섬유 강화 플라스틱

Fibre-reinforced plastic

섬유강화플라스틱(FRP, 섬유강화폴리머 또는 미국식 섬유)은 섬유로 강화된 폴리머 매트릭스로 만들어진 복합재료입니다.섬유는 보통 유리(섬유 유리), 탄소(탄소 섬유 강화 폴리머), 아라미드 또는 현무암입니다.종이, 나무, 석면과 같은 다른 섬유들이 사용되는 경우는 거의 없다.폴리머는 보통 에폭시, 비닐에스테르 또는 폴리에스테르 열경화성 플라스틱이지만, 페놀 포름알데히드 수지는 여전히 사용되고 있습니다.

FRP는 항공우주, 자동차, 해양 및 건설 산업에서 일반적으로 사용됩니다.그것들은 일반적으로 탄도 갑옷과 자급식 호흡 장치용 실린더에서 발견됩니다.

프로세스 정의

폴리머는 일반적으로 단계 성장 중합 또는 부가 중합에 의해 제조된다.폴리머의 재료 특성을 강화하거나 변경하기 위해 다양한 약제와 결합하면 그 결과를 플라스틱이라고 합니다.복합 플라스틱은 재료 특성이 다른 두 개 이상의 균일한 재료를 접합하여 원하는 재료 및 기계적 특성을 가진 최종 제품을 도출한 플라스틱을 말합니다.섬유강화플라스틱은 섬유소재를 사용하여 플라스틱의 강도와 탄성을 기계적으로 향상시키는 복합플라스틱 카테고리입니다.

섬유 보강이 없는 원래의 플라스틱 재료를 매트릭스 또는 결합제라고 합니다.매트릭스는 견고하지만 상대적으로 약한 플라스틱으로, 더 강한 강화 필라멘트 또는 섬유로 강화됩니다.섬유 강화 플라스틱에서 강도와 탄성이 향상되는 정도는 섬유와 매트릭스의 기계적 특성, 서로 상대적인 부피 및 [1]매트릭스 내의 섬유 길이와 방향에 따라 달라집니다.매트릭스의 강화는 정의상 FRP 재료가 매트릭스의 강도 [2]및 탄성에 비해 강도 또는 탄성이 증가했을 때 발생합니다.

역사

베이클라이트는 최초의 섬유 강화 플라스틱이었다.레오 배클랜드는 원래 쉘락의 대체품을 찾기 위해 출발했습니다.화학자들은 많은 천연 수지와 섬유들이 폴리머라는 것을 인식하기 시작했고, 백클랜드는 페놀과 포름알데히드의 반응을 조사했다.그는 처음에는 "노볼락"이라고 불리는 가용성 페놀-폼알데히드 쉘락을 생산했지만, 그 후 석면용 바인더 개발에 착수했는데, 이 바인더들은 당시 고무로 성형되었다.페놀과 포름알데히드에 가해지는 압력과 온도를 조절함으로써, 그는 1905년에 그가 꿈꾸던 단단한 성형 재료(세계 최초의 합성 플라스틱)인 베이클라이트를 [3][4]생산할 수 있다는 것을 발견했다.그는 1909년 [5]2월 5일 미국 화학 협회의 회의에서 그의 발명품을 발표했다.

상업용 섬유 강화 플라스틱의 개발은 1930년대에 광범위하게 연구되었다.영국에서는 노먼 드 브루인과 같은 선구자들에 의해 상당한 연구가 수행되었다.그것은 항공 산업에 [6]특히 관심이 있었다.

1932년 Owens-Illinois의 연구원인 Games Slayer가 실수로 압축공기를 용융유리 흐름으로 분출시켜 섬유를 생산하면서 유리 가닥의 대량 생산이 발견되었다.이 유리 양털 제조 방법에 대한 특허는 [7]1933년에 처음 출원되었다.Owens는 1935년 Corning 회사에 입사했고, Owens Corning은 1936년 특허받은 "파이브레글라스" (1개 "s")를 생산하기 위해 이 방법을 채택했다.원래 섬유는 많은 양의 가스를 감싼 섬유로 된 유리 양털로, 특히 고온에서 절연체로 유용하게 사용되었습니다.

복합 재료를 만들기 위해 "파이브레글라스"와 플라스틱을 결합하는 데 적합한 수지는 1936년 du Pont에 의해 개발되었습니다.현대 폴리에스테르 수지의 첫 번째 조상은 1942년 시아나미드의 수지이다.과산화물 경화 시스템이 그때까지 사용되었다.[8]파이버글라스 및 수지의 조합으로 재료의 가스 함량은 플라스틱으로 대체되었습니다.이로 인해 단열 특성이 플라스틱의 전형적인 값으로 감소했지만, 이제 처음으로 복합 재료는 구조 및 건축 재료로서 큰 강도와 가능성을 보였습니다.혼란스럽지만, 많은 유리 섬유 복합 재료는 계속해서 "파이브레글래스"라고 불렸고, 플라스틱 대신 가스를 포함한 저밀도 유리 양털 제품에도 이 이름이 사용되었습니다.

페어차일드 F-46

Owens Corning의 Ray Greene은 1937년에 최초의 복합 보트를 만든 것으로 알려져 있지만, 사용된 플라스틱의 부서지기 쉬운 특성 때문에 당시에는 더 이상 진행되지 않았다.1939년 러시아는 플라스틱 재질로 여객선을, 미국은 [9]항공기의 동체와 날개를 만들었다고 보고되었다.파이버 글라스 차체를 가진 최초의 차는 1946년식 스타우트 스카랍이다.이 모델은 1개만 [10]제작되었습니다.1941년의 포드 시제품은 최초의 플라스틱 자동차였을 수도 있지만,[11][12] 얼마 지나지 않아 파괴되었기 때문에 사용된 재료들에 대해서는 불확실한 점이 있다.

