탄소 섬유 강화 플라스틱
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1. 개요
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 탄소 섬유를 강화재로, 열경화성 플라스틱을 매트릭스로 사용하는 복합 재료이다. 높은 강도와 경량성, 높은 탄성률을 가지며, 탄소 섬유의 배치와 비율에 따라 특성이 달라진다. 항공우주, 자동차, 토목 건축, 스포츠 용품 등 다양한 분야에서 활용되며, 제조 방법은 드라이 카본과 웨트 카본으로 나뉜다. CFRP는 햇빛으로부터 보호받으면 긴 수명을 가지며, 열분해를 통해 분해하거나, 섬유를 회수하여 재활용할 수 있다.
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| 탄소 섬유 강화 플라스틱 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 고분자 복합재료 |
| 재료 | 탄소 섬유 수지 |
| 설명 | |
| 정의 | 탄소 섬유를 강화재로 사용한 플라스틱 복합 재료 |
| 특징 | 가볍고 강하며 단단함 |
| 용도 | 항공기 자동차 스포츠 용품 기타 산업 분야 |
| 장점 | |
| 높은 강도 | 무게 대비 강도가 높음 |
| 높은 강성 | 변형에 대한 저항이 큼 |
| 낮은 무게 | 경량화 가능 |
| 내열성 | 높은 온도에서도 물성 유지 |
| 내화학성 | 화학 물질에 대한 저항성이 높음 |
| 낮은 열팽창 | 온도 변화에 따른 팽창이 적음 |
| 단점 | |
| 높은 비용 | 제조 비용이 비쌈 |
| 낮은 충격 저항성 | 충격에 약함 |
| 재활용 어려움 | 재활용이 쉽지 않음 |
| 이방성 | 섬유 방향에 따라 물성이 다름 |
| 제조 공정 | |
| 함침 | 섬유에 수지를 침투시킴 |
| 성형 | 원하는 형태로 만듦 |
| 경화 | 수지를 굳힘 |
| 응용 분야 | |
| 항공우주 | 항공기 동체 날개 내부 구조재 |
| 자동차 | 차체 내부 부품 |
| 스포츠 용품 | 골프채 낚싯대 자전거 프레임 |
| 산업 | 풍력 발전기 블레이드 압력 용기 건축 구조재 |
| 추가 정보 | |
| 주의 사항 | 드릴링 시 층간 분리 발생 가능 피로 파괴에 대한 연구 필요 |
| 참고 문헌 | 탄소 섬유 강화 폴리머 (CFRP) 복합재료 드릴링을 위한 고급 절삭 공구 및 기술: 리뷰 스티칭에 의한 CFRP의 층간 분리 저항 개선 - 리뷰 JACI 텍스트：GSC 입문 ~ GSC 상을 수상한 사회적 실천 사례에서 배우는 GSC |
| 관련 기술 | Tech-On! |
| 추가 연구 | 엔트로피 생성을 이용한 비파괴 열 측정에 의한 열경화성 에폭시 수지의 보이지 않는 피로 손상 식별 |
2. 특성
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 복합 재료로, 매트릭스(기지)와 강화재(탄소 섬유)로 구성된다. CFRP의 재료 특성은 이 두 요소에 따라 달라진다.[4] 강화재는 CFRP에 강도와 강성을 제공하며, 이는 각각 응력과 탄성 계수로 측정된다. 강철과 알루미늄과 같은 등방성 재료와 달리 CFRP는 방향성 강도 특성을 가지며, 탄소 섬유의 배치와 고분자에 대한 탄소 섬유의 비율에 따라 특성이 달라진다.[5]
CFRP는 가공하기 매우 어렵고 상당한 공구 마모를 유발한다. CFRP 가공에서의 공구 마모는 절삭 공정의 섬유 배향 및 가공 조건에 따라 달라진다.[16]
2. 1. 역학적 특성
CFRP는 높은 강도, 경량, 높은 탄성률, 진동 감쇠성, 높은 치수 안정성을 가지는 것이 특징이다. 이러한 특성은 탄소 섬유와 매트릭스 수지의 종류, 첨가물의 종류, 탄소 섬유의 밀도나 방향 등에 따라 달라진다.[4]- 강도: 인장 강도는 주로 강화재인 탄소 섬유의 영향을 받으며, 압축 강도는 주로 매트릭스인 폴리머의 영향을 받는다.[4]
- 경량: 무게는 대체로 매트릭스인 폴리머에 가까운 값을 갖는다.
