복합 재료

Composite material
사람 머리카락에 비해 검은색 탄소 섬유(보강 성분으로 사용)
복합재료는 재료를 조합하여 개별 부품과 다른 특성을 가진 전체적인 구조를 형성합니다.

복합재료(구성재료라고도 하며, 줄여서 복합재료([1]통칭))는 두 개 이상의 구성재료로 제조되는 재료입니다.이들 구성 재료는 현저하게 다른 화학적 또는 물리적 특성을 가지며 개별 원소와 달리 특성을 가진 재료를 만들기 위해 결합됩니다.완성된 구조 내에서 개별 원소는 분리되고 구별된 상태로 유지되며 혼합 재료고체 용액을 구분합니다.

일반적인 엔지니어링 복합 재료는 다음과 같습니다.

신소재가 선호될 수 있는 이유는 다양합니다.일반적인 재료에 비해 저렴한 재료, 가벼운 재료, 튼튼한 재료 또는 내구성이 뛰어난 재료를 예로 들 수 있습니다.

최근 연구자들은 로봇 [3]재료로 알려진 복합 [2]재료에 감지, 작동, 계산 및 통신을 적극적으로 포함시키기 시작했다.

복합 재료는 일반적으로 보트 선체, 수영장 패널, 레이싱 카바디, 샤워 스탠드, 욕조, 저장 탱크, 합성 화강암 및 배양 대리석 싱크대와 카운터톱과 [4][5]같은 건물, 다리구조물사용됩니다.또한 일반 자동차 [6]애플리케이션에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

가장 진보된 예는 까다로운 환경의 우주선 항공기에서 일상적으로 수행됩니다.

역사

최초의 복합 재료는 과 진흙을 결합하여 건축위한 벽돌을 만들었다.고대 벽돌 제작은 이집트 무덤 [citation needed]그림에 의해 기록되었다.

와틀도브는 6000년 이상 [7]된 가장 오래된 복합 재료 중 하나입니다.콘크리트 또한 복합 재료이며, 세계의 다른 어떤 합성 재료보다 많이 사용되고 있습니다.2006년 현재, 매년 약 75억 입방미터의 콘크리트가 만들어지고 있는데,[8] 이는 지구인 1인당 1입방미터 이상의 콘크리트이다.

  • 나무야자나무와 대나무와 같은 식물에서 나오는 목질 식물은 인류에 의해 역사적으로 사용되었고 여전히 건축과 비계에 널리 사용되고 있는 천연 합성물을 생산한다.
  • 기원전 [9]3400년 고대 메소포타미아인들이 만든 합판으로, 다양한 각도에서 나무를 붙이면 천연 목재보다 더 좋은 성질을 얻을 수 있습니다.
  • 석고로 적신 아마포 또는 파피루스의 층인 카톤나지는 기원전 2181년부터 2055년까지[9] 이집트 제1중간기로 거슬러 올라가며 데스마스크에 사용되었다.
  • 흙벽 또는 진흙벽은 수천 [10]년 동안 사용되어 왔다.
  • 콘크리트비트루비우스가 기원전 25년경 그의 건축에 관한 10권의 책에 쓴 것으로, 석회 박격포의 준비에 적합한 골재 유형으로 구분된다.그는 구조적인 박격포에 대해 나폴리 근처에서는 갈색-노란색-회색의 포주올리 모래 층에서 나온 화산 모래인 포졸라나를 추천했다.비트루비우스는 건물에서 사용되는 시멘트의 경우 1부 석회 대 3부 포졸라나의 비율과 수중 작업의 경우 1:2의 석회 대 풀비스 푸테올라누스의 비율을 지정하며,[11] 기본적으로 바다에서 사용되는 콘크리트에 현재 혼합된 비율과 동일합니다.천연 시멘트석은 연소 후 로마 시대 이후부터 20세기까지 콘크리트에 사용된 시멘트를 생산했으며, 일부 특성은 제조된 포틀랜드 시멘트보다 우수했습니다.
  • 종이와 접착제의 합성어인 파피에르 마셰는 수백 [12]년 동안 사용되어 왔다.
  • 최초의 인공 섬유 강화 플라스틱은 1935년 Owens Corning[13] 회사의 Al Simison과 Arthur D Little에 의해 수행된 섬유 유리와 베이클라이트의 조합이었다.
  • 가장 일반적이고 친숙한 복합 재료 중 하나는 섬유 유리이며, 이 섬유는 고분자 재료(일반적으로 에폭시 또는 폴리에스테르) 안에 내장되어 있습니다.유리섬유는 비교적 강하고 단단하며(그러나 부서지기 쉬우며), 폴리머는 연성이 있습니다(그러나 약하고 유연합니다).따라서 섬유유리는 상대적으로 단단하고 강하며 유연하며 [14]연성이 있습니다.

복합 재료

콘크리트는 접착제와 골재의 혼합물로, 매우 널리 사용되는 견고하고 강한 재료를 제공합니다.
합판은 건설에 널리 사용된다.
NASA에서 테스트에 사용되는 복합 샌드위치 구조 패널

콘크리트는 가장 일반적인 인공 복합 재료이며, 일반적으로 시멘트 매트릭스로 고정되는 느슨한 돌(골재)로 구성됩니다.콘크리트는 저렴한 재료이며 상당한 압축력 [15]하에서도 압축되거나 부서지지 않습니다.그러나 콘크리트는 인장[16] 하중을 견딜 수 없습니다(즉, 늘어나면 빠르게 분해됩니다).따라서 콘크리트에 내인장성을 부여하기 위해 높은 신장력(장력)에 견딜 수 있는 철근을 콘크리트에 첨가하여 철근콘크리트[17]형성하는 경우가 많다.

섬유강화 폴리머는 탄소섬유강화 폴리머와 유리강화 플라스틱을 포함한다.매트릭스로 분류하면 열가소성 복합재료, 단섬유 열가소성 플라스틱, 장섬유 열가소성 플라스틱 또는 장섬유 강화 열가소성 플라스틱이 있습니다.종이 복합 패널을 포함한 수많은 열경화 복합 재료가 있습니다.많은 진보된 열경화 폴리머 매트릭스 시스템은 보통 에폭시 수지 [18][19]매트릭스에 아라미드 섬유와 탄소 섬유를 포함합니다.

