탄소 섬유 강화 플라스틱의 부상

플라스틱 재료의 탄소 섬유

플라스틱 재료에 탄소 섬유를 사용하는 것은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 일찍이 1879년에 Thomas Edison은 면사와 대나무 조각으로 만든 탄소 섬유를 실험하고 있었습니다. 사실 전기로 가열된 최초의 백열전구에는 탄소섬유가 포함되어 있었습니다.

1960년대에 일본 산업 과학 기술청의 Akio Shindo 박사는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 기반으로 한 탄소 섬유를 개발했습니다. 생성된 섬유는 55%의 탄소를 함유했습니다.

PAN 기반 변환 공정은 빠르게 탄소 섬유를 생산하는 주요 방법이 되었습니다. 오늘날 탄소 섬유의 90%는 폴리아크릴로니트릴(C₃ H₃ N)_n 또는 PAN 합성, 반결정질 유기 고분자 수지. 나머지 10%는 레이온이나 석유 피치로 만들어집니다. PAN으로 만든 섬유는 매우 강하고 가볍습니다. 이러한 섬유는 폴리에스터, 비닐 에스터 또는 나일론과 같은 열경화성 또는 열가소성 폴리머에 의해 결합되어 탄소 섬유 강화 플라스틱 또는 탄소 FRP를 만듭니다.

폴리머에 탄소 섬유를 추가하면 많은 이점이 있습니다.

인장 강도 및 굴곡 탄성률은 열 변형 온도 또는 HDT와 마찬가지로 증가합니다. 또한 탄소 섬유 보강재를 추가하면 수축과 뒤틀림이 줄어듭니다.

각 탄소 섬유는 수천 개의 탄소 필라멘트로 구성된 길고 가는 가닥입니다. 단일 섬유는 직경이 약 5-10 μm이며 대부분 탄소로 구성됩니다. 탄소의 미세한 결정은 섬유의 장축에 다소 평행하게 정렬된 구조로 함께 결합됩니다. 섬유를 매우 강하게 만드는 것은 결정의 정렬입니다.

인장 계수로 분류

탄소 섬유는 인장 계수*로 분류됩니다. 섬유의. 인장 모듈러스는 3,480만 psi에서 7,250만 ~ 1억 4,500만 psi의 범위일 수 있습니다. 강철의 인장 계수는 2900만 psi이므로 가장 강한 탄소 섬유는 강철보다 5배 더 강합니다.

"낮은" 모듈러스 섬유는 3,480만 psi(2억 4,000만 kPa) 미만의 인장 모듈러스를 갖습니다. 섬유는 또한 인장탄성률의 오름차순으로 "표준탄성률", "중간탄성률", "고탄성률" 및 "초고탄성률"로 분류됩니다. 초고탄성계수로 분류되는 탄소 섬유의 인장 계수는 7250만~1억4500만 psi(5억~10억 kPa)입니다.

회전, 안정화, 탄화, 표면 처리 및 크기 조정

탄소 섬유의 제조 공정은 부분적으로는 화학적이고 부분적으로는 기계적인 것입니다.

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회전: PAN은 몇 가지 방적 공정 중 하나를 사용하여 방적됩니다. 이 단계는 섬유의 내부 원자 구조를 형성하기 때문에 중요합니다. 그런 다음 섬유를 세척하고 필요한 직경으로 늘립니다. 스트레칭은 또한 탄화에 의해 생성된 탄소 결정의 형성을 돕기 위해 분자를 정렬하는 데 도움이 됩니다.

안정화: 이 단계에서 섬유는 열적으로 안정적인 사다리 결합 구조로 선형 결합을 변경하기 위해 화학 물질로 처리됩니다. 필라멘트는 공기 중에서 가열되어 산소 분자를 흡수하고 원자 결합 패턴을 변경합니다.

탄화: 그런 다음 섬유는 산소가 없는 매우 높은 열에 노출되어 섬유가 타지 않습니다. 섬유의 원자는 격렬하게 진동하여 전구체에 있는 대부분의 비탄소 원자를 내보냅니다.

표면 처리: 탄화 후 섬유의 표면은 복합 재료를 만드는 데 사용되는 재료와 잘 결합되지 않습니다. 이 단계에서 섬유의 표면은 다양한 기체 또는 액체에 침지되어 약간 산화됩니다.

크기: 이 과정에서 섬유가 감기거나 짜는 동안 손상되지 않도록 보호하기 위해 코팅됩니다.

탄소 섬유로 만든 몇 가지 제품은 낚싯대, 자전거, 골프 장비, 테니스 라켓, 항공기 부품, 교량 및 자동차입니다.

* 인장 탄성률은 특정 직경의 섬유가 끊어지지 않고 발휘할 수 있는 당기는 힘입니다. 인장 계수는 제곱인치당 파운드 또는 psi로 표시됩니다.

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