[다음에서 이어짐: 스포츠 및 레저용 탄소섬유복합재료의 개발 및 동향(1부)(1)]
3.1 오토클레이브 성형: 최고의 경쟁 장비를 위한 "최고의 표준"
오토클레이브 성형은 제품 기공률이 1% 미만이고 기계적 특성이 이론적 한계에 근접하여 탄소 섬유 성형 공정 중에서 최고의 품질과 가장 높은 비용을 제공합니다. 스포츠 용품에서는 거의 모든 최고 수준의 경쟁 장비가 이를 사용합니다. Trek Madone 및 Specialized S-Works Tarmac과 같은 주력 로드 자전거 프레임은 120~180도 및 5~7bar에서 2~4시간 동안 경화된 Toray T800/T1000 등급 프리프레그를 사용하며 프레임 무게는 700~800g에 불과합니다. Fujikura 및 Graphite Design의 고급 골프 샤프트는 오토클레이브 경화 기능을 갖춘 Toray T1100G 탄소 섬유 프리프레그를 사용하여 극도의 강성과 가벼운 무게의 균형을 유지합니다. America's Cup 세일링 부품은 최대의 신뢰성을 위해 오토클레이브 성형됩니다. 장비 투자는 일반적으로 2,000만~5,000만 위안에 달하며 단가가 매우 높기 때문에 프로세스가 최상위 경쟁 제품으로 제한됩니다.
3.2 필라멘트 와인딩: 낚싯대와 골프 샤프트의 "소울 프로세스"
필라멘트 와인딩은 탄소 섬유 스포츠 용품에 가장 많이 사용되는 성형 공정 중 하나이며 낚싯대와 골프 샤프트에서 대체할 수 없습니다. 수지 함침 탄소 섬유 토우는 정확한 각도로 맨드릴에 감겨 있습니다. 작은 각도(15도 –25도)의 내부 레이어는 굽힘 강성을 제공하고, 큰 각도(45도 –60도)의 외부 레이어는 비틀림 강성을 제공하므로 다중 각도 레이업 설계가 제품의 이방성 기계적 성능을 최적화합니다.
Weihai Guangwei Composites는 낚싯대 필라멘트를 감는 방식으로 바로 이곳에서 시작되었습니다. 1998년에는 로드 제조를 위해 중국 최초의 광폭 탄소 섬유 프리프레그 라인을 수입한 후 탄소 섬유 재료로 업스트림을 확장하여 결국 중국 탄소 섬유 산업의 전체 체인 리더가 되었습니다. 탄소섬유 프리프레그는 웨이하이 낚시 도구 클러스터의 핵심 원자재로 남아 있습니다. 세계 최대 낚싯대 제조 센터인 웨이하이는 탄소섬유 프리프레그 → 필라멘트 와인딩 → 낚싯대 제조 → 부품 가공 → 브랜드 마케팅까지 이어지는 완전한 체인을 보유하고 있으며 전 세계 낚싯대 생산량의 약 60%를 차지합니다.
3.3 압축 성형: 라켓과 카본 슈 플레이트의 "대량 생산 도구"
압축 성형은 프리프레그를 금속 금형에 넣고 열과 압력을 가하여 경화시켜 높은 효율, 우수한 정밀도 및 대량 생산에 적합합니다. 스포츠 용품에서 테니스 및 배드민턴 라켓 프레임은 거의 모두 프리프레그 압축 성형으로 만들어집니다. 탄소 섬유 레이업 각도(0도/±45도/90도)는 라켓의 굽힘 및 비틀림 강성을 제어하여 "스위트 스팟"을 최적화합니다. Yonex, Li-Ning, Wilson 및 Babolat의 고급 라켓은 모두 압축 성형이 적용된 Toray 탄소 섬유 프리프레그를 사용합니다.
스포츠 신발용 탄소판은 중대형 배치로 압축 성형됩니다. 여러 층의 탄소 섬유 프리프레그를 금형에서 열과 압력을 가해 경화시킨 다음 밑창 판 모양으로 절단합니다. Nike, Li-Ning, Xtep 및 Anta의 탄소 도금 운동화는 모두 이 공정을 사용합니다. 자전거 부품(스템, 안장 기둥, 크랭크), 스키 바인딩 및 보호 장비 쉘도 널리 압축 성형됩니다. Giant 및 Merida와 같은 브랜드는 다수의 압축 성형 탄소 부품을 사용합니다.
3.4 RTM 및 VARI: 자전거 림에서 경주용 보트 선체까지
RTM(Resin Transfer Molding)은 가압 수지 주입을 통해 폐쇄형 금형을 사용하여 양면의 매끄러운 표면과 거의 그물 모양에 가까운 생산을 구현합니다. 스포츠 용품에서 RTM은 주로 탄소섬유 자전거 림(일체형 성형으로 관절 수 감소), 골프 클럽 헤드(복잡한 형상의 고정밀 성형) 및 아이스하키 스틱 샤프트(경량화를 위한 가변 벽 두께)에 사용됩니다. 프리프레그-오토클레이브 경로와 비교하여 RTM은 생산 효율성을 3~5배 높입니다.
VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)는 진공 음압을 사용하여 수지를 건조 섬유에 주입합니다. 장비 투자가 적고 공정이 대형 부품에 적합합니다. 스포츠 용품에서 VARI는 주로 조정용 쉘, 카약 및 범선 선체(크기 3~10m, 오토클레이브에 비해 너무 큼)에 사용됩니다. 유럽의 유명한 카약 브랜드는 VARI를 사용하여 경쟁 등급의 탄소 섬유 카약을 생산하고, 핸드 레이업을 사용하여 단위당 사이클 시간을 40시간에서 12시간으로 단축하고 섬유 부피 비율을 58%에 도달했습니다. 탄소 섬유 서핑 보드와 스탠드업 패들 보드(SUP)도 VARI를 사용합니다. 저압 성형은 EPS 폼 코어와 탄소 섬유 스킨을 성공적으로 통합하여 기존 유리 섬유 서핑 보드보다 제품을 30% 더 가볍게 만듭니다.
