소개
섬유와 폴리머 매트릭스의 특성을 결합한 섬유 강화 복합 재료는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 섬유 매트릭스 복합재는 금속보다 더 단단하고 무게 대비 강도가 뛰어나며 밀도가 훨씬 낮습니다. 따라서 예를 들어 강철보다 최대 60% 더 가볍기 때문에 연비 개선이나 전기차 주행 거리 연장을 위해 무게 감소가 중요한 모빌리티 부문, 특히 자동차 산업의 부품에 있어 매우 바람직한 특성입니다. 자동차 산업에서 높은 관심을 받는 섬유 매트릭스 복합재의 또 다른 장점은 부식에 대한 저항성입니다. 유리 섬유로 강화된 열가소성 매트릭스 복합재는 탄소 섬유 강화 복합재보다 밀도가 높고 계수가 낮지만 비용이 훨씬 저렴하여 자동차 산업에서 중요한 요소로 작용합니다. 폴리프로필렌(PP)은 깔끔한 소재이면서도 섬유가 짧고 연속적으로 보강되어 있어 뛰어난 기계적 특성, 성형성 및 저렴한 비용으로 자동차 부품에 널리 사용됩니다. 캐빈과 수납공간, 범퍼, 펜더 라이너, 인테리어 트림, 계기판, 도어 트림 등에 사용됩니다. PP의 다른 긍정적인 특성으로는 높은 내화학성, 우수한 내후성, 가공성 및 충격/강성 균형이 있으며, 이는 PP가 시장에서 가장 널리 사용되는 폴리머 중 하나인 이유를 설명합니다.
준등방성 및 이방성 컴포지트
열가소성 매트릭스에 섬유를 통합하는 방법에는 무작위 배향 섬유, 단방향 연속 섬유 또는 다방향 직물 등 여러 가지가 있습니다(그림 1 참조). 추가된 섬유의 방향은 부품 특성과 관련하여 중요한 역할을 합니다.
무작위로 배향된 섬유는 깔끔한 폴리머보다 강도와 강성이 어느 정도 증가하지만, 선호 방향으로 배향된 섬유를 추가하면 부품의 이 방향 성능이 크게 증가합니다. 이러한 우선 배향은 복합재 이방성 특성, 즉 섬유 방향의 특성이 섬유 특성에 의해 지배되고 이에 수직인 매트릭스 특성이 더 두드러지는 특성을 제공합니다. 이러한 이방성 거동에 대한 지식은 이러한 복합 구성 요소의 설계 및 생산을 위한 전제 조건입니다. 누구나 기계적 특성의 이방성을 가장 먼저 생각하지만, 섬유 방향에 따라 재료의 팽창 거동도 달라집니다. 재료의 이방성을 간과하거나 알 수 없는 경우 최종 제품에 큰 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 평면 표면이 휘어지거나 더 심하게는 균열이나 부러짐이 발생할 수 있습니다.
열역학적 분석 - 복합재료의 이방성을 결정하는 방법
열역학적 분석(TMA) 방법을 사용하여 섬유 강화 폴리머의 치수 변화와 그에 따른 CTE를 다양한 재료 방향에서 측정할 수 있습니다. 이 연구를 위해 노이에 머티리얼리엔 바이로이트에서 샘플을 준비했습니다. PP-GF UD 테이프의 세 층을 서로 겹쳐서 쌓고 180-190°C의 세 가열 구역에서 이중 벨트 프레스에서 사전 응고시켰습니다. 그런 다음 블랭크를 대류 오븐에서 10분간 예열한 후 금형 온도가 80°C인 핫 프레스로 옮겼습니다. 거기서 응고하는 동안 10bar의 압력을 5분간 가했습니다. 결과 두께는 1mm였습니다. 테이프의 평균 섬유 부피 함량은 45 vol%이지만, 플레이트의 국부적 변화는 40~50 vol% GF로 측정되었습니다. NETZSCH 분석 및 테스트에서 TMA 측정을 위해 플레이트에서 25 x 5mm의 샘플을 두 가지 방향으로 절단했습니다: 섬유 방향 0°와 섬유 방향 90°.
샘플은 새로운 TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션으로 측정했습니다(그림 2). 초기 냉각 단계 후, 온도를 -70°C에서 140°C로 5K/min의 가열 속도로 증가시켰습니다. 열팽창 계수는 두 데이터 포인트 사이의 기울기를 계산하는 평균 CTE 분석( NETZSCH 분석 소프트웨어의 m. CTE)을 사용하여 계산했습니다. 모든 측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 샘플 홀더 | 팽창, SiO2로 제작 |
| 샘플 부하 | 50mN |
| 대기 | N2 |
| 가스 유량 | 50 ml/min |
| 온도 범위 | -70°C ... 140°C(5K/min의 가열 속도에서) |
예시: PP-GF-UD의 이방성
이 소재는 측정하는 방향에 따라 다른 CTE를 나타냅니다. 이러한 종류의 복합재의 CTE는 매트릭스와 그 안에 포함된 섬유의 CTE가 결합된 값입니다. 그렇기 때문에 이러한 재료의 CTE는 방향에 따라 상당히 달라집니다. 두 가지 다른 섬유 방향에서 PP-GF의 CTE 측정 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 빨간색 곡선은 광케이블 방향 0°에서의 측정값을 나타냅니다. 낮은 CTE 값은 유리의 CTE 범위에 속하며 이 측정 방향이 유리 섬유의 낮은 열팽창에 의해 지배된다는 것을 보여줍니다. 섬유 방향으로 90° 측정된 동일한 재료(검은색 곡선)는 폴리프로필렌 매트릭스에 의해 지배됩니다. 이것은 훨씬 더 높은 CTE를 나타내며 -7°C에서 폴리프로필렌의 알려진 유리 전이(Tg)를 나타내며 빨간색 곡선에서는 관찰할 수 없습니다.
매트릭스에서 합성물의 CTE의 지배적인 방향은 혼합 법칙을 따릅니다:
여기서 α는 선형 열팽창 계수(CTE), v는 부피 비율, 인덱스 f와 m은 각각 파이버와 매트릭스를 나타냅니다. 0° 섬유 방향에서 측정된 CTE가 αf와 동일하고 폴리프로필렌 매트릭스의 CTE가 αm= 1.6 - 10-4K-1 (여기서는 측정되지 않음)에 해당한다고 가정하면 측정된 복합재의 유리 섬유 체적 분율은 다음과 같이 계산됩니다:
요약
이 연구는 섬유 방향에 따른 고성능 복합 재료의 열팽창 계수 분석의 중요성을 보여주었습니다.
인정
샘플을 제공해 주신 Neue Materialien Bayreuth GmbH에 감사의 말씀을 드립니다.
노이에 머티리얼리엔 바이로이트 GmbH 소개
노이에머티리얼리엔 바이로이트 GmbH는 폴리머와 섬유 강화 복합재부터 가공을 포함한 금속에 이르기까지 경량 건축을 위한 다양한 신소재를 개발하는 비학술 연구 회사입니다. 이 회사는 사용 가능한 재료와 생산 공정을 최적화하여 애플리케이션 중심의 솔루션을 제공합니다.