복합재료
섬유 강화 복합재료의 등변형률·등응력 혼합 법칙, 부피 분율, CFRP와 GFRP, 임계 섬유 길이, 적층판의 이방성, 계면의 역할, 금속 기지·세라믹 기지 복합재료를 3지선다 문제로 학습합니다.
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복합재료 핵심 정리
복합재료는 성질이 다른 재료를 조합하여 단독으로는 얻을 수 없는 성질을 끌어낸 재료입니다. 섬유 강화 플라스틱에서는 강하고 강성이 높은 섬유가 하중의 대부분을 담당하고, 수지 기지(매트릭스)가 섬유에 하중을 전달합니다. 섬유에 평행한 방향의 영률은 등변형률 혼합 법칙으로, 수직 방향의 영률은 등응력 혼합 법칙으로 추정하며, 일방향재는 방향에 따라 강성이 크게 다릅니다. 그래서 방향이 다른 층을 겹친 적층판으로 만들어 사용합니다.
섬유와 기지를 잇는 계면은 성능을 크게 좌우합니다. 단섬유에서는 계면의 전단으로 응력이 전달되는 길이로서 임계 섬유 길이가 있으며, 유리 섬유에서는 커플링제로 접착을 강화합니다. 한편 세라믹 기지 복합재료에서는 계면을 일부러 약하게 하여 섬유의 뽑힘(pull-out)으로 인성을 높입니다. 금속 기지 복합재료는 강성과 내마모성을 높이고 열팽창을 작게 할 목적으로 사용됩니다.
복합재료 문제 목록(12문제)
- 섬유 강화 복합재료에서 기지(매트릭스)의 주된 역할로 옳은 것은 무엇인가?
- 탄소 섬유와 에폭시 수지로 이루어진 복합재료에서 탄소 섬유의 질량 분율이 70%이다. 탄소 섬유의 밀도를 1.80 g/cm³, 에폭시 수지의 밀도를 1.20 g/cm³로 하고 보이드(공극)는 없다고 하면, 섬유의 부피 분율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 일방향으로 정렬된 연속 섬유 복합재료에 대해, 혼합 법칙의 등변형률 식과 등응력 식의 구분 사용으로 옳은 것은 무엇인가?
- 유리 섬유(영률 72 GPa)를 부피 분율 40%로 일방향으로 넣은 수지(영률 3.0 GPa) 복합재료를 섬유에 평행한 방향으로 인장한다. 탄성 범위에서 하중 중 섬유가 담당하는 비율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 유리 섬유(영률 72 GPa)를 부피 분율 50%로 일방향으로 넣은 수지(영률 3.0 GPa) 복합재료가 있다. 섬유에 수직인 방향의 영률을 등응력 혼합 법칙으로 추정하면 얼마에 가장 가까운가?
- 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)과 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)의 비교로 옳은 것은 무엇인가?
- 일방향 CFRP(섬유 방향의 영률 140 GPa, 밀도 1.6 g/cm³)와 강(영률 210 GPa, 밀도 7.9 g/cm³)의 섬유 방향 비탄성률(영률/밀도)의 비 CFRP/강에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 기지 속에 묻힌 단섬유를 섬유 방향으로 인장했을 때, 섬유 속 인장 응력의 분포로 옳은 것은 무엇인가? 계면은 미끄러지지 않고 일정한 전단 응력으로 하중을 전달한다고 한다.
- 일방향재의 층을 [0/90]ₛ와 같이 직교시켜 대칭으로 쌓은 적층판의 면내 강성에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 유리 섬유를 수지의 보강에 사용할 때 섬유 표면을 실란 커플링제로 처리하는 주된 목적은 무엇인가?
- SiC 입자로 알루미늄 합금을 강화한 금속 기지 복합재료(MMC)의 성질로 옳은 것은 무엇인가?
- SiC 섬유로 강화한 세라믹 기지 복합재료(CMC)에서 섬유와 기지의 계면에 질화붕소(BN)나 열분해 탄소의 얇은 피복을 두는 주된 목적은 무엇인가?