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항공기용 복합소재의 개발 및 연구동향

Recent Trends in Composite Materials for Aircrafts

공업화학 = Applied chemistry for engineering v.27 no.3 , 2016년, pp.252 - 258  
김득주 (경상대학교 나노.신소재융합공학과 ) ;  오대윤 ( (재) 경남테크노파크 항공우주센터 ) ;  정문기 ( 경상대학교 나노.신소재융합공학과 ) ;  남상용 ( 경상대학교 나노.신소재융합공학과)
초록
용어

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중량의 감소 및 향상된 기계적 특성은 항공 우주 산업으로의 적용을 위한 재료의 새로운 소재를 개발하기 위해 주요한 인자이다. 복합소재는 가벼운 무게와 탁월한 물성으로 항공기와 타 교통수단용 소재로써 주목을 받아왔다. 특히 섬유강화 복합소재의 경우 금속을 대신할 소재로 사용되어 왔는데 이는 금속과 고분자 소재보다 우수한 물성을 나타내기 때문이다. 이러한 이유로 복합소재는 비행기의 구조물로 사용되어 왔다. 본 리뷰에서는 항공기에 적용된 복합소재의 장점과 섬유강화 플라스틱 복합소재 소재에 대하여 정리하였다.

Abstract

The weight reduction and improved mechanical property are one of the prime factors to develop new materials for the aerospace industry. Composite materials have thus become the most attractive candidate for aircraft and other means of transportations due to their excellent property and light weight. In particular, fiber reinforced polymer (FRP) composite materials have been used as an alternative to metals in the aircraft. The composite materials have shown improved properties compared to those of metal and polymeric materials, which made the composites being used as the skin structure of the airplane. This review introduces different types of materials which have been developed from the FRP composite material and also one of the most advantageous ways to employ the composites in aircraft.

주제어

#Composite   #aircraft   #fiber reinforced polymer   #nondestructive testing  

본문요약 

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이론/모형
  • 복합소재의 물성평가를 위한 특성평가의 경우 ASTM (American Society for Testing and Materials), SACMA (Suppliers of Advanced Composite Material Association), AGATE (The Advanced General Aviation Transport Experiments consortium) 등의 표준측정법에 의거 특성평가가 진행되며 ASTM의 경우 다음과 같은 평가 항목이 이용될 수 있으며 Table 4에 대표적인 ASTM 측정법에 대하여 정리하였다.

    복합재료로 얻을 수 있는 기계적 물성의 범위는 사용한 소재의 섬유의 타입만 고려하더라도 다양하게 변경이 가능하며 또한 섬유의 방향, 길이 등의 조절을 통해 10배 정도의 차이를 나타낼 수 있다[21]. 복합소재의 물성평가를 위한 특성평가의 경우 ASTM (American Society for Testing and Materials), SACMA (Suppliers of Advanced Composite Material Association), AGATE (The Advanced General Aviation Transport Experiments consortium) 등의 표준측정법에 의거 특성평가가 진행되며 ASTM의 경우 다음과 같은 평가 항목이 이용될 수 있으며 Table 4에 대표적인 ASTM 측정법에 대하여 정리하였다. 항공기용 소재는 기본적으로 우수한 물성과 가벼운 무게를 요구하게 되는데, 항공기용 소재로 적용하기 위한 기본적인 물성은 다음과 같다.

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합소재
복합소재를 항공기에 적용하였을 경우, 경량화 외에 얻을 수 있는 장점은 무엇인가?
연료효율을 높여 항공권 비용절감이 가능하며 이착륙 속도 및 거리의 감소, 비행속도의 증가, 공해물질의 저감 등 다양한 장점을 가지고 있다.

항공기 설계자들은 복합소재를 다양한 부품소재에 적용하여 개발 중인데 이는 무게 대비 강성비가 아주 높기 때문이며 특히 강성이 우수한 탄소섬유와 접착제를 사용한 매트릭스 복합체의 경우 기존 금속 재료보다 월등히 경량화가 가능하고 밀도의 경우 알루미늄보다 낮기 때문에 이를 이용하여 항공기의 중량을 줄일 수 있으며 대부분의 항공기 기체에 사용되고 있다(Figure 1)[6,7]. 이와 동시에 연료효율을 높여 항공권 비용절감이 가능하며 이착륙 속도 및 거리의 감소, 비행속도의 증가, 공해물질의 저감 등 다양한 장점을 가지고 있다.

복합재료
복합재료란 무엇인가?
성분 또는 형태가 다른 두 종류 이상의 물질이 조합되어 각각의 물질이 가지는 장점의 극대화와 상호 부족한 물성의 보완을 통하여 단일 소재보다 향상된 물성을 가진 재료를 의미한다.

이러한 목표에 부합하기 위한 맞춤형 소재로써 고기능성 복합소재가 항공기용 부품소재로 적용되어 제작이 되고 있다. 복합재료란 성분 또는 형태가 다른 두 종류 이상의 물질이 조합되어 각각의 물질이 가지는 장점의 극대화와 상호 부족한 물성의 보완을 통하여 단일 소재보다 향상된 물성을 가진 재료를 의미한다. 복합재료는 섬유, 입자 등과 같은 충전제와 고분자, 금속, 세라믹과 같은 기지물질로 구분되며 적용되는 분야가 요구하는 물성에 따라 다양한 종류의 소재 선택과 가공조건의 변경을 통하여 소재가 개발 가능하다는 장점을 가지고 있다[2,3].

다양한 종류의 복합재료
다양한 종류의 복합재료는 기존 금속, 철 소재에 비해 어떠한 장점을 가지는가?
기존 소재 대비 10~60% 정도의 중량 감소효과를 나타냄을 확인할 수 있다.

특히 복합재료의 경우 타 소재에 비해 경량화가 가능하기 때문에 연료를 소비하게 되는 자동차, 비행기, 기차 등의 교통수단에 대한 적용과 동시에 고기능성 부품소재의 개발에도 활발히 적용이 되고 있다[4,5]. Table 1에 나타내었듯이, 다양한 종류의 복합재료가 개발이 되어 기존의 금속, 철 등을 대체할 소재로 연구가 진행되어 왔는데 기존 소재 대비 10~60% 정도의 중량 감소효과를 나타냄을 확인할 수 있다. 항공기 설계자들은 복합소재를 다양한 부품소재에 적용하여 개발 중인데 이는 무게 대비 강성비가 아주 높기 때문이며 특히 강성이 우수한 탄소섬유와 접착제를 사용한 매트릭스 복합체의 경우 기존 금속 재료보다 월등히 경량화가 가능하고 밀도의 경우 알루미늄보다 낮기 때문에 이를 이용하여 항공기의 중량을 줄일 수 있으며 대부분의 항공기 기체에 사용되고 있다(Figure 1)[6,7].

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저자의 다른 논문

김득주(19) 정문기(4) 남상용(103)

참고문헌 (38)

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