복합재료의 원료는 수지, 섬유, 코어 재료 등 매우 다양하며, 각 재료는 강도, 강성, 인성, 열 안정성 등 고유한 특성을 지니고 있을 뿐 아니라 비용과 수율 또한 제각기 다릅니다. 그러나 복합재료 전체의 최종 성능은 수지 매트릭스와 섬유(샌드위치 구조의 경우 코어 재료 포함)뿐만 아니라 구조 내 재료의 설계 방법 및 제조 공정과도 밀접한 관련이 있습니다. 본 논문에서는 복합재료의 일반적인 제조 방법과 각 방법에 영향을 미치는 주요 요인, 그리고 공정별 원료 선택 기준에 대해 소개합니다.
스프레이 성형
1. 방법 설명: 단섬유 강화재와 수지 시스템을 금형 내에 동시에 분사한 후 대기압 하에서 경화시켜 열경화성 복합 제품을 성형하는 공정.
2. 재료 선택:
수지: 주로 폴리에스터
섬유: 굵은 유리 섬유사
핵심 소재: 없음, 합판과만 결합해야 함
3. 주요 장점:
1) 오랜 장인 정신의 역사
2) 섬유와 수지의 저렴하고 빠른 적층
3) 낮은 곰팡이 비용
4. 주요 단점:
1) 합판은 수지가 많이 함유된 부분이 쉽게 생기고 무게가 무겁습니다.
2) 짧게 자른 섬유만 사용할 수 있어 합판의 기계적 특성이 심각하게 제한됩니다.
3) 분사 공정을 용이하게 하기 위해서는 수지 점도가 충분히 낮아야 하므로 복합재료의 기계적 및 열적 특성이 저하됩니다.
4) 분무 수지의 스티렌 함량이 높아 작업자에게 잠재적 위험이 크며, 점도가 낮아 수지가 작업자의 작업복에 쉽게 스며들어 피부에 직접 닿을 수 있습니다.
5) 공기 중 휘발성 스티렌 농도가 법적 기준을 충족하기 어렵습니다.
5. 일반적인 적용 분야:
간단한 울타리, 컨버터블 자동차 차체, 트럭 페어링, 욕조 및 소형 보트와 같은 저하중 구조 패널.
핸드 레이업 몰딩
1. 방법 설명: 수지를 섬유에 수동으로 침투시키는 방법으로, 섬유는 직조, 편조, 봉제 또는 접착 등 다양한 보강 방법을 사용할 수 있습니다. 수작업 적층 성형은 일반적으로 롤러나 브러시를 사용하여 수행하며, 이후 접착 롤러로 수지를 압착하여 섬유 속으로 침투시킵니다. 합판은 일반적인 압력 하에서 경화됩니다.
2. 재료 선택:
수지: 특별한 요구 사항 없음, 에폭시, 폴리에스터, 폴리에틸렌계 에스테르, 페놀 수지 사용 가능
섬유: 특별한 요구 사항은 없지만, 크기가 큰 아라미드 섬유의 기본 무게 때문에 수작업으로 짠 직물에 침투하기 어렵습니다.
핵심 소재: 필요 없음
3. 주요 장점:
1) 기술의 오랜 역사
2) 배우기 쉽다
3) 상온 경화형 수지를 사용할 경우 금형 비용이 저렴합니다.
4) 다양한 재료 및 공급업체 선택 가능
5) 섬유 함량이 높고, 분무 공정보다 긴 섬유를 사용합니다.
4. 주요 단점:
1) 수지 혼합, 라미네이트 수지 함량 및 품질은 작업자의 숙련도와 밀접한 관련이 있으며, 수지 함량이 낮고 기공률이 낮은 라미네이트를 얻기는 어렵습니다.
2) 수지 관련 건강 및 안전 위험: 수작업 적층 수지의 분자량이 낮을수록 잠재적인 건강 위험이 커지며, 점도가 낮을수록 수지가 작업자의 작업복에 더 쉽게 스며들어 피부에 직접 접촉할 가능성이 높아집니다.
3) 적절한 환기 시설이 설치되지 않은 경우, 폴리에스터 및 폴리에틸렌계 에스테르에서 증발하는 스티렌의 공기 중 농도가 법적 기준치를 충족하기 어렵습니다.
