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복합 재료

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1. 개요

복합 재료는 짚과 진흙을 결합한 벽돌처럼 인류 문명과 함께 시작되었으며, 기지와 강화재로 구성되어 다양한 종류로 발전해 왔다. 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 가볍고 강하며 내식성이 뛰어나 다양한 분야에 활용되며, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 높은 강도와 가벼운 무게로 항공우주, 자동차 등에서 중요한 재료로 사용된다. 복합 재료는 제품의 특성과 생산량에 따라 다양한 성형 및 제조 공정을 거치며, 항공기 부품, 보트, 자전거 프레임 등 고성능 제품에 널리 사용된다.

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  • 복합 재료 - 유리섬유
    유리섬유는 실리카 기반 유리를 압출하여 제조되며 단열재, 전기 절연체, 섬유 강화 플라스틱 등에 사용되는 재료이다.
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    중밀도 섬유판(MDF)은 목재 섬유에 접착제를 첨가하여 고압으로 성형한 판상 재료로, 가공 용이성과 내후성이 우수하여 가구 및 건축 자재 등 다양한 분야에 사용되지만, 포름알데히드 방출에 대한 주의가 필요하다.
복합 재료
개요
탄소 섬유 직물
탄소 섬유 직물
정의두 가지 이상의 서로 다른 물질이 결합하여 만들어진 재료
설명복합재료는 서로 다른 특성을 가진 두 가지 이상의 재료를 결합하여 새로운 특성을 갖도록 만든 재료이다.
인간 머리카락과 비교한 6μm 직경의 탄소 섬유
인간 머리카락과 비교한 6μm 직경의 탄소 섬유 (왼쪽 하단에서 오른쪽 상단으로 이어짐)
구조복합재료는 일반적으로 매트릭스와 강화재로 구성된다.
매트릭스는 연속적인 상을 형성하고 강화재는 매트릭스 내에 분산되어 있다.
매트릭스는 일반적으로 고분자, 금속, 세라믹과 같은 재료로 만들어진다.
강화재는 섬유, 입자, 박판과 같은 형태를 가질 수 있다.
특징복합재료는 높은 강도, 높은 강성, 낮은 밀도, 내식성, 내열성 등의 우수한 특성을 가질 수 있다.
이들은 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용된다.
응용 분야
항공우주항공기, 우주선, 로켓의 구조 부품에 사용
자동차자동차 차체, 범퍼, 내부 부품에 사용
건축건축 구조물, 외장재, 지붕재에 사용
스포츠스포츠 장비 (예: 골프 클럽, 자전거 프레임, 테니스 라켓)에 사용
해양선박, 보트, 해양 구조물에 사용
기타전자 제품 케이스, 의료 기기, 풍력 터빈 블레이드 등에 사용
군사 장비 및 방위 산업에도 응용
제조 공정
성형 방법오토클레이브 성형
레진 트랜스퍼 성형
압력 백 성형
라이트 레진 트랜스퍼 성형
기타 제조 공정필라멘트 와인딩, 풀트루전, 핸드 레이업, 스프레이 업 등 다양한 공정이 사용된다.
주요 복합 재료
섬유 강화 플라스틱 (FRP)유리 섬유 강화 플라스틱 (GFRP)
탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP)
아라미드 섬유 강화 플라스틱 (AFRP)
금속 복합재료 (MMC)알루미늄 복합재료
티타늄 복합재료
세라믹 복합재료 (CMC)탄화규소 복합재료
알루미나 복합재료
바이오 복합재료천연 섬유 (예: 아마, 삼, 대나무)를 기반으로 하는 복합재료
추가 정보
자율 재료복합재료는 센서, 구동기, 컴퓨터, 통신 시스템을 통합하여 자율적으로 작동할 수 있다.
이러한 자율 재료는 색상을 바꾸거나 모양을 변경할 수 있다.
표면 처리섬유 강화 기판에 클래스 A 외관을 달성하기 위해 특수 코팅 기술이 사용된다.

2. 역사

복합재료는 인류 문명과 함께 시작되었다고 할 수 있다. 최초의 복합재료는 진흙을 결합하여 벽돌을 만들어 건축에 사용한 것이었다. 고대 벽돌 제조는 이집트 무덤 그림에 기록되어 있다.[9] 고대 메소포타미아에서는 진흙을 섞은 햇볕에 말린 벽돌이 사용되었는데, 이는 균열을 방지하기 위해 섞은 것이라고 여겨진다.[105] 와틀 앤 도브는 6000년 이상 된 가장 오래된 복합재료 중 하나이다.[10] 고대 이집트에서는 석고에 적신 린넨이나 파피루스 층으로 만든 카르토나주를 죽음의 가면 등에 사용하였다.[12]

