화학 기술자들이 개발한 모든 종류의 플라스틱 및 복합재 중에서, 최고급 탄소 실을 기반으로 한 소재인 탄소(탄소 섬유)는 현대 세계에서 특별한 위치를 차지하고 있습니다. 철보다 75%, 알루미늄보다 30% 가벼우면서도 인장강도는 최고급 강철보다 4배 이상 높습니다.
탄소 실 자체는 매우 약하기 때문에 유연하고 탄력있는 패널이 짜여져 있습니다. 바인더 폴리머 조성물을 첨가함으로써 스포츠, 기술 및 기타 인간 활동 분야에서 진정한 혁명을 일으킨 탄소 섬유 플라스틱이 얻어집니다.
길에서도, 하늘에서도, 바다에서도
탄소섬유의 적용 분야 중 가장 널리 알려진 분야는 자동차 산업이다. 처음에는 강도와 가벼움의 뛰어난 조합이 포뮬러 1 자동차 디자이너들의 관심을 끌었고, 이는 경주용 자동차의 무게를 획기적으로 줄일 수 있게 해주었습니다. 영국 자동차 제조업체인 맥라렌(McLaren)의 엔지니어인 존 버나드(John Bernard)는 1980년대 초 처음으로 탄소섬유 차체 부품을 만들었습니다. 이로 인해 속도가 눈에 띄게 증가하여 McLaren 레이싱 팀이 즉시 시상대에 올랐습니다.
그러나 탄소섬유 부품은 모두 실제로 수작업으로 제작되기 때문에 가장 빠르다는 권리는 매우 비쌉니다. 특수 직조의 탄소 직물을 주조 금형에 배치한 다음 고분자 화합물과 결합합니다. 최종 단계에서는 고온, 고압에서 가공됩니다. 따라서 오랫동안 카본 차체 요소는 슈퍼카와 프리미엄 모델에만 사용되었습니다. 그리고 최근에야 광범위한 청중이 사용할 수 있는 탄소 섬유 부품을 갖춘 직렬 모델의 출시가 발표되었습니다. 따라서 탄소섬유 요소는 신형 BMW i3의 차체 구조에 폭넓게 표현될 예정이다. 그리고 새로운 버전의 Volkswagen Golf GTI VII 해치백에서는 탄소 섬유 후드와 루프 덕분에 차량 무게를 한 번에 200kg 줄일 수 있었습니다!
탄소 기반 소재는 전통적인 알루미늄과 티타늄을 대체하기 시작한 항공기 제조에 훨씬 더 널리 사용되었습니다. 이러한 전망을 가장 먼저 인식한 것은 방위산업에 종사하는 항공기 설계자들이었습니다. 예를 들어, 최신 러시아 Su-47 및 T-50 전투기는 날개와 동체에 탄소 섬유 부품을 사용합니다.
탄소는 연료 소비를 줄이고 탑재량을 늘릴 수 있는 여객기에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 따라서 보잉 787 드림라이너에서는 동체 요소의 최소 50%가 탄소 기반 복합 재료로 제작되어 연료 소비가 20% 감소합니다. 같은 목적으로 가장 큰 여객기 에어버스 A380에는 40% 탄소섬유로 만든 날개가 장착됐다. 그리고 현대 비즈니스 제트기 Hawker 4000의 동체는 거의 전부 이 소재로 만들어졌습니다!
탄소는 조선에 덜 적극적으로 사용됩니다. 인기의 이유는 동일합니다. 즉, 가혹한 해양 조건에서 필수적인 고유한 무게 대비 강도 비율입니다. 또한 조선소에서는 이 재료의 내충격성과 내식성을 높이 평가합니다.
늘 그렇듯이 탄소섬유강화플라스틱은 방위산업 분야에서 가장 먼저 사용됐다. 탄소 복합재는 잠수함 선체의 요소를 만드는 데 사용됩니다. 탄소 복합재는 소음을 심각하게 줄이고 스텔스 효과가 있어 함선을 적 레이더에 "보이지 않게" 만들기 때문입니다. 그리고 스웨덴 Visbi형 코르벳함의 선체와 상부 구조는 스텔스 기술을 사용하여 탄소 복합재로 만들어졌습니다. PVC 베이스에 카본 스트랜드로 만든 특수 직조 직물을 덮은 다층 소재를 사용합니다. 이러한 각 묶음은 레이더의 전파를 흡수하고 산란시켜 선박이 감지되는 것을 방지합니다.
민간 선박의 경우 레이더 비가시성은 필요하지 않지만 가벼움, 강도 및 거의 모든 구성의 부품 제조 능력이 큰 수요가 있는 것으로 나타났습니다. 대부분의 경우 탄소는 속도 특성이 중요한 스포츠 및 유람선 요트 건설에 사용됩니다.
미래 선박의 요소는 마치 플라스틱으로 만든 것처럼 컴퓨터 모델에 따라 탄소 섬유 캔버스로 "성형"됩니다. 첫째, 데크와 선체의 실물 크기 모델은 특수 모델 플라스틱으로 제작됩니다. 그런 다음 이러한 패턴을 사용하여 탄소 직물 패널을 여러 층으로 수동으로 접착하고 에폭시 수지와 함께 고정합니다. 건조 후 완성된 본체를 샌딩하고 페인팅하고 바니시 처리합니다.
그러나 더 현대적인 방법이 있습니다. 예를 들어, 이탈리아 회사인 Lanulfi는 프로세스를 거의 완전히 자동화했습니다. 3D 모델링을 사용하여 선박의 큰 구조 요소를 더 작지만 완벽하게 일치하는 부품으로 나눕니다. 컴퓨터 모델을 기반으로 컴퓨터로 제어되는 기계를 사용하여 탄소 섬유 부품을 접착하기 위한 매트릭스 역할을 하는 베이스가 만들어집니다. 이 접근 방식을 통해 우리는 스포츠 요트의 성능에 매우 중요한 최대 정확도를 달성할 수 있습니다.
모두를 위한 탄소
탄소는 건설 분야에서 점점 더 많이 사용되기 시작했습니다. 콘크리트에 탄소섬유를 첨가하면 외부 영향에 대한 저항력이 훨씬 커집니다. 실제로 매우 조밀한 표면을 가진 초강력 단일체를 얻을 수 있습니다. 이 기술은 초고층 건물과 댐 건설은 물론 터널 건설에도 사용됩니다.
