복합재료의 지속적인 발전과 함께 유리섬유 강화 플라스틱 외에도 탄소섬유 강화 플라스틱, 붕소섬유 강화 플라스틱 등이 등장했습니다. 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(CFRP)는 가볍고 강한 소재로, 우리 일상생활에서 사용하는 많은 제품을 만드는 데 사용됩니다. CFRP는 탄소섬유를 주요 구조 구성 요소로 사용하는 섬유 강화 복합재료를 지칭하는 용어입니다.
목차:
1. 탄소 섬유 강화 폴리머 구조
2. 탄소섬유 강화 플라스틱의 성형 방법
3. 탄소섬유 강화 폴리머의 특성
4. CFRP의 장점
5. CFRP의 단점
6. 탄소 섬유 강화 플라스틱의 용도
탄소 섬유 강화 폴리머 구조
탄소섬유강화플라스틱은 탄소섬유를 특정 방향으로 배열하고 고분자 소재를 접착하여 만든 소재입니다. 탄소섬유의 직경은 약 7마이크론으로 매우 가늘지만 강도는 매우 높습니다.
탄소섬유 강화 복합재료의 가장 기본적인 구성 단위는 탄소섬유 필라멘트입니다. 탄소섬유 필라멘트의 기본 원료는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온 또는 석유 피치와 같은 프리폴리머입니다. 이러한 탄소섬유 필라멘트는 화학적 및 기계적 방법을 통해 탄소섬유 직물로 만들어져 탄소섬유 부품을 구성합니다.
결합재로 사용되는 고분자는 일반적으로 에폭시와 같은 열경화성 수지입니다. 폴리비닐 아세테이트나 나일론과 같은 다른 열경화성 또는 열가소성 고분자가 사용되기도 합니다. 복합재료는 탄소 섬유 외에도 아라미드 Q, 초고분자량 폴리에틸렌, 알루미늄 또는 유리 섬유를 포함할 수 있습니다. 최종 탄소 섬유 제품의 특성은 결합 매트릭스에 첨가되는 첨가제의 종류에 따라서도 영향을 받을 수 있습니다.
탄소섬유 강화 플라스틱의 성형 방법
탄소 섬유 제품은 주로 제조 공정에 따라 차이가 납니다. 탄소 섬유 강화 폴리머 소재를 성형하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
1. 핸드 레이업 방식
탄소 섬유 강화 성형은 건식 방식(사전 준비된 공장)과 습식 방식(섬유 직물과 수지를 접착하여 사용하는 방식)으로 나뉩니다. 핸드 레이업 방식은 압축 성형과 같은 2차 성형 공정에 사용되는 프리프레그를 준비하는 데에도 사용됩니다. 이 방식은 탄소 섬유 직물 시트를 금형에 적층하여 최종 제품을 만드는 것입니다. 직물 섬유의 배열과 직조 방식을 선택함으로써 최종 제품의 강도와 강성을 최적화할 수 있습니다. 그런 다음 금형에 에폭시를 채우고 열이나 공기로 경화시킵니다. 이 제조 방식은 엔진 커버와 같이 응력이 가해지지 않는 부품에 주로 사용됩니다.
2. 진공 성형법
적층 프리프레그의 경우, 특정 공정을 통해 압력을 가하여 금형에 밀착시킨 후, 특정 온도와 압력 하에서 경화 및 성형해야 합니다. 진공 백 성형법은 진공 펌프를 사용하여 성형 백 내부를 진공 상태로 만들어 백과 금형 사이에 음압을 형성함으로써 복합재료가 금형에 밀착되도록 하는 방식입니다.
진공 백 성형법을 기반으로 진공 백-오토클레이브 성형법이 개발되었습니다. 오토클레이브는 진공 백 성형법보다 높은 압력을 가하고 열 경화(자연 경화 대신)를 통해 부품을 경화시킵니다. 이렇게 성형된 부품은 더욱 치밀한 구조와 우수한 표면 품질을 가지며, 기포(기포는 부품 강도에 큰 영향을 미침)를 효과적으로 제거하여 전반적인 품질이 향상됩니다. 실제로 진공 백 성형 공정은 휴대폰 필름 부착 공정과 유사하며, 기포 제거가 핵심 과제입니다.
3. 압축 성형법
압축 성형대량 생산에 적합한 성형 방법입니다. 금형은 일반적으로 상부와 하부로 구성되며, 이를 수형 금형과 암형 금형이라고 합니다. 성형 과정은 프리프레그로 만들어진 매트를 금속 대향 금형에 넣고, 특정 온도와 압력 하에서 매트가 가열되어 금형 캐비티 내부에서 가소화되고, 압력에 의해 유동화되어 금형 캐비티를 채운 후, 성형 및 경화 과정을 거쳐 제품을 얻는 것입니다. 그러나 이 방법은 금형 제작에 매우 높은 정밀도의 CNC 가공이 필요하기 때문에 기존 방식보다 초기 비용이 높습니다.
4. 권선 성형
복잡한 형상이나 회전체 형태의 부품을 제작할 때는 필라멘트 와인더를 사용하여 맨드릴이나 코어에 필라멘트를 감아 부품을 만들 수 있습니다. 감기가 완료되면 필라멘트를 경화시키고 맨드릴을 제거합니다. 예를 들어, 서스펜션 시스템에 사용되는 튜브형 조인트 암을 이 방법으로 제작할 수 있습니다.
5. 수지 전달 성형
수지 이송 성형(RTM)은 비교적 널리 사용되는 성형 방법입니다. 기본 단계는 다음과 같습니다.
