1. 복합재료의 기본 개념

복합재료는 서로 다른 두 종류 이상의 재료를 조합하여, 단일 재료로는 얻기 어려운 기계적·열적·전기적·화학적 특성을 구현한 재료이다.

일반적인 복합재료는 다음 요소로 구성된다.

1. 기지재

2. 보강재

3. 계면 또는 계면층

4. 충전재

5. 첨가제

6. 코팅 또는 표면처리층

기지재는 전체 형상을 유지하고 하중을 보강재로 전달한다.

보강재는 강도, 강성, 내마모성, 내열성 또는 기능성을 높인다.

계면은 기지재와 보강재 사이에서 하중을 전달하며, 복합재료의 실제 성능을 결정하는 핵심 영역이다.

2. 복합재료의 주요 목적

복합재료를 사용하는 주요 목적은 다음과 같다.

• 높은 비강도

• 높은 비강성

• 경량화

• 내식성 향상

• 내마모성 향상

• 피로수명 향상

• 열팽창 제어

• 열전도성 조절

• 전기절연 또는 전기전도성 부여

• 진동감쇠 향상

• 형상 일체화

• 부품 수 감소

• 특정 방향의 강성 설계

• 고온 구조성능 향상

비강도는 강도를 밀도로 나눈 값이며, 비강성은 탄성계수를 밀도로 나눈 값이다.

항공기, 로봇, 자동차, 반도체 장비 및 고속 회전체에서는 단순한 절대강도보다 비강도와 비강성이 중요한 경우가 많다.

3. 복합재료의 기본 구성

3.1 기지재

기지재는 복합재료의 연속상을 형성한다.

주요 역할:

• 제품 형상 유지

• 보강재 위치 고정

• 하중 전달

• 충격과 균열 분산

• 환경으로부터 보강재 보호

• 전단하중 전달

• 표면 형성

• 가공성과 성형성 제공

대표적인 기지재:

고분자기지

• 에폭시

• 불포화 폴리에스터

• 비닐에스터

• 페놀수지

• 폴리아미드

• 폴리프로필렌

• PEEK

• PPS

• PEI

• TPU

금속기지

• 알루미늄

• 마그네슘

• 티타늄

• 구리

• 니켈

• 코발트

세라믹기지

• SiC

• Al₂O₃

• Si₃N₄

• 유리세라믹

• 탄소

• 초고온 세라믹

3.2 보강재

보강재는 복합재료의 강도와 강성을 높이는 핵심 성분이다.

형상에 따른 분류:

• 연속섬유

• 단섬유

• 절단섬유

• 직물

• 편조섬유

• 부직포

• 입자

• 플레이크

• 위스커

• 나노튜브

• 나노입자

대표적인 보강재:

• 유리섬유

• 탄소섬유

• 아라미드섬유

• 현무암섬유

• 초고분자량 폴리에틸렌 섬유

• 탄화규소 섬유

• 알루미나 섬유

• 붕소섬유

• 천연섬유

• SiC 입자

• Al₂O₃ 입자

• 흑연

• 탄소나노튜브

3.3 계면

계면은 기지재와 보강재가 접촉하는 영역이다.

계면의 주요 역할:

• 기지재에서 섬유로 하중 전달

• 균열진전 제어

• 수분침투 방지

• 열팽창 차이에 따른 응력 완화

• 섬유 인발거동 조절

• 피로수명 결정

계면접착이 너무 약하면:

• 하중전달 불량

• 강도 저하

• 층간박리

• 수분침투

• 피로수명 저하

계면접착이 지나치게 강하면:

• 균열이 보강재를 직접 관통

• 충격인성 저하

• 취성파괴 증가

• 에너지흡수 감소

따라서 최적의 계면은 단순히 가장 강한 계면이 아니라, 하중전달과 균열완화가 균형을 이루는 계면이다.

4. 복합재료의 구성비 표현

복합재료의 성분은 질량분율과 체적분율로 표현한다.

4.1 질량분율

질량분율은 전체 질량 중 특정 성분이 차지하는 비율이다.

예:

• 탄소섬유 60 wt.%

• 에폭시수지 40 wt.%

질량기.%

• 에폭시수지 40 wt.%

질량기준은 생산관리와 원재료 배합에 편리하다.

4.2 체적분율

체적분율은 전체 체적 중 보강재가 차지하는 비율이다.

예:

• 탄소섬유 체적분율 60 vol.%

• 수지 체적분율 38 vol.%

• 기공률 2 vol.%

기계적 성질은 체적분율의 영향을 직접 받기 때문에 구조설계에서는 체적분율이 더 중요하다.

4.3 질량분율과 체적분율의 관계

보강재 체적분율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

[
V_f =
\frac{W_f/\rho_f}
{W_f/\rho_f + W_m/\rho_m}
]

여기서:

• (V_f): 보강재 체적분율

• (W_f): 보강재 질량분율

• (W_m): 기지재 질량분율

• (\rho_f): 보강재 밀도

• (\rho_m): 기지재 밀도

탄소섬유는 수지보다 밀도가 높기 때문에, 탄소섬유 60 wt.%가 반드시 60 vol.%를 의미하지는 않는다.

5. 복합재료의 일반적인 구성비

항공기용 고성능 프리프레그 적층재는 일반적으로 섬유 체적분율이 약 55~65% 수준이다.

일반 핸드레이업 GFRP는 섬유 체적분율이 약 20~40% 수준일 수 있다.

