탄소섬유란 무엇인가? 속성, 제조 공정 및 응용

탄소섬유란?

탄소섬유는 섬유의 장축에 평행하게 정렬된 결정 구조로 서로 결합된 얇은 탄소 원자 가닥으로 만들어진 고성능 소재입니다. 각 개별 필라멘트는 다음 사이를 측정합니다. 직경 5 및 10 마이크로미터 — 인간 머리카락 굵기의 약 10분의 1 — 이 소재는 금속 무게의 일부만으로도 뛰어난 인장 강도와 강성을 제공하는 것으로 알려져 있습니다.

대부분의 산업 및 상업용 응용 분야에서 탄소 섬유는 베어 필라멘트로 사용되지 않습니다. 수천 개의 필라멘트가 토우로 묶여 직물로 직조되거나 시트로 쌓이고 고분자 수지 매트릭스(일반적으로 에폭시)와 결합되어 탄소 섬유 강화 고분자(CFRP)를 생성합니다. 섬유는 인장 강도와 강성을 제공합니다. 수지는 섬유를 서로 묶고 섬유 사이에 하중을 전달합니다. 결과적으로 생성된 복합 재료는 무게 대비 강도 측면에서 대부분의 금속보다 성능이 뛰어납니다.

표준 상업용 탄소 섬유 토우는 필라멘트 수에 따라 1K(1,000필라멘트), 3K, 6K, 12K, 24K 이상으로 분류됩니다. 더 적은 수의 토우는 고성능 항공우주 및 스포츠 용품 분야에 사용됩니다. 더 많은 수의 토우는 표면 마감보다 비용 효율성이 더 중요한 산업 및 건설 환경에서 사용됩니다.

탄소 섬유 특성 설명

탄소 섬유의 특성은 전구체 재료 및 제조 공정에 따라 크게 달라지지만 표준 PAN 기반 탄소 섬유(아래 참조)는 그 매력을 정의하는 일관된 특성 세트를 나타냅니다.

• 높은 인장 강도: 표준 모듈러스 탄소 섬유는 구조용 강철(일반적으로 400~550MPa)보다 훨씬 높은 3,500~7,000MPa의 인장 강도를 달성합니다.
• 높은 강성(탄성 계수): 표준 계수 탄소 섬유의 탄성 계수는 약 230GPa입니다. 초고탄성 등급은 강철(200GPa)과 알루미늄(70GPa)을 훨씬 능가하는 600~900GPa에 이릅니다.
• 낮은 밀도: 탄소 섬유의 밀도는 강철의 경우 7.85g/cm3, 알루미늄의 경우 2.7g/cm3에 비해 약 1.75~1.85g/cm3입니다. CFRP 복합재는 일반적으로 1.5~1.6g/cm²입니다.
• 열 안정성: 탄소 섬유는 불활성 대기에서 2,000°C가 넘는 온도에서도 기계적 특성을 유지합니다. 산화 환경에서는 표면 저하가 400~500°C 이상에서 시작됩니다.
• 낮은 열팽창: 탄소 섬유의 열팽창 계수는 섬유 축을 따라 0에 가깝거나 약간 음수이므로 CFRP는 온도 범위 전반에 걸쳐 치수적으로 안정적입니다. 이는 항공우주 및 정밀 기기의 중요한 특성입니다.
• 전기 전도성: 유리섬유와 달리 탄소섬유는 전기를 전도합니다. 이는 일부 응용 분야(EMI 차폐, 낙뢰 보호)에서는 유리하고 다른 응용 분야에서는 설계 고려 사항(알루미늄과 같은 금속과 접촉 시 갈바닉 부식)에 유리합니다.
• 낮은 피로 민감성: CFRP 복합재는 금속에 비해 반복 하중에 대한 저항력이 뛰어나 반복 응력을 받는 부품에 매우 적합합니다.

주요 한계는 취성입니다. 탄소 섬유는 파손에 대한 변형률이 낮고(일반적으로 1.5~2%) 섬유 방향에 수직인 충격에 대한 저항성이 낮습니다. 금속과 달리 CFRP는 파손되기 전에 소성 변형되지 않습니다. 즉, 재료 표면에 눈에 띄는 경고 표시 없이 파손되는 경우가 많습니다.

