항공우주 분야에서 열가소성 탄소섬유와 열경화성 탄소섬유의 성능 비교.
새천년 이후 현재 널리 사용되는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유 복합 재료와 같은 다양한 새로운 복합 재료의 연구 및 탐색에서 중요한 성과가 이루어졌습니다. 이 기사에서는 "블랙 골드"로 알려진 탄소 섬유와 그 복합재를 소개합니다. 탄소 섬유는 100년 넘게 사용되어 왔으며 지속적인 개발을 통해 점차적으로 스포츠 장비와 포뮬러 1 경주용 자동차에 응용되고 있습니다. 현재 주류 재료는 열경화성 탄소섬유 복합재로 에폭시 수지, 페놀수지, 비스말레이미드 수지 등 열경화성 수지를 포함한다.
열가소성 탄소 섬유 복합재는 항공우주 분야에 더 적합합니다.
탄소 섬유 및 다양한 플라스틱에 대한 연구가 증가함에 따라 특수 플라스틱을 탄소 섬유와 결합하여 매트릭스로 사용하면 탄소 섬유의 고성능 특성을 더 잘 활용할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 연속 탄소섬유 강화 열가소성 복합재를 대량 생산할 수 있게 되면 전체 산업 부문이 수혜를 입을 것이며, 항공우주, 의료 분야 등 첨단 산업도 큰 성장을 경험하게 될 것입니다. 현재 탄소섬유 에폭시 수지 복합재료의 고강도, 저크리프, 고탄성, 저비용 등의 장점이 항공우주 분야에 적용 가능한 것으로 입증되었습니다. 그러나 높은 취성, 분열에 대한 민감성, 높은 수분 흡수율 등 특정 적용 위험을 초래하는 약점도 매우 분명합니다. 열가소성 매트릭스 재료를 통합하면 이러한 성능 결함을 해결하고 탄소 섬유 복합재의 새로운 가능성을 열 수 있습니다.
폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르케톤에테르케톤케톤(PEKEKK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리아미드(PA) 등 고성능 특수 플라스틱이 많이 있습니다. ). 이러한 열가소성 매트릭스 수지는 탄소 섬유에 더 나은 물리적 구조와 화학적 특성을 제공할 수 있습니다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 예로 들면 유리전이온도(Tg)가 약 150도, 녹는점은 약 370도로 탄소섬유 복합재의 고온 저항성을 크게 향상시킵니다. 또한 탄소섬유 고유의 특성을 더욱 잘 유지하여 우수한 강도, 인성, 내화학성 및 내용제성을 보장합니다. PEEK는 또한 뛰어난 열 안정성, 난연성 및 낮은 유전 상수를 보유하고 있어 미래 항공우주 분야에서 가장 많이 찾는 소재 중 하나입니다.
항공우주 응용 분야를 위한 열가소성 및 열경화성 탄소 섬유의 성능 비교
연구팀은 탄소 섬유 강화 폴리에테르 케톤(PEK) 복합재와 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재를 비교하면서 항공우주 응용 분야용 열경화성 및 열가소성 탄소 섬유 복합재에 대한 심층 연구를 수행했습니다.
1. 탄소 섬유 강화 폴리에테르 케톤 플레이트: 탄소섬유 60%와 폴리에테르케톤(PEK) 40%로 이루어진 라미네이트로 구성된 복합재입니다. PEK 11개 층 사이에 양방향 탄소 섬유 10개 층이 배치되어 있으며 상단과 하단 모두 PEK 필름이 있습니다. 적층된 CF/PEK를 10 Bar 압력 하에서 410도에서 30분간 압착합니다.
2.탄소섬유 에폭시 수지판: LY556 에폭시 수지를 매트릭스 재료로 사용하고 양방향 탄소섬유로 보강한 복합재입니다. 실온에서 HY951 경화제를 에폭시 수지에 첨가하고 100:12의 비율로 혼합합니다. 탄소 섬유 강화재는 60wt%로 유지되어 10겹의 직물을 사용하여 약 3mm 두께의 탄소 섬유 에폭시 수지 적층체가 생성됩니다.