최초의 섬유 강화 플라스틱 비행기는 페어차일드 F-46으로 1937년 5월 12일에 처음 비행하거나 캘리포니아에서 제작된 베넷 플라스틱 [13]비행기였다.1942년 [14]말 라이트필드에 기지를 둔 XBT-16으로 명명된 개량된 벌티 BT-13A에 섬유 유리 동체가 사용되었다.1943년 복합 재료로 구조 항공기 부품을 제작하는 추가 실험이 수행되었고,[15][16][17] 그 결과 1944년 GFRP 동체를 가진 최초의 비행기인 Vultee BT-15가 비행하게 되었다.1943년 공화국 항공사는 GFRP 부품에 대한 툴링을 크게 발전시켰다.[18]

탄소 섬유 생산은 1950년대 말에 시작되었고 1960년대 초반부터 영국 산업에서 널리 쓰이지는 않았지만 사용되었습니다.아라미드 섬유도 이 시기에 생산되어 DuPont의 상표명 Nomex로 처음 등장했다.오늘날 이들 섬유는 특정 강도 또는 탄성 품질을 가진 플라스틱을 필요로 하는 모든 응용 분야에 널리 사용되고 있습니다.탄소-섬유 및 탄소-섬유-아라미드 복합 재료는 항공우주,[2] 자동차 및 스포츠 분야에서 널리 사용되고 있지만, 유리 섬유는 모든 산업에서 가장 흔합니다.이 세 가지(유리, 탄소 및 아라미드)는 FRP에서 사용되는 중요한 섬유 범주입니다.

오늘날과 같은 규모의 글로벌 폴리머 생산은 20세기 중반부터 시작되었으며, 이때 낮은 재료 비용과 생산 비용, 새로운 생산 기술 및 신제품 범주가 결합되어 폴리머 생산이 경제적이었습니다.1970년대 후반 세계 고분자 생산이 철강을 능가하면서 산업은 마침내 성숙했고, 오늘날 고분자는 어디에서나 볼 수 있는 소재가 되었습니다.섬유 강화 플라스틱은 처음부터 이 산업의 중요한 측면이었습니다.

공정설명

FRP는 두 가지 공정을 수반합니다.첫 번째는 섬유재료를 제조 및 성형하는 공정이고, 두 번째는 [2]성형하는 동안 섬유재료를 매트릭스와 결합하는 공정입니다.

파이버

파이버 패브릭 제조

보강 파이버는 2차원 및 3차원 방향으로 모두 제조됩니다.

  1. 2차원 유리강화 폴리머는 섬유가 평면을 따라 x방향 및 y방향으로만 정렬된 적층구조를 특징으로 한다.즉, 섬유가 through-thickness 또는 z-방향으로 정렬되지 않으므로 through thickness의 정렬이 부족하여 비용과 가공에 불리할 수 있습니다.습식 핸드 레이업, 오토 클레이브 및 수지 전사 성형과 같은 복합재 제작에 사용되는 기존 가공 기법은 절단, 적층 및 사전 성형된 부품에 통합하기 위해 많은 숙련된 인력이 필요하기 때문에 비용과 인건비가 증가합니다.
  2. 3차원 섬유 유리 강화 폴리머 복합 재료는 x방향, y방향 및 z방향의 섬유를 포함하는 3차원 섬유 구조를 가진 재료이다.3차원 방향의 개발은 제조 비용을 절감하고, 두께를 통한 기계적 특성을 증가시키며, 충격 손상 내구성을 개선해야 하는 업계의 필요성에서 비롯되었습니다. 이 모든 것은 2차원 섬유 강화 폴리머와 관련된 문제였습니다.

파이버 프리폼 제조

섬유 프리폼은 섬유가 매트릭스에 결합되기 전에 제조되는 방법입니다.섬유 프리폼은 종종 시트, 연속 매트 또는 스프레이 적용을 위한 연속 필라멘트로 제조됩니다.파이버 프리폼을 제조하는 4가지 주요 방법은 직물, 뜨개질, 편조 및 스티칭의 섬유 가공 기술을 통해 이루어집니다.

