복합재료공학과

탄소섬유강화플라스틱

Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)

인장강도는 매우 높지만 압축·충격에 약한 탄소섬유를, 접착력은 있지만 강도는 약한 플라스틱 수지가 감싸 서로의 약점을 보완하는 복합재료. 전체 탄성계수 는 섬유와 수지 각각의 부피 비율 로 근사할 수 있어, 섬유 함량을 높일수록 강성이 커짐.

ex) F1 레이싱카 차체와 최신 여객기(보잉787) 동체가 알루미늄 대신 CFRP로 만들어지는 이유(강철급 강도에 훨씬 가벼움).

이종재료 접합기술

Dissimilar Materials Joining

금속과 복합재료처럼 열팽창계수·전기화학적 특성이 크게 다른 재료를 용접(전기저항으로 인한 손상 위험)이 아닌 접착제 본딩이나 기계적 체결(리벳)로 안정적으로 결합시키는 기술. 이종 금속이 접촉하면 갈바닉 부식이 발생할 수 있어 절연 처리도 함께 고려해야 함.

ex) 차체는 강철, 후드는 알루미늄으로 만든 자동차의 서로 다른 부위를 안정적으로 접합하는 기술.

경량화 구조재료 역학

Lightweight Structural Materials Mechanics

단순히 가벼운 재료를 쓰는 게 아니라, 밀도 대비 강도의 비율인 비강도가 높은 재료를 고르고, 재료를 속이 빈 샌드위치 구조나 격자 구조로 배치해 같은 무게로도 굽힘 강성을 극대화하는 구조 설계를 다루는 역학.

ex) 항공기 동체 패널을 속이 빈 벌집(허니콤) 구조로 만들어 무게 대비 강성을 최대화하는 설계.

적층판 이론

Laminate Theory (Classical Lamination Theory)

복합재료 판은 섬유 방향이 각기 다른 여러 얇은 층(플라이)을 겹쳐 만드는데, 각 층은 섬유 방향으로는 강하고 그 수직 방향으로는 약한 극단적 이방성을 가짐. 이 이론은 각 층의 방향·순서·두께를 알면 판 전체가 하중을 받았을 때 층마다 어떻게 다른 응력을 받는지, 왜 어떤 층부터 파손이 시작되는지를 계산할 수 있게 해줘, 원하는 방향의 하중에 맞춰 층 배열 순서(적층 시퀀스)를 최적 설계하는 도구가 됨.

ex) 항공기 날개가 비행 중 받는 굽힘·비틀림 하중 방향에 맞춰 탄소섬유 층의 각도를 0°/45°/90°로 섞어 배치하는 설계.

층간분리(delamination)

Delamination

복합재료 적층판의 각 층은 섬유 방향으로는 매우 강하지만, 층과 층 사이는 상대적으로 약한 수지 접착력만으로 붙어있어, 충격이나 반복 하중을 받으면 섬유가 끊어지기 전에 층 사이가 먼저 벌어지는 층간분리가 일어날 수 있음. 겉보기에는 손상이 안 보여도 내부에서 층간분리가 진행되면 강도가 크게 떨어질 수 있어, 초음파 탐상 같은 비파괴검사로 내부 층간분리 여부를 정기적으로 점검함.

ex) 항공기 복합재 동체가 낮은 충격에도 겉보기엔 멀쩡해 보이지만 내부에 층간분리가 생길 수 있어 정밀 검사가 필수적인 이유.

복합재료 제조공정(오토클레이브)

Composite Manufacturing (Autoclave Process)

탄소섬유에 미리 수지를 함침시켜 반경화 상태로 만든 프리프레그를 원하는 형상의 금형 위에 겹겹이 쌓은 뒤, 고온·고압 챔버(오토클레이브)에 넣어 수지를 완전히 경화시키면서 동시에 기포를 압력으로 눌러 제거하는 항공우주급 복합재료 제조 공정. 기공이 거의 없는 고품질 부품을 만들 수 있지만 오토클레이브 자체가 크고 비싸 생산 속도와 비용이 제약됨.

ex) 여객기 동체·날개 같은 대형 항공우주 복합재 부품이 오토클레이브에서 제작되는 것.