형상기억고분자복합재료는 섬유 또는 직물보강재 및 형상기억고분자수지를 매트릭스로 하여 제조된 고성능 복합재료이다.형상기억성 고분자 수지를 매트릭스로 사용하므로 활성화 온도 이상으로 가열하면 다양한 구성으로 쉽게 조작할 수 있으며 저온에서 고강도 및 강성을 보인다.재료 특성을 잃지 않고 반복적으로 재가열 및 재형성할 수도 있습니다.이러한 복합 재료는 가볍고 견고하며 전개 가능한 구조, 신속한 제조 및 동적 [20][21]보강과 같은 용도에 이상적입니다.

고변형 복합 재료는 높은 변형 환경에서 수행되도록 설계된 또 다른 유형의 고성능 복합 재료이며 구조적 굴곡성이 유리한 [citation needed]전개식 시스템에 자주 사용됩니다.고변형 복합 재료는 형상 기억 폴리머와 많은 유사성을 보이지만,[22] 그 성능은 일반적으로 매트릭스의 수지 함량과는 대조적으로 섬유 배치에 따라 달라집니다.

복합 재료는 골격(콜라겐 섬유로 강화히드록시아파타이트), 서멧(세라믹 및 금속) 및 콘크리트포함하는 MMC [23]또는 세라믹 매트릭스 복합 재료(CMC)[24]와 같이 다른 금속을 보강하는 금속 섬유도 사용할 수 있다.세라믹 매트릭스 복합 재료는 강도가 아니라 주로 파괴 인성을 위해 제작됩니다.복합 재료의 또 다른 등급은 세로 및 가로 레이스 실로 구성된 직물 복합 재료입니다.직물 복합 재료는 직물 형태 그대로 유연합니다.

유기매트릭스/세라믹 골재복합재로는 아스팔트 콘크리트, 폴리머 콘크리트, 매스틱 아스팔트, 매스틱 롤러 하이브리드, 치과복합재, 통사성 발포체 및 [25]마더 등이 있다.초밤 갑옷은 군사용으로 [26]사용되는 특수 형태의 복합 갑옷이다.

또한 열가소성 복합재료를 특정 금속분말로 배합하여 2g/cm3~11g/cm3(납과 같은 밀도)의 재료를 만들 수 있다.이러한 유형의 물질에 대한 가장 일반적인 이름은 "고중력 화합물"(HGC)이지만 "납 대체"도 사용됩니다.이러한 재료는 알루미늄, 스테인리스강, 황동, 청동, 구리, 납, 심지어 무게 조정(예를 들어 테니스 라켓의 무게 중심을 수정), 진동 감쇠 및 방사선 차폐 애플리케이션과 같은 기존 재료 대신 사용될 수 있다.고밀도 복합 재료는 특정 재료가 위험하다고 간주되어 사용이 금지되거나(납 등) 2차 작업 비용(가공, 마감 또는 코팅 등)이 [27]요인인 경우 경제적으로 실행 가능한 옵션입니다.

유연 열가소성 수지 라미네이트와 강직하고 부서지기 쉬운 에폭시 기반 탄소 섬유 강화 폴리머 라미네이트를 함께 사용하면 내충격성이 [28]향상된 고도로 강화된 복합 재료를 만드는 데 도움이 될 수 있다는 여러 연구가 있습니다.그런 인터리브 복합 재료의 또 다른 흥미로운 측면은 그들은 예를 들어 어떤 형상 기억 고분자나 형상 기억 합금이 필요 없이 메모리 행동 shape 할 수 있다.balsa 플라이가 뜨거운 glue,[29]알루미늄 플라이 아크릴 합성 수지나 PVC[30]과 탄소 섬유 끼워져 끼워져 폴리머들을 배합한 요강 끼워져 강화다.lystyrene.[31]

샌드위치 구조 복합 재료는 가볍지만 두꺼운 코어에 얇지만 뻣뻣한 두 개의 스킨을 붙여 만든 특수 복합 재료입니다.코어 재료는 일반적으로 저강도 재료이지만 두께가 높아 샌드위치 복합 재료에 높은 굽힘 강성과 전체적인 [32][33]저밀도를 제공합니다.

목재는 리그닌헤미셀룰로오스 [34]매트릭스에 셀룰로오스 섬유를 함유한 자연발생 복합물이다.엔지니어링된 목재는 목재 섬유 보드, 합판, 방향성 스트랜드 보드, 목재 플라스틱 복합재(폴리에틸렌 매트릭스 내 재생 목재 섬유), 파이크리트(얼음 매트릭스 내 톱밥), 플라스틱 함침 또는 적층지 또는 직물, 아보라이트, 포미카(플라스틱)미카르타 등 매우 다양한 제품을 포함합니다.Mallite와 같은 다른 엔지니어링된 라미네이트 복합 재료는 경합금 또는 GRP 표면 표면에 접합된 엔드 그레인 발사 나무의 중심 코어를 사용합니다.저중량 고강성 재료를 [35]생성합니다.

미립자 복합 재료는 입자를 필러로 매트릭스에 분산시켜 유리, 에폭시와 같은 비금속성 물질일 수 있습니다.자동차 타이어는 미립자 [36]복합체의 한 예이다.

표면 소수성, 경도 및 내마모성을 높이는 첨단 다이아몬드 라이크 카본(DLC) 코팅 폴리머 컴포지트가 보고되었습니다[37].

예를 들어 Fe계 분말의 나노크리스탈린 필러 및 폴리머 매트릭스로 이루어진 폴리머 매트릭스를 가진 강자성 복합재료.예를 들어 금속유리로부터 얻은 비정질 및 나노결정 분말을 사용할 수 있다.이를 사용하면 제어된 자기 [38]특성을 가진 강자성 나노 컴포지트를 얻을 수 있습니다.

상품들

섬유 강화 복합 재료는 일반적으로 높은 비용에도 불구하고 경량이어야 하지만 항공 우주 구성 요소(테일, 날개, 동체, 프로펠러), 보트 스컬 선체, 자전거 프레임경주용 차체와 같은 가혹한 하중 조건을 견딜 수 있을 만큼 강해야 하는 고성능 제품에서 인기를 얻고 있습니다.다른 용도로는 낚싯대, 저장 탱크, 수영장 패널, 야구 방망이 등이 있다.날개와 동체를 포함한 보잉 787과 에어버스 A350 구조물은 주로 [39]복합 재료로 구성되어 있다.복합 재료는 정형외과 [40]분야에서도 보편화되고 있으며, 가장 흔한 하키 스틱 재료입니다.

