복합재료 및 복합재료 제조

간단히 정의하면 COMPOSITES 또는 COMPOSITE MATERIALS는 물리적 또는 화학적 특성이 다른 두 가지 이상의 재료로 구성된 재료이지만 결합하면 구성 재료와 다른 재료가 됩니다. 우리는 구성 재료가 구조에서 분리되고 구별된다는 점을 지적할 필요가 있습니다. 복합재료 제조의 목적은 구성성분보다 우수하고 각 구성성분이 원하는 특성을 결합한 제품을 얻는 것입니다. 예로서; 강도, 낮은 무게 또는 낮은 가격은 복합 재료를 설계하고 생산하는 동기가 될 수 있습니다. 우리가 제공하는 복합 재료의 유형은 입자 강화 복합 재료, 세라믹-매트릭스/폴리머-매트릭스/금속-매트릭스/탄소-탄소/하이브리드 복합 재료를 포함한 섬유 강화 복합 재료, 구조 및 적층 및 샌드위치 구조 복합 재료 및 나노 복합 재료입니다.

 

복합 재료 제조에 사용하는 제조 기술은 다음과 같습니다.
많은 복합 재료는 연속적이고 다른 상을 둘러싸는 두 개의 상으로 구성됩니다. 및 매트릭스에 의해 둘러싸인 분산상.
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이렇게 하면 아래에서 제공하는 정보를 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다. 

 

• PARTICLE-REINFORCED COMPOSITES : 이 범주는 두 가지 유형으로 구성됩니다. 전자의 경우 입자-기질 상호작용은 원자 또는 분자 수준에서 처리할 수 없습니다. 대신 연속체 역학이 유효합니다. 반면에, 분산 강화 복합 재료에서 입자는 일반적으로 수십 나노미터 범위에서 훨씬 더 작습니다. 큰 입자 합성물의 예는 충전제가 추가된 폴리머입니다. 충전제는 재료의 특성을 개선하고 폴리머 부피의 일부를 보다 경제적인 재료로 대체할 수 있습니다. 두 단계의 체적 분율은 합성물의 거동에 영향을 줍니다. 큰 입자 합성물은 금속, 폴리머 및 세라믹과 함께 사용됩니다. CERMETS는 세라믹/금속 복합 재료의 예입니다. 우리의 가장 일반적인 서멧은 초경합금입니다. 그것은 코발트 또는 니켈과 같은 금속 매트릭스에 텅스텐 카바이드 입자와 같은 내화 카바이드 세라믹으로 구성됩니다. 이러한 초경 복합재는 경화강의 절삭 공구로 널리 사용됩니다. 경질 카바이드 입자는 절단 작업을 담당하며 연성 금속 매트릭스에 의해 인성이 향상됩니다. 따라서 우리는 단일 복합 재료에서 두 재료의 장점을 얻습니다. 우리가 사용하는 큰 입자 합성물의 또 다른 일반적인 예는 높은 인장 강도, 인성, 인열 및 내마모성을 갖는 합성물을 얻기 위해 가황 고무와 혼합된 카본 블랙 미립자입니다. 분산 강화 복합재의 예로는 매우 단단하고 불활성인 물질의 미세 입자가 균일하게 분산되어 강화 및 경화된 금속 및 금속 합금이 있습니다. 매우 작은 산화알루미늄 플레이크가 알루미늄 금속 매트릭스에 추가되면 고온 강도가 향상된 소결 알루미늄 분말을 얻을 수 있습니다. 

 