6. 보강형태에 따른 분류

6.1 연속섬유 복합재료

섬유가 부품 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 배치된다.

특징:

• 높은 방향성 강도

• 높은 방향성 강성

• 낮은 밀도

• 적층설계 가능

• 이방성이 큼

• 층간강도는 낮을 수 있음

대표 재료:

• CFRP

• GFRP

• AFRP

• SiC/SiC

• 탄소/탄소 복합재

6.2 단섬유 복합재료

짧은 섬유가 기지재 내부에 분산된다.

대표 예:

• PA66-GF30

• PBT-GF30

• PEEK-CF30

• PP-GF20

장점:

• 사출성형 가능

• 대량생산 적합

• 복잡형상 제작 가능

• 금속부품 대체 가능

한계:

• 섬유길이와 배향에 따라 물성 변동

• 용접선 부위 강도 저하

• 성형방향 이방성

• 장섬유 적층재보다 강도 낮음

6.3 입자강화 복합재료

세라믹, 금속, 탄소 또는 무기입자를 기지재에 분산시킨 재료이다.

대표 예:

• Al-SiC

• Al-Al₂O₃

• 고무입자 강화 에폭시

• 실리카 충전 에폭시

• WC-Co

• 콘크리트

주요 목적:

• 내마모성 향상

• 열팽창 감소

• 강성 향상

• 열전도성 조절

• 원가 절감

• 수축 감소

6.4 플레이크 및 판상 보강재

대표 재료:

• 운모

• 흑연 플레이크

• 그래핀

• 유리 플레이크

• 알루미늄 플레이크

효과:

• 가스차단성 향상

• 치수안정성 향상

• 열전도성 향상

• 전기전도성 향상

• 코팅 내식성 향상

6.5 하이브리드 복합재료

두 종류 이상의 보강재를 함께 사용한다.

대표 조합:

• 탄소섬유 + 유리섬유

• 탄소섬유 + 아라미드섬유

• 유리섬유 + 천연섬유

• 탄소섬유 + 금속망

• 섬유 + 입자

하이브리드화 목적:

• 비용 절감

• 충격인성 향상

• 피로특성 개선

• 전기전도성 조절

• 파손모드 제어

• 국부 강성 조절

7. 고분자기지 복합재료 — PMC

고분자기지 복합재료는 가장 널리 사용되는 복합재료이다.

기지재는 열경화성수지 또는 열가소성수지를 사용한다.

대표 재료:

• GFRP

• CFRP

• AFRP

• 천연섬유 복합재

• 단섬유 강화 엔지니어링 플라스틱

• 입자 충전 수지

8. 에폭시기지 복합재료

8.1 기본 구성

에폭시 복합재료는 에폭시수지, 경화제, 보강섬유 및 첨가제로 구성된다.

대표 구성:

프리프레그 CFRP에서는 섬유 함량이 질량기준 약 60~70%가 될 수 있다.

8.2 에폭시 구성성분

대표 성분:

• 비스페놀 A형 에폭시

• 비스페놀 F형 에폭시

• 노볼락형 에폭시

• 아민계 경화제

• 산무수물계 경화제

• 촉진제

• 고무계 충격보강제

• 실리카

• 난연제

각 성분의 역할:

비스페놀 A형

• 범용성

• 높은 접착력

• 양호한 기계적 성질

• 비교적 높은 점도

비스페놀 F형

• 낮은 점도

• 높은 함침성

• 정밀 성형에 유리

노볼락형

• 높은 가교밀도

• 높은 내열성과 내약품성

• 취성 증가 가능

고무계 충격보강제

• 파괴인성 향상

• 충격저항 향상

• 탄성계수와 유리전이온도 저하 가능

8.3 특성

장점:

• 높은 접착력

• 낮은 경화수축

• 우수한 기계적 성질

• 높은 피로성능

• 낮은 기공률 구현 가능

• 높은 치수안정성

한계:

• 경화시간 필요

• 충격에 취약할 수 있음

• 고온에서 유리전이온도 제한

• 수분흡수

• 재활용 어려움

• 경화조건 관리 필요

9. 불포화 폴리에스터 복합재료

9.1 기본 구성

대표 구성:

9.2 특성

장점:

• 비교적 낮은 가격

• 빠른 경화

• 대형 구조물 성형 가능

• 양호한 내식성

• 유리섬유와 조합이 용이

한계:

• 경화수축

• 스티렌 냄새와 휘발물질

• 에폭시보다 낮은 피로성과 접착성

• 수분과 화학약품에 장기열화 가능

• 높은 기공률 발생 가능

9.3 주요 용도

• FRP 탱크

• 덕트

• 장비 커버

• 보트

• 파이프

• 대형 패널

• 화학설비

10. 비닐에스터 복합재료

비닐에스터는 에폭시구조와 불포화 폴리에스터의 경화방식을 결합한 수지이다.

대표 구성:

특성:

• 불포화 폴리에스터보다 높은 내약품성

• 높은 내수성

• 좋은 접착성

• 양호한 피로성능

• 에폭시보다 빠른 경화

• 수축과 휘발성 유기물 관리 필요

주요 용도:

• 화학탱크

• 부식성 배관

• 세정설비

• 해양구조물

• 배터리 케이스

• 고내식 FRP

11. 열가소성기지 복합재료

대표 기지재:

• PP

• PA

• PBT

• PPS

• PEEK

• PEI

• PC

• TPU

장점:

• 빠른 성형

• 재가열과 재성형 가능

• 높은 충격인성

• 용접 가능

• 재활용 가능성

• 높은 생산성

한계:

• 높은 용융점도

• 연속섬유 함침이 어려움

• 고온가공 장비 필요

• 냉각수축과 뒤틀림

• 일부 재료는 높은 흡수성

12. 유리섬유강화 플라스틱 — GFRP

12.1 유리섬유의 구성

유리섬유는 주로 실리카와 금속산화물로 구성된다.