  1. 기존의 2차원 섬유를 제조하는 방법뿐만 아니라 3차원 섬유를 만들 수 있는 다층 섬유를 제조하는 방식도 가능하다.그러나, 다층 직조에서는 Z방향의 섬유를 만들기 위해 여러 층의 워프사가 필요하기 때문에, 제조 시 몇 가지 단점이 생깁니다. 즉, 모든 워프 실을 직기에 설치하는 데 걸리는 시간입니다.따라서 대부분의 다층 직물은 현재 비교적 폭이 좁은 제품 또는 프리폼 생산 비용이 허용되는 고부가가치 제품을 생산하기 위해 사용됩니다.다층 직물의 사용에 직면하는 또 다른 주요 문제 중 하나는 직각 이외의 방향의 섬유를 포함한 직물을 제작하는 데 어려움이 있다는 것입니다.
  2. 섬유 프리폼을 제조하는 두 번째 주요 방법은 브레이딩입니다.편직은 폭이 좁은 평직물 또는 관형 직물 제조에 적합하며, 넓은 직물을 대량으로 제조할 때 직조하는 것만큼 성능이 좋지 않습니다.땋기는 길이에 따라 단면 형상 또는 치수가 다른 맨드렐의 맨드렐 위에서 이루어집니다.땋는 것은 벽돌 정도의 크기로 제한됩니다.일반 직물과 달리, 땋기는 서로 45도 각도로 섬유를 포함한 직물을 만들 수 있습니다.4단계, 2단계 또는 다층 인터록 브레이딩을 사용하여 3차원 섬유를 브레이딩할 수 있습니다.4단계 또는 열과 기둥 편조에서는 원하는 프리폼의 형상을 형성하는 실 캐리어 줄과 기둥을 포함하는 평평한 침대를 사용합니다.어레이 외부에 캐리어가 추가되며, 정확한 위치와 양은 필요한 정확한 프리폼 형태와 구조에 따라 달라집니다.줄과 기둥의 움직임에는 4개의 분리된 시퀀스가 있으며, 이는 실을 맞물리게 하고 편조된 프리폼을 생산합니다.직조에는 갈대가 사용되기 때문에, 각각의 단계 사이의 구조물에 기계적으로 실을 넣어 구조를 공고히 합니다.2단계 편선은 축방향으로 고정된 다수의 실과 적은 수의 편사를 포함하고 있기 때문에 4단계 공정과는 다르다.이 프로세스는 브레이딩 캐리어가 축 캐리어 사이의 구조를 통해 완전히 이동하는 두 단계로 구성됩니다.이 비교적 단순한 일련의 동작은 원형과 중공 모양을 포함하여 기본적으로 모든 형태의 프리폼을 형성할 수 있습니다.4단계 공정과 달리 2단계 공정은 기계적 압축이 필요하지 않습니다. 공정과 관련된 모션을 통해 실 장력만으로 브레이드를 팽팽하게 당길 수 있습니다.마지막 땋기 유형은 여러 개의 표준 원형 땋기가 서로 결합되어 원통형 땋기 프레임을 형성하는 다층 연동 땋기입니다.이 프레임은 실린더 둘레에 여러 개의 평행한 편조 트랙을 가지고 있지만, 이 메커니즘은 인접한 레이어에 연결된 실로 구성된 다층 편조 패브릭을 형성하는 인접 트랙 간에 실 캐리어를 전송할 수 있도록 합니다.다층 인터록 브레이드는 인터록 실이 주로 구조물의 평면에 있으므로 프리폼의 면내 특성을 유의하게 감소시키지 않는다는 점에서 4단계 및 2단계 브레이드와 다르다.4단계 및 2단계 프로세스는 브레이딩 실이 프리폼의 두께를 통과함에 따라 더 많은 수준의 상호연결을 생성하지만 프리폼의 면내 성능에 덜 기여합니다.다층연쇄장치의 단점은 기존의 실 캐리어가 프리폼을 형성하기 위한 정현파 이동으로 인해 2단 및 4단 기계에서 가능한 실 캐리어의 밀도를 가질 수 없다는 것이다.
  3. 섬유 프리폼은 Warp 및 Weft 편직의 전통적인 방법으로 할 수 있으며, 제조된 직물은 많은 사람들에 의해 2차원 직물로 간주되지만, 2개 이상의 니들 베드가 있는 기계는 층 사이를 가로지르는 실로 다층 직물을 생산할 수 있다.니들 선택 및 니트 루프 전사를 위한 전자 제어의 발달과 원단의 특정 영역을 유지하고 그 움직임을 제어하는 정교한 메커니즘에 의해 원단을 최소한의 재료 낭비로 필요한 3차원 프리폼 형태로 형성할 수 있게 되었다.
  4. 스티칭은 네 가지 주요 섬유 제조 기술 중 가장 단순하고 전문 기계에 대한 최소 투자로 수행할 수 있는 기술입니다.기본적으로 스티칭은 스티치 실을 운반하는 바늘을 직물 층을 통해 삽입하여 3D 구조를 형성합니다.바느질의 장점은 프리프레그의 점착성으로 인해 공정이 어려워지고 일반적으로 드라이 패브릭보다 프리프레그 소재에 손상이 더 많이 발생하지만 마른 패브릭과 프리프레그 원단을 모두 바느질할 수 있다는 것입니다.또한 스티칭은 복합산업에서 일반적으로 사용되는 표준 2차원 원단을 활용하기 때문에 소재 시스템에 익숙함을 느낄 수 있습니다.또한 표준 원단을 사용하면 [19]생산 가능한 섬유 방향에 제한이 있는 다른 섬유 공정에서 가능한 것보다 구성 요소의 패브릭 레이업에 더 많은 유연성을 확보할 수 있습니다.

형성 과정

FRP 컴포넌트의 형상을 확립하기 위해 일반적으로 견고한 구조가 사용됩니다.부품은 "콜 플레이트"라고 하는 평평한 표면 또는 "맨드렐"이라고 하는 원통 구조 위에 배치할 수 있습니다.그러나 대부분의 섬유 강화 플라스틱 부품은 몰드 또는 "도구"로 제작됩니다.몰드는 오목한 암형, 수형 또는 몰드가 상단 및 하단 몰드로 부품을 완전히 감싸는 형태일 수 있습니다.

FRP 플라스틱의 몰딩 프로세스는 파이버 프리폼을 몰드 위 또는 몰드에 배치하는 것으로 시작됩니다.섬유 프리폼은 드라이 파이버 또는 측정된 양의 수지를 이미 포함하고 있는 "프리프레그"라고 불리는 파이버일 수 있습니다.건조 섬유는 수지로 "습식"되거나 수지를 닫힌 몰드에 주입합니다.그런 다음 부품이 경화되어 매트릭스와 섬유가 몰드에 의해 생성된 형태로 남습니다.열 및/또는 압력은 때때로 수지를 경화시키고 최종 부품의 품질을 향상시키기 위해 사용됩니다.아래에는 다양한 성형 방법이 나와 있습니다.