합판은 기원전 3400년경 고대 메소포타미아인들이 발명하였는데, 목재를 다른 각도로 접착하면 천연 목재보다 더 나은 특성을 얻을 수 있었다.[12] 콘크리트는 기원전 25년경 비트루비우스가 저술한 『건축에 관한 열 가지 책』에서 설명되었는데, 그는 석회 모르타르 제조에 적합한 다양한 골재 유형을 구분하였다. 그는 ''구조용 모르타르''에 대해 포졸라나를 추천했는데, 이는 나폴리 근처 포쭈올리의 모래 같은 층에서 나온 갈색 노란색 회색의 화산 모래와 로마의 적갈색 모래였다. 비트루비우스는 건물에 사용되는 시멘트에 대해 석회 1부분과 포졸라나 3부분의 비율을, 수중 작업에는 석회와 풀비스 푸테올라누스를 1:2의 비율로 섞는 것을 명시했는데, 이는 오늘날 바다에서 사용되는 콘크리트와 거의 같은 비율이다.[14] 콘크리트 또한 복합재료이며, 전 세계에서 가장 많이 사용되는 합성 재료이다. 기준으로 매년 약 75억 입방미터의 콘크리트가 생산된다.[11]

한국에서도 고대부터 복합재료를 사용한 흔적을 찾아볼 수 있다. 7세기에는 옻칠과 삼베를 결합한 건칠조 기법이 사용되었으며, 짚을 섞은 흙벽도 복합재료의 일종으로 볼 수 있다.

제2차 세계 대전 당시에는 금속 공급이 제한되어 목재나 종이벌집구조에 페놀 수지를 함침시킨 재료가 대체 재료로 사용되었다. 이러한 재료를 채택한 모스키토 전투기는 금속제 기체에 비해 성능이 뒤떨어지지 않았다. 또한 페놀 수지 덕분에 썩을 염려가 없고, 경량이며 고강도를 유지할 수 있었다. 또한, 부수적인 효과로 레이더 반사 단면적이 작아 적의 레이더에 탐지되기 어렵다는 효과도 있었다(후에는 이 기능이 중시되게 된다).[105] 최초의 인공 섬유 강화 플라스틱은 유리섬유와 베이클라이트의 조합으로, 1935년 오웬스 코닝사의 앨 시미슨과 아서 D 리틀이 개발하였다.[16] 가장 일반적이고 친숙한 복합재료 중 하나는 유리섬유인데, 이는 작은 유리섬유가 고분자 재료(일반적으로 에폭시 또는 폴리에스터)에 묻혀 있는 것이다. 유리섬유는 비교적 강하고 단단하지만(하지만 취성도 있음) 고분자는 연성이 있다(하지만 약하고 유연하기도 함). 따라서 결과적으로 얻어지는 유리섬유는 비교적 단단하고 강하며 유연하고 연성이 있다.[17] 전후, 그 뛰어난 특성을 살린 용도로 점차 항공기, 레저 보트, 소해정, 라켓, 낚싯대, 풍력 발전의 블레이드 등에 사용되게 된다. 구조상 응력이 국소적으로 집중되는 용도에는 적합하지 않아, H-IIA 로켓의 고체 로켓 부스터 장착 방법처럼 응력을 분산시키기 위한 고안이 필요하게 된다.[105]

3. 종류

복합재료는 크게 기지(matrix)와 강화재(reinforcement)로 구성된다. 기지는 연속적인 상으로, 강화재를 둘러싸고 있으며, 복합재료의 성질은 기지와 강화재의 종류, 비율, 그리고 강화재의 기하학적 구조에 따라 달라진다. 복합재료는 강화재의 형태에 따라 입자 강화 복합재료, 섬유 강화 재료, 구조 복합재료 등으로 분류할 수 있다. 또한 기지의 종류에 따라 고분자 기지 복합재료, 금속 매트릭스 복합재료(MMC)[26], 세라믹 매트릭스 복합재료(CMC)[27] 등으로 분류할 수 있다.

== 종류 ==

=== 섬유 강화 플라스틱 (FRP) ===

플라스틱은 일반적으로 강도가 약하거나 내열성이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 결점을 보완하기 위해 탄소섬유, 케블러, 파이버글라스(유리섬유) 등의 섬유와 복합시킨 것이 FRP(섬유강화플라스틱)이다. FRP는 제2차 세계 대전 중에 개발되어 지난 30여 년 동안 크게 발전해 왔다. 가볍고 강하며 내식성이 뛰어나 구조 재료, 스포츠 용품, 생활 용품 등 다양한 분야에서 활용된다.

듀퐁이 1973년에 개발한 케블라(Kevlar)는 방향족 폴리아미드에 속하는 섬유로, 인장 강도가 매우 강하고 가벼운 특성을 지닌다. 직경 1mm의 케블라 실은 220kg의 무게를 견딜 수 있으며, 케블라 로프는 강철 로프 무게의 5분의 1에 불과하다. 케블라 섬유를 에폭시 수지 등의 플라스틱에 섞어 만든 케블라 강화 플라스틱은 보트 선체, 스키판, 록히드 트라이스타와 같은 항공기 부품, 방탄복 등에 사용된다. 록히드 트라이스타는 좌석을 케블라 강화 플라스틱으로 교체하여 기체를 360kg 경량화했다. 케블라는 용광로 작업복의 소재로 쓰일 만큼 내열성도 뛰어나다.

