지인불포화폴리에스테르 (UP), BMI가주로사용된다. CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 은탄소섬유복합재로서수지로는에폭시가사용되고우 16 DYETEC VISION
주, 항공, 스포츠용용도로활용된다. 예를들어, 최신민간항공기 A380은기체중량의 20%, 보잉사 B787은 50% 이상 CFRP를사용하고있다. GFRTP는유리섬유강화열가소성플라스틱으로서 PP나엔지니어링플라스틱류가많이사용된다. CFRTP는탄소섬유복합재료로 PEEK가사용된다. 열가소성플라스틱복합재는 FRP보다역사가짧지만기술적으로는많이발전하였다. 그림에서는성형법에기초한분류를나타내고있다. ACM(ACM:Advanced Composite Materials) 은첨단복합재료로탄소나금속인 CMC, MMC등을포함하고탄소섬유플라스틱, 플라스틱계나일론등고성능보강섬유를활용한복합재료이다. 플라스틱복합재는가볍고강하다는특성을가진다. 이러한특성을비강도라고표현한다. 그림 2에서는각종재료들의비강도를나타내고있다. 그림을보면, 플라스틱복합재가다른금속들과비교해서우수한소재임을알수있다. 그림2. 각종재료들의비강도 고있다. 표1. 각종섬유들의기계적특성 3. 플라스틱복합재의강성및강도 3.1 일방향섬유강화복합재의강성및강도 3.1.1 섬유방향영률 (E1) 및섬유직각방향영률 (E 2 ) 그림 3(a) 는규칙적으로배열된일방향섬유강화복합재섬유를박판처럼단순화시킨형태를나타낸것으로, 섬유와주재료 ( 플라스틱 ) 간의반복되는부분이있다고가정하고재료역학관점에서보면응력분포와변형정도를간단하게추정하는것이가능하다. 섬유와주재료가하나로작용한다고가정하면, 섬유함유량 ( 체적함유율 V 1 ) 과주재료 ( 체적함유량 V m ) 는 V 1 +V m =1로나타낼수있다. 2. 복합재의강성및강도설계플라스틱도다른재료와비교해서내충격성이나 강성, 강도는충분히견줄만한수준이다. 그러나, 금속이나세라믹과비교하면아직부족하다. 그렇기에계속해서플라스틱의경량과유리섬유와탄소섬유의강도, 양자의특성을가지는형태의복합재가개발되고있다. 실용화되고있는 FRP는유리섬유강화불포화폴리에스테르로현재까지도계속쓰이고있다. 표1에서는강화용섬유들의물성을나타내 정보의장 복합재의충전재및섬유보강재 17
glass/pc에서는섬유의기여도가더욱적다. 특히, 섬유와직각방향인경우에는섬유와주재료사이의계면이일체화되어있다고가정하고있지만대체로두재료간의접착이완전하지않기때문에이러한가정은성립되지않는다. 그림 3. 복합재료의간략도와복합칙의기초단위 (a) 복합재료의간략도 (b) 기초단위 게다가복합재료의기초단위를나타낸그림 3(b) 처럼섬유방향을 x1이라하고섬유의수직방향으로인장하중을 x2라두고, 복합재료의섬유방향영률 (E 1 ) 을생각해보자. 섬유와주재료의뒤틀림이변형정도가동일하다고가정하면, 섬유방향영률 (E 1 ) 은식 (1) 처럼표현된다. 섬유방향영률 : (1) 여기서 Ef는섬유의영률, Em은주재료의영률이다. 식 (1) 에서각구성요소의특성치 ( 영률 ) 들에각각의체적함유율을더해평균량을구하는공식을복합칙이라일컫는다. 이식은섬유와주재료의변형정도가같다고가정하면, 각각의푸아송비 (Poisson s ratio) 가정확하게맞지만, 일반적으로는다르기때문에근사식으로간주한다. 다음으로모식도의복합재섬유와직각방향영률 (E 2 ) 을생각해보자. 복합재료가섬유방향과직각으로부하된경우에는섬유와주재료에같은응력이가해진다고가정하고섬유와직각방향으로의영률은식 (2) 로표현한다. 그림4. 복합재료영률 E 1 및 E 2 의예상결과 (Ef/Em=10인경우 ) 3.1.2 섬유방향인장강도와횡방향강도복합재료의파괴강도는기본적으로는실험을통해구해지나, 주로연구자가파괴모델이나예측식을제안하여구하고있다. 먼저, 그림 3(a) 을보면 Tsai-Hill식을통해파괴예측을하고있지만강도에관해서는 Curtin의제안모델을통해소개하고자한다. 