고급 복합소재 핸드아웃(I): 적층재, 섬유 유형 및 응용 분야

L아민화 구조

복합재는 특정 구조적 특성을 달성하기 위해 함께 혼합된 재료의 조합으로 구성됩니다. 개별 재료는 복합재에 완전히 용해되거나 융합되지 않지만 전체적으로 함께 작용합니다. 종종 구성 요소 간의 계면을 물리적으로 인식할 수 있습니다. 복합재의 특성은 구성되는 개별 재료의 특성보다 우수합니다.

고급 복합 소재는 섬유질 소재를 수지 매트릭스에 용해하여 만든 것으로, 일반적으로 교대로 배향된 섬유로 적층하여 소재에 강도와 강성을 제공합니다. 섬유질 소재는 흔하지 않습니다. 목재는 인간에게 알려진 가장 흔한 섬유질 구조 소재입니다.

항공기의 복합재 응용 분야는 다음과 같습니다.

-변류기

- 비행 제어 표면

- 랜딩기어 도어

- 날개와 안정판 전단 및 후단 패널

- 내부 구성 요소

- 바닥 들보와 바닥 패널

-대형 항공기용 수직 및 수평 안정판 주요 구조

- 신세대 대형 항공기의 주요 날개 및 동체 구조

- 터빈 엔진 팬 블레이드

-추진자

적층판의 주요 구성 요소

등방성 재료는 모든 방향에서 균일한 특성을 갖습니다(즉, 동일한 재료의 등방성 특성을 의미합니다). 등방성 재료의 측정된 특성은 테스트 축과 무관합니다. 금속 재료인 알루미늄과 티타늄은 등방성 재료의 예를 설명하는 예로 사용됩니다.

섬유는 복합재의 주요 하중 지지 요소입니다. 복합재는 섬유 방향으로만 강도와 강성을 갖습니다. 단방향 복합재는 주로 한 방향으로 기계적 특성을 갖는데, 이를 이방성이라고 하며, 기계적 또는 물리적 특성이 재료에 내재된 자연적 기준 축의 방향과 다릅니다. 섬유 강화 복합재로 만든 구성 요소는 섬유 방향이 최상의 기계적 특성을 생성하도록 설계할 수 있지만, 알루미늄 및 티타늄과 같은 금속의 진정한 등방성 특성에만 접근할 수 있습니다.

복합 매트릭스는 섬유를 지지하고 복합재에서 섬유를 결합합니다. 매트릭스는 적용된 모든 하중을 섬유에 전달하고, 섬유를 위치와 선택한 방향으로 유지하고, 복합재의 환경 저항성을 제공하며, 복합재의 최대 서비스 온도를 결정합니다.

속성

강성, 치수 안정성 및 강도와 같은 복합 적층판의 구조적 특성은 적층판의 적층 순서에 따라 달라집니다. 적층 순서는 적층판 두께에서 레이업 방향의 분포를 설명합니다. 선택된 방향을 가진 층의 수가 증가함에 따라 더 많은 적층 순서가 가능합니다. 예를 들어, 4개의 다른 레이업 방향을 가진 대칭 8겹 적층판은 24개의 다른 적층 순서를 갖습니다.

섬유방향

복합재의 강도와 강성은 층이 배향된 순서에 따라 달라집니다. 탄소 섬유의 실제 강도와 강성은 유리 섬유가 제공하는 것과 같은 낮은 값에서 높은 값까지 다양하며, 티타늄 섬유가 제공하는 높은 강도와 ​​강성 값까지 다양합니다. 이 값 범위는 적용된 하중에 대한 적층판의 배향에 따라 결정됩니다. 고급 복합재에서 구조물의 효율적인 설계를 제공하려면 레이업 배향을 적절히 선택하는 것이 필요합니다. 부품에는 0도 플라이 반응성 축 하중, ±45도 플라이 반응성 전단 하중 및 90도 플라이 반응성 측면 하중이 필요할 수 있습니다. 강도 설계 요구 사항은 적용된 하중 방향의 함수이므로 플라이 배향과 플라이 순서가 정확해야 합니다. 수리 프로세스 동안 손상된 각 층을 동일한 재료와 방향의 층으로 교체하는 것이 중요합니다.

모노리식 재료의 섬유는 한 방향으로 움직이며 강도와 강성은 섬유 방향으로만 존재합니다. 프리프레그(프리프레그 필름) 테이프는 단방향 레이업 방향의 예입니다.