탄소 복합체는 오늘날 우주선 재진입 단계에서 발사체와 방열판의 핵심 재료이다.그것은 태양 전지판 기판, 안테나 반사체, 우주선 요크에 널리 사용된다.발사체의 페이로드 어댑터, 단간 구조, 방열판에도 사용된다.또, 비행기나 레이싱카디스크 브레이크 시스템 카본/카본 소재를 채용해, 카본 파이버와 탄화 규소 매트릭스를 갖춘 복합 재료고급 차량이나 스포츠카에 도입되고 있다.

2006년에는 아연도금 강철의 비부식 대안으로 주거용과 상업용 수영장을 위한 섬유 강화 복합 풀 패널이 도입되었다.

2007년에는 TPI 컴포지트사와 최초의 복합 군용 차량인 아머 홀딩스에 의해 복합 군용 험비가 도입되었다.복합 재료를 사용하여 차량이 가벼워져 더 높은 [41]적재량을 허용합니다.2008년에는 탄소 섬유와 DuPont Kevlar(강철보다 5배 강)를 강화한 열경화성 수지와 결합하여 ECS Composite에 의한 군사 수송 케이스를 제작하여 고강도 케이스의 30% 경량화를 실현했습니다.

식수 수송, 소방, 관개, 해수, 담수화수, 화학 및 산업 폐기물, 하수 등 다양한 목적을 위한 파이프와 부속품이 현재 유리 강화 플라스틱으로 제조되고 있다.

전면 적용을 위한 인장 구조에 사용되는 복합 재료는 반투명하다는 장점을 제공합니다.짜여진 기본 천과 적절한 코팅이 결합되어 빛 투과성이 향상됩니다.이는 외부 [42]밝기의 최대 밝기에 비해 매우 쾌적한 수준의 조명을 제공합니다.

풍력 터빈의 날개는 50m 길이로 크기가 커지면서 [43]몇 년 전부터 복합 재료로 제작되었습니다.

2개의 하퇴각암페어는 암페어가 아닌 [44]선수들처럼 탄소복합 스프링 같은 의족으로 달린다.

일반적으로 소방관을 위한 고압 가스 실린더는 탄소 복합체로 구성되어 있습니다.타입-4-기통에는 밸브에 나사산을 삽입하는 보스로만 금속이 포함됩니다.

2019년 9월 5일 HMD Global은 [45]프레임에 폴리머 복합체를 사용하는 것으로 알려진 노키아 6.2와 노키아 7.2공개했다.

개요

카본 파이버 컴포지트 부품.

복합 재료는 개별 재료에서 만들어집니다.이러한 개별 재료는 구성 재료라고 하며, 크게 두 가지 범주가 있습니다.하나는 매트릭스(바인더)이고 다른 하나는 [46]보강입니다.적어도 각 종류의 일부가 필요하다.철근은 매트릭스가 철근을 둘러싸고 상대적인 위치를 유지하므로 매트릭스로부터 지지를 받는다.증원군이 탁월한 물리적 및 기계적 특성을 부여함에 따라 매트릭스의 특성이 개선됩니다.기계적 특성은 시너지 작용에 의해 개별 구성 재료에서 사용할 수 없게 됩니다.동시에 제품 또는 구조물의 설계자는 다양한 매트릭스와 강화 재료 중에서 최적의 조합을 선택할 수 있는 옵션을 받는다.

가공된 복합재료를 성형하기 위해서는 성형해야 합니다.보강재는 몰드 표면 또는 몰드 캐비티에 배치됩니다.그 전후에 매트릭스를 철근에 도입할 수 있다.행렬은 반드시 부품 모양을 설정하는 혼합 이벤트를 거칩니다.이 혼합 현상은 열가소성 폴리머 매트릭스 복합체의 경우 용해 상태에서 응고되거나 열경화성 폴리머 매트릭스의 경우 화학적 중합 등 매트릭스 특성에 따라 여러 가지 방법으로 발생할 수 있습니다.

엔드 아이템 설계의 요건에 따라 다양한 몰딩 방법을 사용할 수 있다.선택한 매트릭스와 보강의 성질은 방법론에 영향을 미치는 주요 요인입니다.만들어지는 재료의 총량은 또 다른 주요 요인이다.신속하고 자동화된 제조 기술에 대한 높은 자본 투자를 지원하기 위해, 많은 양이 사용될 수 있습니다.설비투자는 저렴하지만 인건비와 공구비용은 높아져 생산수량이 적어진다.

상업적으로 생산된 많은 복합 재료는 종종 수지 용액이라고 불리는 폴리머 매트릭스 재료를 사용합니다.원재료에 따라 다양한 폴리머를 사용할 수 있습니다.몇 가지 광범위한 범주가 있으며, 각 범주는 다양한 변형을 가지고 있습니다.가장 일반적인 것은 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리프로필렌, PEEK 등으로 알려져 있습니다.강화 재료는 섬유질인 경우가 많지만 일반적으로 갈린 광물이기도 하다.최종 제품의 수지 함량을 줄이거나 섬유 함량을 높이기 위해 아래에 설명된 다양한 방법이 개발되었습니다.경험에 비추어 볼 때, 수지를 60%, 섬유를 40% 함유한 제품으로 결과를 축적하는 반면, 진공 주입은 수지를 40%, 섬유 함량을 60% 함유한 최종 제품을 제공합니다.제품의 강도는 이 비율에 크게 좌우됩니다.

Martin Hubbe와 Lucian A Lucia는 목재를 리그닌 [47][48]매트릭스에서 셀룰로오스 섬유의 천연 합성물로 간주합니다.

컴포지트 내 코어

복합 재료의 여러 레이업 설계에는 폼이나 벌집과 같은 많은 다른 매체와의 프리프레그 경화 또는 사후 경화도 포함됩니다.일반적으로 이것은 샌드위치 구조라고 알려져 있다.이것은 카울링, 도어, 레이돔 또는 비구조 부품의 생산을 위한 보다 일반적인 레이업입니다.

