섬유 강화 재료

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섬유 강화 재료(Fiber reinforced materials)는 신소재 중 복합재료의 하나로, 분산상의 기하적 구조가 길이와 지름의 비가 큰 섬유와 같습니다. 섬유 강화 재료는 일반적으로 강화재(Reinforcement)와 기지재(Matrix)로 구성됩니다.
강화재섬유 강화 복합재료에서 섬유는 가장 중요한 요소이며, 일반적으로 복합재료 부피 중 가장 많은 부분을 차지하고 가장 많은 하중을 전달합니다. 강화재는 강도와 강성을 부여하는 역할을 합니다. 강화재의 종류는 다음과 같습니다:

• 유리 섬유 (Glass fiber): 규산염을 주성분으로 하는 유리를 용융 가공하여 섬유 모양으로 만든 재료입니다. 섬유의 지름, 조성 등에 따라 A, E, S 등으로 분류되며, 각 물성치가 다릅니다.
• 탄소 섬유 (Carbon fiber): 유기 섬유 (셀룰로스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치 등)를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유입니다. 현재 최신 복합재료에 사용되는 보강 섬유의 대종을 이루고 있습니다.
• 아라미드 섬유 (Aramid fiber): 방향족 계의 폴리아마이드 섬유로, 뛰어난 내열성, 탄성률, 충격안전성, 내피로성, 강도를 가지고 있습니다. 방탄복, 헬멧, 광케이블, 자동차 타이어, 항공기 내부 골재 등에 사용됩니다. 대표적인 아라미드 섬유로는 듀퐁의 KEVLAR, 코오롱의 HERACRON이 있습니다.
• 탄화규소 (SiC) 섬유: 탄화규소로 이루어진 섬유로, 내산화성, 내마모성, 내부식성 및 열충격 저항성이 우수합니다. 항공기, 고온 가스터빈 원자로 등 첨단 하이테크 산업에서 활용됩니다.
• Basalt 섬유: 현무암으로 만들어진 회갈색의 고성능 섬유입니다. 유리섬유보다 인장 강도 및 탄성률이 높고, 내화학성 및 내열성이 우수하여 절연 재료 및 건축 자재로 사용됩니다.
• 보론 섬유: 높은 강도와 강성을 가진 섬유입니다.
• 천연 섬유: 목재, 아마, 삼 등 자연에서 얻을 수 있는 섬유입니다.

형태에 따른 섬유 강화재 분류

• Filament: 평균 지름이 5 ~ 10 microns의 길이가 무한한 개개의 섬유.
• Strand: 꼬여있지 않은 연속섬유의 기본적인 다발.
• Yarn: 10,000개 이하의 Filament로 구성되어 직조용으로 사용하기 편하게 꼬여진 상태로 이루어진 섬유 다발.
• Tow: 10,000개 이상의 연속 섬유가 꼬여있지 않은 상태로 이루어진 섬유 다발.
• Roving: 연속 섬유다발을 가리키는 말로 다발 전체가 꼬여있을 수도 있고 꼬여 있지 않을 수도 있다. 주로 Filament Winding 공정에 사용된다.

기지재기지재는 섬유를 결합시키는 접착 매트릭스 역할을 하며, 적용된 하중을 강화 섬유에 전달하고 섬유를 환경 공격으로부터 보호합니다. 기지재의 종류는 다음과 같습니다:

• 고분자 (Polymer): 열경화성 고분자 (에폭시, 폴리에스터, 페놀 등)와 열가소성 고분자 (나일론, 폴리카보네이트, 폴리에테르이미드 등)가 있습니다.
• 금속 (Metal): 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인레스강 등이 있습니다.
• 세라믹 (Ceramic): 알루미나, 실리콘나이트라이드, 실리콘카바이드, 탄소 등이 있습니다.

섬유 강화 재료의 종류기지재의 종류에 따라 섬유 강화 재료는 다음과 같이 분류됩니다.

• 섬유 강화 플라스틱 (FRP): 고분자를 기지재로 사용하는 복합재료입니다. 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP) 등이 있습니다.
• 섬유 강화 금속 (FRM): 금속을 기지재로 사용하는 복합재료입니다.
• 섬유 강화 세라믹 (FRC): 세라믹을 기지재로 사용하는 복합재료입니다.
• 섬유 강화 콘크리트 (FRC): 콘크리트를 기지재로 사용하는 복합재료입니다.

섬유 강화 재료의 장점

• 낮은 밀도
• 높은 비강도와 비강성
• 높은 감쇠 특성
• 낮은 열팽창 계수
• 부식 및 피로에 대한 저항성
• 낮은 마찰 계수 및 높은 마모 저항성

섬유 강화 재료의 응용 분야섬유 강화 재료는 다음과 같은 다양한 분야에 사용됩니다:

• 건축 및 건설: 교량, 건물, 도로 등
• 자동차 및 운송: 자동차 부품, 기차, 선박 등
• 항공 우주: 항공기 부품, 우주선 등
• 해양: 보트, 요트, 해양 구조물 등
• 스포츠 장비: 골프채, 테니스 라켓, 자전거 등
• 기타: 방탄복, 헬멧, 전자 제품, 의료 기기 등