E-Glass 대표 조성

S-Glass 대표 조성

S-Glass는 E-Glass보다 높은 강도와 탄성계수를 가진다.

12.2 일반적인 GFRP 구성

12.3 특성

장점:

• 경제성

• 높은 인장강도

• 우수한 전기절연성

• 높은 내식성

• 비자성

• 다양한 성형공정

• 전파투과성

한계:

• 탄소섬유보다 낮은 비강성

• 수분에 따른 계면열화

• 피로와 크리프

• 유리섬유 노출

• 가공 시 분진

• 재활용 어려움

12.4 주요 용도

• 탱크

• 배관

• 장비 커버

• 전기절연부품

• 프로파일

• 선박

• 풍력발전 블레이드

• 그레이팅

• 식품·화학설비 커버

13. 탄소섬유강화 플라스틱 — CFRP

13.1 탄소섬유의 기본 구성

탄소섬유의 주요 구성원소는 탄소이다.

대표 원료:

• PAN계

• 피치계

• 레이온계

PAN계 탄소섬유는 일반적으로 탄소 함량이 약 92~99% 이상이다.

고온 흑연화된 탄소섬유는 탄소 함량이 99% 이상일 수 있다.

13.2 대표적인 CFRP 구성

체적기준으로는 섬유가 약 50~65 vol.%인 경우가 많다.

13.3 탄소섬유 등급

표준탄성형

• 높은 인장강도

• 비교적 경제적

• 일반 구조용

중탄성형

• 높은 강성과 강도의 균형

• 항공우주 및 정밀기계

고탄성형

• 매우 높은 탄성계수

• 낮은 열팽창

• 취성과 가격 증가

고강도형

• 높은 파단강도

• 충격과 피로성능 향상 가능

13.4 특성

장점:

• 매우 높은 비강도

• 매우 높은 비강성

• 낮은 열팽창

• 높은 피로성능

• 전기전도성

• 높은 진동감쇠

• 우수한 치수안정성

한계:

• 높은 가격

• 충격손상에 민감

• 층간강도 낮음

• 갈바닉 부식 가능

• 전기절연이 어려움

• 가공분진

• 수리와 검사 어려움

13.5 주요 용도

• 항공기 구조

• 로봇 암

• 고속 회전체

• 드라이브 샤프트

• 정밀장비 프레임

• 스포츠 장비

• 자동차 차체

• 반도체 장비 빔

• 측정기 구조물

14. 아라미드섬유 복합재료 — AFRP

14.1 기본 구성

아라미드섬유는 방향족 폴리아미드 구조를 가진다.

주요 구성원소:

• 탄소

• 수소

• 질소

• 산소

대표 재료:

• 파라아라미드

• 메타아라미드

14.2 일반적인 구성

14.3 특성

장점:

• 높은 비강도

• 우수한 충격흡수

• 높은 인성

• 높은 피로성능

• 낮은 밀도

• 절연성

• 높은 진동감쇠

한계:

• 압축강도 낮음

• 수분흡수

• 절삭가공 어려움

• 표면마감 어려움

• 자외선에 민감

• 수지와 계면접착 관리 필요

14.4 주요 용도

• 방탄재

• 충격흡수 패널

• 로프

• 호스 보강

• 압력용기

• 보호구

• 하이브리드 적층재

15. 천연섬유 복합재료

대표 섬유:

• 아마

• 대마

• 황마

• 케나프

• 사이잘

• 대나무 섬유

• 목분

주요 구성원소:

• 셀룰로오스

• 헤미셀룰로오스

• 리그닌

• 왁스

• 수분

대표 구성:

장점:

• 낮은 밀도

• 재생가능성

• 낮은 원가

• 좋은 진동감쇠

• 낮은 가공마모

한계:

• 흡습

• 치수변화

• 품질편차

• 내열성 제한

• 곰팡이와 생물학적 열화

• 계면접착 문제

16. 단섬유 강화 엔지니어링 플라스틱

16.1 대표 구성

PA66-GF30

• PA66: 약 70 wt.%

• 유리섬유: 약 30 wt.%

• 안정제·윤활제: 소량

PBT-GF30

• PBT: 약 70 wt.%

• 유리섬유: 약 30 wt.%

• 난연제·안정제: 등급별

PEEK-CF30

• PEEK: 약 70 wt.%

• 탄소섬유: 약 30 wt.%

PPS-GF40

• PPS: 약 60 wt.%

• 유리섬유: 약 40 wt.%

16.2 보강재 함량 증가의 효과

일반적인 경향:

• 탄성계수 증가

• 인장강도 증가

• 열변형 감소

• 크리프 감소

• 열팽창 감소

• 성형수축 감소

한계:

• 충격강도 감소 가능

• 연신율 감소

• 섬유배향 이방성

• 표면거칠기 증가

• 금형마모 증가

• 용접선 강도 저하

17. 시트몰딩 컴파운드 — SMC

SMC는 열경화성 수지, 절단 유리섬유, 충전재를 시트형태로 제조한 성형재료이다.

