복합 재료 - LFT-G®의 일반적인 섬유 유형

복합재의 일반적인 강화 섬유 이해

지난 반세기 동안 -섬유 강화 복합재는 탁월한 특성으로 인해 널리 사용되었으며, 섬유 강화 복합재의 중요한 역할은 자명합니다-. 복합재료가 등장한 이후 강화섬유는 천연섬유에서 합성섬유로 변화를 겪었다.

현재 가장 일반적인 강화 섬유에는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 등이 포함됩니다. 이 문서에서는 먼저 일반적인 강화 섬유 유형을 간략하게 소개합니다.

복합 재료에서 수지 매트릭스의 주요 역할은 섬유를 서로 결합하고 한 섬유에서 다음 섬유로 외부 하중을 전달하는 것입니다. 대부분의 강화섬유는 휘어지고 늘어져 있으며, 여기에 장력을 가하면 충분한 인장강도와 강성을 갖게 됩니다.

강화 섬유는 일반적으로 다발이며, 개별 섬유는 일반적인 직경 범위가 5~25미크론인 유리 섬유 및 탄소 섬유와 같이 매우 미세한 경향이 있습니다. 비교하자면, 사람의 머리카락은 일반적으로 직경이 50~200미크론입니다. 모든 섬유-강화 "구조"는 토우, 실, 잘게 잘린 섬유, 밀링된 섬유 등을 포함한 필라멘트 섬유에서 파생될 수 있습니다.

LFT LGF-18 continuous long glass fiber thermoplastic composite pellets

고성능 복합재료에 사용되는 주요 유형의 섬유

1. 유리섬유(유리섬유)

유리섬유에는 다양한 종류가 있지만 복합재의 경우 두 가지가 가장 일반적입니다. E-유리 섬유는 거의 모든 유리 섬유-강화 제품의 표준 유형인 반면, S-유리 섬유(R-유리 또는 T-유리 섬유라고도 함)는 인장 강도가 훨씬 더 좋습니다. S-유리 섬유는 일반적으로 E-유리 섬유보다 작고 수지 매트릭스의 접착력이 더 좋으며 충격 성능이 향상됩니다. 그러나 비용이 훨씬 더 많이 듭니다. S-2 유리 섬유는 고강도-상용 S-유리 섬유로 일반 E-유리 섬유에 비해 인장 강도가 2배 높고 강성은 약 10~20% 더 높습니다. 그러나 거의 모든 응용 분야에서는 E-유리 섬유로 충분합니다.

유리섬유는 용융된(1700도) 광물성 제품(실리카, 알루미늄, 산화칼슘 등)을 작은 직경의 구멍을 통해 압출하여 만들어집니다. 일반적으로 E-유리 섬유는 직경이 약 10~25미크론이므로 탄소 섬유보다 큽니다.

2. 탄소섬유

탄소 섬유는 기계적 특성과 비용이 다양하여 다양한 종류가 있습니다. 탄소섬유는 용융된 재료에서 직접 압출되는 것이 아니라, 대기 분위기에서의 사전 산화 및 불활성 분위기에서의 탄화를 포함한 전구체 섬유의 열처리를 통해 만들어집니다.- 장력이 가해지면 섬유 내의 탄소 구조가 정렬되어 인장 강도와 강성을 극대화하는 데 도움이 됩니다.

탄소섬유에 사용되는 가장 일반적인 전구체는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유입니다. 현재 가장 일반적인 표준 및 중간 모듈러스 탄소 섬유는 PAN 전구체를 기반으로 합니다. 아스팔트(피치) 전구체 시스템에 의해 제조된 탄소 섬유의 모듈러스는 일반적으로 더 높습니다. 단일 탄소 섬유는 일반적으로 유리 섬유보다 작으며 직경이 5미크론에 불과합니다. 모듈러스 탄소 섬유는 종종 표준 모듈러스, 중간 모듈러스(IM), 고 모듈러스(HM) 및 초-고 모듈러스 탄소 섬유로 분류됩니다.

일반섬유의 기계적 성질 비교

이 표는 엔지니어링 복합재에 사용되는 1차 섬유의 검증된 물리적 및 기계적 특성을 제공하여 엔지니어가 밀도, 강도 및 모듈러스 요구 사항에 따라 올바른 강화재를 선택하는 데 도움을 줍니다.

