복합 재료란?- 정의 및 유형

복합재료란?

복합 재료는 물리적 및 화학적 특성이 다른 두 재료의 조합입니다. 그것들이 결합되면 예를 들어 더 강하고 가벼우 며 전기에 저항하는 것과 같은 특정 작업을 수행하는 데 특화된 재료를 만듭니다. 그들은 또한 강도와 강성을 향상시킬 수 있습니다.
전통적인 재료보다 사용하는 이유는 기본 재료의 특성을 향상시키고 많은 상황에 적용할 수 있기 때문입니다.
이러한 구성 재료는 화학적 또는 물리적 특성이 현저히 다르며 개별 요소와 달리 병합되어 특성이 있는 재료를 생성합니다. 완성된 구조 내에서 개별 요소가 분리되고 뚜렷하게 남아 혼합물 및 고용체에서 복합 재료를 구별합니다.

일반적인 엔지니어링 복합 재료에는 다음이 포함됩니다.

▷ 철근 콘크리트 및 석조
▷ 합판과 같은 합성목재
▷ 섬유 강화 폴리머 또는 유리 섬유와 같은 강화 플라스틱
▷ 세라믹 매트릭스 복합재(복합 세라믹 및 금속 매트릭스)
▷ 금속 매트릭스 복합재
▷ 및 기타 고급 복합 재료
▷ 신소재가 선호되는 이유는 다양하다. 일반적인 예에는 일반 재료와 비교할 때 더 저렴하고, 더 가벼우며, 더 강하거나 더 내구성이 있는 재료가 포함됩니다.

보다 최근에 연구자들은 로봇 재료로 알려진 복합 재료에 감지, 작동, 계산 및 통신을 적극적으로 포함하기 시작했습니다.
복합 재료는 일반적으로 보트 선체, 수영장 패널, 경주용 자동차 차체, 샤워실, 욕조, 저장 탱크, 인조 화강암, 양식 대리석 싱크 및 조리대와 같은 건물, 교량 및 구조물에 사용됩니다. 또한 일반 자동차 애플리케이션에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
가장 진보된 예는 까다로운 환경의 우주선과 항공기에서 일상적으로 작동합니다.

 

합성물이란?

복합 재료는 두 가지 이상의 구성 재료로 만들어진 재료입니다. 이러한 구성 재료는 화학적 또는 물리적 특성이 현저히 다르며 개별 요소와 달리 병합되어 특성이 있는 재료를 생성합니다.
간단히 말해서 합성물은 구성 요소의 조합입니다. 우리 업계에서 복합 재료는 두 개 이상의 천연 또는 인공 요소(물리적 또는 화학적 특성이 다름)를 결합하여 만든 재료로, 개별 플레이어보다 팀이 더 강력합니다.
구성 요소 재료는 완전히 혼합되거나 개별 정체성을 잃지 않습니다. 그들은 결과 또는 최종 제품을 개선하기 위해 가장 유용한 특성을 결합하고 기여합니다. 복합 재료는 일반적으로 강도, 효율성 또는 내구성 추가와 같은 특정 용도를 염두에 두고 설계됩니다.

 

복합 재료는 무엇으로 구성되어 있을까?

FRP(Fiber-Reinforced Polymer) 복합 재료라고도 하는 복합 재료는 엔지니어링, 인공 또는 천연 섬유(예: 유리, 탄소 또는 아라미드) 또는 기타 강화 재료로 강화된 폴리머 매트릭스로 만들어집니다.

매트릭스는 환경 및 외부 손상으로부터 섬유를 보호하고 섬유 사이의 하중을 전달합니다. 섬유는 차례로 강도와 강성을 제공하여 매트릭스를 강화하고 균열 및 파손에 저항하는 데 도움이 됩니다.

 

우리 업계의 많은 제품에서 폴리에스터 수지가 매트릭스이고 유리 섬유가 보강재입니다. 그러나 합성수지와 강화재의 많은 조합이 복합 재료에 사용되며 각 재료는 완제품의 고유한 특성에 기여합니다. 강력하지만 부서지기 쉬운 섬유는 강도와 강성을 제공하는 반면 더 유연한 수지는 모양을 제공하고 섬유를 보호합니다.

FRP 복합 재료에는 최종 제품의 제조 공정, 외관 및 성능을 개선하기 위해 설계된 충전제, 첨가제, 코어 재료 또는 표면 마감재도 포함될 수 있습니다.

