탄소 섬유 부품

모든 탄소 섬유가 동일하게 생성되는 것은 아닙니다
대부분의 탄소 섬유 부품은 마른 천으로 시작하여 액체 수지와 결합됩니다. 수지는 경화되어 고체 폴리머를 형성하여 천의 모양을 유지하고 견고한 탄소 섬유 부품이 됩니다. 탄소 섬유에 대해 가장 먼저 알아야 할 점은 모든 탄소 섬유가 동일하게 만들어지는 것은 아니라는 것입니다. 이 진술은 다양한 직물 직조 유형이나 3k, 6k 또는 12k와 같은 섬유 개수에 관한 것이 아니라 섬유 등급 및 천 자체의 품질에 관한 것입니다.
탄소 섬유는 일반적으로 직물 롤 형태로 판매됩니다. 다양한 용도에 맞게 선택할 수 있는 다양한 천 직조 패턴이 있습니다. 천 자체는 함께 짜여지거나 꿰매어진 "토우"라고 불리는 섬유 묶음으로 구성됩니다. 각 섬유 다발에는 사람의 머리카락보다 작은 개별 탄소 섬유 필라멘트가 들어 있습니다. 이 필라멘트는 등급에 따라 분류됩니다. 등급은 탄소섬유 부품의 강도와 강성을 결정하는 중요한 요소입니다.
스펙트럼의 하단에는 "상업용 등급" 탄소 섬유가 있는데, 이는 매우 일반적입니다. 일반적으로 가격이 가장 낮지만 고급 탄소 섬유에 비해 강도와 강성이 낮습니다. 주황색으로 강조된 T300 등급은 종종 상업용 등급 섬유로 간주됩니다.
수지는 섬유만큼 중요합니다.
앞서 언급했듯이 탄소섬유는 처음에는 마른 천으로 시작하여 복합재료 형태의 수지와 결합해야만 단단한 부분이 될 수 있습니다. 복합 재료의 수지 구성 요소에 대한 적절한 용어는 실제로 "매트릭스 재료" 또는 단순히 "매트릭스"이지만, 이 문서에서는 수지라고 합니다. 단순화된 비유는 탄소 섬유 복합재를 콘크리트 및 철근과 비교하는 것입니다. 섬유는 철근과 유사한 인장 하중을 전달하고 수지는 천의 모양을 유지하고 콘크리트와 유사한 압축 하중을 전달합니다. 다리나 건물은 콘크리트나 철근만으로 건설되지 않습니다. 구조에 필요한 전체 강도를 달성하려면 두 가지 모두 필요합니다.
탄소섬유 부품의 경우에도 마찬가지다. 수지가 없으면 견고한 탄소섬유 부품을 만들 수 없습니다. 그런 의미에서 수지는 모든 탄소 섬유 부품에서 진정한 숨은 영웅이며, 올바른 수지를 선택하는 것은 올바른 탄소 섬유를 선택하는 것만큼 중요합니다.
탄소섬유에만 집착하고 어떤 레진을 사용할지 잊어버리지 않는 것이 중요합니다. 최대 300F까지 강도를 유지한다고 주장하는 한 수지가 테스트되었지만 고온에서 테스트했을 때 부드러워지고 부품이 200F만큼 낮은 온도에서도 구부러질 수 있었습니다. 탄소섬유는 제 역할을 했지만 수지는 그렇지 않았습니다.
접착력을 향상시키기 위해 탄소 섬유를 코팅할 수 있음
탄소 섬유 제조업체는 수지가 직물에 접착되도록 돕기 위해 직물에 특수 커플링제("마감제" 또는 "사이징제"라고도 함)를 추가합니다. 어떤 수지를 선택하느냐에 따라 탄소 섬유를 적시고 화학적으로 결합하는 것을 원하지 않을 수도 있습니다. 이는 기름과 물이 섞이지 않는 원리와 유사합니다. 탄소 섬유와 수지를 결합할 때 이와 동일한 상황은 바람직하지 않으므로 두 재료가 함께 작용할 수 있도록 섬유에 커플링제를 적용합니다.