철근 콘크리트 표면을 강화, 수리 및 복원하기 위한 재료(예: Mapewrap 또는 Carboplate)와 같은 탄소 직물로 만든 특수 캔버스 및 플레이트를 언급할 가치가 있습니다. 비용이 많이 들고 항상 재충전이 가능한 것은 아니지만 구조를 완전히 복원 할 수 있습니다.
대규모 개발자 및 민간 건축업자에게는 외관 단열을 위한 석고 시스템에 탄소를 사용하는 것과 같은 혁신이 특히 중요합니다.
참조
전문가인 CAPAROL의 프로젝트 관리자인 Roman Ryazantsev는 "강화 조성물에 직경 15미크론 미만의 가장 작은 탄소 섬유를 추가하면 매우 중요한 결과를 얻을 수 있습니다. 즉, 외관의 내충격성이 여러 번 증가합니다."라고 말합니다. 건물 정면의 보호 및 단열 분야. "특히 CAPATECT Carbon(Caparol) 석고 시스템의 탄소 첨가제는 외관이 최대 60줄의 에너지로 충격을 손상 없이 견딜 수 있게 해줍니다. 이는 기존 석고 외관이 견딜 수 있는 것보다 10배 더 많은 것입니다."
별장 소유자가 집의 외부 장식에 이러한 시스템을 사용하기로 결정하면 난방 비용을 줄이고 건물에 유리한 미기후를 제공할 뿐만 아니라 기계적 영향으로부터 벽을 보호합니다. 큰 우박으로 인해 비닐 사이딩이 부서지고 일반 모래 석고에 움푹 들어간 부분이 남습니다. 잔해와 나뭇가지를 운반하는 거친 바람도 외관을 손상시킬 수 있습니다. 그러나 탄소 섬유를 첨가한 마감재는 흔적을 남기지 않습니다. 더욱이 그녀는 어린이 게임에서 공이나 퍽을 치는 것과 같은 일상적인 영향을 두려워하지 않습니다.
모스크바 건설 및 무역 회사 PKK Interstroytekhnologii의 도매 영업 부서 책임자인 Daniil Mazurov는 "일반적으로 외관의 지하실을 우발적인 손상으로부터 보호하기 위해 석재 클래딩(예: 도자기 석기)을 사용합니다."라고 말합니다. – 하지만 현재 모스크바 남부에 건설되고 있는 주거단지의 지하 공사를 마무리하기 위해 탄소섬유를 이용한 석고 시스템을 시도하기로 결정했습니다. 비교 테스트에서 매우 인상적인 결과를 보여주었습니다.”
CAPAROL 회사 모스크바 지역 부서의 WDVS 부서 책임자인 Vadim Pashchenko는 석고 시스템에 탄소 섬유가 포함된 보강 부품을 사용한 또 다른 중요한 결과를 언급합니다. 즉, 외관이 온도 변형에 강해집니다. 건축가와 개인 주택 소유자에게 이는 자기 표현의 완전한 자유를 의미합니다. 집의 벽을 가장 어둡고 채도가 높은 색상으로 칠할 수 있습니다. 전통적인 시멘트-모래 석고를 사용하면 이러한 실험이 슬프게 끝날 수 있습니다. 벽의 어두운 표면은 태양 광선 아래에서 너무 빨리 가열되어 외부 보호 및 장식 층에 균열이 형성됩니다. 그러나 탄소섬유를 사용한 외관 시스템의 경우 이러한 문제는 존재하지 않습니다.
이제 유럽 전역에서 표현력 있고 풍부한 색상을 얻는 데 도움이 된 개인 별장과 상업용 건물, 학교 및 유치원이 일반적인 배경과 눈에 띄게 나타나기 시작했습니다. 러시아의 개인 주택 소유자들이 전통적인 파스텔 색조에서 벗어나 외관 색상을 실험하기 시작하면서 이 혁신적인 기술은 우리나라에서도 수요가 높아지고 있습니다.
차세대
이제 탄소가 없는 첨단산업은 상상조차 할 수 없습니다. 일반 사람들이 점점 더 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 이제 우리는 탄소 섬유 스키, 스노보드, 등산화, 스피닝 로드, 자전거, 헬멧 및 기타 스포츠 장비를 구입할 수 있습니다.
그러나 이는 이미 강철보다 10배 더 강하고 다른 귀중한 특성을 지닌 탄소 나노튜브라는 차세대 소재로 대체되고 있습니다.
나노튜브의 도식적 표현
그래서 캐나다의 의류 제조사인 Garrison Bespoke는 탄소나노튜브를 기반으로 한 직물로 만든 남성복을 개발했습니다. 이러한 직물은 최대 .45 구경의 총알을 막고 자상으로부터 보호합니다. 방탄조끼에 사용되는 합성소재인 케블라(Kevlar)보다 50% 가볍다. 그러한 옷은 확실히 사업가와 정치인들 사이에서 유행할 것입니다.
탄소 나노튜브의 가장 환상적인 응용 분야 중 하나는 우주 엘리베이터입니다. 이를 통해 비용이 많이 들고 위험한 로켓 발사 없이 궤도에 물건을 배송할 수 있습니다. 그 기초는 지구 표면에서 지구 위 35,000km 고도의 정지 궤도에 있는 우주 정거장까지 뻗어 있는 튼튼한 케이블이어야 합니다.
이 아이디어는 1895년 러시아의 위대한 과학자 Konstantin Tsiolkovsky가 제안했습니다. 그러나 지금까지 이 프로젝트는 기술적인 이유로 실행 불가능해 보였습니다. 왜냐하면 그렇게 강한 케이블을 만들 수 있는 알려진 재료가 없었기 때문입니다. 그러나 1990년대 초 탄소나노튜브가 발견됐다. 우리는 가능성의 경계를 다시 생각하게 되었습니다. 탄소나노튜브를 밀리미터 단위로 엮은 실은 약 30톤의 하중을 견딜 수 있다. 이는 우주 엘리베이터 객실 내 궤도로의 저렴하고 안전한 여행이 엔지니어들에게 환상의 이야기에서 실용적인 작업으로 바뀌고 있음을 의미합니다.
