탄소 섬유

Carbon fibers
이 기사는 느슨하거나 짜여진 탄소 필라멘트에 관한 것입니다.항공우주 및 기타 용도에 사용되는 탄소 섬유로 만들어진 단단한 복합 재료는 탄소 섬유 강화 폴리머를 참조하십시오.
카본 필라멘트 직물
시리즈의 일부
파이버전
Kapok seeds I IMG 8004.jpg
천연 섬유
동물
식물.
광물
인공 섬유
재생 섬유
반합성 섬유
합성 섬유

탄소섬유 또는 탄소섬유(CF, 흑연섬유 또는 흑연섬유)는 직경 약 5~10마이크로미터(0.00020~0.00039인치)의 섬유로 대부분 탄소원자로 [1]구성됩니다.탄소 섬유에는 고강성, 고인장 강도, 고강도 대 중량비, 높은 내화학성, 고온 내구성, 저열 [2]팽창 등의 여러 장점이 있습니다.이러한 특성들은 탄소섬유를 항공우주, 토목공학, 군사, 모터스포츠, 그리고 다른 경쟁 스포츠에서 매우 인기 있게 만들었다.다만, 유리 섬유, 현무암 섬유, 플라스틱 [3]섬유와 같은 유사 섬유에 비해 상대적으로 비쌉니다.

탄소섬유를 생산하기 위해 탄소 원자는 섬유에 높은 강도 대 부피비(즉, 크기에 비해 강함)를 제공하기 때문에 섬유 장축과 거의 평행하게 정렬된 결정으로 결합됩니다.수천 개의 탄소 섬유들이 함께 묶여서 견인대를 형성하고, 이것은 단독으로 사용하거나 직물로 짜여질 수 있습니다.

탄소섬유는 보통 다른 재료와 결합하여 복합체를 형성합니다.예를 들어 플라스틱 수지로 침투하여 구우면 탄소 섬유 강화 폴리머(종종 탄소 섬유라고 함)가 형성됩니다. 이 폴리머는 중량 대비 강도가 매우 높고 매우 단단하지만 다소 부서지기 쉽습니다.탄소 섬유는 또한 그래파이트와 같은 다른 재료와 합성되어 내열성이 매우 높은 강화 탄소-탄소 복합 재료를 형성합니다.

역사

비단 고치의 열분해로 생성되는 탄소 섬유.전자 현미경—왼쪽 하단의 눈금 막대가 100 μm를 나타냅니다.

1860년, 조셉 스완은 [4]전구에 사용할 탄소섬유를 처음으로 생산했다.1879년, 토마스 에디슨은 고온에서 면사 또는 대나무 조각을 구워 [5]전기로 가열되는 최초의 백열전구 중 하나에 사용된 탄소 섬유 필라멘트로 만들었다.1880년, 루이스 라티머는 [6]전기로 가열되는 백열전구를 위한 믿을 수 있는 탄소선 필라멘트를 개발했다.

1958년 Roger [7]Bacon은 오하이오주 클리블랜드 외곽에 위치한 Union Carbide Parma Technical Center에서 고성능 탄소섬유를 만들었습니다.그 섬유들은 레이온 가닥을 탄화시킬 때까지 가열하여 제조되었다.이 공정은 비효율적인 것으로 판명되었습니다.그 결과 발생하는 섬유는 약 20%의 탄소만을 포함하고 있었기 때문입니다.1960년대 초, Dr.에 의해 프로세스가 개발되었습니다.폴리아크릴로니트릴(PAN)을 원료로 한 산업과학진흥원의 신도 아키오 씨.이것은 약 55%의 탄소를 함유한 탄소섬유를 생산했다.1960년에 H.I.의 리차드 밀링턴.톰슨 파이버글라스(Tompson Fiberglas Co.)는 레이온을 전구체로 하여 고탄소 함량(99%) 섬유를 제조하는 공정(미국 특허 제329만4489호)을 개발했다.이 탄소섬유는 중량특성에 대한 강도가 높은 복합재료 및 내온성 용도의 보강재로 사용하기에 충분한 강도(탄성계수 및 인장강도)를 가지고 있었다.