일반적으로 폴리염화비닐, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 또는 폴리스티렌 발포, 발사목재, 통사성 발포, 벌집 등 개방 및 폐세포 구조의 발포체를 이용한다.오픈셀 및 클로즈드셀 메탈 폼을 코어 재료로 활용할 수도 있습니다.최근에는 3D 그래핀 구조(일명 그래핀 폼)도 코어 구조로 채택됐다.Kurram과 Xu 등의 최근 리뷰에서는 그래핀의 3D 구조를 제작하기 위한 최첨단 기술의 개요와 각각의 고분자 복합 [49]재료의 핵심으로 이러한 발포 구조를 사용한 예가 제시되었습니다.

반결정 고분자

두 상은 화학적으로 동등하지만, 반결정성 폴리머는 양적, 질적으로 복합 재료로서 기술할 수 있다.결정성 부분은 탄성률이 높고 덜 딱딱하고 비정질적인 단계에 대한 보강을 제공합니다.고분자 재료는 분자 구조와 열 이력에 따라 0%[50]에서 100%의 결정도 부피 비율까지 다양합니다.이러한 재료의 결정성 비율을 변화시키기 위해 다른 가공 기술을 사용할 수 있으며, 따라서 물리적 특성 섹션에서 설명한 바와 같이 이러한 재료의 기계적 특성을 변화시킬 수 있습니다.이러한 효과는 폴리에틸렌 쇼핑백과 같은 산업용 플라스틱에서부터 서로 다른 기계적 [51]특성을 가진 실을 생산할 수 있는 거미에 이르기까지 다양한 곳에서 볼 수 있다.대부분의 경우 이러한 재료는 구공으로 알려진 무작위로 분산된 결정을 가진 입자 복합 재료와 같은 역할을 합니다.그러나 이들은 이방성이고 섬유 강화 복합 [52]재료와 더 비슷하게 작용하도록 설계될 수도 있습니다.거미줄의 경우 부피율에 [53]관계없이 결정의 크기에 따라 재료의 특성이 달라질 수 있습니다.아이러니컬하게도 단일 성분 고분자 재료는 알려진 것 중 가장 쉽게 조정할 수 있는 복합 재료 중 하나입니다.

제조 방법

일반적으로 복합체의 제작에는 배합물에 의한 철근의 습윤, 혼합 또는 포화를 포함한다.그런 다음 매트릭스가 (열 또는 화학 반응으로) 결합되어 단단한 구조로 유도됩니다.일반적으로 작업은 개방 또는 폐쇄 성형 금형에서 수행됩니다.그러나 구성원을 소개하는 순서와 방법은 크게 달라진다.복합 재료 제작은 고급 섬유 배치(자동 섬유 배치),[54] 섬유 유리 스프레이 레이업 공정,[55] 필라멘트 [56]권선, 라녹사이드 공정,[57] 맞춤형 섬유 배치,[58] 터핑[59]z-피닝 [60]다양한 방법으로 이루어집니다.

몰드의 개요

보강재 및 매트릭스 재료는 몰드 내에서 병합, 압축 및 경화(가공)되어 융해 현상이 발생합니다.부품 모양은 기본적으로 혼합 이벤트 후에 설정됩니다.그러나 특정 공정 조건에서는 변형될 수 있습니다.열경화성 폴리머 매트릭스 재료의 용융 현상은 추가적인 열이나 유기 과산화물과 같은 화학적 반응 가능성으로 인해 발생하는 경화 반응입니다.열가소성 고분자 매트릭스 재료의 혼합 이벤트는 용해 상태에서 응고된 것입니다.티타늄박과 같은 금속 매트릭스 재료의 융해 현상은 용해점 부근의 고온 및 고압에서의 융해입니다.

많은 몰딩 방법에서 한 몰드를 "하위" 몰드라고 부르고 다른 몰드를 "상위" 몰드라고 부르는 것이 적합합니다.하부 및 상부는 공간에서의 몰드 구성이 아니라 몰드 패널의 서로 다른 면을 의미합니다.이 규칙에는 항상 하위 주형이 있으며 때로는 상위 주형이 있습니다.하부 몰드에 재료를 도포하는 것으로 부품 시공이 시작됩니다.하부 몰드와 상부 몰드는 수컷 측면, 암컷 측면, a 측면, b 측면, 공구 측면, 볼, 모자, 맨드렐 등과 같은 더 일반적이고 구체적인 용어보다 더 일반화된 기술자입니다.연속 제조에서는 다른 용어를 사용합니다.

일반적으로 성형된 제품을 패널이라고 합니다.특정 지오메트리 및 재료 조합에 대한 주조라고 할 수 있습니다.특정 연속 프로세스의 프로파일이라고 할 수 있습니다.일부 공정은 고압 클레이브 몰딩,[61] 진공 백 [62]몰딩, 압력 백 몰딩,[63] 수지 전사[64] 몰딩 및 경량 수지 전사 [65]몰딩입니다.

기타 제조 방법

다른 유형의 제작에는 주조,[66] 원심 주조,[67] 편조(전자에 대한 편조), 연속 주조,[68] 필라멘트 권선,[69] 프레스 몰딩,[70] 전사 몰딩, 펄트루전[71] 몰딩 및 슬립 [72]성형 등이 있습니다.CNC 필라멘트 와인딩, 진공 주입, 습식 레이업, 압축 성형열가소성 플라스틱 성형 등의 성형 기능도 있습니다.일부 프로젝트에서는 오븐과 페인트 부스를 양생하는 작업도 필요합니다.

마감 방법

복합 부품 마감은 최종 설계에서도 매우 중요합니다.이러한 마감의 대부분은 비-내화 코팅 또는 폴리우레탄 코팅과 관련이 있습니다.

툴링

몰드 및 몰드 인서트를 "툴링"이라고 합니다.몰드/툴링은 다양한 재료로 제작할 수 있습니다.공구 재료에는 알루미늄, 탄소 섬유, 인바, 니켈, 강화 실리콘 고무 및 강철이 포함됩니다.공구 재료 선택은 일반적으로 열팽창 계수, 예상 사이클 수, 최종 항목 공차, 바람직한 또는 예상되는 표면 조건, 경화 방법, 성형 재료의 유리 전이 온도, 성형 방법, 매트릭스, 비용 및 기타 다양한 고려 사항을 기반으로 합니다.

