해양플랜트용 특수 기능성 복합소재의 개발

조선기자재공학부 김 윤해 교수

2

목 차

1. 복합소재의 정의

2. 복합소재의 분류

3. 복합소재의 대표적인 특성

4. 복합소재의 성형법

5. 복합소재의 평가법

6. 복합소재의 응용

복합소재(Composite Materials)?

복합재료란두가지 이상의재료가 각각의 재료의특성을 살려서상호 결점을

보완할수있게 인위적으로 만든재료로서 물리적(미시적)으로는 서로구분되거나기계적(거시적)으로는연속인상태의재료를말하며다음과같이표현할수 있다

+

보강재REINFORCING ELEMENT

모재MATRIX/BINDER

복합재COMPOSITE

複合素材(Composites)개발의 흐름

기술의 진보・고강도화・고급화・다양화

사용재료의 경향단일재료의 한계

２종 이상의 혼합

［복합재료의 정의］

복합재료라고 하는 것은 재료의 특성을 향상 시키기 위해 2 종류이상의 재료를 혼합하여그것들이 명확한 경계를 갖는 재료를 말한다

원자레벨 보다도 충분히 큰 사이즈（통상μ 크기）

탄소섬유를 플라스틱으로 굳힌 것⇒ 강화 플라스틱

○

탄소를 혼합한 철（탄소강）、구상 흑연 주철

×

예．복합재료와 그렇지 않은 것의 예

① 약점을 보완한다

② 새로운 기능을 부여한다

재료의 복합화

복합소재의분류

• 보강재의형태에따른 분류

– Fibrous Composites

• Composed of Fibers in a Matrix

– Particulate Composites

• Composed of Particles in a Matrix

– Laminated Composites

• Composed of Layers in a Matrix

• 모재에따른분류

– Fiber Reinforced Ceramic (FRC): 실용화 되지않음

– Fiber Reinforced Metal(FRM): 실용화되지않음

– Fiber Reinforced Rubber(FRR): Tire나 Pressure Hose에이용

– Fiber Reinforced Plastic(FRP): Composite 으로 통칭

복합소재의분류

• Composite인 FRP의 Fiber 와 Matrix의종류에 따른분류

– Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP)

• Glass Fiber/Epoxy

• Glass Fiber/Polyester

• Glass Fiber/Phenolics

– Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)

• Carbon Fiber/Epoxy

• Carbon Fiber/Phenolics

• Carbon Fiber/Polyimide

복합소재의분류

– Graphite Fiber Reinforced Plastic (GrFRP)

• Graphite Fiber/Epoxy

• Graphite Fiber/Polyimide

– Kevlar Fiber Reinforced Plastic (KFRP)

• Kevlar Fiber/Epoxy

• Kevlar Fiber/Silicone

– Boron Fiber Reinforced Plastic (BFRP)

• Boron Fiber/Epoxy

• Boron Fiber/Polyimide

Carbon Laminate

Kevlar Prepreg

복합재료의 분류

불연속 섬유 복합재료 연속섬유 복합재료 무작위 방향 연속섬유 복합재료

입자 분산형 복합재료 적층형 복합재료

일방향 강화의 복합재료

- 연속섬유의 경우

섬유강화 복합재료의 강화

σc＝σfVf＋ σm(1－Vf）

혼합법칙

σc：복합재의 인장강도

σm：섬유파단시의 변형율에대응하는 모재의 강도

Vｆ：섬유의 체적함유율

σf：섬유의 인장강도

긴 섬유

섬유강화、모재（수지）및 복합재의응력ー변형율의 관계

모재

모재의 인장강도

Filament Winding Method

탄소섬유강화복합소재(CFRP)의 주된 특징과 용도

① 비강도가 극히 높다

② 피로강도 특성이 우수하다

③ 내식성이 우수하다

장점 단점

① 내충격성이 낮다

② 압축강도가 낮다

③ 내고온강도가 낮다

① 항공기

② 스포츠 용품

③ 자동차、소형 요트 등

용도

공구의 낙하、새나 인석의 충돌

층간 박리에 의한 강도저하

충격 후 압축시험의 규격화

경량, 고강도로대표되는첨단복합소재Sandwich Construction

Face Sheet

ExpandedCore

Adhesive

Face Sheet

Fabricated Sandwich Panel

2tt

4t

Relative Stiffness(D)

Relative Strength

Relative Weight

100

100

100

700

350

103

3700

925

106

A striking example of how honeycomb stifens a structure without materially increasing its weight.

