튼튼한 탄소섬유를 어떻게 만드나요?
먼저, 섬유 시트와 기타 폴리머를 산소가 없는 공간에서 매우 높은 온도로 가열합니다. 산소가 없기 때문에 섬유는 타지 않지만 대신 너무 뜨거워져 탄소 원자만 남게 됩니다.
다음으로 탄소가 안정화되어 탄화됩니다. 여기에는 내화성 탄소를 야외에서 고온으로 가열한 다음 화학 가스(산소 아님)가 채워진 용광로에 넣고 더욱 조리하는 작업이 포함됩니다.
셋째, 시트를 냉각하고 산소를 포함한 다양한 화학 가스에 담가서 더 나은 접착 특성을 부여합니다.
마지막으로 시트에 에폭시 수지 코팅을 적용하여 제품 제작 시 섬유가 손상되지 않도록 보호합니다. 코팅의 구성은 섬유에 사용된 초기 재료에 따라 다릅니다.
이것은 단일 탄소 섬유 시트를 만드는 공정으로, 이는 매우 강한 건축 자재이지만 어떤 면에서는 깨지기 쉽고 부서지기 쉽습니다. 탄소 섬유 시트가 거의 깨지지 않게 되는 방법에 대한 자세한 내용은 아래 "탄소 섬유가 쉽게 부러지나요?" 섹션을 참조하세요.
튼튼한 탄소섬유를 만드는 것은 집에서는 절대로 할 수 없는 매우 복잡한 과정이라는 것을 아는 것이 중요합니다.
탄소 섬유가 왜 그렇게 강한가요?
탄소 섬유는 분자의 사슬 모양 결합으로 인해 지구상에서 가장 강한 물질 중 하나입니다. 이 구조는 섬유가 만들어지는 동안 겪는 모든 화학 반응과 극심한 온도 변화 중에 생성됩니다.
이 공정은 수천 개의 작은 가닥을 하나로 묶어 에폭시와 혼합합니다. 이러한 가닥은 탄소 섬유 층을 형성하며, 그 강도는 가닥의 정확한 방향과 층에 사용되는 직물 유형에 의해 영향을 받습니다.
탄소 섬유의 단일 층은 일반적으로 두께가 약 0.25mm이며 전혀 강하지 않습니다. 사실, 그 두께에서는 탄소섬유가 매우 부서지기 쉽습니다. 이는 탄소 섬유가 강하다는 것을 알고 있는 것과는 직관에 어긋날 수 있지만, 강도는 "레이업"이라고도 알려진 섬유의 방향과 직조를 사용하여 여러 겹을 쌓는 과정에서 생성됩니다.
탄소 섬유의 분자 순도는 단단히 결합된 구조를 개발하는 데에도 도움이 됩니다.
탄소섬유는 쉽게 부서지나요?
간단히 대답하자면 위에서 설명한 대로 가능하다는 것입니다. 탄소섬유의 가장 큰 장점은 힘의 세기와 방향을 조절할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 한 방향으로 매우 강하고 다른 방향으로 더 유연하게 만들고 싶다면 특정 유형의 원단과 레이업을 사용하면 됩니다.
단방향 시트
설명하기 위해, 초밥을 만드는 데 사용되는 나무 매트 중 하나를 상상해 보세요. 매트는 서로 평행하게 연결되어 있는 좁은 나무 막대 묶음으로 만들어집니다. 결과적으로 매트를 결 반대 방향으로 구부리면 쉽게 구부릴 수 있습니다. 그러나 결대로 구부리면 매트가 전혀 쉽게 구부러지지 않습니다. 왜냐하면 실제로는 나무 막대가 부러질 만큼 세게 구부려야 하기 때문입니다.
탄소 섬유 시트는 스시 매트와 유사한 일련의 평행 막대로 구성됩니다. 그러나 탄소 섬유의 경우 막대는 처리된 섬유로 만들어지며 목재보다 훨씬 강합니다. 이 때문에 막대와 같은 방향으로 압력을 가하면 탄소섬유 시트를 부러뜨리는 것이 꽤 어렵습니다. 막대 한 장을 한 방향으로 달리는 것은 모든 섬유가 같은 방향으로 달리는 '단방향'이라는 탄소섬유 직물의 일종과 유사하다.