3.5 프리프레그: 스포츠용품 제조의 '핵심 중간소재'
프리프레그(Prepreg)는 탄소섬유에 수지를 미리 함침시켜 생산되는 반경화 시트인 CFRP 제조에 있어서 가장 중요한 중간재입니다. 스포츠 용품 중 열경화성 프리프레그(주로 에폭시)가 약 80%를 차지하며 자전거 프레임, 골프 샤프트, 테니스 라켓, 낚싯대 등에 널리 사용됩니다. 열가소성 프리프레그(PEEK, PPS, PA6 등)는 약 20%를 차지하며 빠르게 성장하고 있습니다. 재활용성, 재가공성 및 짧은 성형 주기(몇 분 대 몇 시간)는 특히 인성과 생산성이 가장 중요한 스키, 보호 장비 및 카본 신발 플레이트에 적합합니다. Teijin은 독일에서 스포츠 용품용 탄소 섬유/PEEK 및 탄소 섬유/PPS 프리프레그 전용 열가소성 단방향 테이프 공장을 운영하고 있습니다.
4. 소재 비교: 탄소 섬유가 스포츠 용품의 첫 번째 선택이 된 이유는 무엇입니까?
스포츠 용품 소재 선택의 핵심 요구 사항은 "가벼움, 강함, 탄력성, 내구성"입니다. 탄소 섬유는 4가지 차원 모두에서 압도적인 이점을 보여줍니다.
탄소섬유의 비강도(강도/밀도)는 강철의 10배, 알루미늄합금의 8배, 티타늄합금의 5배로 스포츠용품이 추구하는 초경량과 고강도의 조합이 바로 그것입니다. 그러나 탄소 섬유는 보편적인 대답이 아닙니다. 탄소 섬유의 취성은 심각한 충격에서 치명적인 파손이 발생할 수 있음을 의미합니다. 따라서 아이스하키 스틱, 스키 엣지 및 높은 인성을 요구하는 기타 응용 분야에서는 탄소 섬유의 취성을 상쇄하기 위해 아라미드의 우수한 내충격성을 사용하여 탄소/아라미드 하이브리드 직조가 종종 채택됩니다. Shimano의 고급 EXSENS 로드 시리즈는 탄소 섬유와 아라미드 하이브리드를 사용하여 무게를 줄이면서 충격 강도를 크게 향상시킵니다.
원가 면에서는 대형 견인 탄소섬유(48K/50K)가 80~100위안/kg으로 하락해 유리섬유(8~15위안/kg)와의 격차가 지속적으로 좁아지고 있습니다. Jilin Chemical Fiber Group의 대형 견인 탄소섬유 생산 능력의 신속한 출시는 탄소섬유의 전문적인 경쟁에서 대중 소비자 시장으로의 이동을 가속화하고 있습니다. 탄소 섬유 자전거를 예로 들면, 대형 견인 탄소 섬유를 사용하면 프레임 재료 비용을 약 40% 절감할 수 있으며 보급형 탄소 자전거 가격을 RMB 8,000에서 RMB 5,000 범위로 낮출 수 있습니다.
5. 핵심 응용 분야: 탄소 섬유가 스포츠 용품 분야를 어떻게 재편하고 있는지
5.1 골프 클럽: 탄소 섬유의 "첫 번째 전장"
골프 클럽은 탄소 섬유의 단일 스포츠 응용 시장 중 가장 큰 규모입니다. 1970년대 탄소섬유가 상용화되자 골프채와 낚싯대가 이를 가장 먼저 채택한 스포츠 용품 중 하나였습니다. QYResearch에 따르면 탄소섬유 골프 클럽의 전 세계 매출은 2031년까지 연평균 복합 성장률 7.0%인 58억 5400만 위안에 이를 것으로 예상됩니다.
기술적인 측면에서, TaylorMade Qi10 LS 드라이버는 60겹의 탄소 섬유와 이중 곡면형 페이스를 갖춘 "인피니티 카본 크라운" 디자인을 사용하며 크라운 영역의 97%를 카본으로 덮어 탁월한 에너지 전달 효율을 달성합니다. Graphite Design의 Tour AD 시리즈 샤프트는 Toray T1100G 탄소 섬유 프리프레그와 나노 합금 기술을 사용하여 무게를 추가하지 않고도 구조적 강성을 크게 높입니다. Callaway(연간 매출 약 18억 달러)와 TaylorMade(약 15억 달러)는 탄소 섬유 골프 클럽 분야의 두 선도적인 글로벌 브랜드이며, 둘 다 핵심 탄소 섬유 재료를 일본 Toray에서만 공급합니다.
중국 고급 탄소섬유 골프 클럽에 사용되는 탄소섬유 재료는 최대 87%가 수입 의존적이어서 국내 대체 여지가 크다는 점은 주목할 만하다. 웨이하이 낚시 도구에서 시작하여 점진적으로 탄소 섬유 재료로 상류로 확장되는 Guangwei 복합재의 개발 경로는 업계에 복제 가능한 모델을 제공합니다. 최종 시장 스포츠 용품 수요에서 시작하여 역방향으로 업스트림 재료를 통합하고 산업 체인의 루프를 닫습니다.
[계속 : 스포츠 및 레저용 탄소섬유복합재료의 개발 및 동향(Ⅰ)(3)]
[출처] 중국복합재료공업협회(CCIA) 공식 홈페이지
[원본링크] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html