일반적으로 연속 섬유 강화는 강한 섬유를 약한 매트릭스에 포함시켜 구현한다. 비금속 섬유는 공유 결합 특성으로 인해 금속 섬유보다 높은 강도 대 밀도 비율을 보인다. 탄소 섬유는 스포츠 용품에서 우주 산업에 이르기까지 다양한 분야에 활용된다.[82][83]

복합재료의 응력은 섬유와 매트릭스의 체적 분율로 표현할 수 있다.

:\sigma_c = V_f \sigma_f + V_m \sigma_m

(여기서 \sigma는 응력, V는 체적 분율이며, 아래첨자 c, f, m은 각각 복합재료, 섬유, 매트릭스를 나타낸다.)

응력-변형 거동은 시험을 통해 결정되지만, 예상되는 경향은 응력-변형 곡선의 세 단계로 나타난다.[82] 첫 번째 단계는 섬유와 매트릭스 모두 탄성적으로 변형되는 영역으로, 다음 식으로 표현할 수 있다.[82]

:\sigma_c - E_c \epsilon_c = \epsilon_c (V_f E_f + V_m E_m)

(여기서 \sigma는 응력, \epsilon는 변형률, E는 탄성 계수, V는 체적 분율이며, 아래첨자 c, f, m은 각각 복합재료, 섬유, 매트릭스를 나타낸다.)

두 번째 영역에서는 매트릭스가 소성 변형되는 반면 섬유는 여전히 탄성적으로 변형된다.[82]

:\sigma_c = V_f E_f \epsilon_c + V_m \sigma_m (\epsilon_c)

세 번째 단계에서는 섬유와 매트릭스 모두 소성 변형된다.[82]

:\sigma_c (\epsilon_c) = V_f \sigma_f \epsilon_c + V_m \sigma_m (\epsilon_c)

복합재료의 인장 강도는 다음과 같이 표현할 수 있다.[82]

:(T.S.)_c=V_f(T.S.)_f+V_m \sigma_m(\epsilon_m)

산업에서 가장 일반적으로 사용되는 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라이다.[91][92][93][94]

섬유 축(UD) 0°, 0/90°(직물) 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물) 섬유 / 에폭시 수지(120 °C에서 경화)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리케블라표준고탄성률E-유리케블라강철
0° 영률E1GPa708525301351754075207
90° 영률E2GPa7085253010886207
면내 전단 계수G12GPa5545554280
주 포아송 비v120.100.100.200.200.300.300.250.34
0° 극한 인장 강도XtMPa6003504404801500100010001300990
0° 극한 압축 강도XcMPa5701504251901200850600280
90° 극한 인장 강도YtMPa60035044048050403030
90° 극한 압축 강도YcMPa570150425190250200110140
극한 면내 전단 강도SMPa9035405070604060
0° 극한 인장 변형률ext%0.850.401.751.601.050.552.501.70
0° 극한 압축 변형률exc%0.800.151.700.600.850.451.500.35
90° 극한 인장 변형률eyt%0.850.401.751.600.500.500.350.50
90° 극한 압축 변형률eyc%0.800.151.700.602.502.501.352.30
극한 면내 전단 변형률es%1.800.701.001.001.401.201.003.00
밀도g/cc1.601.601.901.401.601.601.901.40



섬유 복합재료는 금속에 비해 비강도와 비강성이 훨씬 높다.[97]

비용, 비강도 및 비강성 비교[97]
탄소섬유 복합재료 (항공우주 등급)탄소섬유 복합재료 (상업용 등급)유리섬유 복합재료알루미늄 6061 T-6강철,
비용 ($/LB)$20 – $250+$5 – $20$1.50 – $3.00$3$0.30
강도 (psi)90,000 – 200,00050,000 – 90,00020,000 – 35,00035,00060,000
강성 (psi)10 x 106– 50 x 1068 x 106 – 10 x 1061 x 106 – 1.5 x 10610 x 10630 x 106
밀도 (lb/in3)0.0500.0500.0550.100.30
비강도1.8 x 106 – 4 x 1061 x 106 – 1.8 x 106363,640–636,360350,000200,000
비강성200 x 106 – 1,000 x 106160 x 106 – 200 x 10618 x 106 – 27 x 106100 x 106100 x 106



=== 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) ===

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 탄소 섬유를 강화재로 사용하여 만든 복합 재료이다.[91][92][93][94] 보다 강하고 알루미늄보다 가벼워 "꿈의 재료"로 불리며, 일본에서 개발되었다. 유기 섬유를 질소 기류 속에서 700~1800℃로 가열하여 탄화, 결정화시켜 제조한다.