1. 준비된 불량 탄소 섬유 직물을 금형에 넣고 금형을 닫습니다.
2. 액체 열경화성 수지를 주입하여 보강재를 함침시킨 후 경화시킵니다.
탄소 섬유 강화 폴리머의 특성
(1) 높은 강도와 우수한 탄성.
탄소 섬유의 비강도(인장 강도와 밀도의 비율)는 강철의 6배, 알루미늄의 17배입니다. 비탄성률(영률과 밀도의 비율로, 물체의 탄성을 나타내는 지표)은 강철이나 알루미늄보다 3배 이상 높습니다.
높은 비강도를 지닌 이 소재는 큰 작업 하중을 견딜 수 있으며, 최대 작업 압력은 350kg/cm²에 달합니다. 또한, 순수 F-4 및 그 편조 소재보다 압축성과 탄성이 뛰어납니다.
(2) 우수한 피로 저항성 및 내마모성.
흑연 섬유의 피로 저항성은 에폭시 수지나 금속 재료보다 훨씬 높습니다. 또한, 흑연 섬유는 자체 윤활성이 뛰어나고 마찰 계수가 작습니다. 마모량은 일반 석면 제품이나 F-4 브레이드보다 5~10배 적습니다.
(3) 우수한 열전도성 및 내열성.
탄소섬유 강화 플라스틱은 열전도율이 우수하여 마찰로 발생하는 열을 쉽게 발산합니다. 내부 온도가 과열되거나 열이 축적되기 어렵고, 동적 밀봉재로 사용할 수 있습니다. 공기 중에서 -120~350°C의 온도 범위에서 안정적으로 작동하며, 탄소섬유의 알칼리 금속 함량을 줄이면 사용 온도를 더욱 높일 수 있습니다. 불활성 기체 분위기에서는 약 2000°C까지 견딜 수 있으며, 급격한 온도 변화에도 강합니다.
(4) 우수한 진동 저항성.
이 소재는 공명이나 떨림이 쉽게 발생하지 않으며, 진동 감소 및 소음 감소에도 탁월한 특성을 지니고 있습니다.
탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 장점
1. 경량
기존의 유리섬유 강화 플라스틱은 연속 유리섬유를 사용하며, 유리섬유 함량이 전체 중량 대비 70%에 달하고, 밀도는 일반적으로 입방인치당 0.065파운드입니다. 동일한 70% 섬유 함량을 가진 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 복합재는 일반적으로 입방인치당 0.055파운드의 밀도를 가집니다.
2. 고강도
탄소섬유 강화 폴리머(CFRP)는 가볍지만, 유리섬유 복합재보다 단위 중량당 강도와 강성이 더 높습니다. 특히 금속 소재와 비교할 때 이러한 장점은 더욱 두드러집니다.
탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 단점
1. 높은 비용
탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 생산 비용은 매우 높습니다. 탄소섬유 가격은 시장 상황(수요와 공급), 탄소섬유 종류(항공우주용 vs. 일반용), 섬유 다발의 크기에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 무게당 가격을 비교해 보면, 순수 탄소섬유는 유리섬유보다 5~25배 비쌀 수 있습니다. 강철과 CFRP를 비교할 때는 이러한 가격 차이가 훨씬 더 커집니다.
2. 전도도
탄소 섬유 복합 재료의 장점과 단점은 용도에 따라 다릅니다. 탄소 섬유는 전도성이 매우 뛰어나고 유리 섬유는 절연성이 뛰어납니다. 엄격한 절연이 요구되는 많은 제품에서는 탄소 섬유나 금속 대신 유리 섬유를 사용합니다. 특히 설비 생산 분야에서는 유리 섬유를 사용하는 제품이 많습니다.
탄소 섬유 강화 플라스틱의 용도
탄소 섬유 강화 폴리머는 기계 부품부터 군사 재료에 이르기까지 생활 전반에 걸쳐 폭넓게 응용됩니다.
(1)밀봉 포장
탄소 섬유 강화 PTFE 소재는 내식성, 내마모성 및 고온성을 갖춘 밀봉 링 또는 패킹으로 제작할 수 있습니다. 정적 밀봉에 사용할 경우, 일반적인 유침형 석면 패킹보다 수명이 10배 이상 깁니다. 하중 변화, 급격한 냉각 및 가열 조건에서도 밀봉 성능을 유지할 수 있습니다. 또한, 부식성 물질을 함유하지 않아 금속에 공식 부식이 발생하지 않습니다.
(2)연삭 부품으로서
이 소재는 자체 윤활 특성을 활용하여 특수 목적의 베어링, 기어, 피스톤 링으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어 항공 계기 및 테이프 레코더용 무윤활 베어링, 전기 구동 디젤 기관차용 무윤활 기어(오일 누출로 인한 사고 방지), 압축기용 무윤활 피스톤 링 등에 사용됩니다. 또한 무독성이라는 장점을 살려 식품 및 제약 산업에서 슬라이딩 베어링이나 씰로도 활용될 수 있습니다.
(3) 항공우주, 항공 및 미사일의 구조재료로 사용됩니다. 항공기 제조에 처음 사용되어 항공기의 무게를 줄이고 비행 효율을 향상시켰습니다. 또한 화학, 석유, 전력, 기계 및 기타 산업에서 회전 또는 왕복 동적 밀봉재 또는 다양한 정적 밀봉재로 사용됩니다.
정시는 전문가입니다중국 유압 프레스 공장고품질을 제공합니다복합 유압 프레스CFRP 제품 성형용.
게시 시간: 2023년 5월 25일