탄소섬유가 가지고 있는 자체 중량 대비 인장강도를 확고하게 나타내는 지표는 이 소재의 독특한 성과이며 국가경제에 활용될 수 있는 밝은 전망을 열어주는 것으로 알려져 있습니다. 현재 탄소를 구입하는 것은 어렵지 않지만 현대 건축에 탄소를 사용하는 것은 아직 널리 사용되지 않습니다. 그러나 간단하고 안정적인 적용 방법은 오래 지속될 것을 약속합니다.
탄소 섬유
비스코스 섬유의 열분해와 필라멘트 사용의 결과로 최초의 탄소 섬유 생산은 18세기 말 에디슨에 의해 특허를 받았습니다.
20세기에는 로켓 및 항공기 엔진 제조에 사용되는 복합 부품 재료를 검색한 결과 섬유에 대한 관심이 높아졌습니다.
내열성, 단열성, 내식성 등 품질 측면에서 탄소 섬유는 동등하지 않았습니다.
첫 번째 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유 샘플의 특성은 높지 않았지만, 기술의 발전으로 탄소섬유 강도 2070MPa, 탄성률 480GPa의 탄화수소 섬유를 얻을 수 있게 됐다.
오늘날 탄소 섬유 또는 탄소 섬유는 건설 분야에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.
- 외부보강시스템용
- 창고 및 교량, 산업 및 주거용 건물의 내력 구조물 수리용.
탄소섬유 제품을 사용하면 기존의 재건축이나 보강 공법에 비해 빠르고 효율적으로 건설 활동을 수행할 수 있습니다.
그러나 항공기 부품 제조에 탄소를 사용하는 것은 말할 것도 없고 탄소의 성과에 대한 이야기는 불완전할 것입니다.
국내 항공기 제조사들의 성과는 보잉 787 부품을 생산하는 미쓰비시중공업의 건전한 경쟁이다.
폴리머 소재로 제품 생산
고분자 재료 - 탄소는 탄소 원자에 의해 형성되고 미세 결정으로 결합된 ø 5~15 마이크론의 미세한 섬유 실입니다. 실에 우수한 강도와 신장률, 낮은 비중과 열팽창 계수, 화학적 불활성을 제공하는 것은 결정 방향의 정렬입니다.
PAN 섬유를 얻기 위한 생산 공정은 오토클레이브 기술 및 수지 강화를 위한 후속 함침과 관련됩니다. 탄소 섬유에 플라스틱(프리프레그)을 주입하고 액체 플라스틱을 주입하여 압력을 가하여 섬유 가닥을 강화합니다.
물리적 특성에 따라 탄소섬유는 다음과 같은 유형으로 구분됩니다.
- 고강도 탄소섬유(12000개의 연속섬유로 구성)
- 범용 탄화 탄소 섬유(최대 100mm 길이의 2개 이상의 섬유로 구성된 연사).
재료로 만든 제품으로 강화된 탄소 섬유 구조는 구조의 무게를 30% 감소시키고 화학적 불활성으로 인해 공격적인 액체 및 가스를 불순물로부터 정화할 때 필터로 탄소 섬유를 사용할 수 있습니다.
이 비디오에서는 탄소 섬유의 생산을 보여줍니다.
탄소섬유 제품군
탄소 직물
고탄성 탄소섬유로 만든 주요 제품은 두께 1.6~5.0mm, 밀도 520~560g/m²의 평직 직조 구조를 지닌 탄소섬유이다.
선형팽창계수가 0인 탄소섬유는 변형과 부식에 대한 저항력이 매우 높습니다.
표준 탄소 직물의 특성은 다음과 같습니다.
탄소 직물의 매개변수는 다음과 같습니다.
- 블레이드 폭 1000-2000mm
- 탄소 함량 98.5%
- 밀도 100-640g/m2
- 두께 0.25-0.30mm.
고탄성섬유의 주요 생산품은 탄소섬유 외에 테이프, 코드 등이다.
제품의 이동성에 어느 정도 영향을 미치는 직조 탄소 직물에는 다음과 같은 유형이 있습니다.
- 리넨 각 날실을 1/1 위사로 엮어 만든 직조로 직물의 강도와 움직임을 향상시킵니다.
- 공단 하나의 위사가 4~5개의 날실을 얽어 짜서 직물이 너무 많이 구부러질 가능성을 줄입니다.
- 능직 같은 수의 위사로 날실의 수를 덮는 직조.
능직의 가능성에 대한 예는 다색 탄소 직물입니다. 다양한 색상의 탄소 직물은 흡습성이 있고 공기 교환이 가능한 케블라 의류 및 물건을 만드는 데 성공적으로 사용됩니다. 다양한 밀도와 구조를 지닌 기술 스레드로 만들어진 케블라(Kevlar)는 이미 자동차 및 군사 산업에서 유리 섬유와 강철을 대체하여 사용되고 있습니다.
탄소의 장점은 탄화탄소섬유로 만든 제품에서 확연히 드러난다.
탄화섬유 제품
탄화섬유로 만든 제품의 범위는 더욱 확장되었으며 다음과 같이 표시됩니다.
- 탄화탄소섬유 RK-300 (유리섬유 대체재)
- 단면 알루미늄 코팅 직물 RK-300AF (열 스크린으로 인해 특성이 향상되어 탄소를 단열 권선 재료로 사용할 수 있음)
- 탄소 구조 직물 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
- 탄화 테이프 및 코드.
탄소나 탄화섬유로 만든 직조 캔버스는 충전재 종류에 관계없이 우수한 보강 기능을 발휘합니다.
또한 EMR을 흡수하는 스크린, 열전대 및 전극, 무선 엔지니어링 제품은 탄화 섬유를 사용하여 만들어집니다.
탄소강화 수영장 생산
탄소섬유 강화재로 수영장을 생산할 때 세라믹 층에 탄소섬유 강화재, 목재 발사, 발포 고무를 추가하는 단계가 기술에 포함됩니다. 탄소 강화로 수영장 그릇의 이중 프레임을 생성하기 위한 기초는 구성된 하중 다이어그램과 재료에 대한 허용 응력이었습니다.
미래에 탄소섬유 사용의 인기가 높아짐에 따라 시장에서 강화재를 대체할 수 있을 것이라고 결론을 내리겠습니다.
탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유와 고분자 바인더를 기반으로 한 복합재료로, 다양한 종류의 탄소섬유와 섬유상 소재를 보강재로 사용합니다.
탄소섬유 강화 플라스틱 생산
탄소 섬유 강화 복합재를 생산하는 기본 방법은 섬유 재료에 일반적입니다. 탄소 섬유 강화 플라스틱은 일반적으로 프레싱, 인발, 부설 및 프레싱 방법을 사용하여 미리 준비된 프리프레그에서 생산됩니다. 탄소 섬유는 취약성이 높기 때문에 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 가공할 때 주의가 필요합니다. 고압에서 압축을 수행해야 하며 강화 충전재가 급격하게 구부러지지 않도록 해야 합니다.
사용의 용이성을 위해 탄소 및 흑연 섬유와 고분자 수지를 기반으로 프리믹스, 프리프레그 및 프레스 섬유가 생산됩니다. 부품 및 제품 제조를 위해 준비된 일정량의 강화 충전재 및 폴리머 매트릭스를 포함하는 재료입니다.
가장 일반적으로 사용되는 바인더는 열경화성 수지(에폭시, 페놀릭, 폴리이미드)로 높은 접착력과 탄소 섬유의 기계적 특성 구현 수준을 높이는 동시에 내열성 열가소성 수지(방향족 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리카보네이트)입니다. 폴리올레핀 및 지방족 폴리아미드와 같은 저융점 열가소성 수지의 사용은 탄소 필러의 많은 특성을 실현할 수 없기 때문에 권장되지 않습니다.
고강도 및 고탄성 탄소 섬유 강화 플라스틱은 높은 기계적 특성을 지닌 적절한 유형의 탄소 실, 스트랜드 및 테이프로 만들어집니다. 탄소 필러의 기계적 특성을 가장 완벽하게 구현하기 위해 주로 단방향 및 교차 배치가 사용됩니다.
탄소섬유의 성질
탄소 섬유 강화 플라스틱의 구성은 해당 플라스틱으로 만든 제품의 요구 사항에 따라 결정됩니다. 탄화 또는 흑연화 섬유를 기반으로 한 탄소 플라스틱에는 다음이 포함됩니다. 탄소(보통 탄화) 부직포 재료 및 절단 섬유를 기반으로 한 프레스 재료; 탄소(탄화) 및 흑연 직물을 기반으로 한 탄소 텍스타일라이트; 탄소(흑연화) 실, 테이프, 프로파일 형태의 번들, 권취 제품, 시트를 기반으로 하는 고강도 및 고탄성 탄소 플라스틱.
흑연 섬유 및 섬유 재료는 기계적 및 열적 특성이 더 높지만 가격이 상당히 비쌉니다.
강화 방향에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 기계적 특성은 강화 섬유의 특성과 그 위치에 따라 크게 결정되며 바인더에 따라 덜 좌우됩니다. 탄소섬유 강화 플라스틱의 온도 특성은 주로 바인더의 특성에 따라 결정됩니다.
탄소-탄소 소재는 고온 및 불활성 환경(최대 2500°C)에서 작동할 수 있습니다.
탄소섬유판 적용
카본 프레스 소재와 텍스타일라이트는 마찰 방지, 내화학성 등 다양한 부품 제조에 사용되며, 특히 베어링 쉘 제조에 사용됩니다. 페놀 및 기타 내화학성 매트릭스가 포함된 프레스 섬유 및 시트 탄소 프리프레그를 기반으로 펌프 부품, 피팅, 열 교환기 및 금속 제품(대개 컨테이너 및 기타 화학 장비)의 복합 내화학성 코팅이 제조됩니다. 탄소섬유 강화 플라스틱은 기존에 사용되던 석면 기반 소재(파올라이트)를 대체하는 데에도 사용됩니다.
페놀 및 폴리이미드 바인더를 기반으로 한 탄소 플라스틱과 탄소-탄소 소재는 내열성이 뛰어난 구조용 제품 및 코팅재로 사용됩니다. 이러한 바인더를 선택하는 이유는 탄화 과정에서 탄소 수율이 높은 코크스로 변하면서 상당히 강한 탄소 매트릭스를 형성하기 때문입니다.
고강도 및 고탄성 탄소 섬유 강화 플라스틱과 탄소 섬유 라미네이트는 항공기, 선박, 기타 차량, 의료 장비, 스포츠 제품 및 보철물에서 가장 중요한 부품 및 제품 제조에 사용됩니다.
최대 2~3%의 탄소 섬유를 함유한 열가소성 수지가 정전기 방지 재료로 사용됩니다. 탄소 섬유를 필러로 사용하는 효율성은 기존 카본 블랙 첨가제보다 훨씬 높습니다. 그 이유는 섬유가 훨씬 낮은 함량으로 재료에 전기 전도성 "메시"를 형성하기 때문입니다.
탄소 재료는 의학적 용도도 있습니다. 살아있는 유기체는 탄소 재료를 거부하지 않습니다. 따라서 부러진 뼈를 탄소섬유 기반의 핀으로 고정하고 손상된 힘줄을 가볍고 강한 카본 테이프로 교체하면 신체는 이 물질을 이물질로 인식하지 못합니다.
탄소섬유와 탄소섬유의 적용 분야는 다음과 같이 구분할 수 있습니다.
로켓공학, 항공기(항공기, 헬리콥터, 소형 항공기);
조선(군함, 스포츠 조선);
자동차 산업(스포츠카, 오토바이, 튜닝);
스포츠 장비(자전거, 테니스 라켓, 낚싯대)
특수제품(풍력발전기 블레이드 등)
탄소 섬유- 주로 탄소 원자로 구성된 직경 3~15 마이크론의 가는 실로 구성된 물질입니다. 탄소 원자는 서로 평행하게 정렬된 미세한 결정으로 배열됩니다. 결정의 정렬은 섬유에 더 큰 인장 강도를 제공합니다. 탄소 섬유는 높은 인장 강도, 낮은 비중, 낮은 열팽창 계수 및 화학적 불활성을 특징으로 합니다.
러시아의 탄소 섬유 생산은 Composite 지주 회사인 Composite-Fiber LLC에서 수행합니다.