이제 아래쪽 매트의 나무 막대가 한 방향으로 가고 위쪽 매트의 막대가 반대 방향으로 움직이는 두 개의 스시 매트를 서로 붙인다고 상상해 보십시오. 이제 매트는 서로를 지지하고 어느 방향으로든 서로 구부러지지 않게 됩니다.
단방향 탄소섬유를 사용하면 재료를 여러 겹 쌓을 때 각 층마다 강도의 방향을 제어할 수 있습니다. 이러한 강도 방향 제어는 탄소 섬유의 장점 중 하나입니다. 여러 레이어를 활용하면 특정 애플리케이션에 필요한 만큼 최종 제품을 강하게 만들 수 있습니다.
짠 시트
탄소 섬유로 직조된 시트에서는 필라멘트가 바구니의 가닥처럼 함께 짜여져 있어 서로 더 잘 고정됩니다. 여러 가지 이유로 사용되는 다양한 유형의 직조가 있습니다. 미학적일 수도 있고, 특정 유형의 재료를 주형에 넣는 것이 더 쉬울 수도 있고, 여러 방향에서 더 강한 강도를 가질 수도 있습니다. 사용되는 직물의 유형과 강도를 제어하기 위해 배치되는 방향은 모두 레이업 전략 개발의 일부입니다.
그러나 어떤 종류의 직조라도 겹겹이 쌓지 않으면 한 장의 직조 섬유는 여전히 매우 약합니다.
방향이 교대로 있는 탄소 섬유 시트(직조 또는 단방향) 스택은 실제로 강철 강도의 최대 18배까지 매우 강력합니다--.
탄소섬유를 태울 수 있나요?
탄소 섬유를 태우는 데 어려움을 겪을 것입니다.
750도까지 가열하면 연소 연료원이 적용되는 한 매우 천천히 연소됩니다. 그러나 그 시점에서도 연료원이 제거되자마자 연소는 중단됩니다.
제한된 연소는 섬유의 탄소와 결합된 수지로 인해 발생합니다. 탄소 자체는 연소되지 않기 때문입니다. 섬유가 타는 유일한 이유는 그 안에 있는 비탄소 성분이 타기 때문입니다.
다양한 종류의 열을 지탱할 수 있는 다양한 유형의 수지가 있습니다. 일반적인 에폭시 수지는 화씨 200도 정도까지 괜찮지만, 고열 수지는 일반적으로 400도까지 열을 견딜 수 있습니다. 항상 사용하는 수지의 사양을 확인하십시오.
탄소 섬유는 내열성이 매우 높지만 여전히 강하기 때문에 엔진 내부 사이딩과 같은 다양한 엔지니어링 응용 분야에 사용됩니다.
탄소섬유가 녹슬 수 있나요?
아니요. 탄소 섬유의 단단한 결합은 제조 과정에서 사용되는 복잡한 화학 공정으로 인해 산화에 영향을 받지 않습니다. 탄소 섬유를 손상으로부터 보호하는 데 사용되는 에폭시 수지는 불활성이므로 녹 및 기타 부식 유형으로부터 안전합니다.
탄소 섬유 필라멘트는 얼마나 강합니까?
탄소섬유 필라멘트는 탄소섬유 직물에 사용되는 개별 끈입니다. 이러한 가닥은 일반적으로 CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱)의 RP인 수지를 사용하여 서로 결합됩니다. 사용되는 재료를 탄소 섬유의 정확한 화학적 구성과 결합함으로써 엔지니어는 부품보다 훨씬 더 내구성이 뛰어나고 강하며 가벼운 제품을 만들 수 있습니다.
직조 직물에서 탄소 섬유의 각 가닥은 일반적으로 사람 머리카락 너비보다 작은 1,{1}} ~ 12,{3}} 개별 필라멘트를 갖습니다.
그렇다면 탄소섬유는 얼마나 강한가요? 간단히 말해서, 탄소 섬유 --보다 강한 물질은 세상에 많지 않습니다. 특히 시중에서 구할 수 없는 물질은 더욱 그렇습니다.