대표 구성:

특성:

• 압축성형 가능

• 대형 패널 제작

• 높은 생산성

• 비교적 균일한 품질

• 금속대체 가능

• 연속섬유 적층재보다 낮은 구조성능

주요 용도:

• 자동차 패널

• 전기함

• 장비 커버

• 욕조

• 구조 패널

18. 벌크몰딩 컴파운드 — BMC

BMC는 수지, 단섬유, 충전재를 벌크형태로 혼합한 성형재이다.

대표 구성:

특성:

• 복잡형상 압축·사출성형

• 높은 전기절연성

• 치수안정성

• 내열성

• 구조강도는 연속섬유 복합재보다 낮음

19. 금속기지 복합재료 — MMC

금속기지 복합재료는 금속에 세라믹 입자, 섬유 또는 탄소재료를 분산시킨 복합재료이다.

대표 기지재:

• 알루미늄

• 마그네슘

• 티타늄

• 구리

• 니켈

대표 보강재:

• SiC

• Al₂O₃

• B₄C

• 탄소섬유

• 흑연

• SiC 섬유

• 붕소섬유

20. 알루미늄기지 복합재료

20.1 Al-SiC 입자 복합재료

대표 구성:

일반 산업용 재료에서는 SiC가 약 10~30 vol.%인 경우가 많다.

20.2 특성

SiC 함량이 증가하면:

• 탄성계수 증가

• 내마모성 증가

• 열팽창 감소

• 열전도성 조절

• 경도 증가

• 가공성 저하

• 연성 감소

• 충격인성 감소

20.3 주요 용도

• 브레이크 디스크

• 실린더 라이너

• 방열기판

• 정밀스테이지

• 우주구조물

• 전자패키지

• 내마모부품

21. Al-Al₂O₃ 복합재료

대표 구성:

• 알루미늄 합금: 약 70~95 vol.%

• Al₂O₃ 입자 또는 섬유: 약 5~30 vol.%

특성:

• 경도 증가

• 내마모성 향상

• 열팽창 감소

• 강성 증가

• 가격이 SiC보다 유리할 수 있음

• 가공공구 마모 증가

• 연성 감소

22. 마그네슘기지 복합재료

대표 구성:

• Mg 합금: 약 70~95 vol.%

• SiC 또는 Al₂O₃: 약 5~30 vol.%

장점:

• 매우 낮은 밀도

• 높은 비강성

• 진동감쇠

• 치수안정성 향상

한계:

• 부식

• 산화와 주조안전성

• 계면반응

• 낮은 연성

• 높은 제조비

주요 용도:

• 항공우주 부품

• 경량 회전체

• 정밀하우징

• 스포츠 장비

23. 티타늄기지 복합재료

대표 보강재:

• SiC 연속섬유

• 붕소섬유

• TiB 입자

• TiC 입자

대표 구성:

특성:

• 높은 고온비강도

• 높은 강성

• 우수한 내열성과 내식성

• 계면반응 관리 필요

• 매우 높은 제조비

• 복잡한 가공과 접합

주요 용도:

• 항공엔진

• 고온회전체

• 우주구조물

• 고하중 경량부품

24. 구리기지 복합재료

대표 구성:

• Cu-W

• Cu-Mo

• Cu-흑연

• Cu-Al₂O₃

• Cu-Cr

Cu-W

대표 조성:

• 구리: 약 10~50 wt.%

• 텅스텐: 약 50~90 wt.%

특성:

• 높은 열전도성

• 높은 내열성과 내마모성

• 아크 저항성

• 높은 밀도

Cu-흑연

• 구리: 약 50~90 wt.%

• 흑연: 약 10~50 wt.%

특성:

• 전기전도성

• 자기윤활성

• 브러시와 슬라이딩 접점에 적합

25. 세라믹기지 복합재료 — CMC

세라믹기지 복합재료는 세라믹의 고온성능을 유지하면서 단일 세라믹의 취성을 개선하기 위한 재료이다.

대표 재료:

• SiC/SiC

• C/SiC

• C/C

• Al₂O₃/Al₂O₃

• 산화물/산화물 복합재

26. SiC/SiC 복합재료

26.1 기본 구성

대표 계면층:

• 탄소

• BN

• 다층 계면코팅

26.2 특성

• 높은 고온강도

• 낮은 밀도

• 높은 열충격저항

• 균열가교

• 비취성 파괴거동

• 산화환경에서 계면과 섬유 열화

• 높은 제조비

• 기공 관리 필요

26.3 주요 용도

• 항공엔진 고온부품

• 연소기 라이너

• 터빈부품

• 열차폐구조

• 원자로 부품

27. 탄소/탄소 복합재료 — C/C

27.1 기본 구성

탄소섬유와 탄소기지로 구성된다.

대표 구성:

27.2 특성

장점:

• 매우 높은 온도에서 강도 유지

• 낮은 밀도

• 높은 열충격저항

• 높은 마찰성능

• 낮은 열팽창

한계:

• 산소 분위기에서 산화

• 제조시간이 매우 김

• 높은 가격

• 기공과 내부결함 관리 필요

• 보호코팅 필요

27.3 주요 용도

• 항공기 브레이크

• 로켓 노즐

• 열차폐재

• 고온로 부품

• 우주비행체 부품

28. 산화물기지 복합재료

대표 재료:

• Al₂O₃ 섬유/Al₂O₃ 기지

• 뮬라이트 섬유/알루미노실리케이트 기지

특성:

• 산화환경 안정성

• 높은 사용온도

• 전기절연성

• SiC/SiC보다 낮은 산화민감성

• 상대적으로 낮은 고온강도

• 낮은 열전도성

• 높은 제조비

29. 초경합금과 서멧

29.1 WC-Co 초경합금

대표 구성:

WC는 경도와 내마모성을 제공하고, Co는 인성과 결합력을 제공한다.