- 높은 탄성률: 산업용 롤이나 풍력 발전용 풍차 날개에 적합하다.
- 진동 감쇠성: 로봇 핸드, 자동차 프로펠러 샤프트, 스포츠 용품에 적합하다.
- 높은 치수 안정성: 재료 선택에 따라 열팽창 계수를 0에 가깝게 할 수 있으므로, 천체 망원경에 적합하다.
CFRP의 탄성 계수는 탄소 섬유의 배치와 비율에 따라 달라지며, 등방성 재료와 달리 방향성을 가지는 이방성 재료이다.[5] 적용 하중 방향으로 섬유가 배열된 경우, 복합재의 전체 탄성 계수()는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
:
여기서 과 는 각각 매트릭스와 섬유의 부피 분율이며, 과 는 각각 매트릭스와 섬유의 탄성 계수이다.[6] 반대로, 적용 하중에 수직으로 섬유가 배열된 경우에는 다음과 같은 식을 사용한다.[6]
:
CFRP는 명확한 피로 한계가 없기 때문에 반복 하중이 가해지는 경우, 사용 수명을 넉넉하게 설정해야 한다.[8]
파괴 인성은 탄소 섬유와 매트릭스 사이의 분리, 섬유 풀 아웃, 층간 박리 등의 메커니즘에 의해 결정된다.[7] 에폭시 수지를 매트릭스로 사용한 CFRP는 파괴까지의 변형률이 0.5% 이하로 매우 작고, 파괴가 급격하게 진행되므로 파괴 예측이 어렵다.[7]
2. 2. 화학적 특성
CFRP는 뛰어난 내식성을 가지고 있다.[12] 그러나 넓은 범위의 온도에서 습기에 노출되면 CFRP, 특히 매트릭스와 섬유 계면의 기계적 특성이 저하될 수 있다.[12] 탄소 섬유 자체는 수분의 영향을 받지 않지만, 수분은 고분자 매트릭스를 가소화시켜 CFRP의 압축, 층간 전단, 충격 특성과 같이 매트릭스의 영향을 많이 받는 특성을 변화시킨다.[7][13] 제트 엔진 팬 블레이드에 사용되는 에폭시 매트릭스는 제트 연료, 윤활유, 빗물에 견딜 수 있도록 설계되었으며, 자외선으로 인한 손상을 최소화하기 위해 복합재 부품 외부에 페인트를 칠한다.[7][14]탄소 섬유는 알루미늄이나 연강에 부착될 때 갈바닉 부식을 일으킬 수 있지만, 스테인리스강이나 티타늄에는 그렇지 않다.[15]
2. 3. 기타 특성
CFRP는 가공하기 매우 어렵고, 공구 마모가 심하다.[16] CFRP 가공 시 공구 마모는 절삭 공정의 섬유 배향 및 가공 조건에 따라 달라진다.[16] 공구 마모를 줄이기 위해 다양한 유형의 코팅 공구가 CFRP 및 CFRP-금속 스택 가공에 사용된다.[16] 일반적인 공구로는 마모가 심하고 표면 거칠기가 발생하므로, 코팅 등을 한 전용 공구를 사용한다.최근에는 비접촉 가공으로서 레이저 절단이 연구되고 있다.[55] 초단 펄스 레이저를 사용한 가공[56]이나, 나노초 레이저를 사용한 가공[57] 등 다양한 레이저를 이용한 가공 방법이 연구되고 있으며, 수치 시뮬레이션에 의한 현상 파악도 진행되고 있다.[58]
3. 제조 방법
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 제조 방법은 제작되는 부품, 필요한 마감(외부 광택), 생산량에 따라 달라진다. 또한, 매트릭스 선택은 완성된 복합 재료의 특성에 큰 영향을 미친다.[18]
많은 CFRP 부품은 유리 섬유로 뒷받침되는 단일층 탄소 섬유 직물로 제작된다.[19] 이러한 복합 부품은 쵸퍼 건(chopper gun)이라는 도구를 사용하여 빠르게 제작할 수 있다. 쵸퍼 건은 유리 섬유 롤을 짧은 길이로 자르고 동시에 수지를 분사하여 유리 섬유와 수지를 현장에서 혼합한다.[20] 수지는 경화제와 수지를 별도로 분사하는 외부 혼합 방식 또는 사용 후 매번 세척이 필요한 내부 혼합 방식이 있다.