미국항공우주국의 우주 기지 계획에 사용될 가능성이 있어 주목받고 있으며, 이미 태양 전지 패널, 안테나, 레이다 등 우주 기기 분야에 활용되고 있다. 스페이스 셔틀과 로켓의 적재 능력 한계로 인해, 인공위성 본체 및 탑재 기기는 가벼워야 하므로 탄소 섬유가 유용하다.

탄소 섬유는 원료에 따라 PAN(폴리아크릴로니트릴)계와 피치(석유, 석탄에서 방향족계 탄화수소)계로 나뉘며, 인장 강도, 탄성률 등 기계적 특성치에 따라 저탄성률/고탄성률, 저강도/고강도로 분류된다. 고탄성, 고강도 탄소 섬유는 고성능(HP, 하이 퍼포먼스), 저탄성, 저강도 탄소 섬유는 일반 성능(GP, 제너럴 퍼포먼스) 탄소 섬유라고 불린다.

탄소 섬유 복합 재료는 항공우주 기기, 자동차 등에서 1차 구조 재료로 활용될 가능성이 크다. 이를 위해서는 인장 강도 향상과 가격 인하라는 두 가지 과제를 해결해야 한다.

CFRP는 비강도와 비강성이 높아 금속을 대체할 수 있는 중요한 재료이다.[97] 아래 표는 강철, 알루미늄 합금과 비교하여 CFRP의 우수한 기계적 특성을 보여준다.

섬유 축(UD) 0°, 0/90°(직물) 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물) 섬유 / 에폭시 수지(120 °C에서 경화)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리케블라표준고탄성률E-유리케블라강철
0° 영률E1GPa708525301351754075207
90° 영률E2GPa7085253010886207
면내 전단 계수G12GPa5545554280
주 포아송 비v120.100.100.200.200.300.300.250.34
0° 극한 인장 강도XtMPa6003504404801500100010001300990
0° 극한 압축 강도XcMPa5701504251901200850600280
90° 극한 인장 강도YtMPa60035044048050403030
90° 극한 압축 강도YcMPa570150425190250200110140
극한 면내 전단 강도SMPa9035405070604060
0° 극한 인장 변형률ext%0.850.401.751.601.050.552.501.70
0° 극한 압축 변형률exc%0.800.151.700.600.850.451.500.35
90° 극한 인장 변형률eyt%0.850.401.751.600.500.500.350.50
90° 극한 압축 변형률eyc%0.800.151.700.602.502.501.352.30
극한 면내 전단 변형률es%1.800.701.001.001.401.201.003.00
밀도g/cc1.601.601.901.401.601.601.901.40






섬유 ±45° 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리표준E-유리강철알루미늄
종방향 계수E1GPa171712.319.112.220772
횡방향 계수E2GPa171712.319.112.220772
면내 전단 계수G12GPa3347113088025
포아송 비v12.77.83.53.74.53
인장 강도XtMPa11011090120120990460
압축 강도XcMPa11011090120120990460
면내 전단 강도SMPa260210100310150
열팽창 계수Alpha1변형률/K2.15 E-60.9 E-612 E-64.9 E-610 E-611 E-623 E-6
습기 계수Beta1변형률/K3.22 E-42.49 E-46.9 E-4



섬유 복합재료의 기계적 특성은 표준 기계적 시험 방법을 사용하여 측정할 수 있다. 복합재 내 섬유 방향에 대해 다양한 각도(0°, 45°, 90° 등)로 시료를 배치하여 시험하며, 이를 통해 복합재의 이방성을 고려한 특성을 파악한다.[95] 일반적으로 0° 축 방향 정렬은 종방향 굽힘 및 축 방향 인장/압축 저항, 90° 후프 정렬은 내부/외부 압력 저항, ±45°는 순수 비틀림 저항에 유리하다.

=== 금속 기지 복합재료 (MMC) ===

금속 매트릭스 복합재료(MMC)는 섬유나 위스커를 사용하여 금속 모재를 강화한 재료이다.[111] 경금속(알루미늄, 마그네슘, 베릴륨, 티타늄 등)이나 합금(스테인리스강 등)을 기지로 사용하며, 섬유(탄소섬유 등), 세라믹스 등을 강화재로 사용한다. 고온, 고강도, 내마모성이 요구되는 분야에 사용된다.