양방향 재료의 섬유는 일반적으로 90도 간격으로 두 방향으로 흐릅니다. 일반 구조는 양방향 레이업 방향의 예입니다. 이러한 레이업 방향은 두 방향 모두에 강도가 있지만 반드시 동일한 강도는 아닙니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이

준등방성 레이업은 0도, -45도, 45도 및 90도 또는 0도, -60도 및 60도의 층 시퀀스를 갖습니다. 이러한 유형의 플라이 방향은 그림 2에 표시된 대로 등방성 재료의 속성을 시뮬레이션합니다. 많은 항공우주 복합재 구조는 준등방성 재료로 만들어집니다.

그림 1: 양방향 및 단방향 포장 재료 특성

그림 2: 대칭 등방성 재료 레이업

WARP 방향

날실 방향은 직물의 세로 섬유를 말합니다. 섬유의 직선성으로 인해 날실 방향은 고강도 방향입니다. 날실 날실 방향은 차트, 사양서 또는 제조업체 시트에서 섬유 방향을 설명하는 데 사용됩니다. 직물에 날실 방향이 없으면 직물이 롤에서 나올 때 날실 방향은 기본적으로 0으로 설정됩니다. 따라서 0에서 90도가 직물의 너비입니다. 그림 3과 같이

그림 3: 트위스트 잠금

F이버 구성

모든 제품 형태는 일반적으로 연속적인 가닥으로 포장된 단방향 원시 섬유 라인으로 시작합니다. 개별 섬유를 필라멘트라고 합니다. "실"이라는 용어는 개별 유리 섬유를 나타내는 데도 사용됩니다. 묶인 필라멘트는 방적사, 실 또는 로빙으로 분류할 수 있습니다. 유리 섬유 실은 꼬여 있지만 케블라® 실은 꼬여 있지 않습니다. 필라멘트 묶음과 로빙에는 꼬임이 없습니다. 대부분의 섬유는 건조 섬유이며 사용 전에 수지로 함침(사전 함침)하거나 수지가 이미 섬유에 적용된 경우 사전 함침된 재료로 함침해야 합니다.

굵은 섬유(실뭉치)

로빙은 20- 또는 60- 엔드 유리 로빙과 같은 필라멘트 또는 섬유 끝의 그룹입니다. 모든 필라멘트는 동일한 방향으로 배향되어 있으며 꼬이지 않습니다. 탄소 섬유 로빙은 일반적으로 3K, 6K 또는 12K 로빙으로 식별되며 K는 1000개의 필라멘트를 나타냅니다. 대부분의 로빙 제품 응용 프로그램은 섬유 와인딩을 위해 맨드렐을 사용한 다음 최종 구성으로 수지 경화를 사용합니다.

단방향 (with)

단방향 프리프레그 테이프는 수년 동안 항공우주 산업의 표준이었으며, 섬유는 일반적으로 열경화성 수지로 함침됩니다. 가장 일반적인 제조 방법은 콜리메이트된 원시(건조) 스트랜드를 함침 기계로 끌어들이는 것으로, 여기서 핫멜트 수지는 열과 압력으로 스트랜드에 결합됩니다. 테이프 제품은 섬유 방향으로 강도가 높고 섬유에는 강도가 거의 없습니다. 섬유는 수지로 제자리에 고정됩니다. 테이프는 직물보다 강합니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이

그림 4: 테이프 및 원단 제품

구조

복잡한 모양의 적층의 경우, 대부분의 패브릭 구조는 직선형 단방향 테이프보다 더 많은 유연성을 제공합니다. 패브릭은 용액 또는 핫멜트 공정을 통해 수지를 함침시키는 옵션을 제공합니다. 일반적으로 구조용 패브릭은 경사(세로) 및 위사(가로) 방향 모두에서 동일한 무게 또는 수율의 섬유 또는 가닥을 사용합니다. 항공우주 구조물의 경우, 촘촘하게 짜여진 패브릭은 종종 무게를 줄이는 선택으로, 수지 공극의 크기를 줄이고 제조 중에 섬유 방향을 유지합니다.

