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항공기용 탄소섬유강화 복합재료의 기술동향

Technique Status of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.46 no.2, 2011년, pp.118 - 124  

김기석 (인하대 화학과) ,  박수진 (인하대 화학과)

초록

최근 모든 산업분야에서 기존 소재의 물성을 뛰어넘는 우수한 기계적 특성과 기능적 특성을 만족하는 새로운 소재에 대한 필요성이 점점 증가하고 있으며, 특히 연료 절감과 이산화탄소($CO_2$)와 같은 온난화 가스 배출의 절감을 통한 환경보호가 요구됨에 따라 우주항공 산업에서는 신규 소재를 통한 구조체 경량화에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다. 또한, 신규 소재의 다양한 응용을 위하여 우수한 기계적 물성뿐만 아니라 여러가지 특성에 부합되는 고기능성 맞춤형 재료의 개발은 현재의 재료 과학기술의 최우선적인 목표이며, 이러한 맞춤형 재료에 가장 근접한 소재는 탄소섬 유강화 복합재료라 할 수 있다. 실제로 최근 탄소섬유강화 복합재료는 항공기 경량화를 위한 필수적인 물질로서 그 수요는 크게 증가하고 있다. 따라서, 본고에서는 항공기의 경량화를 위한 탄소섬유강화 복합재료의 필요성과 더불어 탄소섬유강화 복합재료의 기술동향에 대하여 중심으로 살펴보도록 하겠다.

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Recently, the need of new materials which have excellent physical properties and functional characteristics has been increased in all industries. In particular, body weight reduction via new materials in aerospace industry was significantly emphasized by the requirement of environmental protection t...

주제어

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문제 정의

  • 보강재로는 유리섬유, 탄소섬유 및 방향족 나일론 섬유(케블라)가 주로 사용되고 있고, 고분자 수지로는 불포화 폴리 에스테르, 에폭시수지 등의 열경화성 수지가 주로 쓰이고 있다.6,7 본 논문에서는 항공기 경량화를 위한 복합재료 중 기타 섬유와 비교하여 가격은 비싸지만 물성이 월등히 뛰어난 탄소섬유강화 복합재료의 기술 동향에 대하여 중점적으로 설명하고자 한다.
  • 따라서 본고에서는 최근 항공기 경량화에 있어서 필수 소재로서 다시금 큰 관심을 받고 있는 탄소섬유강화 복합재료의 기술동향을 알아봄으로써 탄소섬유와 탄소섬유강화 복합재료의 중요성과 발전방향에 대하여 논의하고자 한다.
  • 탄소섬유강화 복합재료에 있어서 기술 선진국들은 그 동안 주류를 이루어 왔던 PAN계 탄소섬유강화 복합재료를 넘어서 탄소함량이 더욱 높아진 고강도 Pitch계 탄소섬유강화 복합재료의 연구개발을 위하여 노력하고 있다. 특히 미국과 일본 등 탄소재료 선진국을 중심으로 신탄소섬유강화 복합재료에 대한 연구가 빠르게 추진되고 있으며, 이에 따라 우주ᆞ항공ᆞ 자동차, 선박 및 레저산업 선점을 목표로 하고 있으며 탄소섬유강화 복합재료의 고기능화와 고성능화를 추진하고 있다.
  • 항공기의 기체를 낙뢰로부터 보호하고자 하는 가장 큰 목표는 항공기 주구조물에 발생할 수 있는 손상을 예방하고 낙뢰가 항공기의 전력, 통신, 항법장치에 영향을 미치지 않도록 조치하는데 있다. 동체 및 날개가 복합재료로 적용된 복합재료 항공기의 경우 낙뢰가격시 고전류에 의한 손상이 발생할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 복합재료는 어떠한 장점을 가지고 있는가? 탄소섬유강화 복합재료(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 경량, 높은 무게비 강도 및 강성도, 열적특성, 전기적특성, 내부식성, 내충격성, 피로특성, 부품 일체화의 용이성 등의 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 탄소섬유강화 복합재료는 항공기용 부품ᆞ소재의 경량화, 내부식성 및 충격, 진동 등의 성능 향상, 금형 가격의 절감 등을 위하여 구조물, 외장 부품과 같은 기구부품 및 엔진부품 등에 적용하기 시작하여, 현재 그 사용량이 급격하게 증가하고 있는 추세이다.
탄소섬유강화 복합재료가 항공기에 적용된 사례는 어떠한가? 이러한 특성으로 인하여 탄소섬유강화 복합재료는 1980년대부터 항공기의 기체구조인 꼬리날개에 적용이 검토되어 에어버스사 A310, 300, 320, 보잉사의 B777 등에 채용된바 있다. 또한, 최근에는 탄소섬유강화 복합재료 주익이 F-2 군용기뿐이 아니고 민간기인 보잉사의 B787에 채용되었고, 이제까지 기체구조의 10~20 중량% 정도였던 탄소섬유강화 복합재료의 사용비율이 50 중량% 이상으로 확대되었고, 주요 항공기 업체의 경량화를 위한 복합재료 적용예를 표 1에 나타내었다.
섬유강화 고분자 복합재료의 보강재로는 어떠한 소재가 사용되는가? 여러가지 복합재료 중 섬유강화 고분자 복합재료(FRP: Fiber Reinforced Plastics Composites)는 기존의 고분자 복합재료와 비교하여 고분자 매트릭스에 섬유상의 보강재를 복합시켜, 기계적 강도와 내열성을 크게 향상시킨 복합재료를 나타낸다. 보강재로는 유리섬유, 탄소섬유 및 방향족 나일론 섬유(케블라)가 주로 사용되고 있고, 고분자 수지로는 불포화 폴리 에스테르, 에폭시수지 등의 열경화성 수지가 주로 쓰이고 있다.6,7 본 논문에서는 항공기 경량화를 위한 복합재료 중 기타 섬유와 비교하여 가격은 비싸지만 물성이 월등히 뛰어난 탄소섬유강화 복합재료의 기술 동향에 대하여 중점적으로 설명하고자 한다.
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참고문헌 (18)