탄소 섬유가 만들어지는 방법: 제조 공정

탄소 섬유 생산은 폴리머 전구체를 거의 순수한 탄소 필라멘트로 변환하는 다단계 열 및 화학 변환 공정입니다. 주요 전구체는 폴리아크릴로니트릴(PAN)입니다. 전 세계 탄소섬유 생산량의 90% . 나머지 생산에서는 피치(석유 또는 콜타르 파생물) 또는 특수 용도의 경우 레이온을 사용합니다.

PAN 전구체 섬유에서 완성된 탄소 섬유로의 변환은 안정화, 탄화, 흑연화(고탄성 등급의 경우), 표면 처리 및 사이징의 5가지 순차적 단계를 거칩니다.

안정화 프로세스 설명

안정화는 첫 번째 열 변환 단계이자 공정에서 가장 시간이 많이 걸리는 단계입니다. PAN 전구체 섬유는 다음 온도에서 일련의 산화 오븐을 통과합니다. 200°C 및 300°C 공기 분위기에서. 섬유 유형 및 용해로 설계에 따라 이 과정은 30~120분 정도 소요됩니다.

안정화 과정에서 PAN의 선형 폴리머 사슬은 고리화 및 가교 반응을 거쳐 열가소성 구조를 열적으로 안정적인 래더 폴리머로 변환합니다. 이러한 구조적 변화는 필수적입니다. 안정화가 없으면 섬유는 이어지는 고온 탄화 단계에서 녹거나 연소됩니다. 섬유는 안정화가 진행됨에 따라 흰색에서 황금빛 갈색, 검은색으로 어두워집니다. 섬유 수축을 방지하고 분자 방향을 보존하기 위해 장력이 전체적으로 유지됩니다.

탄화 과정 설명

안정화 후 섬유는 다음 온도에서 작동하는 탄화로로 들어갑니다. 1,000°C ~ 1,500°C 불활성 질소 분위기에서. 이 온도에서는 비탄소 원자(주로 수소, 질소, 산소)가 가스(HCN, CO2, H2O, NH3 등)로 배출됩니다. 섬유의 탄소 함량은 안정화된 PAN의 약 65%에서 2배 이상으로 증가합니다. 92~95% 탄화된 제품에서.

탄화 단계는 일반적으로 대부분의 휘발성 부산물이 방출되는 저온 구역(최대 700°C)과 터보층 흑연 구조가 발달하기 시작하는 고온 구역(1,000°C 이상)의 두 구역으로 나뉩니다. 이 단계에서 달성된 결정 정렬은 최종 기계적 특성을 크게 결정합니다. 탄화는 섬유 정렬을 유지하고 섬유 축을 따라 선호되는 결정학적 방향의 발달을 최대화하기 위해 장력 하에서 수행됩니다.

흑연화 공정 설명

흑연화는 고탄성 및 초고탄성 탄소 섬유 등급을 생산하는 데 사용되는 선택적인 고온 단계입니다. 탄화된 섬유는 다음 온도까지 가열됩니다. 2,500°C 및 3,000°C 불활성 아르곤 분위기에서. 이러한 극한 온도에서 터보스트라틱(부분적으로 정렬된) 탄소 구조는 보다 정렬된 흑연과 같은 결정 구조로 재구성되며, 육각형 탄소 평면은 더 커지고 섬유 축과 더욱 완벽하게 정렬됩니다.

그 결과 탄성 계수가 표준 모듈러스 섬유의 경우 약 230GPa에서 초고 모듈러스 등급의 경우 400~900GPa로 극적으로 증가합니다. 그러나 이러한 강성의 증가는 인장 강도와 파손에 대한 변형의 대가로 발생합니다. 흑연화 섬유는 더 단단하지만 부서지기 쉽습니다. 모든 응용 분야에 흑연화가 필요한 것은 아닙니다. 대부분의 항공우주 구조 응용 분야에 사용되는 표준 및 중간 모듈러스 섬유는 흑연화되지 않습니다.