섬유의 특성

Property

Fiber

/Wire

Density

Lb/in3

Tensile Strength

103lb/in3

Specific Strength

105in

Tensile Stiffness

106lb/in

Specific Modulus

107in

Melting Point

℃

E-Glass 0.092 500 54 10.5 11 1316

S-Glass 0.090 700 78 12.5 14 1650

Boron 0.093 500 54 60 65 2100

Carbon 0.051 250 49 27 53 3700

Graphite 0.051 250 49 37 72 3650

Kevlar 0.052 525 101 18 35 249

Aluminum 0.097 90 9 10.6 11 660

Titanium 0.170 280 16 16.7 10 1668

Steel 0.282 600 20 30 10 1621

섬유의 특성

110100

9080706050403020100 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Specific Modulus / 107 in100

Kevlar49

S-Glass

E-Glass

Aluminum

Boron

Carbon Graphite

섬유의장단점비교

구분

Fiber장점 단점

Glass 저가

충격저항

고밀도

저강성

Boron 고강성

고인장강도

고가

Low Formability

Carbon 고강성

고인장강도 취성

Kevlar 고인장강도

충격저항

저전단강도

저압축강도

흡수성

모재(Matrix)?

복합재료용 수지는 역사적으로 열경화성 수지가 주류를 이루어 발전하고

있는데 열가소성 수지는 열적 및 강도적으로 열경화성 수지에 비해 약하기때문에 소형의 기계부품같은 용도로 사용되어 왔지만 성형성의 점에서주목이 되고있다

열가소성 수지란 가열에 의해 가소성 (어느 온도에서나 가열하면

연화하고 냉각하면 고화하는 성질) 이 나타나고 자유로이 변형이 되며, 또냉각하면 다시 굳게되고 이러는 사이에 아무런 화학변화를 일으키지 않는것이다.

열경화성 수지는 가열하면 굳게되고 화학적인 변화를 하는것이다

모재의 유형별 분류

FRP성형용 수지

열경화성 수지Thermosetting

Resin

열가소성 수지Thermoplastic

Resin

Polyester

Epoxy

Phenolic

Polyimide

Polyamide (PE)

Polycarbonate (PC)

Polyethersulfone(PES)

Polyetheretherketone (PEEK)

Polyphenylensulfide(PPS)

복합소재의 장점

• 다기능 재료로서 복합재료는 다양한 디자인 요구조건을 충족시킬수 있음

• 무게감소효과가 탁월하여 종래의 금속으로 디자인 했을때의 무게에 비해25~50% 정도 절감 가능함

• 내부식성이 우수함

• 피로, 균열에 강함

• 충격파괴에 강함

• 움푹 찍힘과 같은 결함에 대한 저항이 얇은 금속판재에 비해 강함

• 초소한의 투자로 잦은 설계변경에 대한 고객의 요구를 충족시킬수 있음

• 열가소성의 경우 공정싸이클이 매우 짧아 종래의 금속이 지배하던대량상업생산을 대체할수 있음

• 열가소성 수지의 경우 금속처럼 시간의 제약을 받지않고 사용 가능

• 열팽창 계수가 적음

• 제작 및 결합공정이 단순하여 기술, 구매 및 기타 제비용을 줄일수 있음

• 내외면 조립이 가능하여 치구의 가격을 줄일수 있음

• 복합소재에 대한 치공구가 금속에 비해 2~5 배 정도로 저렴함

복합소재의 문제점

• 자재비가 고가임

• 내구성이 취약한 것으로 잘못인식됨 (예, 프라스틱 장난감 신드롬)

