탄소섬유는 어떻게 철보다 가벼우면서 더 강할 수 있나요?

Question

고급 자전거나 비행기 부품에 탄소섬유를 쓴다는데, 무게는 철의 4분의 1 수준인데 강도는 더 높다고 해요. 탄소 원자로 이루어진 섬유가 어떻게 그렇게 강한지, 왜 모든 제품에 쓰지 않고 비싼지, 충격을 받으면 금속과 다르게 부서지는 이유가 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

탄소 원자 자체의 원자량이 철보다 훨씬 작아 기본적으로 매우 가벼운데 원자 간 결합 중 가장 강력한 공유결합으로 육각형 벌집 구조를 이룬 뒤 이를 섬유 방향으로 길고 촘촘하게 정렬했기 때문에 철보다 강도가 뛰어납니다 이처럼 원자 수준에서 가늘게 뽑아낸 섬유는 잡아당기는 힘에 극도로 강해져 철의 4분의 1 수준 무게로도 몇 배 이상의 강도를 지니게 됩니다 하지만 원료 수지를 수천 도의 고온에서 단단하게 태우고 가공하는 공정이 매우 복잡하며 에너지 소모가 크고 생산 속도가 느려 단가가 비쌉니다. 또한 섬유 자체는 굳지 않으므로 에폭시 수지 등 합성수지와 굳혀 복합소재로 만들어야만 형태를 유지할 수 있어 성형 기법과 가공 난이도가 높은 단점이 있습니다 금속은 외력을 받으면 원자층이 슬라이딩하듯 찌그러지면서 변형 에너지를 흡수하는 연성을 가지지만 탄소섬유 복합재는 연성이 거의 없습니다 따라서 충격이 한계치를 넘어서면 내부 결합과 에폭시 기질이 찌그러지는 대신 한 순간에 균열이 퍼지며 파쇄되는 취성을 보입니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

탄소섬유 속 탄소 원자는 흑연처럼 육각형 그물을 이루고, 이 그물 층이 섬유 길이 방향으로 나란히 늘어서 있어요. 탄소끼리의 결합은 자연에서 가장 단단한 결합 중 하나라서 섬유 방향으로 당기면 인장강도가 3.5~7GPa에 이르러요. 일반 강철보다 몇 배 높은 값이에요. 탄소는 가벼운 원소라 밀도도 강철의 4분의 1 정도예요. 머리카락보다 가는 7μm 굵기라 내부 결함이 적은 것도 강도를 높여줘요. 실제 제품은 이 섬유를 여러 방향으로 겹쳐 에폭시 수지로 굳힌 복합재로 만들어요.

값이 비싼 건 만드는 과정이 까다로워서예요. 원료 섬유를 공기 중에서 200~300℃로 오래 굽고, 산소를 막은 상태로 1,000℃ 넘게 다시 가열해 탄소만 남겨요. 에너지가 많이 들고 무게도 절반가량 날아가요. 성형도 사람이 층을 쌓고 고압 오븐에서 굳혀야 해서 철판을 찍어내듯 빠르게 만들 수 없어요. 재활용이 어렵고 한 번 손상되면 수리도 까다로워요.

금속은 충격을 받으면 원자층이 미끄러지며 휘거나 찌그러지고, 그 과정에서 에너지를 흡수해요. 탄소섬유의 공유결합은 미끄러지지 않아서 한계까지 버티다가 한순간에 끊어져요. 섬유 방향이 아닌 옆에서 충격을 받으면 겉은 멀쩡해 보여도 안쪽 층이 떨어지는 박리가 생기기도 해요. 탄소 자전거를 넘어뜨렸다면 겉모습만 보지 말고 점검을 받으라고 하는 이유예요 :)