탄소 섬유의 표면 처리

생산된 탄소 섬유는 화학적으로 불활성인 표면을 가지고 있어 고분자 수지와 잘 결합되지 않습니다. 표면 처리(일반적으로 전해 산화)는 산소 함유 작용기(카르복실, 히드록실, 카르보닐)를 섬유 표면에 도입하여 이를 교정합니다. 이 공정은 제어된 전류를 적용하면서 섬유를 전해질 욕조를 통해 통과시킵니다.

그 결과 거칠고 화학적으로 활성인 표면이 생성됩니다. 에폭시 및 기타 수지 시스템에 대한 접착력이 크게 향상되었습니다. . 층간 전단 강도(겹 사이의 박리에 대한 복합재의 저항성)는 표면 처리를 통해 향상되는 주요 특성입니다. 이것이 없으면 탄소 섬유로 만든 복합재는 특히 전단 하중 하에서 섬유 매트릭스 접착력이 떨어지고 기계적 성능이 저하됩니다.

탄소 섬유 사이징 프로세스

사이징은 섬유가 보빈에 감겨지거나 추가 가공되기 전 마지막 단계입니다. 사이징제(일반적으로 에폭시 호환 폴리머)의 얇은 코팅(일반적으로 0.5~5%)이 수성 에멀젼 수조에서 섬유 표면에 도포됩니다.

사이징은 다양한 기능을 수행합니다. 후속 처리 및 직조 작업 중에 섬유가 마모되지 않도록 보호하고, 가공성을 높이기 위해 필라멘트를 함께 묶고, 최종 복합재에 사용되는 수지 시스템과의 호환성을 더욱 촉진합니다. 사이징 공식은 일반적으로 의도한 수지(에폭시 복합재의 경우 에폭시 사이징, 열가소성 매트릭스 복합재의 경우 열가소성 호환 사이징)와 일치합니다. 크기가 일치하지 않으면 섬유 매트릭스 결합을 방해하여 복합재 기계적 성능이 저하될 수 있습니다.

PAN 대 피치 탄소 섬유

탄소 섬유의 두 가지 주요 전구체 재료인 PAN(폴리아크릴로니트릴)과 피치는 다양한 응용 분야에 적합한 고유한 특성 프로필을 가진 섬유를 생산합니다.

PAN 기반 탄소섬유 제조 공정이 잘 확립되어 있고, 일관된 섬유 품질을 생산하며, 강력하고 다재다능한 제품을 생산하기 때문에 시장을 지배하고 있습니다. PAN 섬유는 구조적 응용 분야에서 인장 강도와 강성의 최상의 조합을 달성합니다. 표준 모듈러스 PAN 섬유(예: Toray T300 등급)는 항공우주, 자동차 및 스포츠 용품 산업의 주력 제품입니다.

피치 기반 탄소 섬유 등방성 또는 중간상 피치(석유 또는 콜타르 처리의 부산물)에서 생산됩니다. 피치 섬유는 흑연화하여 초고탄성률(최대 900GPa)과 탁월한 열 전도성(PAN 기반 섬유의 약 10W/m·K에 비해 최대 1,000W/m·K)을 달성할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 피치 기반 섬유는 온도에서의 강성과 치수 안정성이 인장 강도보다 더 중요한 위성 구조, 열 관리 구성 요소 및 정밀 광학 시스템에서 가치가 있습니다.

탄소 섬유 대 유리 섬유

탄소 섬유와 유리 섬유(유리 섬유 강화 폴리머(GFRP))는 가장 널리 사용되는 두 가지 복합 강화 재료이며 매우 다른 가격대에서 중복되는 용도로 사용되기 때문에 자주 비교됩니다.

유리 섬유의 인장 계수는 대략 70~85GPa — 표준 탄소 섬유의 약 1/3입니다. 이는 강성이 훨씬 덜하므로 GFRP 구성 요소가 동일한 하중에서 더 많이 휘어진다는 의미입니다. 그러나 유리섬유는 CFRP보다 파손 변형률(약 3~4%)이 더 높고 내충격성이 더 우수하며 비용이 많이 듭니다. 5~10배 적게 덜 까다로운 응용 분야에 대해 비슷한 성능 수준으로 킬로그램당.