• FIBER-REINFORCED COMPOSITES : 이 복합소재 카테고리는 사실 가장 중요합니다. 달성 목표는 단위 중량당 고강도 및 강성입니다. 이러한 복합 재료의 섬유 구성, 길이, 방향 및 농도는 이러한 재료의 특성과 유용성을 결정하는 데 중요합니다. 우리가 사용하는 섬유에는 위스커, 섬유 및 와이어의 세 가지 그룹이 있습니다. WHISKERS는 매우 얇고 긴 단결정입니다. 그들은 가장 강력한 재료 중 하나입니다. 일부 예시적인 위스커 재료는 흑연, 질화규소, 산화알루미늄입니다. 반면에  FIBERS는 대부분 폴리머 또는 세라믹이며 다결정 또는 비정질 상태입니다. 세 번째 그룹은 비교적 큰 직경을 가지며 강철이나 텅스텐으로 구성된 가는 와이어입니다. 와이어 강화 합성물의 예로는 고무 내부에 강철 와이어를 통합한 자동차 타이어가 있습니다. 매트릭스 재료에 따라 다음과 같은 합성물이 있습니다.
POLYMER-MATRIX COMPOSITES : 고분자 수지와 섬유를 보강재로 사용하여 만든 복합재료입니다. 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 복합 재료라고 하는 이들의 하위 그룹은 폴리머 매트릭스 내에 연속 또는 불연속 유리 섬유를 포함합니다. 유리는 강도가 높고 경제적이며 섬유로 제작하기 쉬우며 화학적으로 불활성입니다. 단점은 제한된 강성과 강성, 서비스 온도가 섭씨 200~300도에 불과하다는 것입니다. 유리 섬유는 자동차 차체 및 운송 장비, 선박 차체, 보관 용기에 적합합니다. 그들은 제한된 강성으로 인해 항공 우주 또는 교량 제작에 적합하지 않습니다. 다른 하위 그룹은 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 복합재라고 합니다. 여기에서 탄소는 폴리머 매트릭스의 섬유 재료입니다. 탄소는 높은 비탄성률과 강도 및 고온에서 이를 유지하는 능력으로 유명합니다. 탄소 섬유는 표준, 중간, 고 및 초고 인장 계수를 제공할 수 있습니다. 또한 탄소 섬유는 다양한 물리적 및 기계적 특성을 제공하므로 다양한 맞춤형 엔지니어링 응용 프로그램에 적합합니다. CFRP 복합 재료는 스포츠 및 레크리에이션 장비, 압력 용기 및 항공 우주 구조 구성 요소를 제조하는 것으로 간주될 수 있습니다. 그러나 또 다른 하위 그룹인 Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites도 고강도 및 모듈러스 재료입니다. 중량 대비 강도 비율이 매우 높습니다. 아라미드 섬유는 상품명 KEVLAR 및 NOMEX로도 알려져 있습니다. 장력 상태에서는 다른 고분자 섬유 재료보다 성능이 우수하지만 압축에는 약합니다. 아라미드 섬유는 강하고, 충격에 강하고, 크리프와 피로에 강하고, 고온에서 안정하며, 강산과 염기를 제외하고는 화학적으로 불활성입니다. 아라미드 섬유는 스포츠 용품, 방탄 조끼, 타이어, 로프, 광섬유 케이블 시트에 널리 사용됩니다. 다른 섬유 강화 재료가 존재하지만 덜 사용됩니다. 이들은 주로 붕소, 탄화규소, 산화알루미늄입니다. 반면에 폴리머 매트릭스 재료도 중요합니다. 폴리머는 일반적으로 용융 및 분해 온도가 더 낮기 때문에 복합재의 최대 사용 온도를 결정합니다. 폴리에스터와 비닐 에스터는 고분자 매트릭스로 널리 사용됩니다. 수지도 사용되며 우수한 내습성과 기계적 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어 폴리이미드 수지는 약 섭씨 230도까지 사용할 수 있습니다. 
METAL-MATRIX COMPOSITES: 이 재료에서 우리는 연성 금속 매트릭스를 사용하며 사용 온도는 일반적으로 구성 요소보다 높습니다. 폴리머-매트릭스 복합물과 비교할 때, 이들은 더 높은 작동 온도를 가질 수 있고, 불연성일 수 있으며, 유기 유체에 대한 더 나은 분해 저항성을 가질 수 있습니다. 그러나 그들은 더 비쌉니다. 위스커, 미립자, 연속 및 불연속 섬유와 같은 강화 재료; 구리, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 초합금과 같은 매트릭스 재료가 일반적으로 사용됩니다. 적용 예는 알루미늄 산화물과 탄소 섬유로 강화된 알루미늄 합금 매트릭스로 만든 엔진 부품입니다. 
CERAMIC-MATRIX COMPOSITES : 세라믹 재료는 뛰어난 고온 신뢰성으로 유명합니다. 그러나 그들은 매우 부서지기 쉽고 파괴 인성 값이 낮습니다. 한 세라믹의 미립자, 섬유 또는 위스커를 다른 세라믹의 매트릭스에 포함함으로써 더 높은 파괴 인성을 가진 복합 재료를 얻을 수 있습니다. 이러한 내장된 재료는 기본적으로 균열 팁을 편향시키거나 균열면을 가로질러 브리지를 형성하는 것과 같은 일부 메커니즘에 의해 매트릭스 내부의 균열 전파를 억제합니다. 예를 들어, SiC 위스커로 강화된 알루미나는 경금속 합금 가공을 위한 절삭 공구 인서트로 사용됩니다. 이들은 초경합금에 비해 더 나은 성능을 나타낼 수 있습니다.  
CARBON-CARBON COMPOSITES : 보강재와 매트릭스 모두 탄소입니다. 그들은 높은 인장 계수와 섭씨 2000도 이상의 고온에서 강도, 크리프 저항, 높은 파괴 인성, 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도도를 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 열 충격 저항이 필요한 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 탄소-탄소 복합 재료의 약점은 고온에서의 산화에 대한 취약성입니다. 사용의 일반적인 예는 핫 프레스 금형, 고급 터빈 엔진 부품 제조입니다. 
HYBRID COMPOSITES : 두 가지 이상의 서로 다른 종류의 섬유가 하나의 매트릭스에 혼합되어 있습니다. 따라서 속성의 조합으로 새로운 재료를 맞춤화할 수 있습니다. 탄소 섬유와 유리 섬유가 모두 고분자 수지에 통합된 경우가 그 예입니다. 탄소 섬유는 밀도가 낮고 강도가 높지만 값이 비쌉니다. 반면에 유리는 저렴하지만 탄소 섬유의 강성이 부족합니다. 유리-탄소 하이브리드 복합 재료는 더 강하고 단단하며 더 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다.
섬유 강화 복합 재료의 가공 : 섬유가 같은 방향으로 균일하게 분포되어 있는 연속 섬유 강화 플라스틱의 경우 다음 기술을 사용합니다.
PULTRUSION: 연속적인 길이와 일정한 단면의 막대, 빔 및 튜브가 제조됩니다. 연속 섬유 조방사는 열경화성 수지로 함침되고 강철 다이를 통해 당겨져 원하는 모양으로 예비 성형됩니다. 다음으로 정밀 가공된 경화 다이를 통과하여 최종 모양을 얻습니다. 경화 다이가 가열되기 때문에 수지 매트릭스가 경화됩니다. 풀러는 다이를 통해 재료를 끌어옵니다. 삽입된 중공 코어를 사용하여 튜브 및 중공 형상을 얻을 수 있습니다. 인발 방식은 자동화되어 높은 생산 속도를 제공합니다. 어떤 길이의 제품도 제작 가능합니다. 
PREPREG 생산 공정 : Prepreg는 부분적으로 경화된 고분자 수지가 사전 함침된 연속 섬유 보강재입니다. 구조용으로 널리 사용됩니다. 재료는 테이프 형태로 제공되며 테이프로 배송됩니다. 제조사에서 직접 성형하여 수지를 추가할 필요 없이 완전히 경화시킵니다. 프리프레그는 상온에서 경화반응을 일으키기 때문에 섭씨 0도 이하에서 보관한다. 사용 후 남은 테이프는 저온에서 다시 보관됩니다. 열가소성 수지 및 열경화성 수지가 사용되며 탄소, 아라미드 및 유리의 강화 섬유가 일반적입니다. 프리프레그를 사용하려면 먼저 캐리어 백킹지를 제거한 다음 프리프레그 테이프를 공구 표면에 놓는 방식으로 제작합니다(레이업 공정). 원하는 두께를 얻기 위해 여러 겹을 쌓을 수 있습니다. 교차 플라이 또는 앵글 플라이 라미네이트를 생성하기 위해 섬유 방향을 교대로 사용하는 경우가 많습니다. 마지막으로 열과 압력을 가하여 경화합니다. 프리프레그 절단 및 레이업에는 수작업 가공과 자동화 공정이 모두 사용됩니다.
FILAMENT WINDING : 연속 강화 섬유는 중공  및 일반적으로 원통 모양을 따르도록 미리 결정된 패턴으로 정확하게 배치됩니다. 섬유는 먼저 수지 수조를 통과한 다음 자동화 시스템에 의해 맨드릴에 감깁니다. 여러 번 감으면 원하는 두께가 얻어지고 실온이나 오븐 내부에서 경화가 수행됩니다. 이제 맨드릴이 제거되고 제품이 탈형됩니다. 필라멘트 권선은 원주, 나선형 및 극성 패턴으로 섬유를 감아 매우 높은 강도 대 중량 비율을 제공할 수 있습니다. 파이프, 탱크, 케이싱은 이 기술을 사용하여 제조됩니다. 