=== 세라믹 기지 복합재료 (CMC) ===

세라믹 매트릭스 복합재료(CMC)는 세라믹스를 기지로 사용하고, 세라믹 섬유나 입자 등으로 강화한 복합재료이다.[108][109] 고온, 내열성, 내식성이 요구되는 분야에 사용된다. 산화알루미늄, 탄화규소, 뮬라이트 등이 사용되며, 특히 유기규소 폴리머를 전구체로 하는 비정질 탄화규소계 장섬유는 금속 기지 및 세라믹 기지 복합재료의 강화섬유로 주목받고 있다. Si-C-O계 섬유(일본 카본(日本カーボン) 제, 상품명: 니카론(ニカロン)) 및 Si-Ti-C-O계 섬유(UBE(기업)(UBE) 제, 상품명: 티라노 섬유(チラノ繊維)) 등이 있다.[110]

3. 1. 섬유 강화 플라스틱 (FRP)

플라스틱은 일반적으로 강도가 약하거나 내열성이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 결점을 보완하기 위해 탄소섬유, 케블러, 파이버글라스(유리섬유) 등의 섬유와 복합시킨 것이 FRP(섬유강화 플라스틱)이다. FRP는 제2차 세계 대전 중에 개발되어 지난 30여 년 동안 크게 발전해 왔다. 가볍고 강하며 내식성이 뛰어나 구조 재료, 스포츠 용품, 생활 용품 등 다양한 분야에서 활용된다.

듀퐁이 1973년에 개발한 케블라(Kevlar)는 방향족 폴리아미드에 속하는 섬유로, 인장 강도가 매우 강하고 가벼운 특성을 지닌다. 직경 1mm의 케블라 실은 220kg의 무게를 견딜 수 있으며, 케블라 로프는 강철 로프 무게의 5분의 1에 불과하다. 케블라 섬유를 에폭시 수지 등의 플라스틱에 섞어 만든 케블라 강화 플라스틱은 보트 선체, 스키판, 록히드 트라이스타와 같은 항공기 부품, 방탄복 등에 사용된다. 록히드 트라이스타는 좌석을 케블라 강화 플라스틱으로 교체하여 기체를 360kg 경량화했다. 케블라는 용광로 작업복의 소재로 쓰일 만큼 내열성도 뛰어나다.

일반적으로 연속 섬유 강화는 강한 섬유를 약한 매트릭스에 포함시켜 구현한다. 비금속 섬유는 공유 결합 특성으로 인해 금속 섬유보다 높은 강도 대 밀도 비율을 보인다. 탄소 섬유는 스포츠 용품에서 우주 산업에 이르기까지 다양한 분야에 활용된다.[82][83]

복합재료의 응력은 섬유와 매트릭스의 체적 분율로 표현할 수 있다.

:\sigma_c = V_f \sigma_f + V_m \sigma_m

(여기서 \sigma는 응력, V는 체적 분율이며, 아래첨자 c, f, m은 각각 복합재료, 섬유, 매트릭스를 나타낸다.)

응력-변형 거동은 시험을 통해 결정되지만, 예상되는 경향은 응력-변형 곡선의 세 단계로 나타난다.[82] 첫 번째 단계는 섬유와 매트릭스 모두 탄성적으로 변형되는 영역으로, 다음 식으로 표현할 수 있다.[82]

:\sigma_c - E_c \epsilon_c = \epsilon_c (V_f E_f + V_m E_m)

(여기서 \sigma는 응력, \epsilon는 변형률, E는 탄성 계수, V는 체적 분율이며, 아래첨자 c, f, m은 각각 복합재료, 섬유, 매트릭스를 나타낸다.)

두 번째 영역에서는 매트릭스가 소성 변형되는 반면 섬유는 여전히 탄성적으로 변형된다.[82]

:\sigma_c = V_f E_f \epsilon_c + V_m \sigma_m (\epsilon_c)

세 번째 단계에서는 섬유와 매트릭스 모두 소성 변형된다.[82]

:\sigma_c (\epsilon_c) = V_f \sigma_f \epsilon_c + V_m \sigma_m (\epsilon_c)

복합재료의 인장 강도는 다음과 같이 표현할 수 있다.[82]

:(T.S.)_c=V_f(T.S.)_f+V_m \sigma_m(\epsilon_m)

산업에서 가장 일반적으로 사용되는 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라이다.[91][92][93][94]

섬유 축(UD) 0°, 0/90°(직물) 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물) 섬유 / 에폭시 수지(120 °C에서 경화)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리케블라표준고탄성률E-유리케블라강철
0° 영률E1GPa708525301351754075207
90° 영률E2GPa7085253010886207
면내 전단 계수G12GPa5545554280
주 포아송 비v120.100.100.200.200.300.300.250.34
0° 극한 인장 강도XtMPa6003504404801500100010001300990
0° 극한 압축 강도XcMPa5701504251901200850600280
90° 극한 인장 강도YtMPa60035044048050403030
90° 극한 압축 강도YcMPa570150425190250200110140
극한 면내 전단 강도SMPa9035405070604060
0° 극한 인장 변형률ext%0.850.401.751.601.050.552.501.70
0° 극한 압축 변형률exc%0.800.151.700.600.850.451.500.35
90° 극한 인장 변형률eyt%0.850.401.751.600.500.500.350.50
90° 극한 압축 변형률eyc%0.800.151.700.602.502.501.352.30
극한 면내 전단 변형률es%1.800.701.001.001.401.201.003.00
밀도g/cc1.601.601.901.401.601.601.901.40



섬유 복합재료는 금속에 비해 비강도와 비강성이 훨씬 높다.[97]