CFRP 제조 방법은 크게 드라이 카본과 웨트 카본 두 가지로 나뉜다.
3. 1. 드라이 카본
드라이 카본은 탄소 섬유와 모재(매트릭스)를 미리 혼합한 프리프레그(Pre-preg영어)를 틀에 붙여넣고 진공 백을 사용하여 가열하면서 압력차를 이용하여 에폭시를 흡수, 압착하여 경화시키는 방식이다. 높은 성능이 요구되는 경우에는 오토클레이브를 사용하여 적층 프리프레그나 프리프레그와 벌집 모양 재료의 밀착성을 확보한다. 벌집 모양 재료의 압착이 필요 없는 경우 등은 가열과 진공 배기에 의한 1기압의 압력으로 시공하여 오토클레이브에 의한 가압을 사용하지 않는 경우도 많다.과거에는 차량이나 항공기의 구조 부품 등 크고 극한의 성능이 요구되는 경우에 드라이 카본이 주로 사용되었는데, 생산 공정 대부분이 수작업이며 준비·시공에도 시간이 걸리고 대형 고압 오토클레이브나 유사 설비가 필요했기 때문에 비용이 매우 높았다. 또한 CFRP가 탄소 섬유 방향으로만 강도를 발생시켜 설계가 어렵다는 단점도 있었다. 그러나 최근에는 프리프레그 접착이 핸드 레이업보다 용이하고 정밀도를 높일 수 있으며 소량 생산에 적합하고, 소형 제품의 경우 대형 설비 없이도 생산 가능하여 스마트폰 케이스나 모바일 PC 외장 등 소형 제품을 중심으로 저비용 생산이 증가하고 있다.
탈 오토클레이브 성형법이나 마이크로파에 의한 가열[53] 등 새로운 제조법의 개발로 성형 비용이 감소하고 있다.
3. 2. 웨트 카본
웨트 카본은 일반적인 FRP와 마찬가지로 핸드 레이업, 인퓨전, RTM 등의 공법으로 만들어진다.[53] RTM이나 인퓨전 공법을 사용한 웨트 카본 제품은 기계 자동화에 의한 대량 생산이 가능하며, 자동차 등에 사용되고 있다.3. 3. 탄소 섬유 준비
탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온, 석유 피치 같은 전구체 고분자로 만든다. PAN이나 레이온 같은 합성 고분자는 먼저 방사하여 필라멘트로 만들고, 화학적·기계적 공정을 거쳐 고분자 사슬을 정렬시켜 탄소 섬유의 물리적 특성을 향상시킨다. 필라멘트 방사에 쓰이는 전구체 조성과 기계적 공정은 제조사마다 다르다. 연신 또는 방적 후, 고분자 필라멘트 원사를 가열하여 비탄소 원자를 제거하는 탄화 과정을 거쳐 탄소 섬유를 생산한다. 탄소 섬유 필라멘트 원사는 취급 품질을 개선하기 위해 추가 처리 후 보빈에 감는다.[17]3. 4. 시트 제작
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 주요 요소는 탄소 필라멘트이며, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온, 또는 석유 피치와 같은 전구체 고분자로 생산된다.[17] 이 섬유로부터 단방향 시트가 생성된다. 이 시트는 서로 0°, +60° 또는 -60°와 같이 의사 등방성 배치로 서로 겹쳐진다.기본 섬유로부터 양방향 직조 시트, 즉 2/2 직조의 능직을 만들 수 있다.[18]
탄소 섬유를 실처럼 사용하여 직물 시트를 제작한다. 한 방향으로 섬유를 정렬한 단방향 시트 외에도, 평직, 능직 등의 직조 방식의 시트도 사용된다.
3. 5. 성형
수지를 경화시켜 성형하는 공정에는 필요한 강도, 형상, 생산 수량에 맞춰 다양한 방법이 있다. 매트릭스 수지는 고온 또는 상온에서 경화되거나 열가소성 수지 등이 있으며, 이에 따라 성형 방법도 달라진다.저품질 제품은 수지를 함침하거나 도포한 탄소 섬유 크로스(함침된 것은 프리프레그라고 불린다)를 금형 형상에 맞게 절단하여 제작한다. 고품질 제품은 진공 팩과 오토클레이브로 경화시킨다. 오토클레이브 대신 에어 블래더나 EPS 폼으로 경화 전 탄소 섬유에 내압을 가하는 방법도 있다. 강도 저하의 원인이 되는 미세한 기포는 진공 처리나 프레스를 사용하여 해결할 수 있다.
