복합재료는 왜 금속보다 가볍고도 강하게 만들 수 있는건가요?

Question

항공기나 자동차에 복합재료가 많이 쓰이는 이유가 무게와 강도 때문이라고 하더라고요. 서로 다른 재료를 섞었을 때 어떤 구조적 장점이 생기는지 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

복합 재료들은 말 그대로 여러가지 재료를 복합적으로 사용한 재료입니다. 각각의 재료들이 가진 장점과 같이 썼을 때의 시너지를 기대하는 것입니다.

대표적인 복합소재로 언급되는 것이 탄소섬유 복합체 입니다. 탄소섬유 복합체는 가늘면서도 강한 섬유가 힘을 버티면서 주변의 수지들이 섬유를 잡아주기 때문에 변형이 적으면서도 강력함을 보일 수 있습니다.

금속은 전체가 한 덩어리로 힘을 받는 반면에 복합재료는 섬유 방향을 맞춰서 필요한 방향의 강도를 크게 높일 수도 있는 장점들을 가지고 있습니다. 대표적으로 골프체 같은 것 만봐도 탄소섬유 복합체로 만든 골프체는 가벼우면서도 탄성도 좋고 강한 특징이 있습니다.

같은 무게라면 금속보다 더 큰 힘을 버티게 만들 수 있고, 같은 강도라면 무게를 줄일 수 있는 장점이 있는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

복합재료는 한 가지 재료만 사용하는 대신 강한 섬유와 가벼운 기지를 조합해 각각의 장점을 극대화하기 때문에 금속보다 가볍고도 강하게 만들 수 있습니다 예를 들어 탄소섬유강화플라스틱은 탄소섬유가 하중을 담당하고 수지가 섬유를 묶어 주어 높은 강도와 강성을 유지하면서도 무게는 철의 약 1/4 수준에 불과합니다 또한 필요한 방향으로만 섬유를 배열해 하중을 효율적으로 분산할 수 있어 자동차 풍력발전기 블레이드 등에 널리 사용됩니다

Answer 3

안녕하세요.

복합재료는 서로 다른 재료의 장점을 살리고 단점은 보완하기 위해서 설계되는 경우가 많습니다. 그래서 금속보다 가벼우면서도 단단하게 만들 수 있죠.

대표적인 것인 CFRP라고 하는 탄소섬유복합체입니다. 탄소섬유가 하중을 견디고, 주변의 수지들이 섬유를 단단히 고정해서 힘을 골고루 분산시키는 구조를 가지고 있죠. 그래서 무게는 줄이면서도 높은 강도를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

그리고 필요한 방향으로만 섬유를 배열해 특정 방향의 강도를 크게 높일 수 있어서 같은 무게의 금속보다 더 효율적인 설계가 가능할 수 있습니다. 어떻게 디자인 하느냐가 중요할 수 있다는 것이죠.

감사합니다.