29.2 TiCN 서멧

대표 구성:

특성:

• 높은 고온경도

• 우수한 내마모성

• 좋은 표면조도

• 초경합금보다 낮은 인성 가능

• 철강 정삭에 적합

30. 적층 복합재료

적층 복합재료는 서로 다른 방향의 섬유층을 여러 장 쌓아 제조한다.

대표 적층각:

• 0°

• 90°

• +45°

• -45°

각 방향의 역할:

0° 층

• 주하중 방향 인장과 압축 지지

• 높은 축방향 강성

90° 층

• 횡방향 하중 지지

• 균열과 치수안정성 제어

±45° 층

• 전단하중 지지

• 비틀림저항

• 충격과 변형분산

30.1 대표 적층구성

예:

• [0/90]s

• [0/+45/-45/90]s

• [0/0/+45/-45/90]s

여기서 s는 중립면을 기준으로 대칭적층을 의미한다.

대칭적층은 열변형과 뒤틀림을 줄이는 데 유리하다.

31. 샌드위치 구조

샌드위치 구조는 얇고 강한 두 개의 면재 사이에 가볍고 두꺼운 코어를 배치한 구조이다.

구성:

• 상부 면재

• 하부 면재

• 코어

• 접착층

• 국부 인서트

31.1 면재

대표 재료:

• CFRP

• GFRP

• 알루미늄

• 스테인리스

• 합판

면재는 주로 인장과 압축하중을 지지한다.

31.2 코어

대표 재료:

• 알루미늄 허니컴

• 아라미드 허니컴

• 폴리머 폼

• 발사우드

• PMI 폼

• PVC 폼

• PET 폼

코어의 주요 역할:

• 면재 간격 유지

• 전단하중 지지

• 좌굴 방지

• 낮은 중량으로 굽힘강성 향상

31.3 대표 구성비

샌드위치 구조는 전체 두께에서 코어가 약 70~95%를 차지할 수 있다.

그러나 질량기준으로는 면재가 상당 부분을 차지한다.

예:

• CFRP 면재: 각 1~2 mm

• 허니컴 코어: 10~50 mm

• 접착필름: 각 계면 약 0.1~0.3 mm

31.4 주요 파손모드

• 면재 인장파괴

• 면재 압축좌굴

• 코어 전단파괴

• 면재-코어 박리

• 국부 압궤

• 인서트 풀아웃

• 충격에 의한 내부박리

32. 복합재료의 기계적 특성

32.1 이방성

복합재료의 특성은 방향에 따라 다르다.

일방향 CFRP의 경우:

• 섬유방향 탄성계수: 매우 높음

• 횡방향 탄성계수: 낮음

• 섬유방향 강도: 높음

• 층간전단강도: 상대적으로 낮음

따라서 금속처럼 등방성 재료로 가정하면 안 된다.

32.2 혼합법칙

섬유방향 탄성계수는 단순화하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

[
E_L = E_f V_f + E_m V_m
]

여기서:

• (E_L): 복합재료 종방향 탄성계수

• (E_f): 섬유 탄성계수

• (E_m): 기지재 탄성계수

• (V_f): 섬유 체적분율

• (V_m): 기지재 체적분율

실제 물성은 섬유배향, 계면접착, 기공률, 섬유파손 및 제조결함에 따라 이론값보다 낮아질 수 있다.

32.3 비강도와 비강성

CFRP는 강철보다 절대탄성계수가 낮을 수도 있지만 밀도가 매우 낮기 때문에 비강성이 높다.

경량 이동체, 로봇 암, 항공구조에서는 이러한 장점이 중요하다.

32.4 피로

복합재료의 피로손상은 단일 균열이 아니라 여러 손상이 누적되는 형태로 나타난다.

대표 손상:

• 기지재 균열

• 섬유-기지 박리

• 층간박리

• 섬유파단

• 기공 주변 균열

피로수명은 섬유방향, 응력비, 습도, 온도 및 충격손상의 영향을 받는다.

33. 복합재료의 주요 파손모드

33.1 섬유파단

섬유방향 하중이 섬유강도를 초과하면 발생한다.

섬유파단은 일반적으로 복구하기 어려운 치명적 손상이다.

33.2 기지재 균열

횡방향 인장, 열응력 또는 반복하중에 의해 수지에 균열이 발생한다.

기지재 균열은 초기에는 전체파괴로 이어지지 않을 수 있지만 수분침투와 층간박리를 유발한다.

33.3 계면박리

섬유와 기지재 사이의 접착이 파괴되는 현상이다.

원인:

• 수분

• 충격

• 열팽창 차이

• 불완전 표면처리

• 반복하중

33.4 층간박리

적층층 사이가 분리되는 현상이다.

발생원인:

• 충격

• 자유단 응력

• 홀 주변 응력집중

• 불균일 경화

• 수분

• 조립손상

33.5 섬유좌굴과 미세좌굴

압축하중에서 섬유가 국부적으로 휘거나 배열이 무너지면서 발생한다.

섬유정렬 오차와 수지 전단강도가 큰 영향을 미친다.