탄소섬유의 높은 잠재적 강도는 1963년 햄프셔 판버러에 있는 왕립 항공기 설립에서 W. Watt, L. N. Phillips 및 W. Johnson에 의해 개발된 공정에서 실현되었습니다.이 공정은 영국 국방부에 의해 특허를 받았으며, 그 후 영국 국립연구개발공사가 이미 탄소섬유를 제조하고 있던 롤스로이스, 모르가나이트, 코트올즈 등 3개 회사에 라이센스를 부여했다.1968년 Vickers [8]VC10의 Rolls-Royce Conway 제트 엔진에 Hyfil 탄소 섬유 팬 어셈블리를 성공적으로 사용한 후, RB-211 에어로 엔진을 탑재하여 미국 시장에 진출했습니다.불행하게도, 그 날들은 조류 충돌로 인한 손상에 취약하다는 것이 입증되었다.이 문제와 다른 문제들로 인해 롤스로이스는 1971년에 국유화 되었다.탄소 섬유 생산 공장은 매각되어 Bristol Composite Materials Engineering[9] Ltd(종종 Bristol Composites라고도 함)를 설립했습니다.

1960년대 후반, 일본은 PAN 기반의 탄소섬유를 제조하는 데 앞장섰다.1970년 공동 기술 협정에 의해 유니언 카바이드사는 일본의 도레이 산업 제품을 제조할 수 있게 되었다.Morganite는 탄소 섬유 생산이 핵심 사업의 주변부라고 판단하여 Courtoolds는 영국의 유일한 대형 제조업체로 남게 되었습니다.Courtelle의 수성 무기 공정은 다른 탄소 섬유 제조업체가 사용하는 유기 공정에 영향을 미치지 않는 불순물에 제품을 민감하게 만들었고, Courtauld는 1991년 탄소 섬유 생산을 중단시켰다.

공장에서 카본 파이버 시트를 사용하여 성형할 수 있습니다.

1960년대에 대체 원료를 찾기 위한 실험적인 작업이 석유 가공에서 파생된 석유 피치로 만들어진 탄소 섬유의 도입으로 이어졌다.이 섬유들은 약 85%의 탄소를 함유하고 있었으며 뛰어난 굽힘 강도를 가지고 있었다.또, 이 기간, 일본 정부는 국내에서의 탄소 섬유 개발을 강하게 지원해, 도레이, 일본 카본, 도호 레이온, 미쓰비시등의 일본 기업이 독자적인 개발·생산을 개시했다.1970년대 후반 이후, 보다 높은 인장 강도 및 높은 탄성 계수를 제공하는 더 많은 종류의 탄소 섬유사가 세계 시장에 진출했습니다.예를 들어 Toray의 T400은 인장 강도가 4,000MPa이고 M40은 계수가 400GPa입니다.최대 6,000 MPa의 토호 레이온의 IM 600과 같은 중간 탄소 섬유가 개발되었습니다.Toray, Celanese 및 Akzo의 탄소 섬유는 McDonnell Douglas, Boeing, Airbus 및 United Aircraft Corporation 비행기에서처럼 처음에는 군사용에서 나중에는 민간용 항공기에서 2차 부품에서 1차 부품으로 항공 우주 응용에 적용되었습니다.1988년 Jacob Lahijani 박사는 균형 잡힌 초고영률(100Mpsi 이상)과 고강도 피치 탄소 섬유(500kpsi 이상)를 자동차 및 항공우주 분야에서 광범위하게 사용하였습니다.2006년 3월, 특허는 테네시 대학 연구 [10]재단에 할당되었습니다.

구조 및 속성

사람의 머리카락에 비해 직경 6μm의 탄소 필라멘트(왼쪽 아래에서 오른쪽 위까지 이어짐)

탄소섬유는 릴에 연속적으로 감긴 견인 형태로 공급되는 경우가 많습니다.견인기는 수천 개의 연속된 개별 탄소 필라멘트가 한데 묶여 있고 폴리에틸렌 산화물(PEO) 또는 폴리비닐 알코올(PVA)과 같은 유기 코팅 또는 크기로 보호됩니다.견인기는 릴에서 쉽게 분리하여 사용할 수 있습니다.견인기의 각 탄소 필라멘트는 직경이 5~10마이크로미터인 연속 실린더이며 거의 전적으로 탄소로 구성됩니다.초기 세대(예: T300, HTA 및 AS4)의 직경은 16-22 마이크로미터였습니다.[11]이후의 섬유(IM6 또는 IM600 등)의 직경은 약 5마이크로미터입니다.[11]

탄소섬유의 원자구조는 흑연과 유사하며, 탄소원자가 정육각형 패턴(그래핀 시트)으로 배열되어 있으며, 이러한 시트가 서로 맞물리는 방식에 차이가 있습니다.흑연은 결정성 물질로 시트가 서로 평행하게 규칙적으로 쌓여 있다.시트 사이의 분자간 힘은 상대적으로 약한 Van der Waals 힘이며, 그래파이트의 부드럽고 부서지기 쉬운 특성을 제공합니다.