3. 테스트 방법론: 위에서 언급한 두 종류의 탄소섬유판을 대상으로 인장시험, 경도시험, 파괴인성시험 등 기계적 성능시험을 실시하였다. 또한 시차 주사 열량계(DSC) 및 제한 산소 지수(LOI) 테스트를 포함하여 두 탄소 섬유 플레이트에 대해 열 성능 테스트를 수행했습니다.
4. 성능 테스트 결과 표시:
A. 인장 강도 및 계수: 탄소섬유 강화 폴리에테르케톤(PEK) 복합재의 평균 인장강도와 모듈러스는 각각 425MPa와 7.8GPa인 반면, 탄소섬유 강화 에폭시 수지 복합재의 평균 인장강도와 모듈러스는 각각 311MPa와 5.2GPa이다. 탄소 섬유 강화 PEK 복합재의 파단 연신율은 9.43%인 반면, 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재의 파단 연신율은 11.32%입니다.
B. 경도: 매트릭스에 탄소섬유를 첨가하면 복합재의 전체적인 경도가 높아지는데, 이는 필러를 첨가하면 소성변형에 대한 저항성이 강화되는 것을 의미합니다. PEK와 에폭시 수지의 경도 값은 각각 87과 85이며, 해당 복합 경도 값은 94와 89로 큰 차이가 없습니다.
다. 파괴인성: 에폭시 수지의 취성으로 인해 탄소섬유 강화 에폭시 수지 복합재의 파괴인성은 매트릭스 인성이 감소함에 따라 감소한다. 대조적으로, PEK 매트릭스는 더 나은 인성을 나타내므로 탄소 섬유 강화 PEK 복합재의 인성이 향상됩니다. 파괴 인성을 계산할 때 고려되는 최대 하중은 SENB 테스트에서 파괴되기 전에 재료가 견딜 수 있는 최대 하중입니다. 응력 강도 계수(Kic)가 높을수록 인성이 높아집니다. 결과에 따르면 탄소 섬유 강화 PEK 복합재의 Kic는 13.71MPa·√m인 반면, 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재의 Kic는 11.53MPa·√m으로 전자가 더 나은 성능을 나타냅니다.
D. 가열 및 냉각 중 열적 거동: DSC를 이용하여 고분자복합체의 가열 및 냉각 시 열전이를 연구하였다. 매트릭스의 용융온도와 결정화온도를 비교하여 시료물질의 용융온도(Tm), 결정화온도(Tc), 유리전이온도(Tg)를 밝혀냈습니다.
E. 산소 지수 제한: 제한산소지수(LOI) 테스트에서는 두 매트릭스 재료에 탄소 섬유를 통합하면 LOI가 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 데이터에 따르면 에폭시 수지와 PEK의 LOI는 각각 25와 35인 반면, 탄소 섬유 복합재의 해당 LOI는 32와 47이며, 탄소 섬유 강화 PEK 복합재는 눈에 띄는 개선을 보여줍니다.
테스트를 통해 연구원들은 PEK를 매트릭스로 사용하는 열가소성 탄소 섬유 복합재가 다양한 성능 지표에서 에폭시 수지를 사용하는 열경화성 탄소 섬유 복합재보다 성능이 우수하다는 사실을 발견했습니다. 데이터의 상당한 차이는 열경화성 탄소 섬유 복합재와 열가소성 탄소 섬유 복합재 간의 근본적인 성능 차이를 강조하며, 특히 항공우주와 같은 첨단 분야에서 열가소성 탄소 섬유 복합재의 광범위한 응용 가능성을 시사합니다.
그러나 열가소성 탄소 섬유 복합재의 채택이 열경화성 복합재의 채택보다 훨씬 덜 널리 퍼진 이유는 무엇입니까? 이는 각각의 처리 기술과 밀접한 관련이 있습니다. 열가소성 탄소 섬유 복합재는 높은 가공 온도가 필요하며 용융된 열가소성 수지는 탄소 섬유 다발을 완전히 함침시키는 데 종종 어려움을 겪습니다. 이 단계가 완벽하게 수행되지 않으면 생성된 열가소성 탄소섬유 복합재의 기계적 성능이 현재 주류인 열경화성 탄소섬유 복합재에 미치지 못할 수도 있습니다.