비용, 비강도 및 비강성 비교[97]
탄소섬유 복합재료 (항공우주 등급)탄소섬유 복합재료 (상업용 등급)유리섬유 복합재료알루미늄 6061 T-6강철,
비용 ($/LB)$20 – $250+$5 – $20$1.50 – $3.00$3$0.30
강도 (psi)90,000 – 200,00050,000 – 90,00020,000 – 35,00035,00060,000
강성 (psi)10 x 106– 50 x 1068 x 106 – 10 x 1061 x 106 – 1.5 x 10610 x 10630 x 106
밀도 (lb/in3)0.0500.0500.0550.100.30
비강도1.8 x 106 – 4 x 1061 x 106 – 1.8 x 106363,640–636,360350,000200,000
비강성200 x 106 – 1,000 x 106160 x 106 – 200 x 10618 x 106 – 27 x 106100 x 106100 x 106


3. 2. 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP)

탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 탄소 섬유를 강화재로 사용하여 만든 복합 재료이다.[91][92][93][94] 보다 강하고 알루미늄보다 가벼워 "꿈의 재료"로 불리며, 일본에서 개발되었다. 유기 섬유를 질소 기류 속에서 700~1800℃로 가열하여 탄화, 결정화시켜 제조한다.

미국항공우주국의 우주 기지 계획에 사용될 가능성이 있어 주목받고 있으며, 이미 태양 전지 패널, 안테나, 레이다 등 우주 기기 분야에 활용되고 있다. 스페이스 셔틀과 로켓의 적재 능력 한계로 인해, 인공위성 본체 및 탑재 기기는 가벼워야 하므로 탄소 섬유가 유용하다.

탄소 섬유는 원료에 따라 PAN(폴리아크릴로니트릴)계와 피치(석유, 석탄에서 방향족계 탄화수소)계로 나뉘며, 인장 강도, 탄성률 등 기계적 특성치에 따라 저탄성률/고탄성률, 저강도/고강도로 분류된다. 고탄성, 고강도 탄소 섬유는 고성능(HP, 하이 퍼포먼스), 저탄성, 저강도 탄소 섬유는 일반 성능(GP, 제너럴 퍼포먼스) 탄소 섬유라고 불린다.

탄소 섬유 복합 재료는 항공우주 기기, 자동차 등에서 1차 구조 재료로 활용될 가능성이 크다. 이를 위해서는 인장 강도 향상과 가격 인하라는 두 가지 과제를 해결해야 한다.

CFRP는 비강도와 비강성이 높아 금속을 대체할 수 있는 중요한 재료이다.[97] 아래 표는 강철, 알루미늄 합금과 비교하여 CFRP의 우수한 기계적 특성을 보여준다.

섬유 축(UD) 0°, 0/90°(직물) 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물) 섬유 / 에폭시 수지(120 °C에서 경화)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리케블라표준고탄성률E-유리케블라강철
0° 영률E1GPa708525301351754075207
90° 영률E2GPa7085253010886207
면내 전단 계수G12GPa5545554280
주 포아송 비v120.100.100.200.200.300.300.250.34
0° 극한 인장 강도XtMPa6003504404801500100010001300990
0° 극한 압축 강도XcMPa5701504251901200850600280
90° 극한 인장 강도YtMPa60035044048050403030
90° 극한 압축 강도YcMPa570150425190250200110140
극한 면내 전단 강도SMPa9035405070604060
0° 극한 인장 변형률ext%0.850.401.751.601.050.552.501.70
0° 극한 압축 변형률exc%0.800.151.700.600.850.451.500.35
90° 극한 인장 변형률eyt%0.850.401.751.600.500.500.350.50
90° 극한 압축 변형률eyc%0.800.151.700.602.502.501.352.30
극한 면내 전단 변형률es%1.800.701.001.001.401.201.003.00
밀도g/cc1.601.601.901.401.601.601.901.40






섬유 ±45° 하중축, 건조, 상온, Vf = 60%(UD), 50%(직물)[96]
기호단위표준고탄성률E-유리표준E-유리강철알루미늄
종방향 계수E1GPa171712.319.112.220772
횡방향 계수E2GPa171712.319.112.220772
면내 전단 계수G12GPa3347113088025
포아송 비v12.77.83.53.74.53
인장 강도XtMPa11011090120120990460
압축 강도XcMPa11011090120120990460
면내 전단 강도SMPa260210100310150
열팽창 계수Alpha1변형률/K2.15 E-60.9 E-612 E-64.9 E-610 E-611 E-623 E-6
습기 계수Beta1변형률/K3.22 E-42.49 E-46.9 E-4



섬유 복합재료의 기계적 특성은 표준 기계적 시험 방법을 사용하여 측정할 수 있다. 복합재 내 섬유 방향에 대해 다양한 각도(0°, 45°, 90° 등)로 시료를 배치하여 시험하며, 이를 통해 복합재의 이방성을 고려한 특성을 파악한다.[95] 일반적으로 0° 축 방향 정렬은 종방향 굽힘 및 축 방향 인장/압축 저항, 90° 후프 정렬은 내부/외부 압력 저항, ±45°는 순수 비틀림 저항에 유리하다.