- 프레스 성형법 (Compression molding): 금형에 프리프레그를 끼워 넣고 프레스한다. 고속 성형이 가능하고 치수 정밀도가 높다. 금형 가공 정밀도가 요구되어 초기 비용이 높고, 프레스기를 사용하므로 성형품 형상이 제한된다.
- RTM법 (Resin Transfer Mold): 프레스 성형의 일종이다. 자동차 제조사 BMW는 성형 1 사이클을 80초 이내로 하는 기술을 보유하고 있다. 형상 자유도, 강도 성능, 성형성이 과제이다.
- 드라이 레이업법 (dry layup): 프리프레그를 금형에 붙여 진공 처리하여 경화시킨다. 수지량이 적어도 핀홀이 발생하면 오토클레이브로 압력을 가하여 잔류 가스를 배출해야 한다.
- 오토클레이브법: 오토클레이브(압력 용기)를 사용하여 프리프레그를 가열·가압·진공 처리하면서 수지를 경화시키는 성형법이다. 소정 형상으로 절단한 프리프레그를 설계된 위치와 방향에 필요한 매수만큼 적층하고, 필름 내부를 진공 상태로 만들어 오토클레이브 내에서 가열·가압한다. 오토클레이브에서는 승온과 강온을 포함하여 약 1~8시간 정도의 시간이 필요하며, 제조 비용이 높지만, 재료, 형상 등 설계 자유도가 높고, CFRP의 특징과 성능을 가장 잘 이끌어낼 수 있는 제법이다.
탄소 섬유는 기계 가공으로 절삭하기 어렵고, 탄소 섬유가 불균일하게 분포된 CFRP는 기계 가공이 더욱 어렵다. 일반 공구로는 마모가 심하고 표면 거칠기가 발생하므로, 코팅 등을 한 전용 공구를 사용한다.
최근에는 비접촉 가공으로서 레이저 절단이 연구되고 있다.[55] 초단 펄스 레이저를 사용한 가공[56]이나, 나노초 레이저를 사용한 가공[57] 등 다양한 레이저를 이용한 가공 방법이 연구되고 있으며, 수치 시뮬레이션에 의한 현상 파악도 진행되고 있다.[58]
4. 응용 분야
CFRP는 처음에는 스포츠, 항공우주 분야에 사용되었고, 1990년대에는 의료용 X선 진단 장비, 자동차용 압축 천연가스 탱크, 토목·건축의 내진 보강, 산업용 롤 등으로 적용 범위를 넓혀 왔다.
| 분야 | 내용 |
|---|---|
| 스포츠 | 스쿼시, 테니스, 배드민턴 라켓, 스포츠 연 살대, 고품질 화살대, 하키 스틱, 낚싯대, 서프보드, 고급 수영 핀, 조정 쉘 등에 사용된다.[37] 절단 장애인 운동선수들은 CFRP로 만들어진 의족을 사용하며, 일부 농구 운동화의 생크 플레이트로 사용되기도 한다. 자전거 프레임 및 자전거 포크, 자전거 핸들바, 시트포스트, 크랭크셋, 림 등 다양한 자전거 부품에도 사용된다. |
| 자동차 | 고성능 자동차 경주에 광범위하게 사용되며,[29] 슈퍼카들의 모노코크 섀시 및 다른 부품에도 CFRP를 광범위하게 사용한다.[31] 자동차용 압축 천연가스 탱크, 수소 연료 전지차 부품 등 친환경 자동차 분야에서도 활용이 증가하고 있다. |
| 토목 건축 | 교량, 건물 등의 내진 보강에 널리 사용된다. CFRP를 철근 콘크리트 구조물에 사용하면 강도는 크게 향상되지만, 강성(단단한 정도)은 약간만 증가한다. |
| 일반 산업 기계 | 인쇄, 제지, 필름 제막 기계용 롤[36], 로봇 핸드[36], 의료용 X선 진단 장비 (CT 상판, X선 카세트)[36] 등에 사용된다. |
| 에너지 | 풍력 발전 블레이드, 고압 송전선, 우라늄 농축 회전 동, 슈퍼 플라이휠(전력 저장), 해저 유전 굴착 플랫폼 등에 사용된다.[1] |