방광 성형

프리프레그 재료의 개별 시트를 깔아 풍선 모양의 방광과 함께 암형 틀에 넣는다.금형이 닫히고 가열된 프레스기에 넣어집니다.마지막으로, 방광은 가압되어 재료 층이 몰드 벽에 부딪힙니다.

압축 성형

원료(플라스틱 블록, 고무 블록, 플라스틱 시트 또는 과립)에 강화 섬유가 포함되어 있는 경우 압축 성형 부품은 섬유 강화 플라스틱으로 인정됩니다.보다 일반적으로 압축 성형에 사용되는 플라스틱 프리폼에는 보강 섬유가 포함되어 있지 않습니다.SMC, BMC의 "프리폼" 또는 "충전"인 압축 몰딩은 몰드 캐비티에 배치됩니다.금형이 닫히고 재료는 압력과 열에 의해 내부에서 형성 및 경화됩니다.압축 몰딩은 패턴 및 릴리프 디테일부터 복잡한 곡선 및 창의적인 형태, 정밀 엔지니어링에 이르기까지 기하학적 형상을 최대 20분의 [20]경화 시간 내에 완벽하게 세부적으로 표현합니다.

오토클레이브 및 진공백

프리프레그 재료의 개별 시트를 레이업하여 오픈 몰드에 배치한다.재료는 이형 필름, 블리더/브리더 재료 및 진공 백으로 덮여 있습니다.진공이 당겨지고 몰드 전체가 고압 멸균기(가열 압력 용기)에 들어간다.이 부품은 연속 진공 경화되어 라미네이트에서 끼인 가스를 추출합니다.이는 항공우주 산업에서 매우 일반적인 과정으로, 1시간에서 몇 [21]시간까지 길고 느린 치료 사이클로 인해 몰딩을 정밀하게 제어할 수 있기 때문입니다.이러한 정밀한 제어는 항공우주 산업에서 강도와 안전을 보장하는 데 필요한 정확한 적층 기하학적 형태를 만들지만, 또한 느리고 노동 집약적이기 때문에 비용이 종종 항공우주 [20]산업에 국한됩니다.

맨드렐 랩

프리프레그 재료 시트는 강철 또는 알루미늄 맨드렐로 감쌉니다.프리프레그 재료는 나일론 또는 폴리프로필렌 첼로 테이프로 압축됩니다.부품은 일반적으로 진공 포장 및 오븐에 매달아 일괄 경화됩니다.경화 후 첼로와 맨드렐을 제거하여 중공 탄소관을 만든다.이 과정은 강하고 튼튼한 중공 탄소 튜브를 만듭니다.

습식 레이업

습식 레이업 성형에서는 파이버 보강재와 매트릭스가 성형 [2]공구에 배치될 때 결합됩니다.강화섬유층을 오픈몰드에 넣은 후 포백 위에 붓고 포백에 가공하여 습윤수지로 포화시킨다.그런 다음, 적절한 경화를 보장하기 위해 열을 사용하지만, 보통 상온에서 수지가 경화되도록 주형을 남겨둡니다.진공 백을 사용하여 젖은 레이업을 압축하는 경우가 있습니다.유리 섬유는 이 과정에 가장 일반적으로 사용되며, 그 결과는 섬유 유리라고 널리 알려져 있으며 스키, 카누, 카약, 서핑 [20]보드 같은 일반적인 제품을 만드는 데 사용됩니다.

초퍼건

연속된 섬유 유리 가닥을 핸드헬드 건을 통해 밀어내고, 양 가닥을 잘라서 폴리에스테르와 같은 촉매성 수지와 결합합니다.함침된 잘게 썬 유리는 작업자가 적절하다고 생각하는 두께와 디자인으로 금형 표면에 발사됩니다.이 공정은 경제적인 비용으로 대량 생산에 적합하지만 다른 몰딩 공정보다 강도가 낮은 기하학적 형상을 만들어 내고 치수 [20]공차가 낮습니다.

필라멘트 권선

기계는 수지의 젖은 수조를 통해 섬유 다발을 당기고 특정 방향으로 회전하는 강철 맨드렐 위에 감습니다.부품은 실온 또는 고온에서 경화됩니다.맨드렐을 추출하여 최종 기하학적 형상을 남기지만 경우에 [20]따라서는 그대로 둘 수 있습니다.

퍼트루전

섬유다발과 슬릿 원단을 수지 습욕으로 끌어당겨 거친 부분 형상으로 한다.가열된 폐쇄형 경화로부터 포화재를 연속적으로 끌어당기면서 압출한다.펄트루전(Pultrusion)의 최종 산물 중 일부는 구조적인 형태이다.빔, 각도, 채널, 플랫 시트.이러한 재료는 사다리, 플랫폼, 난간 시스템 탱크, 파이프 및 펌프 [20]지지대와 같은 모든 종류의 섬유 유리 구조물을 만드는 데 사용될 수 있습니다.

수지 전사 성형

수지 주입이라고도 합니다.천을 금형에 넣고 그 안에 습윤수지를 주입한다.수지는 일반적으로 수지의 전사 몰딩에서 진공 상태에 있는 공동에 가압되어 강제됩니다.진공 보조 수지 전사 몰딩에서 수지는 진공 상태에서 완전히 캐비티로 흡입됩니다.이 몰딩 공정은 정확한 공차 및 세밀한 성형 작업을 가능하게 하지만, 때로는 원단을 완전히 포화시키지 못해 최종 [20]형상의 취약점이 발생할 수 있습니다.