4) 손으로 반죽하는 수지의 점도가 매우 낮아야 하므로 스티렌이나 다른 용매의 함량이 높아야 하며, 이로 인해 복합 재료의 기계적/열적 특성이 저하됩니다.
5) 일반적인 적용 분야: 표준 풍력 터빈 블레이드, 대량 생산 보트, 건축 모형.
진공 포장 공정
1. 방법 설명: 진공 백킹 공정은 상기 수작업 적층 공정의 확장으로, 금형에 플라스틱 필름 층을 밀봉하여 수작업 적층 합판을 진공 상태로 만들고, 합판에 대기압을 가하여 기포 제거 및 수축 효과를 얻어 복합재료의 품질을 향상시키는 것입니다.
2. 재료 선택:
수지: 주로 에폭시 및 페놀 수지이며, 폴리에스터 및 폴리에틸렌계 에스테르는 스티렌을 함유하고 있어 진공 펌프로 휘발되므로 사용할 수 없습니다.
섬유: 필수 요건은 아니며, 더 큰 섬유의 기본 무게가 압력 하에서 침투될 수 있는 경우에도 마찬가지입니다.
핵심 소재: 필요 없음
3. 주요 장점:
1) 일반적인 수작업 적층 공정보다 더 높은 섬유 함량을 얻을 수 있습니다.
2) 공극률이 표준 수작업 적층 공정보다 낮습니다.
3) 음압 상태에서 수지는 충분히 흐르면서 섬유 침투도를 향상시키며, 물론 수지의 일부는 진공 소모품에 흡수됩니다.
4) 건강 및 안전: 진공 포장 공정은 경화 과정 중 휘발성 물질의 방출을 줄일 수 있습니다.
4. 주요 단점:
1) 추가 공정으로 인해 인건비와 일회용 진공 포장 백 재료비가 증가합니다.
2) 운영자에게 요구되는 숙련도 수준 향상
3) 수지 혼합 및 수지 함량 조절은 작업자의 숙련도에 크게 좌우됩니다.
4) 진공 백은 휘발성 물질의 방출을 줄여주지만, 작업자의 건강 위험은 주입식 또는 프리프레그 공정에 비해 여전히 높습니다.
5. 일반적인 적용 분야: 대형 한정판 요트, 경주용 자동차 부품, 조선 공정의 핵심 재료 접착.
와인딩 몰딩
1. 방법 설명: 권선 공정은 기본적으로 파이프, 홈통과 같은 속이 빈 원형 또는 타원형 구조 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 섬유 다발에 수지를 함침시킨 후 맨드릴에 다양한 방향으로 감습니다. 이 공정은 권선기와 맨드릴 속도에 의해 제어됩니다.
2. 재료 선택:
수지: 에폭시, 폴리에스터, 폴리에틸렌계 에스테르, 페놀 수지 등 종류에 대한 특별한 요구 사항은 없습니다.
섬유: 특별한 요구 사항 없음. 스풀 프레임에 감겨 있는 섬유 다발을 바로 사용하며, 섬유 직물에 직조하거나 봉제할 필요가 없습니다.
핵심 소재: 필수 요건은 없지만, 외피는 일반적으로 단층 복합 소재로 만들어집니다.
3. 주요 장점:
(1) 빠른 생산 속도는 경제적이고 합리적인 적층 방식입니다.
(2) 수지 함량은 수지 홈을 통과하는 섬유 다발에 의해 운반되는 수지의 양을 측정함으로써 조절할 수 있습니다.
(3) 섬유 비용 최소화, 중간 직조 공정 없음
(4) 선형 섬유 다발을 다양한 하중 지지 방향으로 배치할 수 있기 때문에 우수한 구조적 성능을 제공합니다.
4. 주요 단점:
(1) 이 공정은 원형 속이 빈 구조에 한정됩니다.
(2) 섬유는 부품의 축 방향을 따라 쉽고 정확하게 배열하기 어렵습니다.
(3) 대형 구조 부품의 맨드릴 정합 성형 비용 증가
(4) 구조물의 외면은 금형면이 아니므로 미관이 좋지 않다.
(5) 저점도 수지 사용 시 기계적 특성 및 건강·안전 성능에 주의해야 한다.