 

천연 및 합성 합성물

복합 재료는 천연 또는 합성이 될 수 있습니다. 천연 합성물인 목재는 셀룰로오스 또는 목재 섬유와 리그닌이라는 물질의 조합입니다. 섬유는 나무에 힘을 줍니다. 리그닌은 이를 결합하고 안정화시키는 매트릭스 또는 천연 접착제입니다. 다른 합성물은 합성(인공)입니다.
합판은 천연 재료와 합성 재료를 결합한 인공 합성물입니다. 목재 베니어판의 얇은 층은 함께 접착되어 천연 목재보다 더 강한 평평한 라미네이트 시트를 형성합니다.

 

플라스틱 합성물입니까?

모든 플라스틱이 합성물은 아닙니다. 실제로 장난감, 물병 및 기타 친숙한 품목에 사용되는 대부분의 플라스틱은 합성물이 아닙니다. 그들은 순수한 플라스틱입니다. 그러나 많은 유형의 플라스틱을 강화하여 더 강하게 만들 수 있습니다. 플라스틱과 보강재의 이러한 조합은 기술이 개발한 가장 강력하고 가장 다재다능한 재료(무게에 비해)를 만들 수 있습니다.
폴리머 수지(예: 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시 또는 페놀)는 때때로 플라스틱이라고 합니다.

 

간략한 역사

사람들은 수천 년 동안 복합 재료를 사용해 왔습니다. 기원전 3400년 최초의 인공 합성물은 이라크의 메소포타미아인에 의해 만들어졌습니다. 오래된 사회는 합판을 만들기 위해 서로 다른 각도로 나무 조각을 서로 붙였습니다.

이에 따라 이집트인들은 기원전 2181년경 석고에 적신 아마포나 파피루스로 죽음의 가면을 만들기 시작했습니다. 나중에 두 사회는 진흙 벽돌, 도자기 및 보트를 강화하기 위해 짚으로 재료를 강화하기 시작했습니다.

서기 1200년에 몽골인들은 복합 아치를 건설하기 시작했는데, 이것은 당시에 믿을 수 없을 정도로 효과적이었습니다. 이것들은 나무, 소의 힘줄, 뿔, 대나무, 뼈 및 비단으로 만들어졌으며 소나무 수지로 접착되었습니다.

산업혁명 이후 합성수지는 중합 반응을 통해 고체 형태를 갖추게 되었습니다. 1900년대에 화학에 대한 이 새로운 지식은 폴리에스터, 페놀, 비닐과 같은 다양한 플라스틱의 제조로 이어졌습니다. 그러던 중 플라스틱의 개발이 시작되었고 화학자 레오 베이클랜드가 베이클라이트를 만들었습니다. 전기가 통하지 않고 내열성이 뛰어나서 많은 산업 분야에서 널리 사용될 수 있었습니다.

1930년대는 복합재료의 발전에 있어 매우 중요한 시기였습니다. 유리 섬유는 최초의 섬유 강화 폴리머(FRP) 산업을 창시한 Owens Corning에 의해 도입되었습니다. 이 시기에 개발된 수지는 오늘날까지 사용되고 있으며, 불포화 폴리에스터 수지는 1936년에 특허를 받았습니다. 2년 후 더 강력한 수지 시스템이 가능해졌습니다.

최초의 탄소 섬유는 1961년에 특허를 받은 후 상용화되었습니다. 1990년대 중반에 복합 재료는 이전에 사용된 재료에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 제조 공정 및 건설에서 점점 더 대중화되었습니다.

2000년대 중반 Boeing 787 Dreamliner의 복합 재료는 고강도 응용 분야에 대한 사용을 입증했습니다.

 

다양한 유형의 복합 재료

세라믹 매트릭스 복합재
세라믹 매트릭스에 퍼진 세라믹. 열충격 및 내파손성이 있어 일반 세라믹보다 우수합니다.

금속 매트릭스 복합재
매트릭스 전체에 퍼진 금속

철근콘크리트
철근 등의 인장강도가 높은 재료로 보강한 콘크리트

유리 섬유 강화 콘크리트
지르코니아 함량이 높은 유리 섬유 구조에 타설되는 콘크리트

반투명 콘크리트
광섬유를 감싸는 콘크리트

공학목재
다른 값싼 재료와 결합하여 제조된 목재. 한 가지 예로 파티클 보드가 있습니다. 베니어판과 같은 특수 재료도 이 합성물에서 찾을 수 있습니다.