탄소 섬유는 생산의 기초입니다(또는 "탄소", "탄소"-탄소의 탄소 플라스틱). 탄소 섬유 강화 플라스틱은 고분자(보통 에폭시) 수지 매트릭스에 위치하는 탄소 섬유 가닥을 서로 엮어 만든 고분자 복합 재료입니다.
탄소 복합 재료는 강도가 높고 강성이 높으며 무게가 가벼운 것이 특징이며 강철보다 강하지만 훨씬 가볍습니다.
고분자 재료 생산
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탄소섬유 가격이 왜 이렇게 높나요?
높은 에너지 소비는 탄소 섬유의 가격이 비싼 주된 이유입니다. 그러나 이는 인상적인 결과로 상쇄되는 것 이상입니다. 이 모든 것이 화학 실험실 직원들에게만 알려진 것이 아니라 다소 평범한 것들에 포함된 "부드럽고 푹신한" 물질에서 시작되었다는 사실조차 믿을 수 없습니다. 백색 섬유(소위 폴리아크릴로니트릴 공중합체)는 섬유 산업에서 널리 사용됩니다. 이는 드레스, 양복, 편직물, 카펫, 방수포, 실내 장식품 및 필터 재료의 일부입니다. 즉, 폴리아크릴로니트릴 공중합체는 첨부된 라벨에 아크릴 섬유가 언급된 모든 곳에 존재합니다. 그 중 일부는 플라스틱 역할을 합니다. 이들 중 가장 흔한 것은 ABS 플라스틱입니다. 그래서 탄소에는 많은 "사촌"이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 탄소사는 인상적인 인장 강도를 가지고 있지만 굽힘 시 "충격을 받는" 능력은 저하됩니다. 따라서 제품의 균일한 강도를 위해서는 원단을 사용하는 것이 바람직합니다. 특정 순서로 구성된 섬유는 부하에 대처하기 위해 서로 "도움"을 줍니다. 이런 장점이 부족해요 그러나 레이어의 방향을 다르게 지정하면 원하는 방향에서 필요한 강도를 얻을 수 있고 부품의 질량을 크게 절약할 수 있으며 중요하지 않은 부분을 불필요하게 강화하지 않아도 됩니다.
탄소섬유란?
탄소 부품 제조에는 재료의 전체 부피를 채우는 무작위로 배치된 실이 있는 단순 탄소 섬유와 직물(Carbon Fabric)이 모두 사용됩니다. 직조에는 수십 가지 유형이 있습니다. 가장 흔한 것은 Plain, Twill, Satin입니다. 때때로 직조는 조건부입니다. 세로로 위치한 섬유의 리본은 부서지지 않도록 희박한 가로 스티치로 "잡아"있습니다. 직조 유형 외에도 g/m2로 표시되는 직물의 밀도 또는 비중은 탄소 섬유의 수에 따라 결정되는 섬유의 두께에 따라 달라집니다. 이 특성은 천의 배수입니다. 따라서 약어 1K는 섬유에 천 개의 실이 있다는 의미입니다. 모터스포츠와 튜닝에 가장 일반적으로 사용되는 직물은 밀도가 150~600g/m2이고 섬유 두께가 1K, 2.5K, 3K, 6K, 12K 및 24K인 평직 및 능직 직물입니다. 12K 패브릭은 군용 제품(탄도 미사일의 선체 및 머리, 헬리콥터 및 잠수함의 로터 블레이드 등), 즉 부품에 엄청난 하중이 가해지는 경우에도 널리 사용됩니다.
유색 탄소가 있나요? 옐로우카본이 있나요?
튜닝 부품 제조업체로부터 결과적으로 고객으로부터 "은색" 또는 "유색" 탄소에 대한 이야기를 자주 들을 수 있습니다. "은색" 또는 "알루미늄" 색상은 유리섬유에 페인트나 금속 코팅을 한 것일 뿐입니다. 그리고 그러한 물질을 탄소라고 부르는 것은 부적절합니다. 그것은 유리 섬유입니다. 이 분야에서 새로운 아이디어가 계속해서 나오는 것은 기쁘지만, 유리의 특성은 탄소탄과 비교할 수 없습니다. 유색 직물은 대부분 케블라로 만들어집니다. 일부 제조업체는 여기에서도 유리 섬유를 사용합니다. 염색된 비스코스와 폴리에틸렌도 있습니다. Kevlar를 언급된 폴리머 스레드로 교체하여 비용을 절약하려고 하면 해당 제품과 수지의 접착력이 저하됩니다. 그러한 직물을 사용한 제품의 내구성에 대해서는 의문의 여지가 없습니다. Kevlar, Nomex 및 Tvaron은 미국 독점 폴리머 브랜드입니다. 그들의 과학적인 이름은 "아라미드"입니다. 이들은 나일론과 나일론의 친척입니다. 러시아에는 SVM, Rusar, Terlon SB 및 Armos와 같은 자체 유사체가 있습니다. 그러나 종종 발생하는 것처럼 가장 "홍보되는" 이름인 "Kevlar"는 모든 재료의 친숙한 이름이 되었습니다.
케블라란 무엇이며 그 특성은 무엇입니까?
무게, 강도 및 온도 특성 측면에서 Kevlar는 탄소 섬유보다 열등합니다. 굽힘 하중을 견디는 Kevlar의 능력은 훨씬 높습니다. 이것이 바로 탄소와 케블라가 거의 동일하게 포함된 하이브리드 직물의 출현과 관련된 이유입니다. 탄소-아라미드 섬유를 사용한 부품은 탄소 제품보다 탄성 변형을 더 잘 인식합니다. 그러나 단점도 있습니다. Carbon-Kevlar 합성물은 내구성이 떨어집니다. 게다가 더 무겁고 물을 “두려워”합니다. 아라미드 섬유는 수분을 흡수하는 경향이 있으며 이는 아라미드 섬유 자체와 대부분의 수지에 영향을 미칩니다. 요점은 "에폭시"가 화학적 수준에서 물-소금 용액에 의해 점차적으로 파괴된다는 것 뿐만이 아닙니다. 가열 및 냉각, 그리고 겨울에는 일반적으로 동결되면서 물이 내부에서 부품의 재료를 기계적으로 느슨하게 합니다. 그리고 댓글이 두 개 더 있습니다. Kevlar는 자외선에 노출되면 성능이 저하되며 수지에 있는 성형 재료는 그 놀라운 특성 중 일부를 잃습니다. 높은 인열 및 절단 저항은 "건식" 형태의 Kevlar 직물에서만 구별됩니다. 따라서 아라미드는 다른 영역에서 최고의 특성을 나타냅니다. 이러한 재료의 여러 층으로 꿰매어진 매트는 경량 방탄복 및 기타 안전 장비 생산의 주요 구성 요소입니다. 케블라 실은 가늘고 튼튼한 선박용 로프를 엮는 데, 타이어에 코드를 만드는 데, 기계의 구동벨트나 자동차의 안전벨트에도 사용됩니다.