물리 속성

상한(등압) 및 하한(등압) 조건에 의해 제한된 섬유 부피 비율의 함수로서의 복합 재료의 전체 강도 그림.

일반적으로 복합체의 물리적 특성은 (적용되는 힘의 방향과는 무관한) 등방성이 아니다.그러나 이들은 일반적으로 이방성(가해지는 힘이나 하중의 방향에 따라 다름)입니다.예를 들어 복합 패널의 강성은 일반적으로 적용된 힘 및/또는 모멘트의 방향에 따라 달라집니다.합성물의 강도는 오른쪽 그림에 표시된 것처럼 두 가지 적재 조건에 의해 제한됩니다.

혼합물의 등압 규칙

섬유와 매트릭스가 모두 로드 방향에 평행하게 정렬되어 있는 경우, 두 상 모두 변형이 동일합니다(섬유 매트릭스 인터페이스에 박리가 없다고 가정).이 등압 조건은 복합 강도에 대한 상한을 제공하며 혼합의 법칙에 따라 결정됩니다.

그림 a)는 복합재료가 가해진 힘에 수직인 등압력 조건이며 b)는 [73]힘과 평행한 층을 가진 등압력 조건이다.

여기C E는 합성상의 유효 합성 영률i, Vi E는 각각 부피율, 영률이다.

예를 들어, α상과 β상으로 구성된 복합 재료는 등압선 아래의 오른쪽 그림과 같이 다음과 같습니다.

여기서α V와β V는 각 단계의 각 부피 분율입니다.이것은 등기압의 경우 다음 사항을 통해 도출할 수 있다.
복합체의 단면이 균일하다고 가정하면 복합체에 가해지는 응력은 두 위상 사이의 가중 평균이다.
개별 단계의 스트레스는 후크의 법칙에 의해 주어진다.
이 방정식을 결합하면 복합체의 전체적인 응력은
그러면 알 수 있다

혼합물의 이소스트레스 규칙

하한은 파이버와 매트릭스가 로드 방향에 대해 수직인 등압 조건에 의해 결정됩니다.

이제 균주는 가중평균이 되고
개별 단계에 대한 Hooke의 법칙 다시 쓰기
이로 인해
후크의 법칙의 정의에서
그리고 일반적으로

위의 예에 따라 오른쪽 그림과 같이 이소스트레스 조건 하에서 α 및 β상으로 구성된 복합재료를 사용할 경우 조성 영 계수는 다음과 같습니다.

등압 상태는 부하가 가해질 경우 두 상 모두 동일한 변형률이 발생하지만 서로 다른 응력을 느낀다는 것을 의미합니다.상대적으로 등압 조건에서는 두 상 모두 동일한 응력을 느끼지만 변형은 각 상마다 다릅니다.등압과 등압 사이의 부하 조건에 대한 일반화 방정식은 다음과 같이 [74]쓸 수 있습니다.

여기서 X는 계수 또는 응력 등의 재료 특성, c, m, r은 각각 복합 재료, 매트릭스, 철근 재료의 특성을 나타내며 n은 1과 -1 사이의 값이다.

위의 방정식은 2상 합성물을 넘어 m-성분 시스템으로 더욱 일반화할 수 있습니다.

복합 강성은 파이버가 하중 방향에 맞춰 정렬될 때 극대화되지만 인장 강도가 매트릭스의 인장 강도를 초과한다고 가정할 때 파이버 인장 파괴 가능성도 극대화됩니다.파이버에 어느 정도 오배향각θ가 있는 경우, 몇 가지 파괴 모드가 가능합니다.θ의 작은 값의 경우는 스트레스를 시작해야 하(왜냐면 θ)−2의 비율로 섬유질 함량 줄어든 힘(F/cos θ)은 섬유에 의해 경험한 증가된 단면적(A야 θ),σparallel /cos2 θ의 합성물 섬유와 어디 σparallel은 종이의 장력 강도를 합성한 인장 강도에 올라 있다.평행 wi 정렬가해진 힘.

방향 오차의 중간 각도 θ는 매트릭스 전단 파괴로 이어진다.다시 단면적이 수정되지만 전단 응력이 기능 상실의 원동력이 되므로 섬유에 평행한 매트릭스의 면적이 1/sin δ의 계수만큼 증가하여 관심사가 됩니다.마찬가지로 이 면적에 평행한 힘이 다시 감소(F/cos θ)하여 총 인장강도 θmy /sin θ cos θ가 된다. 여기서 θmy 매트릭스 전단강도이다.

마지막으로, δ(근거 δ/2)의 큰 값의 경우, 섬유들이 더 이상 부하의 대부분을 운반하지 않기 때문에 가로 매트릭스 장애가 발생할 가능성이 가장 높다.이후 힘이 섬유에 수직 1/sin θ의 요인에 의하여 이 지역 1/sin θ의 요인 σperp /sin2θ의 합성물 섬유와 어디 σperp은 인장 강도 alignperpe을 합성한 인장 강도를 생산하여 감소시켜 감소할 것이다 그래도, 인장 강도는 순수한 수직 방향에 대한보다 더 클 것이다.ndicular힘을 [75]가할 수 있습니다.

그래프는 적용된 응력에 평행한 섬유 정렬과 관련된 방향 오류 각도에 따라 복합 재료에 발생할 수 있는 세 가지 파괴 모드를 보여 줍니다.

대부분의 상업용 복합 재료는 강화 섬유의 무작위 분산 및 배향으로 형성되며, 이 경우 복합 영률은 등압과 등압 경계 사이에 놓입니다.단, (항공우주산업 등) 강도 대 중량비가 가능한 한 높게 설계되어 있는 어플리케이션에서는 파이버 얼라인먼트를 엄격하게 제어할 수 있습니다.

패널 강성은 패널 설계에 따라 달라집니다.예를 들어 사용된 섬유 보강재 및 매트릭스, 패널 제작 방법, 열가소성 수지 대 열가소성 수지, 직물 유형 등이 있습니다.