장점과 제한

FRP를 사용하면 열가소성 수지의 유리 섬유를 특정 설계 프로그램에 맞게 정렬할 수 있습니다.강화섬유의 방향을 지정하면 폴리머의 강도와 변형에 대한 저항성을 높일 수 있습니다.유리 강화 폴리머는 폴리머 섬유가 가해지는 힘과 평행할 때 가장 강하고 변형력에 가장 저항력이 강하며, 섬유가 수직일 때 가장 약하다.따라서 이 능력은 사용 상황에 따라 장점이자 한계이기도 합니다.수직 섬유의 약한 부분은 자연스러운 힌지와 연결부에 사용될 수 있지만, 생산 공정에서 예상 힘에 평행한 섬유의 방향을 제대로 잡지 못할 경우 재료 고장으로 이어질 수도 있습니다.파이버의 방향과 수직으로 힘을 가하면 폴리머의 강도와 탄성은 매트릭스 단독보다 작아집니다.UP, EP 등의 유리강화 폴리머로 이루어진 주조수지 부품에서 파이버의 배향방향을 2차원 및 3차원 직조로 할 수 있다.즉, 힘이 한 방향으로 수직일 경우 다른 방향과 평행하므로 폴리머의 약한 부분이 발생할 가능성이 없어집니다.

장애 모드

다음과 같은 경우 FRP 재료에서 구조적 결함이 발생할 수 있습니다.

  • 인장력은 섬유보다 매트릭스를 더 늘려 재료가 매트릭스와 섬유 사이의 경계면에서 전단되도록 합니다.
  • 섬유 끝 부근의 인장력은 매트릭스의 공차를 초과하여 섬유와 매트릭스를 분리합니다.
  • 인장력은 또한 섬유 자체의 파손을 유발하여 재료 고장을 [2]야기하는 섬유 공차를 초과할 수 있습니다.

재료요건

참고 항목: 현무암 섬유

열경화성 폴리머 매트릭스 재료 또는 엔지니어링 등급의 열가소성 폴리머 매트릭스 재료는 먼저 FRP에 적합하고 성공적으로 강화되기 위해 특정 요구 사항을 충족해야 합니다.매트릭스는 적절한 경화 기간 내에 최대한의 접착을 위해 적절히 포화시킬 수 있어야 하며 가급적 섬유 보강재와 화학적으로 결합해야 합니다.또한 매트릭스는 섬유를 절단 및 노치로부터 보호하고 섬유로 힘을 전달하기 위해 섬유를 완전히 감싸야 합니다.또, 장해가 발생했을 경우, 가능한 한 국소화되도록 파이버를 서로 분리해 둘 필요가 있습니다.장해가 발생했을 경우, 매트릭스도 같은 이유로 파이버로부터 떼어낼 필요가 있습니다.마지막으로 매트릭스는 강화 및 몰딩 공정 중 및 후에 화학적 및 물리적으로 안정된 상태를 유지하는 플라스틱이어야 합니다.보강재로 적합하기 위해서는 섬유첨가물이 매트릭스의 인장강도 및 탄성계수를 증가시키고 다음 조건을 충족해야 한다. 섬유는 임계 섬유함유량을 초과해야 한다. 섬유 자체의 강도와 강성은 매트릭스의 강도 및 강성만을 초과해야 한다. 그리고 최적의 접합이 있어야 한다.쌍섬유와 매트릭스

유리 섬유

상세 정보:섬유 유리

"섬유 유리 강화 플라스틱" 또는 FRP(일반적으로 섬유 유리라고 함)는 섬유 등급의 유리 섬유를 사용합니다.이러한 섬유는 공기를 의도적으로 가두는 데 사용되는 다른 형태의 유리 섬유와는 다릅니다(유리 양털 참조).섬유 유리 섬유는 분말 형태의 SiO2, AlO2323, BO, CaO 또는 MgO의 다양한 조합으로 시작됩니다.그런 다음 직접 용융을 통해 약 1300°C의 온도로 가열된 후 다이(die)를 사용하여 직경 9~17µm의 유리 섬유 필라멘트를 밀어냅니다.그런 다음 이러한 필라멘트는 더 큰 실로 감겨지고 운송 및 추가 가공을 위해 보빈 위에 회전됩니다.유리섬유는 플라스틱을 보강하는 가장 인기 있는 수단이며, 따라서 풍부한 생산 공정을 누리고 있으며, 그 중 일부는 아라미드와 탄소섬유의 공통된 품질로 인해 적용 가능하다.

로빙은 필라멘트가 더 큰 직경의 나사산으로 회전하는 과정입니다.이 나사산은 유리 직물 및 매트를 직조하거나 스프레이 용도에 일반적으로 사용됩니다.

섬유원단(유리천 등)은 경사방향과 위방향을 모두 가진 웹 형태의 섬유보강재입니다.섬유 매트는 유리 섬유로 이루어진 웹 형태의 부직포 매트입니다.매트는 잘게 썬 섬유로 절단 치수로 제조되거나 연속 섬유를 사용하여 연속된 매트로 제조됩니다.다진 섬유 유리는 유리 나사산의 길이가 3 ~ 26mm로 절단되는 공정에서 사용되며, 그 다음 나사산은 성형 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱에 사용됩니다.유리 섬유 짧은 가닥은 사출 성형에 가장 일반적으로 열가소성 수지를 보강하는 데 사용되는 0.2~0.3mm의 짧은 유리 섬유 가닥입니다.

