탄소복합재료(Carbon-based Composites)

1. 개요

탄소복합재료(Carbon-based Composites)는 탄소를 주된 강화재 또는 기능재로 사용하는 복합재료를 말하며, 탄소섬유를 활용하거나 탄소섬유에 플라스틱 수지를 첨가하여 만든 다양한 종류가 있다. 탄소복합재료는 철보다 높은 강도와 낮은 무게, 높은 온도저항성 등으로 기존의 금속 기반의 다양한 부품을 대체할 신소재로 주목받고 있다. 탄소복합재료는 항공우주·방산·에너지·자동차·스포츠·전자 분야까지 폭넓게 쓰인다.

 

2. 종류

가. 탄소섬유 강화 복합재 (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Polymer) / 탄소섬유 강화 플라스틱

탄소섬유 강화 복합재(플라스틱)은 탄소섬유, 혹은 탄소섬유로 만든 직물과 합성섬유를 혼합해 만든 플라스틱 형태의 복합재료(composite)이다. CFRP내에 있는 탄소섬유는 높은 인장강도와 강성을 제공하고, 고분자 소재 물질은 섬유를 감싸는 물질로 형태를 유지하고 내충격성을 부여한다. CFRP는 금속보다 가벼우면서 금속에 비해 인장강도와 탄성계수가 넘어간다. 그러나, 압축강도와 충격강도는 금속에 비해 많이 떨어지기 때문에 사용할 수 있는 부품은 제한이 있다. 또한, 고분자 자체의 특성으로 열이나 화학반응에 취약한 부분도 있으며, 장시간의 온도 및 습도 변화에 따라 내구성에 영향을 받을 수 있다. 또한 CFRP는 가공이 매우 어려운 편이며, 절삭 공구의 마모를 유발하기도 한다.

CFRP의 제조는 탄소섬유로 제작된 직조물(천으로 만든 시트)을 최종 제품 모양의 몰드에 층층히 쌓은 뒤, 고분자 물질(에폭시 등)으로 채운 후 경화를 시키는 형태로 많이 제작된다. 혹은 탄소섬유 직조물을 미리 고분자 수지에 함침시킨 뒤 몰드에 쌓는 형태로도 많이 제작한다. 고분자 수지를 경화시키거나 건조시키는 과정을 진공 혹은 오토클레이브에서 하기도 하는데 이것은 부품 내부의 작은 기포가 강도를 감소시키는 것을 막기 위함이다.

CFRP는 보잉787, 에어버스 A350 등의 항공기 부품에 많이 사용되며 에어버스 A350은 날개 및 동체 부품을 포함하여 53 %의 CFRP를 사용하는 것으로 알려져 있다. 또한 고성능 경주용차도 경량화가 중요하기 때문에 많이 사용된다. 또한 건축물의 보강재료로 강철을 대신하여 많이 사용된다. 특히 CFRP는 강화할 단면을 감싸 콘크리트의 전단 강도를 높이는 데 사용될 수 있다. 기타 악기, 헬리콥터, 각종 운동 기구(낙싯대, 당구 큐 등)에 다양하게 사용된다.

 

그림. 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)의 구조(출처 : www.cannondigi.com)

나. 탄소/탄소 복합재 (Reinforced carbon-carbon, C/C Composite)

탄소/탄소복합재, RCC, 탄소섬유 강화탄소(Carbon Fiber Reinforced Carbon) 등으로 다양하게 불린다. 일반적으로 탄소로 구성된 매트릭스(기재)에 탄소섬유가 복합된 것으로, 고온에서의 구조적 응용, 열충격 저항성, 낮은 열팽창계수가 필요한 경우 적합하다. 일반적인 세라믹 재료에 비해 취성파괴에는 강하나, 금속 등 다양한 소재와 비교하였을 때 충격 저항성이 부족한 편이다. 우주왕복선 콜롬비아호가 대기권 진입시 외부 탱크에서 떨어진 폴리우레탄 폼 단열재 조각의 충격으로 탄소/탄소 복합재(RCC) 패널 중 하나가 파손되어 파괴되었다.