• 연소와 연기 문제가 대두됨

• 취급시 전문성이 요구됨

• 기술 문제 및 개발단계에서 공급자의 개입이 불가피함

• 복합소재의 제작공정이 복잡하여 특수한 작업조건이 요구되며 이것이 비용증대의 요소가 될 수 있음

• 고온 고압용기가 요구됨

• 해저용 잠수함이나 자동차에의 적용시 공극성으로 인해 문제가 될수있음

• 먼지나 오염으로 인한 불량율이 높으므로 세심한 주의가 요구됨

• 금속가공분야에 많은 투자를 한 경우 복합소재 기술투자를 위한 재투자는상당한 거부감을 초래할 수 있음

• 화학물질로 인한 피부감염 등의 우려가 있음

복합재료와 금속의 비교

• 동일기능의 요구조건을 충족시키는 디자인을 복합소재로 했을 때알루미늄으로 했을때 보다 25~45 % 의 무게감소 효과를 얻을 수 있음

• 충격에너지에 대한 흡수효과가 아라미드/에폭시 복합재료의 경우탄소섬유나 알루미늄의 경우보다 훨씬 우수함

• 복합재료는 탁월한 진동흡수효과를 갖고 있으므로 자동차와 같은 곳에중요한 저소음 효과 및 저진동 효과를 금속에 비해 얻을 수 있음

• 탄소섬유로 보강하여 만든 베어링의 경우 금속 베어링에 비해 윤활유가필요 없으며 저마찰 효과 및 저마모 특징을 나타냄

• 복합재료의 경우 금속에 비해 매우 다양하게 복잡한 디자인 요구조건을충족시킬 수 있음

• 내식성 등으로 인해 내구성 및 유지비용 측면에서 복합재료가 비용을절감할 수 있음

• 부품의 단순화 및 통합디자인 등을 통해 복합재료 부품의 결합 및 체결작업을 줄일 수 있음

복합소재의 대표적인 성형법

성형법

Hand Lay Up

Spray Up

Injection Molding

Resin Transfer Molding

Filament Winding

Pultrusion

Vacuum Bag Molding

Compression Molding

Hand Lay Up Method

FRP 성형법 – Spray Up Method

Roving

ChopperResin & Promoter

Roller

Mold

FRP 성형법 – Compression Molding Method

Resin Transfer Molding Method

Fig. 8 Manufacturing of laminate by VARTM

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer

Molding)

Schematic of VARTM

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer

Molding)

Fig. 12 Application of VARTM

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer

Molding)

Fig. 13 VARTM process

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer

Molding)

Example of application of composites to the abroad cars

Current Situation )

Filament Winding Method

Vacuum Bag Molding Method

허니컴샌드위치구조(Honeycomb Sandwich Construction)

허니컴샌드위치구조(Honeycomb Sandwich Construction)

Face Sheet

Expanded

Core

Adhesive

Face Sheet

Fabricated Sandwich Panel

2tt

4t

Relative Stiffness(D)

Relative Strength

Relative Weight

100

100

100

700

350

103

3700

925

106

A striking example of how honeycomb stifens a structure without materially increasing its weight.

허니컴구조의응용

항공기산업으로의응용

• 복합재료의 용도면에서 항공산업의 비중은 비교적 적은 편이지만 복합재료는 항공산업에 있어서 가장 매력적이고 정교하게 사용되는 재료이며, 향후 10년 내에 새로운 항공기 구조물의 40%이상이 복합재료로 대체될전망이다

• 항공산업에서 재료의 중요성은 타 산업에서 보다 월등하여 경량성, 고강도, 고강성, 내피로성의 네가지 요건이 필요한데 복합재료가 이네가지 요건을 만족하는 재료이다

• 복합재료의 사용은 특히 군용기에서 현저하게 증가하고 있으나사용가능성은 새로운 군용기의 감소추세에 따라 제한되어 지고 있다

• 상용기에서는 기본 구조재로서 복합재료의 사용이 적은 편이었으나 현재급격히 증가하고 있는 추세이며 무게가 중요한 문제로 대두되는우주선은 복합재료가 기본 구조재로서 응용되고 있다

해양산업으로의응용

해양구조물로의응용

자동차산업으로의응용

51

호버크래프로의 응용

공기부양정은 지면 혹은 수면에 대해 배의 하면에 압력이 상승하는부분에서 고압의 공기 덩어리를 발생시켜 배를 부상하게 한다.

52

레저용 호버크래프트 블레이드의실제모습

53

공기부양정은 바다,육지, 늪과 같이 물위든무른땅이든 할 것 없이갈 수 있다. 그러나 이에따른 블레이드의 환경적손상이 따른다.

• 해수의 염분에 의한 블레이드의 부식(Corrosion)

1

• 고압의 압력과 외부 이물질에 의한 침식(Erosion)

2

• 겨울철 차가운 날씨로인한 성애발생3

적용 가능한 해양구조물 (FPSO)

- Floating : 부유식탱커 선박으로자유로운이동 가능- Production : 유전의 시험탐사및 생산 가능- Storage : 석유의저장- Offloading : 셔틀탱커나기존의유조선에하역 가능

FPSO(Floating Production, Storage &

Offloading)는 부유식 원유생산 및저장설비로서, 해상에서 원유채굴부터저장과 하역 등이 가능하고 이동이자유로워 소규모 심해유전개발에 적합한특수선이다.

적용 가능한 해양구조물(Offshore Platforms)

적용 가능한 해양구조물FPSO (Floating Production Storage Offloading)

Korea Maritime University Division of Mechanical & Materials Engineering

메가플로트 실 해역 해상 결합 광경부유식 해상 공항 개념도

적용 가능한 해양구조물 (초대형 부유식 구조물)

적용 가능한 해양구조물 (BMP (Barge Mounted Plants))

Korea Maritime University Division of Mechanical & Materials Engineering

적용 가능한 해양구조물 (미래의 해상도시)

Korea Maritime University Division of Mechanical & Materials Engineering

60

감사합니다