탄소 섬유 소개

1. 정의와 구성

탄소 섬유는 주로 탄소 원자로 구성된 고성능 재료입니다. 이 탄소 원자는 섬유의 장축에 대해 다소 평행 한 미세한 결정에 함께 결합된다. 탄소 섬유의 탄소 함량은 일반적으로 90%이상입니다. 일반적으로 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN), 레이온 또는 피치와 같은 탄소가 풍부한 중합체 전구체로 만들어집니다. 일련의 복잡한 공정을 통해 전구체는 탄소 섬유로 변환되며 대부분의 비 탄소 요소가 제거됩니다.

 

2. 속성과 장점

탄소 섬유는 다양한 놀라운 특성을 자랑합니다. 첫째, 강도는 매우 높은 중량 비율을 가지고 있습니다. 강철보다 훨씬 가볍지 만 여러 배나 더 강할 수 있으므로 강도를 희생하지 않고 체중 감소가 중요한 응용 분야에 이상적입니다. 둘째, 탄소 섬유는 탁월한 강성을 가지므로 하중 하에서 변형에 저항 할 수 있음을 의미합니다. 이 속성은 엔지니어링 구조에서 높은 가치가 있습니다.

또한, 탄소 섬유는 우수한 화학 저항성을 나타내며 많은 부식성 물질에 대한 노출을 견딜 수 있습니다. 또한 열 팽창이 낮으므로 상당한 온도 변화에서도 모양과 치수를 유지합니다.

탄소 섬유의 장점은 다양한 산업에서 수많은 이점으로 해석됩니다. 항공 우주 산업에서 경량은 연료 소비를 줄이고 페이로드 용량을 늘리는 데 도움이됩니다. 자동차 부문에서는 안전을 향상시키면서 차량 성능과 연료 효율을 향상시킬 수 있습니다. 스포츠 장비에서 카본 섬유는 테니스 라켓 및 자전거와 같은 가볍고 반응이 좋은 장비를 만들 수 있습니다.

 

탄소 섬유 제조 공정

3. 선구자 선택

탄소 섬유 제조의 첫 번째 단계는 적합한 선구자를 선택하는 것입니다. 앞에서 언급 한 바와 같이, 일반적인 전구체에는 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN), 레이온 및 피치가 포함됩니다. PAN은 높은 탄소 수율과 고강도 탄소 섬유를 생산하는 능력으로 인해 가장 널리 사용되는 선구자입니다. 반면 Rayon은 사용 된 최초의 선구자 중 하나 였지만 탄소 수율이 낮습니다. 피치는 석유 또는 석탄 가공의 부산물이며, 높은 모듈 루스 섬유와 같은 다른 특성을 갖는 탄소 섬유를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 전구체의 선택은 강도, 모듈러스 및 비용을 포함한 최종 탄소 섬유 생성물의 원하는 특성에 의존합니다.

 

4. 사전 산화

전구체가 선택되면 사전 산화를 겪습니다. 이 과정은 전구체 섬유를 안정화시키고 후속 탄화 단계를 준비하기 때문에 중요합니다. 사전 산화 동안, 전구체 섬유는 산소가 풍부한 환경에서, 일반적으로 200도에서 300도 사이의 온도에서 가열된다. 이것은 중합체 사슬 사이의 가교 형성과 같은 섬유 내의 화학 반응을 유발한다. 이들 가교 링크는 탄화시 섬유가 녹지 않거나 융합되는 것을 방지하고 섬유 구조를 유지하는 데 도움이된다. 사전 산화 공정은 몇 시간이 걸릴 수 있으며, 정확한 조건은 섬유의 균일 한 처리를 보장하기 위해 신중하게 제어됩니다.

 

5. 탄화

사전 산화 후, 섬유는 탄화시킨다. 이 단계에서, 사전 산화 된 섬유는 질소와 같은 불활성 대기에서 일반적으로 1000도에서 2000도 사이의 고온으로 가열된다. 이러한 고온에서, 수소, 산소 및 질소와 같은 섬유의 비 탄소 요소의 대부분은 휘발성 가스로 제거됩니다. 나머지 탄소 원자는보다 순서가 높은 구조로 자신을 재 배열하여 탄소 섬유의 특징적인 흑연과 같은 층을 형성합니다. 탄화 공정은 섬유의 탄소 함량을 90% 이상으로 증가시키고 강도와 강성을 크게 향상시킵니다.