탄소섬유는 섬유를 만드는 전구체에 따라 탁성 또는 흑연성 또는 흑연성 또는 흑연성 두 부분으로 이루어진 하이브리드 구조를 가질 수 있다.터보스트래틱 탄소 섬유에서는 탄소 원자의 시트가 임의로 접히거나 구겨집니다.폴리아크릴로니트릴(PAN)에서 유래한 탄소섬유는 터보스트래틱한 반면, 메소페이즈 피치에서 유래한 탄소섬유는 2200℃를 넘는 온도에서 열처리 후 흑연화된다.터보스타틱 탄소섬유는 궁극적인 인장강도가 높은 반면, 열처리된 메소페이즈-피치 유래 탄소섬유는 높은 영률(즉, 높은 강성 또는 부하 시 확장에 대한 저항성)과 높은 열전도성을 가진다.

적용들

탄소섬유 선글라스 템플 및 탄소섬유 자전거 프레임 튜브

2012년 탄소 섬유 시장에 대한 전 세계 수요 추정치는 17억 달러였으며, 2012년부터 [12]2018년까지 연간 10-12%의 성장률을 보였습니다.탄소 섬유에 대한 가장 큰 수요는 항공기와 항공우주, 풍력 에너지 및 최적화된 수지 [13][14]시스템을 갖춘 자동차 산업입니다.

탄소섬유는 채택의 제한 요소 중 하나인 다른 재료보다 비용이 높을 수 있습니다.자동차 재료용 강철과 탄소 섬유 재료의 비교에서 탄소 섬유는 10-12배 더 비쌀 수 있습니다.그러나 이 비용 프리미엄은 2000년대 [15]초반 철강보다 35배나 비쌌던 추정치에서 지난 10년간 낮아졌습니다.

복합 재료

탄소 섬유는 복합 재료, 특히 탄소 섬유 또는 흑연 강화 폴리머로 알려진 재료의 종류를 강화하기 위해 가장 두드러지게 사용됩니다.탄소섬유의 매트릭스로서 비폴리머 재료를 사용할 수도 있다.금속 탄화물의 형성 및 부식 고려 사항으로 인해, 탄소는 금속 매트릭스 복합 용도에서 제한적인 성공을 거두었습니다.강화탄소(RCC)는 탄소섬유 강화 흑연으로 구성되며 구조적으로 고온 용도로 사용됩니다.또한 이 섬유는 고온 가스의 여과, 표면적이 높고 흠잡을 데 없는 내식성을 가진 전극 및 정전기 방지 성분으로 사용됩니다.탄소섬유의 얇은 층을 성형하면 탄소섬유의 밀도가 높고 콤팩트한 층이 효율적으로 [16]열을 반사하기 때문에 폴리머 또는 열경화 복합재료의 내화성이 크게 향상됩니다.

탄소 섬유 복합 재료의 사용이 증가함에 따라 갈바닉 부식 [17][18]문제로 인해 항공우주 분야에서는 알루미늄을 다른 금속으로 대체하고 있습니다.

아스팔트의 첨가제로 탄소섬유를 사용하여 도전성 아스팔트 [19]콘크리트를 만들 수 있다.교통 기반 시설, 특히 공항 포장에 이 복합 재료를 사용하면 얼음과 눈의 존재로 인해 비행 취소 또는 지연을 초래하는 겨울철 정비 문제를 줄일 수 있다.탄소섬유의 복합재료 3D 네트워크를 통해 전류가 흐르면 아스팔트의 표면 온도를 높이는 열에너지가 방출되어 [20]아스팔트 위의 얼음과 눈을 녹일 수 있습니다.

직물

가열 공정 전 제품의 외관
탄소섬유강화폴리머제 RC헬기 꼬리
손가락 인대용 탄소섬유 보호구 부착 오토바이용 레이싱 글러브

탄소섬유의 전구체는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온 및 피치이다.탄소 섬유 필라멘트 실은 여러 가공 기술에 사용됩니다. 직접 용도는 프리프레깅, 필라멘트 와인딩, 펄트루전, 직조, 편조 등에 사용됩니다.탄소 섬유 실은 선형 밀도(단위 길이당 중량, 즉 1g/1000m = 1 텍스) 또는 1개의 실 개당 필라멘트 수로 수천 단위로 평가됩니다.예를 들어, 탄소 섬유 3,000개의 필라멘트에 대해 200 텍스는 1,000개의 탄소 필라멘트 실보다 세 배 더 강하지만 또한 세 배 더 무겁습니다.이 실은 탄소 섬유 필라멘트 직물 또는 천을 짜는 데 사용할 수 있습니다.이 직물의 외관은 일반적으로 실의 선형 밀도와 선택한 직물에 따라 달라집니다.일반적으로 사용되는 직물의 종류로는 트윌, 새틴, 플레인 등이 있습니다.카본 필라멘트 실을 짜거나 땋을 수도 있다.