또한 유리 섬유는 전기적으로 비전도성이고 레이더 및 무선 주파수에 투명합니다. 이러한 특성으로 인해 레이돔, 해양 선체, 풍력 터빈 블레이드 및 소비자 수상 스포츠 장비에 선호됩니다. 탄소 섬유의 전기 전도성으로 인해 RF 투명성이 필요한 응용 분야에서는 제외됩니다.

탄소 섬유와 유리 섬유 사이의 결정은 일반적으로 예산에 따른 무게 및 강성 요구 사항에 따라 결정됩니다. 경쟁적인 모터스포츠, 고성능 항공기 구조물, 경주용 자전거와 같이 최소 중량과 최대 강성이 중요한 경우에는 탄소 섬유가 확실한 선택입니다. 비용, 충격 내성 또는 RF 투명성이 더 중요한 경우에는 유리 섬유가 여전히 지배적인 재료입니다.

탄소 섬유 대 강철

탄소섬유 복합재와 강철의 비교는 비강도(단위 중량당 강도)와 비강성을 기준으로 가장 의미가 있습니다. 이러한 측정에서 CFRP는 구조용 강철보다 훨씬 더 성능이 뛰어납니다. 탄소 섬유는 강철보다 약 5~10배 높은 비인장강도 특정 강성은 3~4배 더 높습니다.

절대적인 측면에서 고강도 강철은 일부 탄소 섬유 등급과 경쟁할 수 있는 2,000MPa 이상의 인장 강도를 달성할 수 있지만 밀도는 4배 이상 높습니다. 무게가 중요한 응용 분야의 경우 강철 부품을 동등한 CFRP 설계로 교체하면 일반적으로 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다. 중량 40~60% 감소 .

강철은 중요한 이점을 유지합니다. 연성이 있어 파손되기 전에 눈에 띄게 변형되어 경고 및 에너지 흡수 기능을 제공합니다. CFRP는 부서지기 쉬우며 눈에 띄는 표면 변형 없이 치명적으로 파손될 수 있습니다. 강철은 또한 훨씬 저렴하고 용접 및 수리가 용이하며 구조 공학 실무에서 잘 이해됩니다. 충격 에너지 흡수, 수리 가능성 또는 비용이 주요 설계 동인인 응용 분야의 경우 강철은 여전히 ​​대체하기 어렵습니다. 탄소 섬유의 장점은 항공기, 위성, 고성능 차량 및 경쟁력 있는 스포츠 장비와 같이 무게가 성능이나 운영 비용으로 직접적으로 변환되는 응용 분야에서 가장 결정적입니다.

항공우주 분야의 탄소 섬유

항공우주 산업은 탄소섬유의 높은 중량 대비 강도 비율, 강성, 내피로성, 열 안정성이 결합되어 가장 명확한 가치를 제공하는 산업입니다. 항공기 구조에서 제거되는 모든 킬로그램은 연료 절감, 탑재량 또는 항속거리로 직접적으로 해석됩니다. 경제성은 지상 기반 응용 분야에서는 거의 수행되지 않는 방식으로 고급 소재를 선호합니다.

2011년에 출시된 보잉 787 드림라이너(Boeing 787 Dreamliner)는 주요 복합재 기본 구조를 갖춘 최초의 상용 항공기였습니다. 기체 중량의 약 50%가 CFRP입니다. , 동체, 날개 및 꼬리를 포함합니다. 기존의 알루미늄 중심 디자인에 비해 787은 연료 효율이 약 20% 향상되었습니다. Airbus A350 XWB는 유사한 복합재 중심 설계를 사용하며 CFRP는 구조 중량의 약 53%를 차지합니다.

군용 항공기에서 탄소섬유는 1970년대와 1980년대 F-16과 F/A-18 이후 전투기 구조의 표준이 되었습니다. F-22 및 F-35와 같은 현대 전투기는 기체 구조의 대부분에 CFRP를 사용합니다. 우주 응용 분야에서는 위성 구조 패널, 태양 전지 어레이 기판 및 로켓 모터 케이스에 탄소 섬유를 사용합니다. 여기서는 경량, 높은 강성 및 거의 0에 가까운 열팽창이 결합되어 있어 대체할 수 없습니다.