탄소섬유로 부품을 덮는 것이 가능한가요?
자동차에 흑백 또는 흑백 체크무늬 부품을 갖고 싶은 거부할 수 없는 욕구로 인해 기이한 탄소 섬유 대체품이 등장하게 되었습니다. 튜닝 상점에서는 목재 및 플라스틱 내부 패널을 탄소 섬유로 덮고 그 사이에 샌딩을 하면서 무수히 많은 바니시 층을 채웁니다. 각 부품에는 킬로그램의 재료와 많은 작업 시간이 필요합니다. 대가들의 노고에 감탄할 수는 있지만 이 길은 아무데도 통하지 않습니다. 이 기술을 사용하여 만든 "보석"은 온도 변화를 견딜 수 없는 경우가 있습니다. 시간이 지나면 균열이 생기고 부품이 박리됩니다. 새 부품은 바니시 층의 두께가 두껍기 때문에 원래 위치에 들어가기를 꺼립니다.
탄소 및/또는 복합재 제품은 어떻게 만들어지나요?
이들의 생산 기술은 사용되는 수지의 특성에 기초합니다. 수지(resin)라고 부르는 것이 맞을 만큼 수많은 화합물이 존재합니다. 상온 경화 폴리에스테르 및 에폭시 수지는 유리 섬유 본체 키트 제조업체에서 가장 일반적이지만 탄소 섬유의 모든 장점을 완전히 드러낼 수는 없습니다. 우선, 이러한 결합 화합물의 강도가 약하기 때문입니다. 고온 및 자외선에 대한 이러한 열악한 저항성을 추가하면 가장 일반적인 브랜드를 사용할 가능성은 매우 의심스럽습니다. 이러한 재료로 만든 탄소 후드는 더운 여름 한 달 안에 노란색으로 변하고 모양이 사라질 시간이 있습니다. 그런데 "뜨거운"수지는 자외선을 좋아하지 않으므로 안전을 위해 부품을 최소한 투명한 자동차 바니시로 코팅해야합니다.
냉간 경화 화합물.
중요도가 낮은 부품의 소규모 생산을 위한 "콜드" 기술은 다른 심각한 단점도 가지고 있기 때문에 개발을 허용하지 않습니다. 복합재 제조를 위한 진공 방법(수지는 공기가 배출되는 폐쇄형 매트릭스에 공급됨)에는 장비를 준비하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 여기에 많은 시간을 낭비하고 생산성에도 기여하지 않는 수지 성분의 혼합을 추가해 보겠습니다. 손으로 붙이는 것에 대해 이야기하는 것은 전혀 의미가 없습니다. 잘게 잘린 섬유를 매트릭스에 분사하는 방법은 직물의 사용을 허용하지 않습니다. 실제로 모든 것이 유리 섬유 생산과 동일합니다. 유리 대신 석탄을 사용하는 것뿐입니다. 고온 수지(와인딩 방법)로 작업할 수 있는 가장 자동화된 공정조차도 좁은 폐쇄 섹션 부품 목록에 적합하며 매우 값비싼 장비가 필요합니다.
열경화형 에폭시 수지는 강도가 더 강하여 품질이 완전히 드러납니다. 일부 "뜨거운" 수지의 경우 "실온"에서 중합 메커니즘이 매우 느리게 시작됩니다. 이것이 바로 성형 공정 이전에 완성된 수지를 탄소섬유에 적용하는 소위 프리프레그 기술의 기반입니다. 준비된 자재는 창고의 날개 위에서 기다리고 있을 뿐입니다.
수지 브랜드에 따라 액상 상태 시간은 일반적으로 몇 시간에서 몇 주까지 지속됩니다. 가사 시간을 연장하기 위해 준비된 프리프레그를 냉장고에 보관하는 경우도 있습니다. 일부 브랜드의 레진은 완성된 형태로 수년 동안 "살아 있습니다". 경화제를 첨가하기 전에 수지를 50-60C로 가열한 후 혼합한 후 특수 장비를 사용하여 직물에 도포합니다. 그런 다음 직물에 플라스틱 필름을 씌우고 말아서 20-25C로 냉각합니다. 이 형태로 재료는 매우 오랫동안 보관됩니다. 더욱이, 냉각된 수지는 건조되어 직물 표면에 거의 보이지 않게 됩니다. 부품 제조 과정에서 가열된 바인더는 물과 같은 액체가 되어 확산되어 작업 금형의 전체 부피를 채우고 중합 공정이 가속화됩니다.
고온 경화 화합물.
"뜨거운" 화합물은 매우 다양하며 각각 고유한 온도와 시간 경화 방식을 가지고 있습니다. 일반적으로 성형 공정 중 필요한 온도계 판독값이 높을수록 완제품의 열 저항이 강해지고 저항력이 커집니다. 사용 가능한 장비의 성능과 최종 제품의 요구 특성을 바탕으로 적합한 수지를 선택할 수 있을 뿐만 아니라 주문 제작도 가능합니다. 일부 국내 제조업체에서는 이 서비스를 제공합니다. 당연히 무료는 아닙니다.
프리프레그는 오토클레이브에서 탄소를 생산하는 데 이상적으로 적합합니다. 작업 챔버에 로드하기 전에 필요한 양의 재료를 매트릭스에 조심스럽게 배치하고 특수 스페이서 위의 진공 백으로 덮습니다. 모든 구성 요소의 올바른 위치 지정은 매우 중요합니다. 그렇지 않으면 원하지 않는 압력 주름을 피할 수 없습니다. 나중에 오류를 수정하는 것은 불가능합니다. 액체 바인더를 사용하여 준비를 수행했다면 작업 성공 가능성이 불분명한 작업자의 신경계에 대한 실제 테스트가 될 것입니다.