33.6 기공과 공극

기공은 다음 문제를 일으킨다.

• 층간전단강도 저하

• 피로수명 저하

• 수분흡수 증가

• 열전도성 불균일

• 균열시작점 형성

고품질 항공복합재에서는 기공률을 1~2% 이하로 관리하는 경우가 많다.

34. 열적 특성

34.1 열팽창

섬유와 기지재의 열팽창계수가 다르기 때문에 내부 열응력이 발생한다.

탄소섬유는 섬유방향 열팽창이 매우 낮거나 음의 값을 가질 수 있다.

CFRP는 적층설계를 통해 전체 열팽창을 낮게 조절할 수 있다.

34.2 열전도성

재료별 경향:

• 탄소섬유: 방향성 열전도

• 유리섬유: 낮은 열전도

• 금속기지: 비교적 높은 열전도

• 세라믹기지: 재료별 편차 큼

• 폼코어: 매우 낮은 열전도

열전도성도 섬유방향에 따라 크게 달라질 수 있다.

34.3 사용온도

고분자기지 복합재료의 사용온도는 수지의 유리전이온도와 열분해온도에 제한된다.

일반적인 상대 경향:

실제 연속사용온도는 하중, 습도, 산화환경 및 요구수명에 따라 달라진다.

35. 수분과 화학환경

35.1 수분흡수

수분은 주로 수지와 계면으로 침투한다.

영향:

• 수지 연화

• 유리전이온도 감소

• 계면접착력 저하

• 층간전단강도 저하

• 치수변화

• 전기절연성 저하

35.2 자외선

자외선은 수지 표면을 열화시킬 수 있다.

발생현상:

• 변색

• 초킹

• 표면균열

• 섬유노출

• 수지강도 저하

대책:

• UV 안정제

• 보호도장

• 겔코트

• 차광구조

35.3 화학약품

비닐에스터와 에폭시 복합재는 일반적으로 내식성이 우수하지만 모든 약품에 안정한 것은 아니다.

확인항목:

• 약품 종류

• 농도

• 온도

• 응력상태

• 노출시간

• 수지 종류

• 경화도

• 보강섬유 종류

36. 전기적 특성

36.1 GFRP

• 높은 전기절연성

• 전파투과성

• 전기함과 안테나 커버에 적합

36.2 CFRP

• 전기전도성

• 정전기 방전 가능

• 전자기 차폐 가능

• 금속과 접촉 시 갈바닉 부식 가능

36.3 충전형 복합재

전도성 첨가제:

• 카본블랙

• 탄소섬유

• CNT

• 그래핀

• 금속분말

절연·방열 첨가제:

• AlN

• BN

• Al₂O₃

• MgO

37. 복합재료 제조공정

37.1 핸드레이업

수지를 도포하면서 섬유매트를 수작업으로 적층한다.

장점:

• 낮은 금형비

• 대형부품 제작

• 소량생산

한계:

• 품질편차

• 높은 기공률

• 낮은 섬유분율

• 작업자 의존성

37.2 진공백 성형

적층재를 진공백으로 압착해 공기와 과잉수지를 제거한다.

효과:

• 기공 감소

• 섬유분율 증가

• 표면품질 향상

• 두께편차 감소

37.3 오토클레이브

진공과 외부압력, 온도를 동시에 적용한다.

장점:

• 낮은 기공률

• 높은 섬유분율

• 우수한 구조성능

• 높은 품질재현성

한계:

• 높은 설비비

• 긴 생산시간

• 부품크기 제한

• 높은 재료비

37.4 RTM

건조섬유 프리폼을 금형에 배치한 뒤 수지를 주입한다.

장점:

• 양면 표면품질

• 폐쇄형 공정

• 복잡형상

• 중간수준 생산성

한계:

• 함침불량 가능

• 수지유동해석 필요

• 프리폼 제작 필요

37.5 진공 인퓨전

진공압을 이용해 수지를 섬유에 함침시킨다.

주요 용도:

• 선박

• 풍력 블레이드

• 대형 패널

• 탱크

37.6 필라멘트 와인딩

연속섬유를 회전하는 맨드릴에 감는다.

적합 부품:

• 압력용기

• 파이프

• 샤프트

• 탱크

• 로켓케이스

섬유각도를 조절하여 원주방향과 축방향 강도를 설계할 수 있다.

37.7 인발성형

연속섬유를 수지에 함침한 뒤 가열금형으로 연속 인발한다.

적합 형상:

• 빔

• 채널

• 튜브

• 로드

• 사다리형 프로파일

37.8 압축성형

SMC, BMC, 열가소성 시트를 금형에서 압축성형한다.

장점:

• 높은 생산성

• 대형부품

• 치수재현성

• 비교적 짧은 사이클

37.9 사출성형

단섬유 강화 열가소성수지에 사용한다.

주요 변수:

• 섬유길이

• 게이트 위치

• 유동방향

• 용접선

• 보압

• 금형온도

• 수지건조

38. 복합재료 가공

38.1 절삭가공 문제

복합재료 가공 시 발생 가능한 문제:

• 층간박리

• 섬유풀아웃

• 버

• 열손상

• 수지용융

• 공구마모

• 분진

• 치수불안정

38.2 공구

대표 공구:

• 초경공구

• 다이아몬드 코팅공구

• PCD

• 워터젯

• 레이저

• 초음파가공

CFRP와 GFRP는 공구마모성이 높다.

38.3 홀가공

홀 주변은 응력집중과 층간박리에 민감하다.