복합 재료와 대조적으로 표준 단조 형태의 등방성 재료(예: 알루미늄 또는 강철)는 적용된 힘 및/또는 모멘트의 방향 방향에도 불구하고 일반적으로 동일한 강성을 가진다.등방성 재료에 대한 힘/모멘트와 변형률/곡선 사이의 관계는 다음과 같은 재료 특성을 사용하여 설명할 수 있습니다.비교적 단순한 수학적 관계에서 영률, 전단률, 포아송 비율.이방성 재료의 경우 2차 텐서와 최대 21개의 재료 특성 상수의 수학이 필요합니다.직교 등방성의 특수한 경우, 영 계수, 전단 계수 및 포아송 비율 각각에 대해 세 가지 뚜렷한 재료 특성 상수가 있다. 즉, 힘/모멘트와 변형/곡선 사이의 관계를 표현하기 위한 총 9개의 상수가 있다.

재료의 이방성 특성을 활용하는 기술은 모르티스와 테논 조인트(목재와 같은 천연 복합 재료의 경우), 합성 복합 재료의 파이 조인트(Pi Joints)를 포함합니다.

복합 재료의 기계적 특성

입자 보강

일반적으로 입자 보강은 섬유 보강보다 복합 재료를 덜 강화시키고 있다.컴포지트의 강성인성을 높이면서 강성을 높이기 위해 사용됩니다.기계적 특성으로 인해 내마모성이 요구되는 애플리케이션에 사용됩니다.예를 들어 자갈 입자를 대폭 보강함으로써 시멘트의 경도를 높일 수 있다.입자 보강은 저렴한 비용으로 [76][77][78][79]구현이 매우 쉬워 재료의 기계적 특성을 튜닝하는 데 매우 유리한 방법입니다.

입자 강화 복합 재료의 탄성 계수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 E는 탄성 계수, V는 부피 비율입니다.첨자 c, p 및 m은 각각 복합, 입자 및 행렬을 나타냅니다. c K_ 상수를 경험적으로 찾을 수 있습니다.

마찬가지로 입자 강화 복합 재료의 인장 강도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 T.S.는 인장 이고 Ks {\ K_ 경험적으로 찾을 수 있는 상수(c { K_와 동일하지 않음)입니다.

연속 섬유 보강

일반적으로 약상 매트릭스에 강상으로서의 섬유를 포함시킴으로써 연속적인 섬유보강을 실시한다.섬유 사용이 인기 있는 이유는 섬유 형태로 강도가 뛰어난 재료를 얻을 수 있기 때문입니다.비금속 섬유는 일반적으로 결합의 공유 특성 때문에 금속 섬유에 비해 매우 높은 강도 대 밀도 비율을 보입니다.이것의 가장 유명한 예는 스포츠 장비에서 보호 장비, 우주 [80][81]산업까지 많은 응용 분야를 가진 탄소 섬유이다.

복합체에 가해지는 응력은 섬유와 매트릭스의 부피율로 나타낼 수 있습니다.

스트레스, V는 볼륨 비율입니다.첨자 c, f 및 m은 각각 복합, 섬유 및 매트릭스를 나타냅니다.

섬유 복합 재료의 응력-변형 거동은 테스트로만 판단할 수 있지만, 응력-변형 곡선의 세 단계인 예상 추세가 있다.첫 번째 단계는 섬유와 매트릭스가 모두 탄성 변형되는 응력-변형 곡선 영역입니다.이 선형 탄성 영역은 다음과 같은 [80]형태로 표현될 수 있습니다.

{ 응력, { 변형률, E는 탄성 계수, V는 체적 비율입니다.첨자 c, f 및 m은 각각 컴포지트, 파이버 및 매트릭스를 나타냅니다.

섬유와 매트릭스 모두에 대한 탄성 영역을 통과한 후 응력-변형 곡선]의 두 번째 영역을 관찰할 수 있다.제2영역에서는 매트릭스가 약상이기 때문에 매트릭스가 소성변형된 상태에서 섬유는 탄성변형을 계속한다.순간 계수는 두 번째 영역의 응력-변형 곡선의 기울기를 사용하여 결정할 수 있다.응력과 변형률의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.

{ 응력, { 변형률, E는 탄성 계수, V는 체적 비율입니다.첨자 c, f 및 m은 각각 컴포지트, 파이버 및 매트릭스를 나타냅니다. 번째 영역에서 계수를 구하려면 곡선의 기울기가 계수와 같기 때문에 이 방정식의 도함수를 사용할 수 있습니다.

대부분의 경우 c f \ }' =f}로 가정할 수 있습니다. 번째 항이 첫 번째 항보다 훨씬 작기 때문에 [80]E_{

실제로는 섬유와 매트릭스 의 결합 상호작용 때문에 변형률에 대한 응력 유도체가 항상 계수를 되돌리는 것은 아닙니다.이 두 위상 간의 상호작용 강도로 인해 합성물의 기계적 특성이 변경될 수 있습니다.섬유와 매트릭스의 호환성은 내부 [80]응력의 척도입니다.

공유 결합 고강도 섬유(예: 탄소 섬유)는 전위 운동으로 인해 소성 변형이 발생할 수 있기 때문에 파괴 전에 대부분 탄성 변형을 경험한다.반면 금속섬유는 소성변형을 할 수 있는 공간이 더 넓기 때문에 그 복합재료는 섬유와 매트릭스가 모두 소성변형을 하는 세 번째 단계를 보인다.금속섬유극저온 온도에서 작업할 수 있는 응용 분야가 많아 비금속보다 금속섬유를 가진 복합재료의 장점 중 하나입니다.응력-변형 곡선의 이 영역의 응력은 다음과 같이 표현될 수 있다.

{ 응력, { 변형률, E는 탄성 계수, V는 체적 비율입니다.첨자 c, f 및 m은 각각 컴포지트, 파이버 및 매트릭스를 나타냅니다. ( ) \ \ { } ( ( ( ) ( ( m ( )는 각각 파이버 및 매트릭스 흐름응력용입니다.세 번째 영역 직후에 복합체가 목덜미를 드러냅니다.복합체의 네킹 스트레인은 복합체의 다른 기계적 특성과 마찬가지로 섬유 네킹 스트레인과 매트릭스 사이에 있습니다.약한 단계의 네킹 변형은 강한 단계에 의해 지연됩니다.지연량은 강상의 [80]체적 비율에 따라 달라집니다.