매트릭스안에서섬유가일렬로나열되어매트릭스의하중부담은무시된다고가정하고, 섬유의강도분포가 weibull 분포를따른다고하면섬유방향의파괴강도 (FLt) 는식 (3) 에따른다. 섬유와직각방향인영률 : (2) 그림 3은일방향강화복합재의섬유방향영률 (E 1 ) 과섬유와직각방향영률 (E 2 ) 이 Ef/ Em=10(Eglass/PC=35) 인경우에섬유체적함유율 Vf과 E/Em과의관계를나타내고있다. 즉, E1은직선으로변화하지만 E 2 는곡선으로, 0.6까지는섬유를통해강화되는정도가없는것으로보인다. E 여기서, Vf는섬유용적분율, σc는척도모수, m은 weibull계수, τ은전단응력, L 0 는섬유게이지길이를나타낸다. 횡방향인장강도 (Fτt) 에관해서는아직까지도많은실험치가필요하다. 게다가전단강도 (FLTs) 도섬 18 DYETEC VISION
유-매트릭스계면이복잡한응력상태에있기에간단한모델로는설명하기어렵다. 3.2 단섬유강화이론과복합칙 3.2.1 강도강화 FRTP와같은단섬유를통한강화기구는연속섬유와는달리섬유가불연속성을지니기때문에단순한강화기구로는설명할수없는경우가많다. 단섬유를매트릭스내에한방향으로두고, 같은방향으로응력을가한경우, 섬유내부응력 σf 은섬유길이에따라섬유표면에작용한다. 매트릭스계면의전단응력 τ은섬유길이에따라커진다. Kelly-Tyson은섬유의파괴강도 σf을발생시키는데필요한섬유길이를한계길이 lc로표현하고섬유에작용하는응력과섬유표면에작용하는전단응력이균형을이루는관계에서섬유길이 l의강화효율 μ은식 (5) 를통해구할수있다. l/l c 과효율η간의관계를그림 5에서살펴보자. 그림을보면 l/l c =1에서효율은 50% 이고, l/l c =2~3이되면 75~83% 까지급격히커지고있는양상이다. 그림6. GF(30%)/PC의성형조건과유리섬유장의분포단섬유복합재의강도는이러한내용들을바탕으로식 (6) 과같이복합칙으로표현된다. 여기서 V f 는섬유의체적함유율, σ * m 는섬유의파단변형에따라플라스틱에발생되는응력, θ는배향계수이다. FRTP 강도는섬유의체적분율에의해결정되고섬유의종횡비및매트릭스계면의접착정도가중요한요인이된다. 그림7에서는각종플라스틱들의강도와유리섬유의중량함유율을나타내고있다. 플라스틱에따라파괴강도나파괴양식이다르기때문에일반적인식으로이론화할수없다. 강화섬유의함유율이일정량에다다르면한계점에도달하게되고그이상증가하게되면오히려강도는감소한다. 그림 5. 한계섬유장과효율 성형과정에서절단된 GF 의섬유장은일정분포를가진 다. 이때평균섬유장을 l c 로간주한다. 그림 6 은 GF(30%)/ PC 의성형조건과유리섬유분포를나타내고있다. 그림 7 GRTP 의유리함량과인장강도 정보의장 복합재의충전재및섬유보강재 19
3.2.2 탄성율강화탄성율을구할때에는섬유길이에대한수정계수가사용된복합칙이나섬유방향의분포에대한수정계수가사용된복합칙이사용되고있다. 게다가복합칙과다른형태인 Halpin-Tsai식을확장한식 (7) 은섬유방향의탄성률 (E1) 을나타낸다. 일반적으로충진재의강성과용적분율에서복합칙을통해복합재료의강성이예측된다. 그림 8은무기충진재함량에따른굽힘강성률을나타낸그래프이다. 여기서 Em 은매트릭스탄성률이고, ξ,l/r,η 은식 (8) 에서구할수있다. 일방향섬유재료의복합칙에서는식 (9) 와같이섬 유방향의분포율 η0 가더해져아래와같이표현된다. 그림 8 무기함유량과굽힘강성률 섬유방향의분포는섬유에평행혹은직각일때 η 0은 1혹은 0이다. 평면에서랜덤불규칙적분포로있으면 3/8, 3차원 r불규칙적구조인경우에는 1/5 이다. 섬유의방향과길이, 광범위한분포는사출성형품의품질예측에관계하고있다. 이미실험적인검증이행해지고있다. 3.3 충진재 3.3.1 일반적인거동충진복합재의기계적특성은충진재의성분, 형상, 크기및계면특성등에의해크게좌우되기때문에복합재의특성에미치는영향은복잡하다. 충진재와섬유계의큰차이점은 aspect비가충진재가작다는점이다. 충진재가큰비중을차지하면강성은커지지만강도나인성등의특성을개량하기어렵고, 특히계면접착성이큰영향을끼친다. 