대책:

• 백업판 사용

• 저추력 드릴

• 단계드릴

• 전용 드릴 형상

• 적절한 이송속도

• 홀주변 보강층

• 인서트 적용

39. 접합방법

39.1 접착접합

장점:

• 넓은 면적에 하중분산

• 이종재료 접합

• 구멍가공 최소화

• 중량 증가가 작음

한계:

• 표면처리 필요

• 경화시간

• 온도와 습도 영향

• 검사 어려움

• 박리하중에 취약

39.2 기계적 체결

대표 방식:

• 볼트

• 리벳

• 인서트

• 핀

• 클램프

주의사항:

• 홀 주변 응력집중

• 베어링 파손

• 순단면 파손

• 층간박리

• 체결토크

• 갈바닉 부식

39.3 하이브리드 접합

접착과 볼트 또는 리벳을 함께 사용한다.

장점:

• 초기위치 고정

• 파손안전성 향상

• 박리저항 향상

단점:

• 복잡한 하중분담

• 제조공정 증가

• 수리성 저하

40. 복합재료 설계 원칙

40.1 하중경로에 섬유 배치

섬유는 주하중 방향에 배치해야 한다.

금속부품 형상을 그대로 복제하고 재료만 CFRP로 변경하는 방식은 비효율적일 수 있다.

40.2 급격한 두께변화 회피

급격한 두께변화는 다음 문제를 일으킨다.

• 수지집중

• 주름

• 기공

• 잔류응력

• 층간박리

• 경화변형

40.3 자유단과 모서리 보강

자유단에서는 층간응력이 증가한다.

대책:

• 테이퍼

• 적층단차 분산

• 보강패치

• 곡률부 적용

• 국부 직물층 추가

40.4 집중하중 회피

점하중과 볼트하중은 복합재료에 불리하다.

대책:

• 하중분산판

• 금속 인서트

• 포팅재

• 국부 적층증가

• 접착면적 확대

40.5 대칭·균형 적층

대칭적층:

• 경화 뒤틀림 감소

• 온도변화 휨 감소

균형적층:

• +θ와 -θ 층을 함께 사용

• 인장-전단 연성효과 감소

41. 복합재료의 검사

41.1 육안검사

검사항목:

• 주름

• 섬유왜곡

• 기공

• 수지부족

• 수지과다

• 표면균열

• 코어 눌림

41.2 초음파검사

검출 가능 결함:

• 층간박리

• 기공

• 접착불량

• 이물질

• 코어분리

41.3 열화상검사

가열과 냉각응답 차이를 이용해 내부결함을 검출한다.

적합 결함:

• 박리

• 충격손상

• 코어박리

• 수분침투

41.4 X선검사

적합 결함:

• 기공

• 섬유정렬

• 금속인서트

• 내부이물

• 두께변화

41.5 전단간섭법

레이저 전단간섭을 이용해 박리와 접착결함을 검출한다.

42. 복합재료의 수리

대표 수리방법:

• 스카프 수리

• 단계식 적층수리

• 외부패치

• 코어 교체

• 수지주입

• 볼트형 보강

수리 시 확인사항:

• 손상범위

• 수분제거

• 표면처리

• 섬유방향 복원

• 경화온도

• 원래 적층구성과의 일치

• 수리 후 비파괴검사

43. 식품기계에서의 복합재료

43.1 적용 가능한 재료

• GFRP

• CFRP

• 유리섬유강화 PP

• 유리섬유강화 PA

• 비닐에스터 FRP

• 식품접촉용 에폭시 복합재

• 세라믹 충전 수지

43.2 주요 적용부품

• 장비 커버

• 탱크

• 덕트

• 방수패널

• 로봇 암

• 경량 프레임

• 절연판

• 세척설비 구조물

• 롤러

• 파이프

43.3 장점

• 부식저항성

• 경량화

• 전기절연

• 복잡형상 일체성형

• 낮은 열전도

• 표면코팅 적용 가능

43.4 주의사항

• 섬유노출

• 수지 마모분 발생

• 코팅박리

• 수분침투

• 세척약품과 온도

• 식품접촉 적합성

• 파손 시 섬유조각 발생

• 미세기공과 위생성

• 금속검출 어려움

식품접촉부에는 완성 복합재 기준의 규제 적합성 확인이 필요하다.

44. 반도체 및 정밀장비에서의 복합재료

대표 재료:

• CFRP

• Al-SiC

• SiC 입자강화 알루미늄

• 세라믹 충전 에폭시

• 유리섬유 복합재

• 탄소/탄소

주요 요구사항:

• 낮은 열팽창

• 높은 치수안정성

• 낮은 진동

• 높은 비강성

• 낮은 아웃가스

• 청정도

• 전기절연 또는 접지기능

• 정밀가공성

45. 주요 복합재료 비교

46. 부품별 복합재료 선정

46.1 경량 구조프레임

권장:

• CFRP

• GFRP

• 알루미늄-CFRP 하이브리드

• 샌드위치 패널

46.2 부식성 탱크와 배관

권장:

• 비닐에스터 GFRP

• 에폭시 GFRP

• 열가소성 라이너-FRP 구조

46.3 고속 회전체

권장:

• CFRP

• 탄소섬유 랩핑 금속로터

• SiC 섬유 강화 금속기지 복합재

46.4 내마모부품

권장:

• Al-SiC

• WC-Co

• 세라믹 입자 충전 폴리머

• CF 강화 PEEK

• 우레탄-섬유 복합재

46.5 고온부품

권장:

• SiC/SiC

• C/SiC

• C/C

• 산화물 CMC

• Ti기지 복합재

46.6 전기절연 구조부품

권장:

• GFRP

• G10·FR-4

• 유리섬유강화 PBT

• 알루미나 충전 에폭시

47. 도면 및 재료사양서 표기방법

단순히 “CFRP”, “GFRP” 또는 “복합재”라고만 표기하는 것은 충분하지 않다.