 

6. 흑연화 (선택 사항)

흑연은 탄소 섬유 제조 공정의 선택적 단계입니다. 그것은 비활성 대기에서 탄산 섬유를 일반적으로 2000도 이상으로 더 높은 온도로 가열하는 것을 포함합니다. 이러한 극한 온도에서, 섬유의 탄소 원자는 더 높은 순서가되어보다 완벽한 흑연 구조를 형성한다. 흑연화 된 탄소 섬유는 탄성 계수가 더 높기 때문에 단단하고 변형에 더 잘 저항 할 수 있습니다. 그러나, 흑연화는 또한 섬유의 강도를 어느 정도 감소시킨다. 이 단계는 일반적으로 항공 우주 구성 요소 및 고성능 스포츠 장비와 같이 강성이 필요한 응용 분야에 예약되어 있습니다.

 

탄소 섬유 부품을위한 형성 방법

7. 펄트

Pultrusion은 일정한 단면으로 탄소 섬유 부품을 생성하는 데 사용되는 지속적인 제조 공정입니다. 이 방법에서, 탄소 섬유 로빙은 수지 욕조를 통해 잡아 당겨 수지로 임신한다. 그런 다음 함침 된 섬유는 가열 된 다이를 통과하여 수지가 치료되고 부품이 최종 모양을 취합니다. 이 과정은 매우 효율적이며 막대, 튜브 및 빔과 같은 길고 직선 부품을 생산할 수 있습니다. 강력하고 경량 구조 구성 요소를 만들 수있는 능력으로 인해 건설 및 인프라 산업에 종종 사용됩니다.

 

8. 필라멘트 와인딩 몰딩

필라멘트 - 와인딩 성형에는 특정 패턴으로 회전 맨드릴 주위에 연속 탄소 섬유 필라멘트를 감싸는 것이 포함됩니다. 섬유는 일반적으로 사전 임신 - 수지 또는 수지가 권선 공정 동안 적용됩니다. 원하는 수의 층이 상처를 입으면 부품이 경화되고 맨드릴이 제거됩니다. 이 방법은 압력 용기, 로켓 모터 케이싱 및 파이프와 같은 원통형 또는 구형 부품을 만드는 데 이상적입니다. 그것은 파이버 방향을 정확하게 제어 할 수있게하여 부품의 기계적 특성을 최적화 할 수 있습니다.

 

9. RTM (수지 전달 성형)

RTM (Resin Transfer Molding)은 폐쇄형 프로세스입니다. 먼저, 건조 탄소 섬유 사전 양식이 금형 공동 안에 배치됩니다. 그런 다음 몰드를 닫고 공동으로 압력하에 수지를 주입하여 섬유 사이의 공간을 채 웁니다. 수지 경화 후 금형이 열리고 완성 된 부분이 제거됩니다. RTM은 높은 표면 품질과 치수 정확도로 복잡한 모양의 부품을 생산할 수 있습니다. 차체 패널, 내부 부품 및 항공기 날개를 제조하는 데 자동차 및 항공 우주 산업에서 일반적으로 사용됩니다.

 

10. 압축 성형

압축 성형은 수지 (PREPREG)로 사전 함침 된 사전 측정 된 양의 탄소 섬유가 가열 금형 공동에 배치되는 공정입니다. 그런 다음 금형을 닫고 압력을 가해 재료를 압축하여 곰팡이를 채우고 적절한 통합을 보장합니다. 금형이 가열되면 수지가 경화되고 부품은 금형의 모양을 취합니다. 이 방법은 자동차 신체 부품, 항공기 구조 구성 요소 및 스포츠 장비 프레임과 같은 비교적 간단하거나 중간 정도의 복잡한 형상을 갖춘 대량의 고강도 부품을 생산하는 데 적합합니다. 예를 들어, 자동차 산업에서 압축 관리 탄소 섬유 부품은 후드, 스포일러 및 도어 패널에 사용되어 체중을 줄이고 성능을 향상시킵니다. 항공 우주 부문에서는 날개 갈비뼈와 동체 섹션을 만들기 위해 적용됩니다.