카본 파이버

주요 기사: 카본 파이버

탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴섬유(PAN), 피치수지 또는 레이온이 고온에서 탄화(산화 및 열분해)될 때 생성됩니다.흑연화 또는 연신 처리를 통해 섬유강도 또는 탄성을 각각 높일 수 있다.탄소섬유는 유리섬유의 직경 4μm~17μm로 제조된다.이 섬유들은 운송 및 추가 생산 [2]공정을 위해 더 큰 실로 감겨졌습니다.또 다른 생산 공정은 탄소 섬유, 천 및 매트로 짜거나 엮어 실제 [1]보강에 사용할 수 있는 유리와 유사한 것을 포함한다.

아라미드 섬유

주요 기사:아라미드

아라미드 섬유는 케블라, 노멕스, 테크노라로 가장 일반적으로 알려져 있다.아라미드는 일반적으로 아민기와 카르본산 할로겐화물기(아라미드)[1] 간의 반응에 의해 제조된다.일반적으로 방향족 폴리아미드가 황산 용액 농도에서 결정화된 섬유로 분사될 [2]때 발생합니다.섬유는 큰 밧줄이나 직물(아라미드)[1]을 짜기 위해 더 큰 실로 방적된다.아라미드 섬유는 강도 및 강성에 따라 다양한 등급으로 제조되므로 제조 [2]시 단단한 재료를 절단하는 등 특정 설계 요건에 맞게 재료를 조정할 수 있습니다.

폴리머와 철근의 조합 예

보강재[2] 가장 일반적인 매트릭스 재료 속성 향상
유리 섬유 UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE 강도, 탄력, 내열성
목재 섬유 PE, PP, ABS, HDPE, PLA 휨 강도, 인장 계수, 인장 강도
탄소 및 아라미드 섬유 EP, UP, VE, PA 탄성, 인장 강도, 압축 강도, 전기 강도
무기 미립자 반결정 열가소성 플라스틱, UP 등방성 수축, 마모, 압축 강도
극소구 유리 미세구 고체 필러에 대한 중량 감소

적용들

유리 아라미드 하이브리드 패브릭(고장력 및 압축용)

섬유 강화 플라스틱은 경량화, 정밀 엔지니어링, 일정한 허용 오차 및 생산과 운용 모두에서 부품의 심플화를 요구하는 설계 프로그램에 가장 적합합니다.몰드 폴리머 제품은 주조 알루미늄 또는 강철 제품보다 저렴하고, 빠르고, 제조하기가 쉬우며, 유사하거나 때로는 더 나은 공차 및 재료 강도를 유지합니다.

탄소 섬유 강화 폴리머

주요 기사 : 탄소섬유 강화 폴리머

에어버스 A310의 방향타

  • 판상 알루미늄으로 제조된 기존 방향타보다 뛰어난 점은 다음과 같습니다.
    • 25 % 경량화
    • 부품과 형틀을 보다 심플한 성형 부품으로 조합하여 부품을 95% 절감합니다.
    • 전체적인 생산 및 운영 비용 절감, 부품 경제성은 생산 비용 절감으로 이어지며, 중량 절감은 항공기 운항 비용을 낮추는 연료 절감 효과를 가져옵니다.

유리 섬유 강화 폴리머

엔진 흡기 매니폴드는 유리섬유 강화 PA66으로 이루어진다.

  • 주조 알루미늄 매니폴드에 비해 다음과 같은 이점이 있습니다.
    • 최대 60% 경량화
    • 표면 품질 및 공기역학 개선
    • 부품과 형태를 보다 단순한 몰드 형태로 결합함으로써 구성 요소를 줄입니다.

유리 섬유 강화 PA 66으로 제작된 자동차 가스 및 클러치 페달(DWP 12–13)

  • 스탬핑된 알루미늄에 비해 장점은 다음과 같습니다.
    • 페달은 페달과 기계적 연결 장치를 모두 결합하여 단일 유닛으로 성형할 수 있으므로 설계의 생산과 작동을 단순화할 수 있습니다.
    • 섬유는 특정 응력에 대해 강화되도록 방향을 조정할 수 있으며, 내구성과 안전성을 높일 수 있습니다.

유리 섬유 강화 폴리아미드로 만들어진 단열 플라스틱을 사용하여 알루미늄 윈도우, 도어 및 전면을 단열합니다.1977년 Ensinger GmbH는 창문 시스템의 첫 단열 프로파일을 작성했다.

구조 응용 프로그램

FRP는 건물 및 교량의 보, 기둥,[22] 슬래브 보강에 적용할 수 있다.하중조건으로 인해 구조부재가 심하게 파손된 후에도 강도를 높일 수 있다.손상된 철근콘크리트 부재의 경우 먼저 느슨한 이물질을 제거하고 공동 및 균열을 모르타르 또는 에폭시 수지로 메워 보수해야 한다.부재를 수리한 후에는 에폭시 수지가 함침된 섬유 시트를 젖은 손으로 레이업하여 부재의 세척 및 준비된 표면에 도포하여 강화시킬 수 있습니다.

일반적으로 원하는 강도 강화에 따라 휨 강화 또는 전단 강화의 두 가지 기법이 사용됩니다.대부분의 경우 두 가지 강도 향상을 모두 제공해야 할 수 있습니다.보의 휨강화를 위해 FRP 시트 또는 플레이트를 부재의 장력면(상하중 또는 중력하중이 가해진 단순 지지부재의 밑면)에 적용한다.주 인장섬유는 빔의 세로축과 평행한 방향으로 배치되며, 내부 굴곡강 보강재와 유사합니다.이로 인해 빔 강도와 강성(유닛 변위를 일으키는 데 필요한 하중)이 증가하지만 편향 용량과 연성은 감소합니다.