섬유 종류	밀도(g/cm3)	인장강도(MPa)	탄성률(GPa)	주요 장점 / 한계
E-유리 섬유	2.58	3450	73	비용-효율적, 표준/고밀도
S-유리 섬유	2.48	4890	86	우수한 인장강도 / 중간-가격이 높음
탄소(PAN 표준)	1.76	3530	230	최고의 강성과 가벼움 / 깨지기 쉬움, 고가
아라미드(케블라 49)	1.44	3000	112	충격강도가 매우 높음 / 압축강도가 낮음
현무암 섬유	2.65	3100	89	우수한 내화학성/내화성 / 강력하고 틈새시장에 공급

기타 산업용 강화 섬유

전통적인 유리와 탄소 외에도 특수 응용 분야에는 고유한 섬유 아키텍처가 필요합니다.

케블라 아라미드 섬유:DuPont이 개발한 합성 아라미드 섬유입니다. 기타 상업용 아라미드 섬유로는 Twaron, Technora 및 Nomex가 있습니다. 아라미드 섬유는 복합재료용 강화섬유로 높은 인장강도와 내천공성, 내마모성, 파손저항성을 갖는 용도에 주로 사용됩니다. 탄소섬유나 유리섬유와 함께 사용되는 경우가 많습니다.
현무암 섬유:유리섬유와 유사한 용융 및 압출 공정을 사용하여 제작됩니다. 인장 강도와 모듈러스는 E-유리 섬유보다 약간 높지만 탄소 섬유보다는 낮습니다. 밀도는 E-유리섬유와 비슷합니다. 가격은 E-유리섬유와 탄소섬유 사이입니다.
초-고분자량 폴리에틸렌:Dyneema와 Spectra는 모두 초-고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 또는 고탄성 폴리에틸렌(HMPE) 압출 필라멘트로 만든 섬유입니다. UHMWPE는 견고하고 내구성이 뛰어나며 복합재 인성과 충격 에너지 흡수를 향상시키기 위해 탄소 섬유와 자주 혼합됩니다.
고분자량 폴리프로필렌:Innegra는 고분자량 폴리프로필렌(HMPP)으로 만든 섬유입니다. Kevlar나 Dyneema만큼 강력하지는 않지만 Innegra는 견고하고 저렴한 비용으로 충격과 파손에 강합니다.
식물 섬유:가장 오래된 구조 강화 섬유는 목재 및 식물 섬유(예: 아마 및 황마)입니다. 생태학적 이점을 제공하는 동시에 식물 섬유는 수분 흡수에 어려움을 겪고 엔지니어링 E-유리에 비해 기계적 불일치가 더 광범위합니다.
세라믹 섬유:매우 높은 온도 저항성을 위해 CMC(세라믹 매트릭스 복합재)에 사용됩니다.- 비-산화물 붕소 섬유는 놀라운 압축 강도를 갖고 있는 반면, 실리콘 카바이드(SiC) 섬유는 최고의 경도를 제공합니다.

LFT LGF-9 long carbon fiber reinforced PP composite material displaying structural LCF strands

원시 섬유를 구조적 솔루션으로 전환: LFT 차이점

단순히 원섬유와 플라스틱을 혼합하는 것만으로는 고강도-구조적 응용 분야에 충분하지 않습니다. 표준 단-섬유 컴파운드는 1mm 미만의 잘린 섬유를 사용하는데, 이는 미립자 충전제 역할을 하지만 기계적 응력을 효율적으로 전달하지 못합니다. 이곳은장섬유 열가소성 수지(LFT/LFRT)필수가 됩니다.

연속 인발성형 컴파운딩 기술을 활용하여 LFT-G^®E-유리 섬유 또는 PAN 탄소 섬유를 폴리머 매트릭스(예: PP, PA6, PA12, PPS, PEEK) 내부에 정렬합니다. 최종 사출-성형 부품에서 이러한 섬유는 10-12mm 길이를 유지하여3D 연동 뼈대 네트워크. 이 내부 골격은 다음과 같이 크게 향상됩니다.