 

11. 주입 성형

탄소 섬유 부품의 사출 성형은 짧은 탄소 섬유와 혼합 된 열가소성 수지를 녹여 고압 하에서 금형 공동에 주입하는 것을 포함한다. 이 방법은 높은 생산 속도, 높은 정밀성 및 세부 사항이 좋은 복잡한 모양을 만드는 기능을 특징으로합니다. 이 공정에는 탄소 섬유의 거친 특성을 처리 할 수있는 특수한 사출 성형 기계가 필요합니다. 전자 장치 하우징, 자동차 내부 구성 요소 및 소비자 제품 부품과 같은 중소형 부품을 생산하는 데 적합합니다. 압축 성형과 같은 다른 방법과 비교하여, 사출 성형은 더 빠른 사이클 시간을 달성 할 수 있지만 섬유 길이 및 방향 측면에서 제한이있을 수 있으며, 이는 부품의 기계적 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

 

탄소 섬유 부품의 후 처리

12. 트리밍 및 가공

형성된 탄소 섬유 부품의 트리밍 및 가공은 여러 목적으로 사용됩니다. 주요 목표는 원하는 치수를 달성하고 성형 공정에서 남은 과도한 재료를 제거하는 것입니다. 이것은 어셈블리 내에서 부품의 적합을 향상시킵니다. 방법에는보다 복잡한 작업을 위해 트리밍 및 CNC 가공을위한 정밀 톱을 사용하는 것이 포함됩니다. 이러한 작업을 수행 할 때는 탄소 섬유의 싸움을 방지하기 위해 날카로운 도구를 사용하는 것이 중요합니다. 또한 탄소 섬유 먼지가 유해 할 수 있으므로 적절한 먼지 수집이 필요합니다. 항공 우주 및 자동차와 같은 엄격한 산업 표준을 충족시키기 위해 공차가 수천 분의 1 인치만큼 빡빡하기 때문에 고정밀 가공이 종종 필요합니다.

 

13. 표면 처리

탄소 섬유 부품을위한 일반적인 표면 처리 방법에는 코팅, 페인팅 및 연마가 포함됩니다. 코팅은 수분, UV 방사선 및 화학 부식과 같은 환경 적 요인에 대한 부품의 저항을 향상시키는 보호 층을 제공 할 수 있습니다. 그림은 부품의 외관을 향상시킬뿐만 아니라 추가 보호 층을 추가 할 수 있습니다. 연마하면 부품을 부드럽고 높은 글로스 마감 처리 할 수 ​​있습니다. 표면 처리는 부품의 내구성과 미적 매력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 자동차 산업에서 잘 코팅 된 탄소 섬유 부품은 더 오랜 시간 동안 광택과 구조적 무결성을 유지할 수 있지만 항공 우주에서는 구성 요소의 전반적인 성능과 수명에 기여할 수 있습니다.

 

응용 프로그램 및 향후 트렌드

14. 현재 응용 프로그램

탄소 섬유 부품은 다양한 산업에서 광범위한 사용을 발견했습니다. 항공 우주 부문에서는 항공기 날개, 동체 섹션 및 엔진 부품에 사용되어 무게를 줄이고 연료 효율을 향상시킵니다. 자동차 산업은 차체 패널, 내부 부품 및 성능 향상 구성 요소에 탄소 섬유를 사용하여 차량 속도 및 취급을 향상시킵니다. 스포츠 장비 제조업체는이를 활용하여 고성능 테니스 라켓, 골프 클럽 및 자전거를 만듭니다. 또한, 탄소 섬유 부품은 해양 산업에서 보트 선체 및 마스트와 풍력 터빈 블레이드의 에너지 부문에서 사용됩니다.

 

15. 미래의 트렌드

탄소 섬유 부품 성형 기술의 미래는 유망하며 몇 가지 주요 트렌드가 등장합니다. 산업 연구에 따르면 2030 년까지 글로벌 탄소 섬유 시장은 10%이상의 CAGR에서 성장할 것으로 예상됩니다. 한 가지 중요한 추세는 프로세스 개선입니다. 고급 자동화 및 로봇 공학은 성형 공정에 점점 더 통합되어 인적 오류를 줄이고 생산 효율성을 향상시킬 것입니다. 예를 들어, 자동 광섬유 배치는 섬유를 정확하게 위치시켜 부품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

비용 절감은 또 다른 중요한 추세입니다. 생산량이 증가하고 새로운 제조 기술이 개발됨에 따라 탄소 섬유 부품의 비용이 감소 할 것으로 예상됩니다. 이를 통해 더 넓은 범위의 산업에 더 접근 할 수 있습니다.

마지막으로 응용 프로그램 영역이 확장됩니다. 탄소 섬유 부품은 소비자 전자 제품과 같은 산업에 침투 할 가능성이 있으며,이 산업은 가벼운 및 고강도 특성을 장치 케이싱에 활용할 수 있습니다. 의료 분야에서는 보철 및 수술기구에 사용되어 더 나은 성능과 환자의 편안함을 제공 할 수 있습니다.