빔의 전단강화는 FRP를 빔의 세로축에 횡단하는 섬유배향부재의 웹(측면)에 적용한다.전단력에 대한 저항은 가해지는 하중 하에서 형성되는 전단 균열을 연결함으로써 내부 강철 등자와 유사한 방식으로 달성된다.FRP는 부재의 노출된 면과 원하는 강화 정도에 따라 사이드 본딩, U자켓(U자켓), 클로즈드 랩(완전 랩) 등 여러 가지 구성으로 적용할 수 있습니다.사이드 본딩에는 빔의 측면에만 FRP를 적용하는 것이 포함됩니다.FRP 프리 엣지에서 콘크리트 표면으로부터의 탈착으로 인한 파손으로 인한 전단강화를 최소화할 수 있다.U-랩의 경우 FRP는 빔의 측면과 하단(장력) 면에 'U'자 형태로 연속적으로 도포됩니다.빔의 모든 면에 접근할 수 있는 경우 가장 강도가 향상되므로 닫힌 랩을 사용하는 것이 좋습니다.클로즈드 래핑에는 부재 주변 전체에 FRP를 도포하여 자유단이 없고 일반적인 고장 모드가 섬유 파열입니다.모든 랩 구성에 대해 FRP는 미리 정의된 최소 폭과 간격을 가진 연속 시트 또는 이산 스트립으로 부재의 길이에 따라 적용할 수 있습니다.

슬래브의 하단(장력) 면에 FRP 스트립을 도포하여 슬래브를 강화할 수 있습니다.슬래브의 인장 저항은 FRP의 인장 강도로 보완되므로 굽힘 성능이 향상됩니다.보와 슬래브의 경우 FRP 강화의 효과는 접합을 위해 선택된 수지의 성능에 따라 달라집니다.특히 사이드 본딩이나 U-랩을 이용한 전단강화 시 문제가 됩니다.일반적으로 기둥의 둘레는 닫힘 또는 완전 감김과 같이 FRP로 감깁니다.이로 인해 전단 저항성이 높아질 뿐만 아니라 기둥 설계에 있어 더욱 중요한 것은 축방향 하중을 받는 압축 강도가 증가한다는 것입니다.FRP 랩은 칼럼의 횡방향 팽창을 억제함으로써 작동하며, 이는 칼럼 코어에 대한 나선형 보강과 유사한 방식으로 구속을 강화할 수 있습니다.

엘리베이터 케이블

2013년 6월, KONE 엘리베이터 회사는 엘리베이터의 강철 케이블 대체용으로 울트라로프를 발표했습니다.탄소섬유를 고마찰 폴리머로 밀봉합니다.강철 케이블과 달리 울트라로프는 최대 1,000미터의 리프트가 필요한 건물을 위해 설계되었다.철제 엘리베이터는 500미터 높이에서 솟아오릅니다.그 회사는 500미터 높이의 건물에서 엘리베이터가 강철 케이블 버전보다 15% 적은 전력을 사용할 것으로 추정했다.2013년 6월 현재 이 제품은 모든 유럽연합 및 미국 인증 테스트를 [23]통과했습니다.

설계에 관한 고려 사항

FRP는 기계적 또는 경제적으로 비강화 플라스틱 및 기타 재료 선택이 적합하지 않은 강도 또는 탄성 계수를 측정해야 하는 설계에 사용됩니다.FRP를 사용할 때 가장 중요한 설계 고려사항은 재료가 경제적, 그리고 특정 구조적 특성을 활용하는 방식으로 사용되도록 보장하는 것이지만, 항상 그렇지는 않습니다.섬유 방향은 섬유에 수직인 재료 약화를 일으킨다.따라서 섬유 보강재와 그 방향은 강도, 강성, 탄성 및 최종 제품 자체의 기능에 영향을 미칩니다.생산 중에 섬유 방향을 단방향, 2차원 또는 3차원으로 지정하면 최종 제품의 강도, 유연성 및 탄성에 영향을 미칩니다.가해지는 힘의 방향으로 향하는 섬유는 이러한 힘으로부터의 왜곡에 대해 더 큰 저항을 나타내므로, 힘을 견뎌야 하는 제품의 영역은 힘과 평행한 섬유로 보강되고, 자연 경첩과 같이 유연성이 필요한 영역은 힘과 수직인 섬유로 보강된다.

섬유를 보다 치수로 배향하면 이 둘 중 하나의 시나리오가 회피되고 섬유의 단방향 배향에 의한 특정 약점을 회피하려는 오브젝트가 생성됩니다.강도, 유연성 및 탄성의 특성은 최종 제품의 기하학적 모양과 디자인을 통해 확대 또는 축소될 수 있습니다.예를 들어, 적절한 벽 두께를 확보하고 단일 부품으로 성형할 수 있는 다기능 기하학적 형상을 만들면 접합, 연결부 [2]및 하드웨어에 대한 요구사항이 줄어들어 제품의 재료 및 구조적 무결성이 향상됩니다.

