차세대 물질이라고 하는 탄소섬유는 어떻게 만드나요?
철보다 강하고 단단하며 또한 가벼워서 여러 산업용품에 다양하게 쓰일 수 있다는 탄소섬유가 있다고 하는데..
이 탄소섬유는 어떻게 제조하는 것일까요?
또한, 실제 현실에서 적용하고 있는 분야 및 제품은 어떤것이 있는지 궁금합니다.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
탄소섬유는 주로 아크릴계열 섬유와 같은 폴리아크릴로나 석유계열의 피치를 원료로 제조됩니다. 탄소섬유를 만드는 과정은 크게 3단계로 나뉩니다.
섬유화 과정 원료인 폴리아크릴로나 섬유나 피치를 고온에서 열분해하여 탄소화합물을 생성하는 과정입니다. 이때 생성된 탄소화합물은 아주 미세한 섬유로 형성되어 스핀들에 감겨 탄소섬유 전구체인 섬유원료가 만들어집니다.
카본라이제이션 과정 섬유원료를 1,0002,000도의 고온에서 진공 상태로 열분해하여 탄소 결정체를 형성하는 과정입니다. 이 과정에서 섬유 내부에 있는 직경이 510μm에 이르는 나노 크기의 탄소 결정체들이 길이 방향으로 배열됩니다. 이것이 탄소섬유의 강도와 경도를 결정하는 구조입니다.
열처리 과정 탄소 결정체를 고온에서 열처리하여 결정화 시키는 과정입니다. 이 과정에서 섬유의 견고함과 내구성이 높아지며, 탄소섬유의 최종적인 물성이 결정됩니다. 이후 필요에 따라 강화 작업을 수행하여 탄소섬유의 강도와 경도를 더욱 높일 수 있습니다.
안녕하세요. 김경욱 과학전문가입니다.
CFRP(carbon fiber reinforced plastic)는 탄소 섬유와 열가소성 수지를 이용하여 만들어진 경량 고강도 복합재료입니다. 일반적인 CFRP 제조 공정은 다음과 같습니다.
섬유 연료(카본 파이버) 생산: 섬유 연료는 폴리아크리로노늄 나이론, 폴리아크리론트리칼복시마이드 등의 고분자 물질로부터 만들어집니다. 이 고분자 물질을 고온 및 고압 조건에서 처리하여 섬유 상태로 만들어집니다.
섬유 적층: 제품 설계에 따라 섬유를 적층하여 필요한 형태로 만들어집니다.
수지 도포: 적층된 섬유에 수지를 도포합니다. 수지는 전열경화성 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지 등이 사용됩니다.
성형: 수지가 도포된 섬유 적층체를 압축하고 열가소성 수지의 경화 반응을 유도하여 성형합니다.
열가공: CFRP 제품의 최종 형태로 가공합니다. 이 단계에서는 절단, 드릴링, 그라인딩, 스크류 인서트, 프레싱 등의 공정이 수행됩니다.
CFRP는 경량, 고강도, 내구성, 낮은 열팽창 계수 등의 우수한 물성을 갖추고 있어 항공, 자동차, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.
안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.
플라스틱 등으로 섬유를 만들고, 산소를 차단한 상태에서 고열을 가해 탄소만 남기는 방법으로 만들게 됩니다.
나무로 숯을 만드는 방법과 비슷한 방법입니다.
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.
탄소섬유는 탄소 섬유 선물을 이용하여 만들어집니다. 탄소 섬유 선물은 폴리아크릴로나 섬유유리 등의 원료에서 만들어집니다. 먼저, 원료를 고온고압 상태에서 첨가제와 함께 열분해시켜 섬유 상태로 만듭니다. 이후 섬유는 적절한 크기로 잘라지고, 섬유의 표면을 처리하여 부드러운 상태로 만들어집니다.
이렇게 만들어진 탄소 섬유 선물을 이용하여 탄소섬유를 만듭니다. 먼저 선물을 다수개를 모아 묶어서 적당한 크기의 프리폼을 만들고, 이를 다시 고온고압 상태에서 열분해하여 탄소 섬유로 만들어집니다. 이때 열분해과정에서는 고온하고 고압의 가스가 사용되며, 이 가스는 섬유 내부로 침투하여 고온하고 고압의 환경을 유지합니다.
탄소 섬유 선물의 수, 모양, 크기, 열분해 조건 등에 따라서 탄소섬유의 물성이 달라질 수 있습니다. 탄소섬유는 가볍고 강도가 높아서 항공기, 자동차, 운동용품 등 다양한 산업에서 사용됩니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.탄소섬유는 탄소원료인 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 원료로 제조됩니다. 제조과정에서는 PAN을 먼저 열분해시켜 연소, 산화, 탈유기 등의 과정을 거쳐 카본화 합니다. 그 후 카본화된 섬유를 열처리하여 결정화시켜 강도를 높입니다. 이렇게 만들어진 탄소섬유는 매우 강하고 단단하며 가벼워서, 항공기, 자동차, 우주선 등의 산업용품에 널리 사용됩니다.
실제로 적용되고 있는 분야 및 제품으로는 항공기의 구조물, 자동차의 카본 파이버 부품, 골프채, 농구대, 레크리에이션용품 등이 있습니다. 또한 탄소섬유를 이용한 새로운 제품도 계속해서 개발되고 있습니다. 탄소섬유는 강도가 높기 때문에 구조물의 무게를 줄일 수 있고, 적은 연료로 높은 속도를 유지할 수 있어서 미래 지속 가능한 산업 분야에서 더욱 많은 활용이 예상됩니다.