3.3.2 충진재의탄성률탄성률에관해서는이론적으로접근하기쉽고실험치와어느정도일치한다. 충진계복합재의강성에관해서는다음회에서아 래의식들을다루고자한다. 1Kerner식 2Halpin-Tsai식 3Pawder-Beecher식 4Nielsen식 Nielsen식은실제로광범위한복합계에서일반적인경향보인다. 특히충진재의형태와폴리머의프아송 (poisson) 비와연관된아인슈타인계수 KE와충진재의충전용적분률 P1이두가지요인을도입한형태요인의복합재의강성에미치는영향을명확하게반영시키려고하는것에주목되고있다. 3.3.3 충진재의강도충진재로복합재료의강도에관한경험식이제안되고있다. 1 Nielsen식 : 충진복합재에서, 충진재와폴리머간의계면접착이없으면응력집중관수를도입해서충진재의용적분률과상대인장강도과의관계를구했다. 2 Leider/Woodhams식 : 계면접착력을충진재의입자파라미터r로고려한식. - 참고문헌 - 1) 야자키후미히코, 공업재료, 59(11), 66(2011) 20 DYETEC VISION
2) D. 하루, 복합재료입문, pp1(1984) 3) 이시카와타카시, 일본복합재료과학회, 입문복합재료의과학, pp1(2012) 4) 후쿠다히로시, 복합재료입문 pp49(1986) 5) 공업편람제 4판, pp521(1994) 6) 이데후미오, 계면제어과복합재설계, pp170(1995) 7) 유이히로시, 폴리머계복합재-기초, 응용, 미래,pp71, 플라스틱엔지니어링 (2005) 8) W. A. Curtin, J. Am. Ceramic Soc., 74, 5329(1991) 9) 정밀학회복합재료의정밀기기응용에관한분과회편, 정밀기기용플라스틱복합재료, 아라이사다오, pp69(1984) 10) A. Kelly, 복합재료 (1971) 11) 마키히로시, 코바야시리키오, 엔지니어링플라스틱, pp11(1983) 12) D. 하루, 복합재료입문, pp87(1984) 13) 유이히로시, 복합플라스틱의재료설계, 제 3판 (1992) 14) E. H. Kerner, Proc, Phys. Soc.,(London), 69-B, 808(1956) 15) J. C. Halpin and J. L. Kardos, J. Appl. Phys., 43, 2235(1972) 16) G. E. Pawder and N. Beecher, Polym. Eng. Sci.10.185(1970) 17) T. B. Lewis and L. E. Nielsen, J. Appl. Polym. Sci., 14, 1449(1970) 18) L. E. Nielsen, Mechanical Properties of polymers and composites2(marcel Dekker. New Yord.1974) 19) L. E. Nielsen,J. Appl. Polym. Sci., 10, 97(1966) 20) F. W. Mzin et. J. Appl. Polym. Sci., 18, 1639(1974) 출처 : 공업재료 6 제공 : 이재호 읽어둡시다 가장효과적인유산소운동 - 빨리걷기요령 1. 숨을헉헉내쉴정도로 Speedy하게걷는다. 2. 15분뒤부터체지방이타들어가므로최소한 20분이상은걸어야한다. 3. 보폭은 80cm 이상으로하고팔은활발하게움직여야한다. 4. 발뒤꿈치부터착지하여발끝으로마무리하면서걷는다. 5. 자세를바르게걷고운동후에는윗몸일으키기등복근운동을해준다. 숙취해소법감을먹으면탄닌이라는성분이들어있어위를보호하는기능을하므로술이빨리깬다. 우유를따뜻하게데워먹어도좋다. 머리가아플땐커피한잔과갈근차 ( 칡차 ) 를마셔도술해독에큰도움이된다. 또한미지근한물에정종 1컵을섞어만든청주목욕이음주피로를빨리풀어준다. 얼큰한해장국은약해진위벽을더자극하는것이므로좋지않고담백하고개운한콩나물국, 조개국, 미역국, 시금치국이숙취해소에효과가크다. 식사를하되저녁은 7시이전에먹도록한다. 정보의장 복합재의충전재및섬유보강재 21