합판
여러 겹의 얇은 목재를 서로 다른 각도로 접착하여 가공된 목재

엔지니어링 대나무
대나무 섬유 스트립을 접착하여 보드를 만듭니다. 목재보다 압축강도, 인장강도, 굽힘강도가 높기 때문에 유용한 합성물입니다.

쪽매 세공
종종 견목으로 여러 개의 나무 조각을 모은 정사각형. 장식용으로 판매되고 있습니다

목재 플라스틱 합성물
플라스틱으로 주조된 목재 섬유 또는 밀가루

시멘트 결합 목재 섬유:
시멘트로 주조된 광물화된 나무 조각. 이 합성물은 절연 및 음향 특성을 가지고 있습니다

섬유 유리
상대적으로 저렴하고 유연한 플라스틱과 결합된 유리 섬유

탄소 섬유 강화 폴리머
높은 강도 대 중량 비율을 갖는 플라스틱에 탄소 섬유 세트

샌드위치 패널
겹겹이 쌓인 다양한 복합재료

복합 벌집
벌집 모양을 형성하기 위해 여러 육각형의 복합 재료 선택.

페이퍼 마케
접착제로 묶인 종이. 이들은 공예품에서 발견됩니다.

플라스틱 코팅지
내구성을 향상시키기 위해 플라스틱으로 코팅된 종이. 이것이 사용되는 예는 카드 놀이에 있습니다.

신택틱 ​​폼
금속, 세라믹 또는 플라스틱을 마이크로벌룬으로 채워 만든 가벼운 재료. 이 풍선은 유리, 탄소 또는 플라스틱을 사용하여 만들어집니다.

 

복합 재료의 이점

강함
파운드당 복합 재료는 강철과 같은 다른 재료보다 강합니다. 복합 재료의 두 가지 주요 구성 요소인 섬유와 수지가 강도에 기여합니다. 섬유는 하중을 전달하는 반면 수지는 필요에 따라 복합 부품 전체에 무게를 분산시킵니다.

경량
복합 재료는 대부분의 목재 및 금속에 비해 무게가 가볍습니다. 근데 왜 더 가벼울까? 낮은 무게는 자동차와 비행기의 연비에 기여합니다. 전신주에서 교량 데크에 이르기까지 더 가벼운 물체는 더 쉽게 운반하고 설치할 수 있습니다.

저항성
복합 재료는 날씨와 다른 재료를 갉아먹을 수 있는 가혹한 화학 물질로 인한 손상에 저항합니다. 따라서 염수, 독성 화학 물질, 온도 변동 및 기타 가혹한 조건에 지속적으로 노출되는 응용 분야에 적합합니다.

유연
다양한 재료 조합을 복합 재료에 사용할 수 있으므로 설계 유연성이 허용됩니다. 재료는 각 응용 분야의 고유한 사양에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다. 복합 재료는 또한 복잡한 모양으로 쉽게 성형될 수 있습니다.

튼튼
간단히 말해서, 합성물은 지속됩니다! 복합 재료로 만든 구조물은 수명이 길고 유지 관리가 거의 필요하지 않습니다. 보트와 같이 복합 재료로 만든 많은 제품이 반세기 이상 사용되었습니다.

 

복합재를 사용하는 이유

경량화는 부품에 기존 재료 대신 복합 재료를 사용하는 주요 이유 중 하나입니다. 복합 재료는 더 가볍지만 다른 재료보다 더 강할 수도 있습니다. 예를 들어, 강화 탄소 섬유는 1020 등급 강철보다 최대 5배 더 강하고 무게는 5분의 1에 불과하여 구조적 목적에 완벽합니다.
기존 유형의 재료에 비해 복합 재료를 사용하는 또 다른 이점은 전기 절연 특성뿐 아니라 열 및 내화학성입니다. 기존 재료와 달리 복합 재료는 단일 재료에서 흔히 볼 수 없는 여러 속성을 가질 수 있습니다.
섬유 강화 플라스틱(GRP 복합 재료)과 같은 섬유 강화 복합 재료는 마케팅을 위한 최종 제품의 개발 및 제조에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.