직물 구조는 일반적으로 직조 공정 중에 얽힌 강화된 강화 묶음, 가닥 또는 원사로 구성됩니다. 보다 일반적인 직물 스타일은 평직 또는 새틴 직조입니다. 평직 구조는 각 교차 가닥(묶음, 다발 또는 원사) 위아래로 섬유를 번갈아 배치하여 형성됩니다. 5- 또는 8-묶음과 같은 일반적인 새틴 직조 스타일에서 섬유 가닥은 경사 방향과 위사 방향으로 덜 자주 앞뒤로 이동합니다.

이러한 새틴 원단은 일반 원단보다 덜 주름지고 변형되기 쉽습니다. 일반 직조와 대부분의 5 또는 8번치 원단에는 날실과 위사 방향에 동일한 수의 섬유 가닥이 있습니다. 예를 들어: 3K 일반 직조는 일반적으로 12 x 12와 같은 추가 이름이 있는데, 이는 각 방향으로 인치당 12개의 토우를 의미합니다. 이 카운트 지정은 원단의 무게를 늘리거나 줄이거나 다른 무게의 다른 섬유를 수용하기 위해 변경할 수 있습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이

그림 5: 일반적인 직물 직조 스타일

부직포(짠 것 또는 꿰맨 것)

직조 또는 봉제된 직물은 단방향 테이프의 많은 기계적 이점을 제공할 수 있습니다. 섬유 배치는 직조된 직물의 위아래로 휘는 것이 없이 직선 또는 단방향일 수 있습니다. 하나 이상의 건식벽체 층을 미리 선택한 방향으로 배치한 후 섬유를 미세한 실이나 실로 함께 꿰매어 섬유를 제자리에 고정합니다. 이러한 유형의 직물은 광범위한 다층 방향을 제공합니다. 일부 무게가 추가되거나 최종 강화 섬유 특성 중 일부가 손실될 수 있지만 층간 전단 및 인성 특성이 다소 개선될 수 있습니다. 일반적인 봉제 실은 폴리에스터, 아라미드 또는 열가소성입니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이

그림 6: 부직포 소재(스티칭)

섬유의 종류

G라스 섬유

유리 섬유는 일반적으로 페어링, 레이돔 및 윙팁과 같은 항공기의 2차 구조에 사용됩니다. 유리 섬유는 헬리콥터 로터 블레이드에도 사용됩니다. 항공우주 산업에는 여러 유형의 유리 섬유가 사용됩니다. 전자 유리 섬유 또는 E-유리는 이러한 전자 응용 분야에 사용됩니다. 전류에 대한 저항성이 높습니다. E-유리는 붕규산염 유리 섬유로 만들어집니다. S-유리 및 S2-유리는 E-유리보다 강도가 높은 구조용 유리 섬유입니다. S-유리 유리 섬유는 마그네슘-알루미늄 규산염으로 만들어집니다. 유리 섬유의 장점은 다른 복합재보다 비용이 저렴하고, 화학적 또는 전기적 저항성이 있으며, 전기적 특성(유리 섬유는 전기를 전도하지 않음)입니다. 유리 섬유는 흰색이며 건조 섬유 직물 또는 프리프레그로 사용할 수 있습니다.

A라미드 섬유

케블라는 듀폰의 아라미드 섬유의 이름입니다. 아라미드 섬유는 가볍고 강하며 튼튼합니다. 항공우주 산업에서는 두 가지 유형의 아라미드 섬유가 사용됩니다. 케블라® 49는 강성이 높고 케블라® 29는 강성이 낮습니다. 아라미드 섬유의 장점은 충격 손상에 대한 내성이 매우 강하여 충격 손상에 취약한 부위에 일반적으로 사용된다는 것입니다. 아라미드 섬유의 주요 단점은 압축성과 수분 흡수성이 전반적으로 부족하다는 것입니다. 서비스 보고서에 따르면 케블라®로 만든 일부 부품은 무게의 최대 8%의 물을 흡수합니다. 따라서 아라미드 섬유로 만든 부품은 환경으로부터 보호해야 합니다. 또 다른 단점은 케블라 섬유는 뚫고 자르기 어렵다는 것입니다. 섬유는 쉽게 털이 나며 자르려면 특수 가위가 필요합니다.

케블라는 군용 방탄복 및 방탄복에 일반적으로 사용됩니다. 자연스러운 노란색이며 건조 직물 및 프리프레그로 제공됩니다. 아라미드 섬유 묶음의 크기는 탄소나 유리 섬유와 같은 섬유의 수에 따라 달라지지 않고 무게에 따라 달라집니다.