3. 3. 금속 기지 복합재료 (MMC)

금속 기지 복합재료는 섬유나 위스커를 사용하여 금속 모재를 강화한 재료이다.[111] 경금속(알루미늄, 마그네슘, 베릴륨, 티타늄 등)이나 합금(스테인리스강 등)을 기지로 사용하며, 섬유(탄소섬유 등), 세라믹스 등을 강화재로 사용한다. 고온, 고강도, 내마모성이 요구되는 분야에 사용된다.

3. 4. 세라믹 기지 복합재료 (CMC)

세라믹 기지 복합재료(CMC)는 세라믹스를 기지로 사용하고, 세라믹 섬유나 입자 등으로 강화한 복합재료이다.[108][109] 고온, 내열성, 내식성이 요구되는 분야에 사용된다. 산화알루미늄, 탄화규소, 뮬라이트 등이 사용되며, 특히 유기규소 폴리머를 전구체로 하는 비정질 탄화규소계 장섬유는 금속 기지 및 세라믹 기지 복합재료의 강화섬유로 주목받고 있다. Si-C-O계 섬유(일본 카본(日本カーボン) 제, 상품명: 니카론(ニカロン)) 및 Si-Ti-C-O계 섬유(UBE(기업)(UBE) 제, 상품명: 티라노 섬유(チラノ繊維)) 등이 있다.[110]

4. 활용

플라스틱은 일반적인 강도가 약하거나 내열성이 떨어진다는 단점을 보완하기 위해 탄소섬유, 케블러, 파이버글라스(유리섬유) 등의 섬유와 복합시켜 FRP(섬유강화 플라스틱) 형태로 활용된다. FRP는 가볍고 강하며 내식성이 뛰어나 보트, 낚싯대, 라켓, 욕조 등 생활 용품뿐만 아니라 구조재료 분야에서도 널리 쓰인다.[41] 특히 케블라(Kevlar)는 복합재료의 꽃으로 불리며 주목받고 있다.

섬유강화 복합재료는 높은 비용에도 불구하고, 경량성과 강도를 바탕으로 항공우주 부품(수평꼬리날개, 날개, 동체, 프로펠러), 보트 및 스컬 선체, 자전거 프레임, 경주용 자동차 차체와 같이 가혹한 하중 조건을 견뎌야 하는 고성능 제품에 주로 사용된다. 낚싯대, 저장 탱크, 수영장 패널, 야구 방망이 등에도 활용된다.[41] 보잉 787과 에어버스 A350의 날개와 동체를 포함한 구조물은 대부분 복합재료로 구성되어 있다.[41] 정형외과 수술 분야와[42] 하키 스틱 소재로도 사용된다.

탄소 복합재는 발사체와 우주선의 재진입 단계를 위한 열 차폐막의 핵심 소재이며, 태양 전지판 기판, 안테나 반사경 및 우주선의 요크에 널리 사용된다. 발사체의 페이로드 어댑터, 단간 구조물 및 열 차폐막에도 사용된다. 비행기와 경주용 자동차의 디스크 브레이크 시스템은 탄소/탄소 소재를 사용하며, 탄소 섬유와 탄화규소 매트릭스를 가진 복합재료가 고급차와 스포츠카에 도입되었다.

2006년에는 주거용 및 상업용 지하 수영장을 위한 섬유강화 복합재 수영장 패널이 아연 도금 강철의 부식 방지 대안으로 소개되었다. 2007년에는 TPI Composites Inc.와 Armor Holdings Inc.가 최초의 전면 복합재 군용 차량인 전면 복합재 군용 험비를 소개했다. 복합재료를 사용함으로써 차량이 가벼워져 더 높은 탑재량을 허용한다.[43] 2008년에는 탄소 섬유와 듀폰 케블라(강철보다 5배 강함)가 향상된 열경화성 수지와 결합되어 ECS Composites에 의해 군용 수송 케이스를 만들었는데, 이는 강도가 높으면서 30% 더 가벼운 케이스이다.

식수, 소방, 관개, 해수, 담수화된 물, 화학 및 산업 폐기물, 하수의 운송과 같은 다양한 목적을 위한 파이프와 피팅은 유리 강화 플라스틱으로 제조된다. 외관에 사용되는 인장 구조물에 사용되는 복합재료는 반투명하다는 장점을 제공한다. 적절한 코팅과 결합된 직조 기본 천은 더 나은 광 투과율을 허용한다.[44]

50m 길이의 풍력 터빈 날개는 수년 동안 복합재로 제작되어 왔다.[45] 두 다리 모두 절단된 사람들이 탄소 복합재 스프링형 인공 발을 사용하여 절단되지 않은 운동선수만큼 빠르게 달린다.[46] 소방관을 위한 약 7~9리터 용량 x 300바 압력의 고압 가스 실린더는 현재 탄소 복합재로 제작된다. 4형 실린더는 밸브를 조이기 위한 나사산을 갖는 보스로서 금속만을 포함한다.