설치 내부에서 발생하는 프로세스는 간단합니다. 고온은 바인더를 녹이고 중합을 "활성화"시키며, 진공 백은 공기와 과도한 수지를 제거하고, 챔버의 증가된 압력은 직물의 모든 층을 매트릭스에 압착합니다. 그리고 모든 일이 동시에 일어납니다.
한편으로는 몇 가지 장점이 있습니다. 이것의 강도는 거의 최대이며, 가장 복잡한 모양의 물체는 한 번에 "앉아" 만들어집니다. 압력이 모든 방향으로 고르게 분포되고 장비의 기하학적 구조를 위반하지 않기 때문에 매트릭스 자체는 기념비적이지 않습니다. 이는 새로운 프로젝트를 빠르게 준비한다는 것을 의미합니다. 반면에, 수백도에 달하는 가열과 압력, 때로는 20atm.에 도달하는 경우 오토클레이브는 매우 비싼 구조가 됩니다. 크기에 따라 장비 가격은 수십만 달러에서 수백만 달러까지 다양합니다. 여기에 무자비한 전기 소비와 생산주기의 복잡성을 추가해 보겠습니다. 그 결과 생산 비용이 높아진다. 그러나 그 결과가 훨씬 더 인상적인 더 비싸고 더 복잡한 기술이 있습니다. Formula 1 자동차의 브레이크 디스크와 로켓 엔진 노즐에 사용되는 탄소-탄소 복합 재료(CCM)는 3000C에 달하는 작동 온도에서 막대한 하중을 견뎌냅니다. 이러한 유형의 탄소는 열경화성 수지를 흑연화하여 생성되며, 여기에 압축 탄소 섬유가 함침됩니다. 공백. 작업은 탄소 섬유 자체의 생산과 다소 유사하지만 100기압의 압력에서만 발생합니다. 그렇습니다. 대규모 스포츠와 군사 분야에서는 독특한 품목을 엄청난 가격에 소비할 수 있습니다. 튜닝, 특히 연속 생산의 경우 이러한 "가격 대비 품질" 비율은 허용되지 않습니다.
해결책을 찾았다면 너무 단순해 보여서 "이전에 생각하지 못하게 된 이유가 무엇이었나요?"라고 궁금해할 것입니다. 그러나 오토클레이브에서 발생하는 프로세스를 분리하려는 아이디어는 수년간의 연구 끝에 탄생했습니다. 따라서 탄소의 열간 성형을 스탬핑과 유사하게 만드는 기술이 등장하고 추진력을 얻기 시작했습니다. 프리프레그는 샌드위치 형태로 준비된다. 수지를 도포한 후 직물의 양면을 폴리에틸렌이나 내열성이 뛰어난 필름으로 덮습니다. "샌드위치"는 서로 밀착된 두 샤프트 사이를 통과합니다. 이는 1960년대 세탁기에서 옷을 압착할 때와 거의 같은 방식으로 과도한 수지와 원치 않는 공기를 제거합니다. 프리프레그는 나사산 연결로 고정되는 펀치에 의해 매트릭스에 압입됩니다. 다음으로 전체 구조를 가열 캐비닛에 넣습니다.
튜닝 회사는 동일한 탄소 섬유와 내구성이 뛰어난 브랜드의 설화석고로 매트릭스를 만듭니다. 그러나 석고 작업 금형은 수명이 짧지만 몇 가지 제품을 만들 수 있습니다. 보다 "고급" 매트릭스는 금속으로 만들어지며 때로는 가열 요소가 내장되어 있습니다. 대량 생산에 최적입니다. 그런데 이 방법은 폐쇄된 부분의 일부 부분에도 적합합니다. 이 경우 완제품 내부에는 가벼운 폼 펀치가 남아 있습니다. 미쓰비시 에보(Mitsubishi Evo) 윙이 이런 종류의 예입니다.
기계적인 힘은 장비의 강함을 생각하게 하는데, 매트릭스-펀치 시스템은 3D 모델링이나 최고 수준의 모델러가 필요합니다. 그러나 이것은 오토클레이브 기술보다 여전히 수백 배 저렴합니다.
잡지 "TUNING Cars"의 Alexey Romanov 편집자
많은 자동차 애호가들에게 자동차를 튜닝하려는 욕구는 진정한 강박관념이 되었습니다. 나는 내 "철마"를 바꾸고 싶고, 다른 사람들과 다르게 더 밝게 만들고 싶습니다. 따라서 외부 및 내부 튜닝에서 가장 인기 있는 분야 중 하나는 탄소 섬유를 사용하는 것입니다. 그런데 어떤 재료인지, 어떤 장점과 단점이 있는지, 어떻게 사용할 수 있는지. 이러한 질문을 더 자세히 살펴보겠습니다.
탄소란 무엇이고 탄소섬유와 어떻게 다른가요?
이러한 대중적인 복합재료의 생산은 오랫동안 확립되어 왔습니다. 20세기 초, Farnborough의 영국인은 이 기적의 재료로 만든 최초의 부품을 대중에게 선보였습니다. 이는 에폭시 수지를 사용하여 서로 부착된 수많은 얽힌 탄소 실을 기반으로 합니다. 재료에 최대 강도를 부여하기 위해 서로 일정한 각도로 배치됩니다. 이 복합재료의 주성분은 바로 탄소실입니다. 최소한의 두께에도 불구하고 깨지거나 찢어지지 않습니다. 현대 유리 섬유 폴리머의 패턴은 매트, 헤링본 및 기타 모양의 형태로 만들 수 있습니다.
카본 리어 디퓨저
카본은 생활의 여러 분야에서 활발히 활용되고 있지만, 무엇보다도 자동차 튜닝에 활용되고 있습니다. 스포일러, 후드, 다양한 내부 및 차체 요소가 이 소재로 만들어집니다. 초경량 Korch를 만들려면 이 탄소 소재를 사용하는 것이 필요합니다. 또한 탄소 섬유는 자동차뿐만 아니라 보트, 스노모빌, 오토바이 및 기타 운송 수단의 기본 부품 생산에도 적극적으로 사용됩니다.