폐기 및 재활용에 관한 우려 사항

플라스틱의 일부로서 FR 플라스틱은 플라스틱 폐기물 처리 및 재활용에 관한 많은 문제와 우려를 야기할 수 있습니다.플라스틱은 종종 분리하여 초기 상태로 되돌릴 수 없는 고분자 및 단량체로부터 파생되기 때문에 재활용에 있어 특별한 문제를 제기합니다.이러한 이유로 모든 플라스틱을 재사용할 수 있는 것은 아닙니다.실제로 일부 추정에서는 플라스틱의 20~30%만이 재활용될 수 있다고 주장합니다.섬유 강화 플라스틱과 그 매트릭스는 이러한 폐기 및 환경 문제를 공유합니다.안전한 폐기 방법에 대한 조사를 통해 강력한 열을 가하는 것과 관련된 두 가지 주요 변형이 도출되었습니다. 한 결합제는 연소됩니다. 즉, 열과 여과로 포착된 불연성 요소의 형태로 가라앉은 재료 비용의 일부를 회수하는 과정에서, 다른 결합제는 시멘트 가마에서 연소됩니다.섬유는 결과 주조 [24]재료의 필수적인 부분이 됩니다.안전한 폐기에 대한 우려 외에도 섬유 자체가 매트릭스에서 제거되어 재사용을 위해 보존되기 어렵다는 사실은 FRP가 이러한 과제를 증폭시킨다는 것을 의미한다.FRP는 본질적으로 섬유와 매트릭스로 구분하기 어렵고 매트릭스는 사용 가능한 플라스틱, 폴리머 및 모노머로 구분하기 어렵습니다.이는 모두 오늘날 환경에 대한 정보를 바탕으로 한 설계에 대한 우려 사항입니다.플라스틱을 사용하면 다른 재료에 비해 에너지 및 경제적 비용을 절감할 수 있습니다.또한, 바이오 플라스틱과 자외선 분해성 플라스틱과 같은 보다 친환경적인 새로운 매트릭스가 등장함에 따라, FRP는 환경에 대한 [1]민감성을 얻게 될 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e 스몰맨, R.E., R.J. 비숍.현대 물리 야금 및 재료 공학.제6회옥스퍼드:Butterworth-Heinemann, 1999.
  2. ^ a b c d e f g h i j 어하드, 건터플라스틱을 사용한 설계.마틴 톰슨입니다뮌헨: Hanser Publishers, 2006.
  3. ^ Amato, Ivan (29 March 1999). "The Time 100: Leo Baekeland". Time. Archived from the original on 4 January 2007.
  4. ^ Trueman, C N (17 March 2015). "Plastic". The History Learning Site.
  5. ^ "New Chemical Substance" (PDF). The New York Times. 6 February 1909.
  6. ^ 합성 수지 – 영국 런던 타임스, 1936년 10월 5일 14페이지, 47497호, 항공기 제작에 사용
  7. ^ 미국 특허번호 2133235: 글래스 울 최초의 슬레이터 글래스 울을 만드는 방법 및 장치, 1933.
  8. ^ 50년간의 강화 플라스틱 보트, George Marsh, 2006년 10월 8일, http://www.reinforcedplastics.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastic-boats-/ 2010년 8월 6일 Wayback Machine에서 아카이브
  9. ^ 주목할 만한 진척 – 플라스틱 사용, 이브닝 포스트, 뉴질랜드 웰링턴, 제CXVIII권, 제31호, 1939년 8월 5일, 28페이지
  10. ^ 플라스틱의 미래 자동차, The Mercury(태즈메이니아 호바트), 1946년 5월 27일 월요일, 16페이지
  11. ^ "Post war automobile". Bradford Daily Record. 28 March 1941. p. 12. Retrieved 17 June 2015 – via Newspapers.com. open access
  12. ^ "Post war automobile". The Corpus Christi Times. 12 January 1942. p. 3. Retrieved 17 June 2015 – via Newspapers.com. open access
  13. ^ "Plastic planes from molds is plan of army". Greeley Daily Tribune. 24 June 1938. p. 2. Retrieved 12 August 2015 – via Newspapers.com. open access
  14. ^ 제2차 세계대전의 미국 전투기, 데이비드 도널드, 항공우주출판사, 1995, 251-252쪽, ISBN 1-874023-72-7
  15. ^ 신소재 활용 촉진, 미국 워싱턴 소재 신소재 이용 가속화에 관한 미국연구위원회 - 미국 국립과학원 - 미국 국립공학원, 스프링필드, 버지니아주, 1971년, 56~57페이지 by W.P. Conrardy
  16. ^ BT-15 항공기용 성형 유리 섬유 샌드위치 동체, 육군 공군 기술 보고서 5159, 1944년 11월 8일
  17. ^ 강화 플라스틱 핸드북, 도널드 V.로사토, 도미닉 5세Rosato, John Murphy; Elsevier; 2004; 586페이지
  18. ^ Bernadette, Tim; Bensaude-Vincent, Palucka (19 October 2002). "Composites Overview". History of Recent Science & Technology.
  19. ^ Tong, L, A.P. Moritz, M.K. Bannister. 3D 섬유 강화 고분자 복합 재료.옥스퍼드:엘세비어, 2002년
  20. ^ a b c d e f g "Quatro Composites Processes 101: Molding Carbon Composite Parts". 15 February 2008. Archived from the original on 15 February 2008. Retrieved 2 April 2018.
  21. ^ Dogan, Fatih; Hadavinia, Homayoun; Donchev, Todor; Bhonge, Prasannakumar S. (5 August 2012). "Delamination of impacted composite structures by cohesive zone interface elements and tiebreak contact". Central European Journal of Engineering. 2 (4): 612–626. Bibcode:2012CEJE....2..612D. doi:10.2478/s13531-012-0018-0. hdl:10057/16013.
  22. ^ Naderpour, H.; Nagai, K.; Fakharian, P.; Haji, M. (1 May 2019). "Innovative models for prediction of compressive strength of FRP-confined circular reinforced concrete columns using soft computing methods". Composite Structures. 215: 69–84. doi:10.1016/j.compstruct.2019.02.048. ISSN 0263-8223. S2CID 139800570.
  23. ^ "UltraRope announced to one-stop zoom up tall buildings". Phys.org. Retrieved 13 June 2013.
  24. ^ https://compositesuk.co.uk/system/files/documents/Composite%20Recycling.pdf[베어 URL PDF]

추가 정보