2019년 9월 5일, HMD 글로벌은 프레임에 폴리머 복합재를 사용하는 것으로 알려진 노키아 6.2와 노키아 7.2를 공개했다.[47]

이 외에도, 합판, 탄소섬유강화탄소복합재료, 금속기지복합재료, 세라믹스기지복합재료, 콘크리트, 아스팔트혼합물, 철근콘크리트, , 파이 크리트 등 다양한 복합재료가 존재한다.

5. 성형 및 제조

복합재료의 성형 공정은 제품의 특성과 생산량에 따라 다양한 방법이 선택된다. 복합재료 제작에는 일반적으로 보강재를 매트릭스로 적시거나, 혼합하거나, 함침하는 과정이 포함된다.[56][57][58][59][60][61][62] 그 후 매트릭스는 열이나 화학 반응을 통해 결합되어 단단한 구조를 형성한다. 이러한 작업은 개방형 또는 폐쇄형 성형 금형에서 수행되지만, 구성 요소를 도입하는 순서와 방법은 매우 다양하다.

융합 과정 후 부품 형상은 기본적으로 설정되지만, 특정 공정 조건 하에서는 변형될 수 있다. 열경화성 수지 매트릭스 재료의 융합 과정은 유기 과산화물과 같은 과도한 열이나 화학 반응성으로 인한 경화 반응이다. 열가소성 고분자 매트릭스 재료의 융합 과정은 용융 상태에서의 고화이며, 티타늄 박막과 같은 금속 매트릭스 재료의 융합 과정은 고압 및 융점 근처의 온도에서의 용융이다.

많은 성형 방법에서 하나의 금형 부품을 "하부" 금형, 다른 금형 부품을 "상부" 금형이라고 부르는 것이 일반적이다. 하부와 상부는 금형의 구성을 의미하는 것이 아니라 성형된 패널의 서로 다른 면을 나타낸다.

일반적으로 성형된 제품은 패널이라고 하며, 특정 형상과 재료 조합의 경우 주조품, 특정 연속 공정의 경우 프로파일이라고 할 수 있다. 이러한 공정에는 오토클레이브 성형,[63] 진공 백 성형,[64] 압력 백 성형,[65] 레진 트랜스퍼 성형,[66] 경량 레진 트랜스퍼 성형[67]이 있다. 다른 제작 방법에는 주조,[68] 원심 주조,[69] 브레이딩,[70] 연속 주조,[71] 필라멘트 와인딩,[58] 프레스 성형,[72] 트랜스퍼 성형, 풀트루전 성형,[73] 및 슬립 성형[74]이 있다.

CNC 필라멘트 와인딩, 진공 주입, 습식 적층, 압축 성형, 및 열가소성 성형 등과 같은 성형 기능도 있으며, 어떤 프로젝트에는 경화 오븐과 도장 부스 사용도 필요하다. 복합재 부품의 마감 또한 최종 설계에서 매우 중요하다. 이러한 마감의 많은 부분은 내우성 코팅 또는 폴리우레탄 코팅을 포함한다.

금형과 금형 인서트는 "툴링(tooling)"이라고 하며, 알루미늄, 탄소 섬유, 인바, 니켈, 강화 실리콘 고무 및 강철을 포함한 다양한 재료로 제작될 수 있다. 툴링 재료 선택은 열팽창 계수, 예상 사이클 수, 최종 제품 허용 오차, 원하는 또는 예상되는 표면 상태, 경화 방법, 성형될 재료의 유리 전이 온도, 성형 방법, 매트릭스, 비용 및 기타 다양한 고려 사항을 기반으로 한다.

일체화하여 성형할 수 있는 복합재료의 장점을 활용한 성형법이 채택되는 경우가 많다. 일반적인 것은 열경화성 수지를 함침한 탄소섬유나 아라미드섬유의 프리프레그를 적층한 후, 오토클레이브로 가열하여 경화하는 방법이다. 한편, 양산성과 강도의 양립을 위해 액정폴리머를 분산시킨 수지를 사출성형으로 금형 내에 사출하여 성형하는 방법도 있다. 오토클레이브를 사용한 성형은 생산성이 떨어지고, 오토클레이브의 크기에 따라 제조 가능한 성형품의 크기가 제한되기 때문에, 최근에는 탈오토클레이브 성형법도 점차 보급되고 있다.[106]

일반적으로 열가소성 수지 복합재료는 열경화성 수지 복합재료에 비해 인성이 높고, 성형 온도는 높지만 단시간에 성형할 수 있다는 장점이 있다. 단시간 성형은 생산성을 높이고 원가 절감에 기여한다.[107]

6. 한국의 복합재료 산업 현황 및 전망

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