커플링제의 특정 화학적 성질은 종종 탄소 섬유 제조업체에 의해 비밀로 유지됩니다. 이는 특정 코팅을 모호하게 만들고 대신 코팅과 호환되는 일반 화학 물질만 공개합니다. 커플링제 호환성을 강조하는 예가 위의 Hexcel 차트에 나와 있습니다. 색다른 매트릭스 재료를 실험할 때 커플링제를 염두에 두십시오.
프로세스가 속성을 결정합니다.
습식 레이업, 인퓨전, 프리프레그 또는 3D 프린팅과 같은 탄소 섬유 부품을 만드는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이러한 방법은 모두 섬유 대 수지 비율이 다르고 결함의 양이 다른 부품을 만들어 최종 부품의 강도와 강성 특성이 달라집니다. 부품이 경화되는 온도도 최종 부품의 특성에 영향을 미칩니다.
탄소 섬유 부품을 만드는 데 있어 공식적인 "최고의" 접근 방식은 없습니다. 가장 좋은 방법은 실제로 부품 설계와 제조 목표에 따라 달라집니다. 각 방법마다 장단점이 있습니다.
예를 들어, 습식 레이업은 비용이 저렴하고 수행하기 쉽지만 일반적으로 부품의 물리적 특성이 일관되지 않고 다른 복합재 제조 기술에 비해 무겁습니다.
프리프레그 탄소 섬유는 고품질의 가벼운 부품을 생산할 수 있지만 이 방법을 사용하려면 보관용 냉동고 및 오토클레이브와 같은 더 값비싼 도구가 필요한 경우가 많습니다. 선택할 수 있는 수지와 직조 조합도 적습니다. 프리프레그 수지에도 유효 기간이 있습니다. 즉, 프리프레그 재료는 만료될 수 있으므로 유효 기간 내에 사용하지 않으면 폐기해야 합니다.
물리적 테스트가 중요합니다
탄소섬유는 금속과 다릅니다. 금속은 일반적으로 등방성입니다. 즉, 모든 방향에서 동일한 특성을 가지므로 설계 및 분석이 단순화됩니다. 또한 측정된 기계적 특성은 일반적인 금속 합금에 대해 잘 정립되어 있습니다. 제한된 표준화와 광범위한 재료 및 복합재의 공정 변수로 인해 복합재의 경우에도 마찬가지라고 말할 수 없습니다. 이는 복합 부품이 원하는 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 테스트를 수행해야 함을 의미합니다.
항공우주 분야에서 복합재 테스트를 수행하는 가장 좋은 방법 중 하나는 "빌딩 블록 접근 방식"을 따르는 것입니다. 이 방법은 재료 특성 데이터베이스를 생성하기 위해 일반 쿠폰과 요소를 테스트하는 것으로 시작됩니다. 이 데이터는 더 큰 구성 요소, 하위 어셈블리, 최종적으로 완전한 구조의 설계 및 테스트를 추진하는 데 사용됩니다. 각 테스트 항목은 최종 구조에 사용된 재료와 프로세스를 대표해야 합니다.
시뮬레이션만으로 탄소섬유 부품을 검증할 수 있다는 오해가 있습니다. FEA(유한 요소 분석)와 같은 분석 도구는 복합재 부품 설계를 안내하는 데 도움이 될 수 있지만 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 정확해야 하는 재료 특성 입력에 의존합니다. 이러한 입력 변수에 대한 정확한 수치를 얻는 가장 좋은 방법은 대표적인 복합 테스트 샘플에 대한 물리적 테스트를 통하는 것입니다. 정확한 입력이 없으면 분석 결과의 유용성이 제한됩니다. 재료 특성의 정제되지 않은 수량화를 설명하려면 설계에 큰 안전 여유를 추가해야 합니다. 이로 인해 무게가 추가되고 궁극적으로 복합 재료를 선택하는 주요 이유 중 하나가 무산됩니다. 따라서 최적화된 복합재 구조의 설계 프로세스에서 물리적 테스트를 완전히 제거할 수 있는 방법은 실제로 없습니다.