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2020. 11.

JKIM

고강도 재료

1. 고비강도재료

2. 구조용 금속간 화합물

3. 섬유강화 복합재료

4. 초내열합금

5. 입자분산 복합재료

6. 세라믹 피복재료

7. 극저온용 구조재료

고강도 재료

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3. 섬유강화 복합재료

1. FRM: 복합재료 → Composite Materials

- 일반적으로 어떤 목적에 따라 2종 또는 그 이상의 재료를 합체하여 하나의 재료로 만드는 것

- 소재의 장점을 서로 활용하는 조건

- 예) 자동차 타이어, 철근콘크리트, 초경합금, 클러드재, 입자분산강화합금, 섬유강화금속

- 복합재료의 모재의 사용에 따라

- FRP : Fiber Reinforced Plastic - 플라스틱을 사용하여 강화

- GFRP : Glass Fiber Reinforced Plastic - 유리섬유

- FRM : Fiber Reinforced Metals - 금속기지

- CFRM : Carbon Fiber Reinforced Metal – 탄소섬유/금속

- FRC : Fiber Reinforced Ceramics - 세라믹

- 섬유강화 고무 : 섬유와 고무를 복합한 것

- 강화플라스틱 : 플라스틱에 탄소섬유, 유리섬유를 섞어서 강도와 탄성의 성질을 개선한 것

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3. 섬유강화 복합재료

1. FRM: CFRM - 카본 하이브리드 금속복합소재

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3. 섬유강화 복합재료

1. FRM: FRM = Fiber Reinforced Metallics = 섬유강화금속

: 섬유강화형 복합재료- 강하고 탄성률이 높은 섬유재로 모재 금속을 강화시킨 재료

- 고강도 고탄성 재료

- 섬유는 밀도작음→ 금속재료보다 비강도 비탄성이 높은 재료가 됨

- 1970년대초 : 탄화규소(SiC)섬유나 알루미나(Al₂O₃)섬유가 개발

- 1980년대 : 항공기 적용 제조기술 연구

: 강화섬유의 종류

- 휘커스(Whisker) 등의 섬유를 Al, Ti, Mg등 연성과 인성이 높은 금속이나 합금중에 균일하게 배열한 복합재료

- 기지금속 : Al 및 Al합금이 가장 많이 쓰임(이외에 Mg, Ti, Ni, Co, Pb등).- 비금속계 : C, B, SiC, Al2O3, ZrN, ZrO2등

- 금속계 : Be, W, Mo, Fe, Ti 및 합금

: 제조법- 주조법 : 제품형상에 가까운 소형 부품제조 및 부품의 일부를 복합화 하는 2재료로 응용이 가능

- 확산결합법 : 대형의 판재, 봉재 등의 제조에 적합

: 특징- 경량이고 기계적 성질이 우수

- 고내열성 고인성 고강도성을 가짐

- 주로 항공 우주 산업이나 레저 산업에 사용.

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그림. 각종 재료의 비강도와 비탄성률 관계

X10 8 cm

3. 섬유강화 복합재료

1. FRM: FRM

- FRP에 비하여 상온의 역학 특성이 낮지만, 모재가 금속으로 고온의 역학 특성이 우수함

: 특징

- 고온 역학 특성 및 열적 안정성이 우수함

- 열, 전자기특성 및 내 환경성이 우수

- 층간 강도가 크고 섬유축과 직각방향의 강도가 크다

- 2차 성형성, 접합성이 있다.

Microstructure of the C/Al composite based on lauan.

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표. 금속강화용 대표적인 섬유

표. SiC휘스커 성상

3. 섬유강화 복합재료

1. FRM: 금속과 다른 특성

- 금속대비 역학특성을 가짐

- 구조재료의 설계가 가능함

- Tailored Design

: 강화섬유중 FRM용 섬유 →

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3. 섬유강화 복합재료

2. FRM 제조법: 제조의 기본

- 강화섬유의 특성을 손상치 않고 금속과 복합화 하는 것

- 섬유재와 금속의 복합재는 고온에서 반응함 따라서 강도예측 어려움

: 제조법 - 고상법, 액상법

: 복합화공정개요

- 중간복합소재의 역할

→ 섬유배양, 분포, 양 제어,

→ 섬유와 모재금속의 계면상태제어

: 고상법

→ CVD섬유/Al, Ti계, C, SiCP.C/Al계

: 액상법

→ C, SiCP.C/Al, Mg 및 SiCW/Al

→ 피스톤 동적부분

→ 150mm정도 Ingot를 만듬

표. 복합화 성형법

그림. FRM제조공정 개요

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3. 섬유강화 복합재료

3. FRM 특성

: 중간복합소재로서 용침 와이어 C/Al 합금계, SiCP.C/Al계에서 → 고강도를 얻음

① C/Al 합금계

- 섬유에 Ti-B 피복 전처리하여

- 고탄성 탄소섬유 (M40/6061Al) 와이어의 인장강도 → 1.5GPa 고강도

② SiCP.C/Al계

- 표면처리 없이 → 1.0GPa 얻음

: 조밀성형체의 역학특성

- CVD섬유강화 Al, Ti복합재

Al계 : 플라즈마 용사의 중간복합시트의 Hot-Press법 이용 → 1.5GPa이상

Ti계 : → 1.8GPa

- C, SiCP.C, Al2O3 : 섬유다발을 이용 → 0.7~0.8GPa

- SiCP.C/Al : 용침와이어를 사용하여 Hot-Press법 or 열간로올법 이용→ 0.9GPa

- 탄소섬유 중간복합시트 : 열간프레스법 성형체 → 1.3GPa이상

- SiCW/Al합금 → 650~700MPa의 고강도 얻음

그림. C/Al 합금 프리와이어의 강도

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표. SiCP.C / Al PreWire의 특성 표. SiCP.C / Al 합금복합재의 역학 특성

3. 섬유강화 복합재료

3. FRM 특성

: 조밀성형체의 역학특성

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3. 섬유강화 복합재료

3. FRM 특성

: 조밀성형체의 역학특성

- FRM이 FRP에 비해서 우수한 특성 고온강도를 높음

→ 복합계에서 모재 금속보다 현저히 높음

- SiCP.C/Al계 : 고온 내구성 673K이상에서 사용

- C/Al계 : 723K까지 상온강도가 변하지 않음

→ CVD섬유 강화재는

- C/Al, SiCP.C/Al계 보다 고온강도의 저하가 크다

- SiCW/Al계 복합재에서 모재 금속보다 상당히 고온강도가 높음

: FRM의 광범위 이용을 위한 조건

- 내마모성, 진동감쇠성, 저열팽창 성능 연구

내마모성 → C/Babbite계 우수

- 자동차용 컨로드, 피스톤 적용 연구중 → 품질의 신뢰성 및 저렴화가 중요

- 내열성, 내후성, 열•전기전도성 우수, 강도 강성이 높음

- 경량 고강도 구조재로 사용하고 있으나, 기능성 재료로 확대필요

그림. SiCP.C/Al Pre-Wire의 고온내구성

그림. C/Babbitt계 합금 및 탄소섬유(15~50Vol.%)/Babbitt 복합재료의 마모특성 (최종하중 6.4Kg)

고강도 재료

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감사합니다.