| 수송 기기 | 철도 차량의 차체 및 가와사키 중공업에서 개발한 대차(efWING)[1], 선박의 선체 및 마스트[1] 등에 사용된다. |
| 기타 | 던롭 "Max-Grip" 탄소 섬유 기타 피크, 기타 넥(탄소 섬유 로드) 및 픽가드, 드럼 쉘, 백파이프 챈터, 피아노 액션, 탄소 섬유 첼로, 비올라, 바이올린, 어쿠스틱 기타 및 우쿨렐레와 같은 전체 악기, 턴테이블 및 스피커와 같은 오디오 부품 등 악기 분야에 널리 사용된다.[41] |
4. 1. 항공우주
에어버스 A350 XWB는 날개 스파와 동체 구성 요소를 포함하여 53%가 CFRP로 제작되었으며, 이는 CFRP의 가장 높은 중량 비율을 가진 항공기인 보잉 787 드림라이너의 50%를 넘어선 것이다.[22] 이는 복합재로 제작된 날개 스파를 가진 최초의 상업용 항공기 중 하나였다. 에어버스 A380은 CFRP로 제작된 중앙 날개 상자를 가진 최초의 상업용 여객기 중 하나였으며, 날개가 구간별로 분할되는 대신 부드럽게 윤곽이 잡힌 날개 단면을 갖춘 최초의 항공기이다. 이러한 유동적이고 연속적인 단면은 공기역학적 효율성을 최적화한다. 또한, 후방 가장자리와 후방 벌크헤드, 미익, 그리고 가압되지 않은 동체가 CFRP로 제작되었다.[23]
그러나 CFRP 부품 제조 문제로 인해 많은 지연이 발생하여 주문 인도 날짜가 연기되었다. 이는 금속 구조가 수십 년 동안 항공기에 대해 연구 및 사용되어 공정이 비교적 잘 이해된 반면, CFRP 부품을 만들기 위해 사용되는 비교적 새로운 공정은 그렇지 못했기 때문이다. 반복적인 문제는 CFRP의 특이한 다중 재료 및 이방성[24][25][26] 특성으로 인해 구조적 노후화 감시인데, 이를 위해 새로운 방법이 끊임없이 연구되고 있다.[27]
1968년, ''Hyfil'' 탄소 섬유 팬 어셈블리가 BOAC가 운행하는 비커스 VC10의 롤스로이스 콘웨이에 사용되었다.[28]
전문 항공기 설계자이자 제조업체인 스케일드 컴포지트는 최초의 개인 유인 우주선인 스페이스십 원을 포함하여 설계 범위 전체에서 CFRP를 광범위하게 사용했다. CFRP는 높은 강도 대 중량 비율로 인해 초소형 항공기 (MAV)에 널리 사용된다.
CFRP는 항공기의 기체 동체, 각종 날개, 제트 엔진 저온부, 헬리콥터, 드론, 로켓 등에 사용된다.
4. 2. 자동차
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 높은 강도 대 중량비로 인해 고성능 자동차 경주에서 광범위하게 사용된다.[29] 레이스카 제조사들은 탄소 섬유 부품에 특정 방향으로 강도를 부여하는 방법을 개발하여, 하중을 받는 방향과 그렇지 않은 방향에 따라 강도를 조절할 수 있게 되었다. 전방향 탄소 섬유 직조물은 모든 방향에서 강도를 제공하며, 고성능 레이스카의 "안전 셀" 모노코크 섀시에 널리 사용된다. 최초의 탄소 섬유 모노코크 섀시는 존 바나드가 설계했으며 맥라렌이 포뮬러 원에서 1981년 시즌에 도입했다.[30]
지난 수십 년 동안 많은 슈퍼카들이 모노코크 섀시뿐만 아니라 다른 부품에도 CFRP를 광범위하게 사용해 왔다.[31] 1971년 시트로엥 SM은 경량 탄소 섬유 휠을 옵션으로 제공했다.[32][33] 소량 생산 업체들은 CFRP를 사용하여 유리 섬유 강화 폴리머에 비해 강도가 증가하고 무게가 감소된 차체 패널을 제작했다.
자동차용 압축 천연가스 탱크, 수소 연료 전지차 부품 등 친환경 자동차 분야에서도 활용이 증가하고 있다.
