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엄격한비단벌레5
탄소섬유는 가벼운데 왜 단단한가요?
탄소섬유는 자전거나 항공기처럼 무게를 줄여야 하는 제품에 쓰인다고 들었습니다. 가느다란 섬유를 모아 만든 재료가 금속을 대신할 정도로 힘을 견디는 이유가 궁금한데요. 이러한 탄소 섬유는 어떠한 원리로 가벼우면서도 강한 속성을 갖는 건가요?
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
탄소섬유가 가벼우면서도 극도로 단단한 이유는 원소 자체의 가벼운 질량과 결정 구조 내부의 강력한 탄소 간 공유결합 덕분입니다. 탄소는 원자번호 6번의 가벼운 원소로 기본 밀도가 낮아 무게 대비 부피 효율이 뛰어나며 이들이 육각형 벌집 모양의 평면 구조를 이루며 섬유 축 방향으로 길게 정렬됩니다. 이 구조 안에서 탄소 원자들을 잇는 공유결합은 자연계에서 손꼽히게 강력하여 외부에서 강한 인장력이 가해져도 변형이나 파단에 저항하는 힘이 매우 큽니다. 즉 가벼운 원소들이 특유의 배향성을 지닌 단단한 결정 격자를 형성해 질량 대비 강성과 탄성률을 극대화하는 것입니다. 여기에 에폭시 수지 등과 결합해 하중을 고르게 분산시키는 복합재 형태를 취하므로 금속을 대체할 만큼 가볍고도 견고한 기계적 물성을 발휘할 수 있습니다
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채택된 답변안녕하세요. 박재화 박사입니다.
탄소섬유는 탄소 원자들이 매우 강한 결합으로 길게 배열되어 있어 섬유 방향으로 큰 힘을 견딜 수 있습니다. 또 탄소 자체의 밀도가 철이나 강철보다는 낮기 때문에 같은 무게라면 훨씬 가볍게 만들 수 있습니다.
실제로는 탄소섬유만 쓰는 것이 아니라 에폭시 같은 수지와 섞어 탄소섬유강화플라스틱이라고 불리는 CFRP 형태로 사용하는 경우 많습니다. 섬유는 당기는 힘을 주로 견디고 수지는 섬유를 고정하고 힘을 서로 전달해 전체 구조의 강성과 강도를 높이는 것입니다.
가볍고 강한 섬유를 원하는 방향으로 배열해 힘을 효율적으로 버티게 만든 것이 탄소섬유 복합재의 핵심이라 볼 수 있습니다.
안녕하세요.
탄소섬유는 탄소 원자들이 강한 결합으로 연결되어 있어 잡아당기는 힘에 매우 잘 견뎌요. 또한 섬유 자체가 가늘고 가볍기 때문에 무게에 비해 높은 강도를 낼 수 있죠.
여러 가닥을 일정한 방향으로 배열하고 수지와 결합하면 외부에서 가해지는 힘을 효과적으로 분산시킬 수도 있습니다만, 모든 방향에서 강한 것은 아니고, 섬유가 배열된 방향에 따라 강도가 달라지는 특징이 있어요.
이런 특성 덕분에 항공기나 자전거처럼 무게를 줄이면서 높은 강도가 필요한 제품에 널리 활용돼요.
감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
탄소섬유가 가벼우면서도 강한 이유는 탄소 원자 고유의 강력한 결합 구조와 섬유 방향으로 정렬된 부낮 배열 그리고 이를 굳혀주는 복합재 원리 때문 입니다.
탄소 원자 자체가 철이나 금속 원자에 비해 무게가 훨씬 가볍기 때문에 소재 자체가 근본적으로 가볍습니다. 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형 평면의 공유결합으로 단단하게 엮여 있어 기본 구조 자체가 튼튼합니다.
제조 과정에서 탄소 사슬들을 섬유가 늘어나는 길이 방향으로 일렬 정렬시켜 잡아당기는 힘을 철의 10배 이상 견디게 만듭니다.
질긴 탄소섬유 뼈대에 가벼운 플라스틱수지를 결합함으로써 단단한 형태를 유지하고 금속을 대체할 강도를 완성시키게 되는 것 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
탄소는 원자 자체가 가벼워서 철 원자 무게의 5분의 1 남짓이고, 탄소섬유 밀도도 1.8 정도로 강철의 4분의 1이에요. 그런데 탄소끼리 육각형 그물로 이어진 결합은 자연에서 손꼽히게 강해서, 이 그물이 섬유 길이 방향으로 나란히 누워 있으면 잡아당기는 힘을 원자 결합이 직접 받아내요.
이 배열은 제조 공정에서 만들어져요. 아크릴 계열 섬유를 팽팽하게 당긴 채 200~300도에서 산화시켜 모양을 고정하고, 산소 없이 1000도 넘게 구우면 다른 원소는 빠져나가고 탄소만 남아요. 당긴 상태로 구웠으니 탄소 그물이 섬유 축을 따라 가지런히 정렬돼요.
섬유 한 가닥은 지름이 5~7마이크로미터로 아주 가늘어서 균열의 씨앗이 될 결함이 들어설 자리가 적어요. 인장강도는 3~7기가파스칼로 고강도강의 몇 배에 이르러요.
대신 섬유 방향으로만 강하고, 옆에서 누르거나 꺾는 힘에는 약하며 휘지 않고 바로 부러져요. 그래서 수지로 굳히고 여러 방향으로 겹쳐 쌓아 강도를 맞춰 써요 :)