자동차의 탄소섬유

탄소섬유의 자동차 채택은 1980년대 초 포뮬러 1 경주부터 1990년대와 2000년대 슈퍼카 생산을 거쳐 2010년대 이후 대량 생산에 폭넓게 사용되는 명확한 궤적을 따라왔습니다.

McLaren은 1981년 Formula 1에서 최초의 탄소 섬유 모노코크 섀시를 선보였습니다. 충돌 성능 개선은 즉각적이고 중요했습니다. 욕조의 높은 에너지 흡수(통제된 고장을 통해)와 강성의 조합은 알루미늄 모노코크가 따라올 수 없는 운전자 보호를 제공했습니다. 오늘날 모든 Formula 1 섀시, 차체 패널, 바닥 및 날개는 CFRP로 제작됩니다.

도로용 자동차 부문에서 BMW의 i3 및 i8 모델(2013~2014년 출시)은 대용량 수지 트랜스퍼 성형 공정을 사용하여 생산된 탄소 섬유 강화 폴리머 승객 셀을 갖춘 최초의 대량 생산 차량이었습니다. BMW i3의 CFRP 라이프 모듈의 무게는 대략 동등한 강철 구조물보다 130kg 적습니다. , 배터리 무게 패널티의 상당 부분을 상쇄합니다.

비용은 자동차 도입을 확대하는 데 있어 주요 장벽으로 남아 있습니다. 탄소 섬유 원자재 가격은 킬로그램당 약 20~30달러(표준 등급의 경우)인 반면, 자동차 등급 강철의 가격은 킬로그램당 1달러 미만입니다. 오토클레이브 경화 CFRP 부품의 사이클 시간(부품당 시간)은 상당한 프로세스 투자 없이는 대량 생산과 호환되지 않습니다. 잘게 잘린 탄소 섬유의 압축 성형과 오토클레이브 외부 공정은 이러한 장벽을 낮추고 있으며 중급 성능 차량의 탄소 섬유 함량은 꾸준히 증가하고 있습니다.

스포츠 장비의 탄소 섬유

스포츠 장비는 성능 향상을 위해 기꺼이 프리미엄을 지불하려는 운동선수와 제조업체에 의해 주도된 항공우주 이외의 탄소 섬유에 대한 최초의 상업 시장 중 하나였습니다. 이 소재의 무게 대비 강성 이점은 대체 소재로는 달성하기 어려운 방식으로 사용자가 직접 느낄 수 있습니다.

경쟁적인 사이클링에서 탄소 섬유 프레임은 1990년대부터 프로 펠로톤을 지배해 왔습니다. 이제 최상위 로드 레이스 프레임의 무게가 700그램 — 알루미늄 등가물의 경우 1.2~1.5kg에 비해 — 동력 전달을 위한 탁월한 강성을 제공하고 라이더의 편안함을 위해 특정 방향으로 조정 가능한 컴플라이언스를 제공합니다. 탄소 섬유 휠, 핸들바, 시트포스트 및 크랭크를 사용하면 무게를 더욱 줄일 수 있습니다.

테니스에서 탄소섬유 라켓 프레임은 알루미늄이나 복합소재 프레임보다 더 낮은 무게로 힘 전달을 위한 더 높은 강성을 제공합니다. 탄소 섬유로 제작된 골프 샤프트는 강철 샤프트보다 더 일관된 플렉스 프로파일과 더 나은 진동 감쇠 기능을 제공하는 동시에 드라이버 무게를 줄입니다. 조정에서 탄소 섬유 노와 껍질은 엘리트 수준의 목재 및 유리 섬유 장비를 대체했습니다.

탄소 섬유는 또한 보철물과 적응형 스포츠 장비의 핵심입니다. 패럴림픽 단거리 선수들이 사용하는 탄소 섬유 보철물인 오수르 치타(Ossur Cheetah) 런닝 블레이드는 재료의 탄성 에너지 저장을 사용하여 아킬레스건의 기능을 복제하여 건강한 운동선수와 비슷한 질주 속도를 가능하게 합니다. 블레이드는 발이 닿는 동안 에너지를 저장했다가 발을 떼는 동안 에너지를 방출합니다. 이는 탄소 섬유 복합재가 고유하게 제공하는 강성, 유연성 및 강도의 정확한 조합이 필요한 기능입니다.