탄소/흑연 섬유

이 섬유의 첫 번째 차이점은 탄소 섬유와 흑연 섬유입니다. 이 용어는 종종 혼용됩니다. 탄소 섬유와 흑연 섬유는 탄소의 단일 흑연(육각형) 층의 네트워크를 기반으로 합니다. 단일 흑연 층 또는 평면이 3차원 순서로 쌓이면 재료가 흑연으로 정의됩니다. 이 순서를 형성하려면 일반적으로 오랜 시간과 온도 처리가 필요하므로 흑연 섬유가 더 비쌉니다. 평면 간의 결합이 약합니다. 무질서가 종종 발생하여 층에 2차원 순서만 존재합니다. 이 재료는 탄소 섬유로 정의됩니다.

탄소 섬유는 매우 튼튼하고 유리 섬유보다 3~10배 더 단단합니다. 탄소 섬유는 하부 빔, 안정판, 비행 제어 장치, 주 동체 및 날개 구조와 같은 항공기 구조적 응용 분야에 사용됩니다. 장점으로는 강도와 내식성이 있습니다. 단점으로는 알루미늄보다 전기 전도도가 낮기 때문에 낙뢰에 취약한 항공기 구성품의 경우 낙뢰 그리드 또는 낙뢰 방지 코팅을 설치해야 합니다. 탄소 섬유의 또 다른 단점은 비용이 많이 든다는 것입니다. 탄소 섬유는 회색 또는 검은색이며 건조 직물 및 프리프레그로 제공됩니다. 금속 패스너 및 구조물과 함께 사용할 경우 탄소 섬유는 갈바닉 커플링 부식을 일으킬 가능성이 높습니다.

그림 7: 유리섬유(왼쪽), 아라미드섬유(가운데), 탄소섬유소재(오른쪽)

B오론섬유

붕소 섬유는 매우 단단하고 인장 및 압축 강도가 높습니다. 섬유는 직경이 비교적 크고 잘 구부러지지 않으므로 프리프레그 테이프 제품으로만 사용할 수 있습니다. 에폭시 수지 매트릭스는 종종 붕소 섬유와 함께 사용됩니다. 붕소 섬유는 붕소의 열 팽창이 알루미늄의 열 팽창과 비슷하고 갈바닉 커플링 부식 가능성이 없기 때문에 균열이 생긴 알루미늄 항공기 케이싱을 수리하는 데 사용됩니다. 기판 표면이 윤곽이 있는 경우 붕소 섬유를 사용하기 어렵습니다. 붕소 섬유는 매우 비싸고 인력에 위험할 수 있습니다. 붕소 섬유는 주로 군용 항공에 사용됩니다.

C에라믹 섬유

세라믹 섬유는 가스터빈 엔진의 터빈 블레이드와 같은 고온 응용 분야에 사용됩니다. 세라믹 섬유는 최대 2200도 F의 온도에 사용할 수 있습니다.

L번개 보호 섬유

알루미늄 평면은 매우 전도성이 뛰어나 낙뢰로 인한 높은 전류를 분산시킬 수 있습니다. 탄소 섬유는 알루미늄보다 전류에 1,000배 더 강하고 에폭시 수지는 1,000,000배 더 강합니다(즉, 피부에 수직). 외부 복합 구성 요소의 표면은 일반적으로 낙뢰 보호를 위한 전도성 재료의 층 또는 층으로 구성되는데, 이는 복합 재료가 알루미늄보다 전도성이 낮기 때문입니다. 니켈 도금 흑연 천에서 금속 메시, 알루미늄 유리 섬유, 전도성 코팅에 이르기까지 다양한 유형의 전도성 재료가 사용됩니다. 이 재료는 습식 레이업 층 또는 프리프레그로 사용할 수 있습니다.

일반적인 구조적 수리 외에도 기술자는 구성 요소의 전도도에 대한 설계를 재생성해야 합니다. 이러한 유형의 수리에는 종종 저항계로 전도도 테스트를 실시하여 전체 구조의 최소 저항을 확인해야 합니다. 이러한 유형의 구조를 수리할 때는 포팅 화합물, 실런트, 접착제와 같은 승인된 공급업체의 승인된 재료만 사용하는 것이 매우 중요합니다. 그림 8 및 9에서 볼 수 있듯이

그림 8: 구리 메쉬 방전 보호 재료

그림 9: 알루미늄 메쉬 방전 보호 재료