따라서 복합체의 인장강도[80]체적률로 표현할 수 있다.

T.S.는 인장강도,{ 응력,{ 변형률, E는 탄성계수, V는 체적률이다.첨자 c, f 및 m은 각각 컴포지트, 파이버 및 매트릭스를 나타냅니다.복합 인장 강도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

.. ) ( T . ) { . S { c } =_ { } T . S ) V { V _ { }( T . s ) _ { ( T . S ) fraction fraction fraction fraction V c _ { displaystylearrival ))))))) ))))))))))))))))))))))))))))))))))))

. .) f ( .) + ( m) \ ( . { c } =_ { } ( . { } + _ { _ { } ) ( (

체적 비율의 임계치는 다음과 같이 표현될 수 있다.

복합 인장강도는 ( ( m(보다경우 매트릭스보다 높을 수 있습니다.

따라서 파이버의 최소 부피율은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

이 최소값은 실제로는 매우 낮지만, 연속 섬유를 사용하는 이유는 재료/성분의 기계적 특성을 개선하기 위한 것이며 부피 비율의 값이 이 [80]개선의 역치이기 때문에 알아두는 것이 매우 중요합니다.

섬유 배향 효과

정렬된 섬유

가해지는 응력과 섬유 방향 사이의 각도의 변화는 섬유 강화 복합 재료의 기계적 특성, 특히 인장 강도에 영향을 미칩니다.이 각도(\를 사용하여 지배적인 인장 파괴 메커니즘을 예측할 수 있습니다.

작은 각도인 0 {\ 0 \ \0^{\}에서는 지배적인 파괴 메커니즘은 하중섬유 얼라인먼트, 인장파괴와 동일하다.섬유 길이에 작용하는 분해력은 회전으로 인한 cos ( \ 계수만큼 감소합니다. 파이버가 힘을 받는 분해능 면적이 회전 시 cos(\ 증가합니다. 유효 인장 강도를 ( c res / res \ ({\ 정렬된 인장 강도 F/ {\ \ _}^{*}=[80]

적당한 각도로 45 { \ 45에서 전단파괴가 발생한다.정렬된 방향에 대해 유효 힘 방향이 감소합니다. . 힘이 작용하는 분해능 영역은 res m / ( \ A _ { \ { } 결과 인장강도는 매트릭스의 전단강도 { _[80]에 따라 달라집니다.

극한각도 90θ {\ 90에서는 수직방향 매트릭스에서의 인장파괴가 주된 고장모드이다.층상복합재료 아이소스트레스 케이스와 마찬가지로 이 방향의 강도는 정렬된 방향보다 낮다.유효 영역과 힘은 정렬된 방향에 수직으로 작용하므로 둘 다 sin {\ \ 스케일링됩니다. 분해된 인장 강도는 가로 강도 σ {\ {\ _perp [80]에 비례합니다.

주요 골절 메커니즘이 변화하는 임계 각도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

여기서 c _ 종파괴와 전단파괴 사이의 임계각, 2 _ 전단파괴와 횡파괴 [80]사이의 임계각이다.

길이 효과를 무시함으로써 이 모델은 연속섬유에 대해 가장 정확하고 단섬유 강화 복합재료에 대한 강도 배향 관계를 효과적으로 포착하지 못한다.또한, 대부분의 현실적 시스템은 임계 [82][83][84][85]각도에서 예측된 국소 최대값을 경험하지 못한다.그 Tsai-Hill 기준은 기여하고 수익률 스트레스를 결합하여:τ m{\displaystyle \tau_{m}}.[86]80-LSB- 섬유 합성하는 인장 강도의 방향 각도의 함수로 좀 더 완벽한 설명 σ∥ ∗{\displaystyle \sigma_{\parallel}^{*}},σ⊥ ∗{\displaystyle \sigma_{\perp}^{*}}를 제공한다.]

랜덤 배향 섬유

섬유강화복합재료의 인장강도 이방성을 재료 내에서 섬유방향을 랜덤하게 배향함으로써 제거할 수 있다.전체적으로 등방적으로 강화된 재료를 위해 정렬된 방향의 궁극적인 강도를 희생합니다.

여기서 K는 입자 강화 방정식과 유사한 경험적으로 결정된 강화 계수입니다.평면 내에 랜덤하게 분포하는 방향의 는 K0. K0. 3D 랜덤 분포의 K 0({ K 0[80]

섬유의 종류와 그 기계적 특성

유리섬유, 탄소섬유, 케블라 섬유는 생산의 용이성과 가용성으로 인해 업계에서 사용되는 가장 일반적인 섬유 종류이다.이들 강철의 기계적 특성은 매우 중요하므로 S97 [87][88][89][90]강철과 비교하기 위해 아래에 기계적 특성 표가 제시되어 있습니다.섬유 복합 재료의 이방성 때문에 섬유 방향의 각도는 매우 중요합니다(자세한 설명은 "물리 속성" 섹션을 참조하십시오).복합재료의 기계적 특성은 다양한 각도로 시료를 배치하여 표준 기계적 시험방법으로 시험할 수 있다(표준 각도는 0°, 45°, 90°).복합 재료 내 섬유 방향과 관련하여.일반적으로 0° 축방향 정렬은 복합재료를 세로방향 굽힘 및 축방향 장력/압축에 내성을 가지며, 90° 후프 정렬은 내부/외압에 대한 내성을 얻기 위해 사용되며 ± 45°는 순수한 [91]비틀림에 대한 내성을 얻기 위한 이상적인 선택입니다.

섬유복합재의 역학적 특성

섬유 @ 0°(UD), 0/90°(표준), 부하 축 방향, 건조, 실온, Vf = 60%(UD), 50%(표준) 섬유/에폭시 수지(120°[92]C에서 최대)
기호. 단위 표준.

카본 파이버

고모듈러스

카본 파이버

E-Glass

파이버 글라스 패브릭

케블라

표준.