제작은 (1) 최종 형태로 재료를 쌓고 탄소필라멘트 혹은 탄소직물(천)을 플라스틱, 피치 등의 유기 결합제로 둘러싸는 단계 (2) 가열하여 열분해로 결합제들을 순수한 탄소로 변환하는 단계, 이 때 결합제의 부피가 줄어 빈 공간이 형성된다 (3) 아세틸렌과 같은 탄소 형성 가스를 내부로 강제로 밀어넣어 빈공간 채우는 단계. 이 과정은 며칠이 걸릴 수도 있다. RCC는 열팽창, 온도구배, 열사이클에 매우 강하며, 2000 ℃ 이상의 높은 온도에서도 특성을 유지할 수 있다. 또한 탄소소재 고유의 특성으로 상당히 가볍다. 로켓노즐, 재진입 우주발사체, 항공기 브레이크 디스크, 고온로 구조물 등에 사용된다.

 

 

그림. CFRP가 사용된 제품(좌 : 항공기, Airbus A380, 우 : 스포츠카 페라리 맥라렌) (출처 : www.wikipedia.org)

다. 탄소섬유 강화 금속복합재 (CFMMC)

탄소섬유 강화 금속복합재(Carbon Fiber Metal Matrix Composite)는 탄소섬유와 금속을 혼합한 재료로 높은 강도와 금속의 열전도성 같이 보유하고 있다는 장점이 있다.

 

라. 탄소-세라믹 복합재(Carbon-Ceramic Composite)

세라믹 메트릭스 복합재료(Ceramic Matrix Composite)의 일종으로 알루미나, 실리콘카바이드(SiC), 질화알루미늄, 질화실리콘, 지르코니아 등과 같이 열적특성, 압축강도, 경도 등은 우수하나, 취성과 인장강도 등에서 약점을 보이는 세라믹 재료의 결점을 보완할 수 있는 물질이다. 일반적으로 세라믹 재료의 균열 저항성을 부여하고 파단 인성을 높힐 수 있다. 또한 탄소-세라믹의 혼합물은 일반적으로 우수한 단열재이며, 탄소섬의 특징으로 전기전도성이 부여되기도 한다. 또한 전자파 차폐(EMI) 재료로 사용되기도 한다.

제조과정은 일단 뼈대가 되는 탄소섬유 등의 필라멘트를 감고, 매듭 작업 등을 통해 배열하고 고정하는 작업(프리폼, Preform) 이후 프리폼된 섬유 사이에 세라믹 매트릭스를 채우는 형태로 이루어진다. 세라믹 매트릭스를 채우는 과정은 다음과 같은 것들이 있다.

(1) 가스 혼합물을 이용한 증착(화학기상증착, CVD 활용)

(2) 프리세라믹 폴리머의 열분해 : SiC 등의 세라믹 섬유에 탄화수소 고분자를 침투시키고, 열분해를 통해 탄소재료로 변형

(3) 화학반응 활용 : 다공성 탄소구조체에 실리콘을 투입한 뒤 온도를 상승시켜 실리콘카바이드(SiC)와 탄소(C)의 복합재료 형성 등이 있다. 혹은 세라믹 섬유에 실리콘 전구체 용액(예 : TEOS, Tetra Ethyl Ortho Silicate, Aluminium Butylate 등)을 침투시킨 뒤 1000 ℃ 이상에서 소결하는 방법도 있다. 이 과정은 소결 전 졸겔 공정 등 다양한 화학반응을 활용할 수도 있다.

주요 적용분야로 우주분야에서 사용되는데 유럽우주국(ESA)의 HERMES 프로그램과 IXV 프로젝트, NASA의 X-38 우주선의 노즈캡, 선두 및 조향플랩 등에 탄소와 SiC의 복합재료가 사용되었다. 또한 항공기, 스포츠카의 브레이크에 탄소-SiC 복합재료가 사용된다.

 

그림. carbon matrix ceramic 활용사례(좌 : Mercedes-AMG 브레이크 라이닝, 우 : NASA X-38 스티어링 플랩) 출처 : www.wikipedia.org

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