일반적인 적용 분야: 화학 물질 저장 탱크 및 파이프, 실린더, 소방관용 호흡 탱크.
인발 성형
1. 방법 설명: 보빈 홀더에서 접착제가 함침된 섬유 다발을 가열판을 통과시켜 섬유에 수지를 완전히 침투시키고 수지 함량을 제어한 후, 최종적으로 재료를 필요한 형상으로 경화시킵니다. 이렇게 고정된 형상의 경화 제품을 기계적으로 다양한 길이로 절단합니다. 섬유는 0도 이외의 방향으로도 가열판에 진입할 수 있습니다. 압출 및 연신 성형은 연속 생산 공정이며 제품 단면은 일반적으로 고정된 형상을 가지지만 약간의 변형은 허용됩니다. 미리 습윤 처리된 재료를 가열판을 통과시켜 금형에 고정 및 분사한 후 즉시 경화시키는 방식은 연속성은 떨어지지만 단면 형상 변화를 구현할 수 있습니다.
2. 재료 선택:
수지: 일반적으로 에폭시, 폴리에스터, 폴리에틸렌계 에스테르 및 페놀 수지 등이 사용됩니다.
광섬유: 필요 없음
핵심 소재: 일반적으로 사용되지 않음
3. 주요 장점:
(1) 빠른 생산 속도는 재료의 사전 습윤 및 경화에 있어 경제적이고 합리적인 방법입니다.
(2) 수지 함량의 정밀한 제어
(3) 섬유 비용 최소화, 중간 직조 공정 없음
(4) 섬유 다발이 직선으로 배열되어 있고 섬유 부피 분율이 높기 때문에 구조적 특성이 우수합니다.
(5) 섬유 침투 영역을 완전히 밀봉하여 휘발성 물질의 방출을 줄일 수 있습니다.
4. 주요 단점:
(1) 이 과정은 단면의 모양을 제한합니다.
(2) 가열판의 높은 비용
5. 일반적인 적용 분야: 주택 구조물의 보 및 트러스, 교량, 사다리 및 울타리.
수지 이송 성형 공정(RTM)
1. 방법 설명: 건조된 섬유를 하부 금형에 깔고, 필요에 따라 가압하여 섬유가 금형 형상에 최대한 밀착되도록 하고 접착 결합시킨다. 그 후, 상부 금형을 하부 금형에 고정하여 캐비티를 형성하고, 이 캐비티에 수지를 주입한다. 진공 보조 수지 주입(VARI) 방식이 일반적으로 사용된다. 섬유 침투가 완료되면 수지 주입 밸브를 닫고 복합재를 경화시킨다. 수지 주입 및 경화는 상온 또는 가열 조건에서 진행할 수 있다.
2. 재료 선택:
수지: 일반적으로 에폭시, 폴리에스터, 폴리비닐에스터 및 페놀 수지를 사용하며, 비스말레이미드 수지는 고온에서 사용할 수 있습니다.
섬유: 특별한 요구 사항은 없습니다. 봉제 섬유가 이 공정에 더 적합한데, 섬유 다발 사이의 틈이 수지 전달에 유리하기 때문입니다. 수지 흐름을 촉진하도록 특별히 개발된 섬유도 있습니다.
핵심 소재: 벌집형 셀에 수지가 채워지고 압력으로 인해 폼이 붕괴될 수 있으므로 셀룰러 폼은 적합하지 않습니다.
3. 주요 장점:
(1) 섬유 부피 분율이 높을수록, 다공성이 낮음
(2) 수지가 완전히 밀봉되어 건강과 안전, 청결하고 정돈된 작업 환경이 보장됩니다.
(3) 노동력 사용을 줄인다
(4) 구조 부품의 상하면은 성형면이므로 후속 표면 처리가 용이합니다.
4. 주요 단점:
(1) 함께 사용되는 금형은 더 큰 압력을 견딜 수 있도록 비싸고 무거우며 상대적으로 부피가 큽니다.
(2) 소형 부품 제조에 한정됨
(3) 젖지 않은 부분이 쉽게 발생하여 폐기물이 많이 발생할 수 있습니다.
5. 일반적인 적용 분야: 소형 및 복잡한 우주왕복선 및 자동차 부품, 기차 좌석.
게시 시간: 2024년 8월 8일