- 양산차 (외판, 프로펠러 샤프트, 섀시)
- 레이싱 카
4. 3. 토목 건축
CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱)는 교량, 건물 등의 내진 보강에 널리 사용된다. 오래된 구조물의 하중 용량을 늘리거나, 지진으로 손상된 부분을 수리하는 데 쓰인다. CFRP는 기존 구조물 보강에 드는 비용을 절감할 수 있어 경제적이다.[34]CFRP를 철근 콘크리트 구조물에 사용하면 강도는 크게 향상되지만, 강성(단단한 정도)은 약간만 증가한다. 이는 CFRP가 매우 강하지만, 강성은 강철보다 약간 낮기 때문이다. 따라서 CFRP는 주로 강도를 높이는 용도로 사용된다.
CFRP는 철근 콘크리트의 전단 강도(잘림에 견디는 힘)를 높이는 데도 사용된다. 교량이나 건물 기둥 주위에 CFRP 직물이나 섬유를 감싸면 연성(늘어나는 성질)이 향상되어 지진과 같은 충격에도 잘 견딜 수 있다.
원형 기둥의 경우, CFRP로 감싸면 축 방향 하중(기둥을 누르는 힘)을 견디는 능력도 향상된다. CFRP가 콘크리트를 구속하여 압축 강도를 높이기 때문이다. 다만, 콘크리트가 약간만 강해져도 균열이 발생하므로 이 방법은 자주 사용되지 않는다.
주철 보를 강화하는 데에는 매우 높은 탄성 계수를 가진 특수 CFRP가 사용된다. CFRP를 보의 아래쪽에 붙이면 보의 강성이 증가하고, 중립 축(힘을 받지 않는 부분)이 낮아져 주철의 인장 응력(늘어나는 힘)이 줄어든다.
미국에서는 프리스트레스 콘크리트 원통형 파이프(PCCP)라는 수도관의 내부 보강에도 CFRP가 사용된다. CFRP 라이너는 파이프 내부의 강철 실린더가 탄성 범위 내에서 작동하도록 하여 파이프의 수명을 늘려준다.[35]
CFRP는 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)나 아라미드(AFRP)보다 비싸지만, 일반적으로 더 우수한 특성을 가진 것으로 평가된다. 그러나 비용 문제와 장기적인 내구성에 대한 의문은 여전히 남아있다. 또한, CFRP의 취성(잘 부서지는 성질)에 대한 우려도 있다.
CFRP는 다음과 같은 토목 건축 분야에 활용된다.
4. 4. 일반 산업 기계
4. 5. 에너지
풍력 발전 블레이드, 고압 송전선, 우라늄 농축 회전 동, 슈퍼 플라이휠(전력 저장), 해저 유전 굴착 플랫폼 등에 사용된다.[1]4. 6. 수송 기기
철도 차량의 차체 및 가와사키 중공업에서 개발한 대차(efWING)[1], 선박의 선체 및 마스트[1] 등에 사용된다.4. 7. 스포츠 용품
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 스쿼시, 테니스, 배드민턴 라켓, 스포츠 연 살대, 고품질 화살대, 하키 스틱, 낚싯대, 서프보드, 고급 수영 핀, 조정 쉘과 같은 스포츠 장비에 널리 사용된다.[37] 조니 피콕과 같은 절단 장애인 운동선수들은 달리기를 위해 탄소 섬유로 만들어진 의족을 사용한다. 또한, 발을 안정적으로 유지하기 위해 일부 농구 운동화의 생크 플레이트로 사용되기도 한다.
2006년에는 등에 얇은 탄소 섬유 층이 있는 크리켓 배트가 도입되어 리키 폰팅, 마이클 허시 등 유명 선수들이 사용했지만, 2007년 국제 크리켓 평의회(ICC)에 의해 금지되었다.[37]
CFRP로 만든 자전거 프레임은 강철, 알루미늄, 티타늄 프레임보다 가볍다. 탄소 섬유 직조 방식과 방향을 조절하여 필요한 부분의 강성을 높일 수 있다. 다양한 형태로 제작하여 강성을 높이거나 공기역학적 디자인을 적용할 수도 있다. CFRP는 자전거 포크, 자전거 핸들바, 시트포스트, 크랭크셋, 림 등 다양한 자전거 부품에 사용되고 있다. 그러나 충격, 과도한 토크, 잘못된 설치 등으로 인해 균열이나 고장이 발생할 수 있으며, 수리가 어렵거나 불가능한 경우도 있다.[39][40]
4. 8. 기타
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 던롭 "Max-Grip" 탄소 섬유 기타 피크, 기타 넥(탄소 섬유 로드) 및 픽가드, 드럼 쉘, 백파이프 챈터, 피아노 액션, 탄소 섬유 첼로, 비올라, 바이올린, 어쿠스틱 기타 및 우쿨렐레와 같은 전체 악기, 턴테이블 및 스피커와 같은 오디오 부품 등 악기 분야에 널리 사용된다.[41] 특히 스트랜드버그 Boden Plini 넥-쓰루 & 볼트온 버전은 강성을 유지하기 위해 탄소 섬유 보강 스트립을 사용한다.