다음 항목을 함께 지정해야 한다.

47.1 기지재

예:

• Epoxy

• Vinyl ester

• PEEK

• PPS

• Aluminum 6061 matrix

• SiC matrix

47.2 보강재

예:

• PAN-based carbon fiber

• E-glass

• S-glass

• Aramid fiber

• SiC particle

• Al₂O₃ fiber

47.3 보강재 함량

예:

• Carbon fiber 60 vol.%

• Glass fiber 30 wt.%

• SiC particle 20 vol.%

47.4 섬유형태

• 일방향섬유

• 직물

• 편조

• 단섬유

• 절단매트

• 입자

• 위스커

47.5 적층구성

예:

• [0/90]s

• [0/+45/-45/90]2s

• Quasi-isotropic laminate

47.6 성형공정

• Autoclave

• RTM

• Vacuum infusion

• Filament winding

• Pultrusion

• Compression molding

• Injection molding

47.7 기공률

예:

• Void content ≤ 2 vol.%

• Porosity ≤ 1%

47.8 표면과 검사

• 표면조도

• 도장 또는 겔코트

• 허용박리크기

• 초음파검사 등급

• 홀주변 손상기준

• 섬유노출 금지

48. 복합재료 선정 절차

48.1 기능 확인

• 경량 구조물인가?

• 내식부품인가?

• 절연부품인가?

• 내마모부품인가?

• 고온부품인가?

• 진동감쇠가 필요한가?

• 식품과 접촉하는가?

48.2 하중 확인

• 인장

• 압축

• 굽힘

• 전단

• 비틀림

• 충격

• 피로

• 국부접촉

• 체결하중

48.3 방향성 확인

• 주하중 방향

• 횡방향 하중

• 전단하중

• 비틀림

• 다축하중

• 열팽창 방향

48.4 환경 확인

• 온도

• 수분

• 자외선

• 산

• 알칼리

• 용제

• 연료

• 진공

• 방사선

• 세척약품

48.5 제조성 확인

• 금형

• 적층수

• 성형압력

• 경화온도

• 생산량

• 부품크기

• 후가공

• 검사

• 수리 가능성

48.6 신뢰성 확인

• 섬유배향

• 기공률

• 층간강도

• 충격손상

• 피로

• 수분열화

• 열사이클

• 접착부 수명

• 제조편차

49. 최종 정리

복합재료는 단순히 두 재료를 섞은 재료가 아니다.

복합재료의 실제 성능은 다음 요소에 의해 결정된다.

• 기지재의 종류

• 보강재의 종류

• 보강재 함량

• 섬유길이

• 섬유방향

• 적층순서

• 계면접착

• 기공률

• 성형압력

• 경화조건

• 제조결함

• 사용환경

• 하중방향

고분자기지 복합재료는 낮은 밀도, 높은 비강도, 내식성 및 성형성을 바탕으로 가장 폭넓게 사용된다.

GFRP는 경제성, 절연성, 내식성이 우수하며 탱크, 배관, 커버 및 일반 구조물에 적합하다.

CFRP는 높은 비강도와 비강성, 낮은 열팽창을 바탕으로 항공기, 로봇, 정밀기계 및 고속 회전체에 적합하다.

AFRP는 높은 인성과 충격흡수성으로 방탄재, 보호구 및 충격부품에 적합하다.

단섬유 강화 열가소성수지는 사출성형성과 구조성능을 결합하여 금속부품을 대체하는 데 유리하다.

금속기지 복합재료는 금속의 인성과 열전도성을 유지하면서 세라믹 보강재를 통해 강성, 내마모성 및 열팽창 특성을 개선한다.

세라믹기지 복합재료는 섬유와 계면층을 이용해 세라믹의 취성파괴를 완화하고 고온에서 구조성능을 유지한다.

적층 복합재료는 섬유방향과 적층순서를 조절하여 필요한 방향에 강도와 강성을 배치할 수 있다.

샌드위치 구조는 얇은 고강도 면재와 경량 코어를 조합하여 매우 높은 굽힘비강성을 제공한다.

그러나 복합재료는 층간박리, 계면열화, 기공, 섬유배향 편차 및 충격손상에 민감하다.

따라서 복합재료 선정에서는 단순히 “CFRP”, “GFRP” 또는 “복합재”라는 명칭만 확인해서는 안 된다.

반드시 다음 항목을 함께 지정하고 검토해야 한다.

• 기지재 종류

• 보강재 종류와 등급

• 질량분율과 체적분율

• 섬유형태와 길이

• 섬유방향

• 적층구성

• 계면처리

• 성형공정

• 기공률

• 열적 특성

• 환경저항성

• 검사방법

• 수리방법

• 공급사 재료등급

복합재료의 선정은 가장 강한 섬유를 선택하는 과정이 아니다.

하중방향, 중량, 환경, 생산공정, 접합, 검사 및 수명조건에 맞춰 기지재와 보강재의 조합, 함량, 방향 및 적층구조를 설계하는 과정이다.