마이크로 전극

탄소섬유는 탄소섬유 미세전극의 제조에 사용된다.이 응용 프로그램에서는 일반적으로 직경 5~7μm의 단일 탄소 섬유가 유리 [21]모세관에 밀봉됩니다.선단부에서 캐피럴리를 에폭시로 밀봉하여 연마하여 탄소섬유디스크 마이크로전극으로 하거나 섬유질을 75~150μm 길이로 절단하여 탄소섬유 실린더 전극으로 한다.탄소섬유 마이크로전극은 생화학적 시그널링 검출을 위해 암페로메트리 또는 고속 스캔 사이클릭 볼탐메트리 중 하나로 사용된다.

유연한 난방

DIY 탄소 섬유 열선 재킷

전기 전도성으로 알려져 있음에도 불구하고 탄소 섬유는 자체적으로 매우 낮은 전류만을 전달할 수 있습니다.더 큰 직물로 짜여질 경우 유연한 전기 발열 요소가 필요한 애플리케이션에서 안정적으로 (적외선) 발열을 제공할 수 있으며 100°C 이상의 온도를 쉽게 유지할 수 있습니다.이러한 유형의 적용의 많은 예는 DIY 의복과 담요에서 볼 수 있다.화학적 불활성성 때문에 대부분의 직물 및 재료 중에서 비교적 안전하게 사용할 수 있지만, 재료 자체가 접힘으로써 발생하는 쇼트는 열 발생을 증가시켜 화재의 원인이 될 수 있습니다.

합성

폴리아크릴로니트릴(PAN)로부터의 탄소섬유 합성:
  1. 아크릴로니트릴의 PAN 중합
  2. 저온 공정에서의 사이클라이제이션,
  3. 탄화의 고온 산화 처리(수소 제거).이 흑연화 과정이 끝나면 질소가 제거되고 체인이 흑연 평면으로 결합됩니다.

각 탄소 필라멘트는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온 또는 석유 피치와 같은 폴리머로부터 생산됩니다.이 모든 중합체는 전구체로 알려져 있다.PAN 또는 레이온과 같은 합성 고분자의 경우, 전구체를 먼저 필라멘트실로 방적하고, 완성된 탄소섬유의 최종 물리적 특성을 향상시키는 방법으로 고분자 분자를 초기에 정렬하는 화학 및 기계적 과정을 사용한다.필라멘트 실을 방적하는 동안 사용되는 전구체 조성물 및 기계적 공정은 제조업체마다 다를 수 있습니다.그 후, 연신 또는 방적 후에, 폴리머 필라멘트 실을 가열해 비탄소 원자(탄화)를 제거해, 최종 탄소섬유를 생성한다.탄소 섬유 필라멘트 실은 취급 품질을 개선하기 위해 추가로 처리된 후 보빈에 [22]감길 수 있습니다.

Carbon fiber preparation
카본 레이온 기반 패브릭의 유연성

일반적인 제조 방법으로는 스핀 PAN 필라멘트를 공기 중 약 300°C로 가열하여 수소 결합을 깨고 물질을 산화시키는 방법이 있습니다.그런 다음 산화 PAN을 아르곤과 같은 기체의 불활성 분위기를 가진 용해로에 넣고 약 2000°C로 가열하면 재료의 흑연화가 유도되어 분자 결합 구조가 변화합니다.올바른 조건에서 가열되면, 이러한 사슬은 좁은 그래핀 시트를 형성하면서 좌우로 결합합니다. 그래핀 시트는 결국 결합되어 하나의 기둥 모양의 필라멘트를 형성합니다.결과는 보통 93~95%의 탄소입니다.저품질 파이버는 PAN 대신 피치 또는 레이온을 전구체로 사용하여 제조할 수 있습니다.이 탄소는 열처리 과정을 통해 고모듈러스 또는 고강도 탄소로 더욱 강화될 수 있습니다.1500–2000°C(탄산화) 범위에서 가열된 탄소는 가장 높은 인장 강도(5,650MPa 또는 820,000psi)를 나타내며, 2500~3,000°C(그래피타이징)에서 가열된 탄소 섬유는 더 높은 탄성 계수(531 GPa 또는 77,000,000,000psi)를 나타냅니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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