탄소섬유 플라스틱의 장점과 단점
탄소재료는 그 구조와 특징이 매우 구체적이어서 긍정적인 측면과 부정적인 측면을 모두 가지고 있습니다. 주요 장점은 가벼움과 강도입니다. 강도에 관해서는 특수한 실 직조 덕분에 이 복합 재료는 많은 현대 금속보다 열등하지 않습니다. 탄소섬유의 무게는 강철의 거의 절반이고 알루미늄의 1/5 정도입니다.
탄소: 인장강도는 얼마인가?
유리섬유의 독특한 강도에 대해 들어보셨나요? 따라서 탄소로 만들어진 부품은 이와 관련하여 훨씬 더 나은 특성을 갖습니다. 따라서 이 특별한 복합재는 조종사의 안전과 결과 달성에 특별한 주의를 기울이는 모터스포츠에 사용됩니다. 최대 강도 수준을 유지하면서 차량 무게를 줄이는 것은 장점일 뿐입니다.
도어 및 후드
이 탄소섬유는 금속보다 얼마나 더 강한가요?
그러나 탄소에는 분명한 단점도 있습니다. 많은 튜닝 애호가들은 높은 비용으로 인해 탄소 섬유 부품 구매를 꺼립니다. 동일한 유리섬유와 비교하면 탄소는 훨씬 더 비쌉니다. 그 이유는 바로 생산 공정의 독특한 기술적 복잡성 때문이라고 할 수 있습니다. 그리고 원자재 자체로 인해 제조업체에는 상당한 비용이 듭니다. 예를 들어, 재료의 여러 층을 접착하는 작업은 고품질의 값비싼 수지를 사용하여 수행됩니다. 또한, 탄소섬유를 생산하는 제조사들은 특수하고 고가의 장비를 구입해야만 하는 실정이다.
리어 스포일러
그러나 이것이 인기있는 튜닝 자료의 모든 단점은 아닙니다. 실습에서 알 수 있듯이 이 복합 재료는 정확한 충격과 강한 충격에 매우 강합니다. 작은 돌멩이 하나에도 강한 충격이 가해지면 자동차의 카본 성분을 꿰뚫을 정도입니다. 단 몇 년만 작동하면 동일한 후드가 실제 체처럼 보일 수 있습니다. 게다가 탄소는 실제로 햇빛을 좋아하지 않습니다. 차고에 차를 숨기지 않고 거리에 방치하면 곧 원래 색상을 잃게 됩니다.
프레임과 버팀대
우리는 이미 다양한 영향에 대한 이 복합재의 민감도를 언급했습니다. 따라서 이 재료는 손상되면 수리할 수 없습니다. 자동차 애호가를 위한 유일한 해결책은 부품을 완전히 교체하는 것입니다. 이미 이해하셨듯이 이는 심각한 비용입니다.
탄소 섬유 후드
탄소 모방이 가능한가요?
일반 자동차 애호가는 탄소가 얼마나 강하거나 가벼운지 신경 쓰지 않습니다. 가장 중요한 것은 그것이 매우 아름답게 보인다는 것입니다. 이것이 튜닝 애호가를 끌어들이는 것입니다. 따라서 원래의 값 비싼 재료를 사용할 필요가 없습니다. 모방만으로 충분합니다.
탄소 효과 도어 핸들
PVC 필름
오늘날에는 여러 가지 방법을 사용하여 탄소 섬유를 모방할 수 있습니다. 가장 인기 있는 것은 (정확히 가용성 때문에) 특별 제품이었습니다. PVC 필름, 원본 그림을 복제합니다. 오늘날 다양한 디자인의 이러한 "대체 제품"이 많이 있습니다. 헤어드라이어와 필름을 사용하면 자동차 내부와 외부의 거의 모든 부분을 덮을 수 있어 특이한 탄소섬유 느낌을 줄 수 있습니다. 물론 처음에 작은 요소를 맞추는 것이 항상 가능하지는 않지만, 연습하면 이 작업도 가능해집니다. 업무에 여전히 문제가 발생하면 언제든지 해당 분야의 전문가에게 문의할 수 있습니다. 오늘날 이러한 유형의 튜닝을 다루는 조직은 충분합니다.
아크바페챗
탄소 모방의 두 번째 옵션은 소위입니다. 수로학. 여기에도 특수 필름을 적용했지만 수압을 받아 적용한 것이다. "차고" 조건에서는 더 이상 이러한 작업을 수행할 수 없습니다. 추가 장비가 필요합니다. 이 방법의 장점은 튜닝 품질이 더 높다는 것입니다. 이 경우 기존 방식과 달리 굴곡이 가장 심한 부분에도 필름을 적용할 수 있다. 높은 품질과 기술에 따라 가공이 이루어지면 실제 탄소섬유와 외관이 전혀 다르지 않습니다.
그건 그렇고, "탄소 섬유 차체 또는 인테리어"라는 표현은 오늘날 매우 인기가 있습니다. 따라서 이것은 요소가 값 비싼 재료로 만들어 졌다는 것을 전혀 의미하지 않으며 위에서 설명한 기술 중 하나를 사용하여 특수 필름으로 간단히 덮습니다.
에어브러싱 "언더카본"
이미 모든 모방 옵션을 설명하기 시작했으므로 에어브러싱을 적용하는 세 번째 방법을 언급해야 합니다. 물론 최종 외관상으로는 이 방법이 이전 두 가지 방법보다 나쁘지만 특정 자동차 애호가들 사이에서는 인기가 있습니다. 안타깝게도 에어브러시는 복합재의 디자인을 정확하게 전달할 수 없습니다. 여기서 특정 문제가 발생합니다.
구매 비용을 절약하는 방법과 문제 가격은 얼마입니까?
어쨌든 복합 튜닝은 오늘날 매우 인기가 있습니다. 약간의 비용만 투자하면 차를 알아볼 수 있고 밝게 만들 수 있습니다. 또한 차체 외부 부품에 적용된 카본 필름은 외부 영향으로부터 금속과 페인트를 보호할 수 있다. 의심할 여지 없이 천연 탄소나 탄소 섬유 폴리머를 사용하는 것이 더 좋습니다. 그러나 필요한 양을 사용할 수 없는 경우 카본룩 필름이 최선의 선택입니다.