재료공학과 관련해서 금속 재료와 복합 재료의 특성과 이를 선택할 때 고려해야 할 주요 요소들에 대해 설명해 주실 수 있나요?

Question

항공기 구조물이나 자동차 부품을 설계할 때 금속 재료와 복합 재료의 장단점을 어떻게 평가하고, 어떤 상황에서 어떤 재료를 선택하는 것이 더 적절한지 알고 싶습니다. 또한, 재료의 피로도와 내구성을 평가하는 방법과, 이를 통해 제품의 수명을 예측하는 과정에 대해서도 설명해 주시면 감사하겠습니다.

김재훈 전문가 · Accepted Answer

안녕하세요 금속 재료와 복합 재료는 항공기 구조물 및 자동차 부품 설계에 각각 장단점을 가지고 있어, 적절한 선택은 설계 요구 사항에 따라 달라집니다.금속 재료는 강도, 내구성, 열전도성이 뛰어나 엔진, 랜딩 기어, 차체 프레임과 같이 높은 강도와 안정성이 중요한 부품에 적합합니다. 또한, 비교적 저렴하고 재활용이 용이하여 대량 생산에 유리합니다.반면, 복합 재료는 경량성, 높은 비강도, 설계의 자유도 등의 장점을 가지고 있습니다. 특히, 탄소 섬유와 같은 강화 섬유는 금속보다 훨씬 가볍지만 동일한 강도를 제공할 수 있어 항공기 날개, 자동차 차체 패널과 같이 무게 감소가 중요한 부품에 효과적입니다. 또한, 복합 재료는 다양한 방향의 강도를 조절할 수 있어 복잡한 형상의 부품 제작에도 유리합니다.하지만, 복합 재료는 금속 재료보다 제작 비용이 높고, 수리 및 재활용이 어려울 수 있습니다. 또한, 고온이나 강한 충격에 취약할 수 있어 모든 상황에 적합하지는 않습니다.

김찬우 전문가 · Answer

안녕하세요, 전문가 김찬우 입니다. 질문의 범위가 넓어서 최대한 요약적으로 답변 드리겠습니다. 아마 내용을 아시고 질문을 하신것 같지만 재료의 종류를 선택할 땐 사용 목적에 맞춰서 고르게 됩니다. 우선순위를 정하게 되겠지만 선박의 경우는 물과 접촉했을 때 부식에 대한 저항, 그리고 물에 떠야하므로 부력, 내부로 수분이 침투되지 않는 용접 등을 고려하게 됩니다. 자동차의 경우는 빠르게 움직이기 위한 가벼움, 충격을 받았을 때 충격을 흡수할 수 있는재료 등을 고려 하게 될 것입니다. 비행기의 경우는 빠른속도로 움직여도 부숴지지 않는 강도, 공중으로 뜨기위한 양역을 만들 수 있는구조, 지상보다 높은 곳에서 받게되는 태양방사선 차폐 등 여러가지를 고려해서 제작하게 됩니다.너무 많은 경우가 있으므로 제조사는 과거의 데이터 현장의 상황 등을 고려하여 디자인 하고 제품을 만듭니다. 수명예측 역시도 현실의 상황을 고려하여 진행하게 됩니다. 제가 근무하는 한국의류시험연구원에서는 자동차의 재료에 대한 신뢰성 시험을 진행하고 있는데 이를 예로 들어드리겠습니다. 자동차의 경우 극지방과 적도지방에서 사용될 수 있습니다. 그래서 재료를 가속환경실험장비로 온도를 고온에서 저온으로 이동시키고 동시에 습도도 변화를 시키며 거기에 더해 아침에 해가지고 뜨는 것을 묘사하기 위한 자외선 도 조사하여 환경을 가속하여 신뢰성 평가를 하고 있습니다. 온도 습도 자외선 을 따로 평가하는 것이 아니라 하나의 장비에서 처리를 하는데 이를 사이클 화 하여 지역에 맞는 조건을 제조사에서 지정해주는데 여기에 맞춰 평가를 합니다.그럼 답변 읽어주셔서 감사드리며, 도움이 되셨다면 '추천'과 '좋아요' 부탁드리겠습니다. 추가로 궁금하신 사항이 있으시면 언제든지 댓글달아주시면 답변 드리겠습니다:)