 

• 구조적 복합재 : 일반적으로 균질 및 복합재로 구성됩니다. 따라서 이들의 속성은 구성 재료와 요소의 기하학적 디자인에 의해 결정됩니다. 주요 유형은 다음과 같습니다.
LAMINAR COMPOSITES : 이 구조 재료는 선호하는 고강도 방향을 가진 2차원 시트 또는 패널로 만들어집니다. 레이어가 쌓이고 함께 접착됩니다. 두 개의 수직 축에서 고강도 방향을 번갈아 가며 2차원 평면에서 양방향으로 고강도 합성물을 얻습니다. 층의 각도를 조정하여 원하는 방향으로 강도를 갖는 복합재를 제조할 수 있습니다. 현대 스키는 이렇게 제조됩니다. 
SANDWICH PANELS : 구조용 복합재료는 가벼우면서도 높은 강성과 강도를 가지고 있습니다. 샌드위치 패널은 알루미늄 합금, 섬유 강화 플라스틱 또는 강철과 같은 뻣뻣하고 강한 재료로 만들어진 두 개의 외부 시트와 외부 시트 사이의 코어로 구성됩니다. 코어는 가벼워야 하고 대부분의 경우 낮은 탄성 계수를 가져야 합니다. 인기 있는 핵심 재료는 경질 폴리머 폼, 목재 및 벌집입니다. 샌드위치 패널은 건축 산업에서 지붕 재료, 바닥 또는 벽 재료로 널리 사용되며 항공 우주 산업에서도 사용됩니다.  

 

• 나노복합체(NANOCOMPOSITES): 이 새로운 재료는 매트릭스에 내장된 나노크기 입자 입자로 구성됩니다. 나노복합체를 사용하여 고무 특성을 변경하지 않고 유지하면서 공기 침투에 대한 매우 우수한 장벽을 만드는 고무 재료를 제조할 수 있습니다.