단방향

카본 파이버

고모듈러스

단방향

카본 파이버

E-Glass

단방향

파이버 글라스 패브릭

케블라

단방향 패브릭

강철

S97

영률 0° E1 GPa 70 85 25 30 135 175 40 75 207
영률 90° E2 GPa 70 85 25 30 10 8 8 6 207
면내 전단 계수 G12 GPa 5 5 4 5 5 5 4 2 80
큰 포아송의 비율 v12 0.10 0.10 0.20 0.20 0.30 0.30 0.25 0.34
최종 인장 강도 0° Xt MPa 600 350 440 480 1500 1000 1000 1300 990
Ult. 컴팩트.강도 0° XC MPa 570 150 425 190 1200 850 600 280
최종 인장 강도 90° Yt MPa 600 350 440 480 50 40 30 30
Ult. 컴팩트.강도 90° YC MPa 570 150 425 190 250 200 110 140
최종. 면내 전단 강도. S MPa 90 35 40 50 70 60 40 60
최종 인장 변형률 0° 익스텐트 % 0.85 0.40 1.75 1.60 1.05 0.55 2.50 1.70
Ult. 컴팩트.변형률 0° exc % 0.80 0.15 1.70 0.60 0.85 0.45 1.50 0.35
최종 인장 변형률 90° 아이트 % 0.85 0.40 1.75 1.60 0.50 0.50 0.35 0.50
Ult. 컴팩트.변형률 90° 아이크 % 0.80 0.15 1.70 0.60 2.50 2.50 1.35 2.30
최종. 면내 전단 변형률 es % 1.80 0.70 1.00 1.00 1.40 1.20 1.00 3.00
밀도 g/cc 1.60 1.60 1.90 1.40 1.60 1.60 1.90 1.40


부하 축에 대한 섬유 @ ±45도, 건조, 실온, Vf = 60%(UD), 50%(표준)[92]
기호. 단위 표준.

카본 파이버

고모듈러스

카본 파이버

E-Glass

파이버 글라스

표준.

탄소 섬유

E-Glass

파이버 글라스 패브릭

강철
세로 계수 E1 GPa 17 17 12.3 19.1 12.2 207 72
가로 계수 E2 GPa 17 17 12.3 19.1 12.2 207 72
평면 전단 계수 내 G12 GPa 33 47 11 30 8 80 25
포아송 비율 v12 .77 .83 .53 .74 .53
인장 강도 Xt MPa 110 110 90 120 120 990 460
압축 강도 XC MPa 110 110 90 120 120 990 460
평면 전단 강도 S MPa 260 210 100 310 150
열팽창규격 알파1 변형률/K 2.15 E-6 0.9 E-6 12 E-6 4.9 E-6 10 E-6 11 E-6 23 E-6
수분 보충제 베타 1 변형률/K 3.22 E-4 2.49 E-4 6.9 E-4

항공우주등급 및 상업등급 탄소섬유 복합재료, 유리섬유 복합재료, 알루미늄 합금 및 강철의 기계적 특성

이 표는 금속에 대한 섬유 복합 재료의 가장 중요한 특징과 장점 중 하나인 특정 강도와 특정 강성을 보여줍니다.강철과 알루미늄 합금은 섬유 복합 재료와 동등한 강도와 강성을 가지지만 복합 재료의 비강도와 강성은 강철과 알루미늄 합금보다 높다.

비용, 비강도 및 비강성[93] 비교
카본 파이버 컴포지트(항공우주 등급) 탄소섬유복합체(상업용) 파이버 글라스 컴포지트 알루미늄 6061 T-6 강철,

온화하다

LB당 비용 $20 – $250+ $5 – $20 $1.50 – $3.00 $3 $0.30
강도(psi) 90,000 – 200,000 50,000 – 90,000 20,000 – 35,000 35,000 60,000
강성(psi) 10 x 106 - 50 x 106 8 x 106 – 10 x 106 106 x 1 – 1.5 x 106 10 x 106 30 x 106
밀도(lb/in3) 0.050 0.050 0.055 0.10 0.30
특정 강도 1.8 x 106 –4 x 106 106 x 1 ~ 1.8 6 ({ 10 363,640–636,360 350,000 200,000
특정 강성 200 x 106 – 1,000 x 106 160 x 106 - 200 x 106 18 x 106 - 27 x 106 100 x 106 100 x 106

실패.

충격, 충격 또는 반복된 순환 응력에 의해 라미네이트가 두 층 사이의 경계면에서 분리될 수 있으며, 이를 박리라고 합니다.각 파이버는 예를 들어 파이버풀아웃과 같이 매트릭스에서 분리할 수 있습니다.

복합 재료는 거시적 또는 미시적 규모에서 실패할 수 있습니다.압축장애는 매크로스케일 또는 압축좌굴의 각 개별 보강섬유 양쪽에서 발생할 수 있습니다.장력파괴는 부품의 순단면파괴 또는 복합체 내의 하나 이상의 층이 매트릭스의 장력파괴 또는 매트릭스와 섬유간의 결합파괴일 수 있다.

일부 복합 재료는 부서지기 쉬우며 초기 기능 상실을 제외하고는 예비 강도가 거의 없는 반면, 다른 복합 재료는 큰 변형과 손상 발생 후의 예비 에너지 흡수 용량을 가질 수 있다.사용 가능한 섬유와 행렬의 차이와 혼합물을 사용하여 만들 수 있는 혼합물은 복합 구조로 설계할 수 있는 매우 광범위한 특성을 남깁니다.부서지기 쉬운 세라믹 매트릭스 복합체의 가장 유명한 실패는 우주왕복선 컬럼비아호의 날개 앞 가장자리에 있는 탄소-탄소 복합 타일이 이륙 중에 충돌했을 때 깨졌을 때 발생했습니다.그것은 2003년 2월 1일 지구 대기에 재진입했을 때 이 차량이 파괴적인 고장을 일으켰다.

복합 재료는 금속에 비해 상대적으로 지지 강도가 낮다.

테스트

복합 재료는 고장 예측 및 예방에 도움이 되도록 시공 전후에 테스트됩니다.시공 전 테스트에서는 곡면의 플라이 바이 플라이 분석 및 복합재의 [94][95][96][97]주름, 크림핑 및 딤플링을 예측하기 위해 유한 요소 분석(FEA)을 채택할 수 있습니다.재료는 초음파, 서모그래피, 전단 촬영 및 X선 촬영,[98] 국소적인 접합 강도 건전성의 NDT에 대한 레이저 접합 검사 등 다양한 비파괴 방법으로 제조 중 및 시공 후에 시험할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크