총기류의 경우 특정 금속, 목재 및 유리 섬유 부품을 대체하는 데 사용되지만, 많은 내부 부품은 여전히 금속 합금으로 제한되어 현재의 강화 플라스틱은 부적합하다. 고성능 드론 본체 및 헬리콥터 로터 블레이드와 같은 기타 무선 조종 차량 및 항공기 부품, 삼각대 다리, 텐트 폴, 낚싯대, 당구 큐, 지팡이, 창문 청소용과 같은 높은 도달 폴에도 CFRP가 사용된다.
치의학 분야에서는 탄소 섬유 포스트가 근관 치료된 치아를 복원하는 데 사용된다.[42] 여객 서비스용 철도 대차에 사용되어 금속 대차에 비해 무게를 최대 50%까지 줄여 에너지 절약에 기여한다. 랩톱 쉘 및 기타 고성능 케이스, 탄소 직조 직물에도 사용된다.[43][44]
양궁에서는 탄소 섬유 화살 및 볼트, 스톡(석궁용) 및 라이저(수직 활용), 및 레일에 사용된다. 3D 융착 증착 모델링 인쇄 공정의 필라멘트로,[45] 탄소 섬유 강화 플라스틱(폴리아미드-탄소 필라멘트)은 높은 강도와 찢어짐 길이로 인해 튼튼하지만 가벼운 도구 및 부품 생산에 사용된다.[46] CIPP 방법을 사용한 지역 난방 파이프 재활에도 사용된다.
홈 도어의 경우 도카이도 신칸센・신오사카역에서 채용되었다.[54]
3D 프린터로 CFRP를 조형할 수 있는 제품도 판매되고 있으며, 형상뿐만 아니라 탄소 섬유의 배향 각도나 수지에 대한 비율 등도 제어할 수 있다.
5. 수명 주기
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 햇빛으로부터 보호하면 긴 수명을 가진다. CFRP를 폐기할 때는 많은 금속처럼 공기 중에서 녹일 수 없다. 비닐(PVC 또는 폴리염화 비닐) 및 기타 할로겐화 중합체가 없는 CFRP는 산소가 없는 환경에서 열분해를 통해 열적으로 분해할 수 있다. 이는 정유 공장에서 1단계 공정으로 수행할 수 있으며, 탄소와 단량체의 포집 및 재사용이 가능하다. CFRP는 저온에서 분쇄하거나 파쇄하여 탄소 섬유를 회수할 수도 있지만, 이 공정은 섬유의 길이를 극적으로 짧게 만든다. 다운사이클링된 종이처럼 짧아진 섬유는 재활용 재료가 원래 재료보다 약해진다. 그러나 전체 길이의 탄소 섬유 보강재의 강도가 필요하지 않은 많은 산업 응용 분야가 있다. 예를 들어, 잘게 잘린 회수된 탄소 섬유는 노트북과 같은 소비 전자 제품에 사용될 수 있다. 이는 항공우주 부품의 강도 대 중량 비율이 부족하더라도 사용된 폴리머의 우수한 보강을 제공한다.
6. 탄소 나노튜브 강화 고분자 (CNRP)
자이벡스 테크놀로지스는 2009년에 탄소 나노 튜브 강화 에폭시와 탄소 프리프레그를 선보였다.[47] 탄소 나노 튜브 강화 고분자(CNRP)는 일반적인 탄소 섬유 강화 고분자(CFRP)보다 강도와 인성이 몇 배나 뛰어나며, 록히드 마틴 F-35 라이트닝 II와 같은 항공기의 구조 재료로 사용된다.[48] CNRP는 여전히 탄소 섬유를 주요 보강재로 사용하지만,[49] 결합 매트릭스는 탄소 나노 튜브로 채워진 에폭시다.[50]
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