  1. D. H. Middleton, "Composite materials in aircraft structures", John Wiely, New York, 1990. 

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  4. I. Shyha, S. L. Soo, D. Aspinwall, and S. Bradley, "Effect of laminate configuration and feed rate on cutting performance when drilling holes in carbon fibre reinforced plastic composites", J. Mater. Proc. Technol., 210, 1023 (2010). 

  5. Z. Zhang and K. Friedrich, "Artificial neural networks applied to polymer composites: a review", Compos. Sci. Technol., 63, 2029 (2003). 

  6. K. S. Kim, Y. S. Shim, B. J. Kim, L. Y. Meng, S. Y. Lee, and S. J. Park, "Present status and applications of carbon fibers- reinforced composites for aircrafts", Carbon Lett., 11, 23 (2010). 

  7. X. Zhang, X. Pei, and Q. Wang, "Friction and wear properties of combined surface modified carbon fabric reinforced phenolic composites", Eur. Polym. J., 44, 2551 (2008). 

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  10. J. B. Donnet and R. C. Bansal, "Carbon Fibers", Marcel Dekker, New York, 1990. 

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  14. F. A. Fisher, J. A. Plumer, and R. A. Perala, "Aircraft lightning protection handbook", Federal Aviation Administration, 1989. 

  15. M. S. Ha, O. Y. Kwon, and H. S. Choi, "Improved electrical conductivity of CFRP by conductive silver nano-particles coating for lightning strike protection", ICCM-17, England, Edinburgh, 27-31 July 2009. 

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  17. H. Speckmann and C. Brousset, "Structural health monitoring(SHM), A future alternative to conventional NDT?", ATA's 49th NDT Forum, Fort Worth, 16-19 October 2006, pp.20. 

  18. W. Staszewski, C. Boller, and G. Tomlinson, "Health monitoring of aerospace structures smart sensor technologies and signal processing", John Wiley & Sons, 2004. 

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