ABAQUS를 위한 Composite Material 01

안녕하세요. 이번 테마는 Composite Material, 즉 복합재료에 관한 이야기를 하려고 합니다.

요즘 다양한 분야에서 경량화 또는 친환경화를 목적으로 복합재료나 이종재료에 관해 많은 관심을 가지고 있습니다. 또한, 이를 적용하고 해석을 통해 경향성을 맞추기 위한 다양한 노력을 하고 있습니다. 그래서 이번부터 포스팅할 부분은 복합재료에 관한 토픽으로 이야기를 하려고 합니다. 그리고 초반에는 간단한 복합재료의 정의에 대해서 쓰도록 하겠습니다.

1. 복합재료(Composite Material)의 정의

복합재료는 2종류 이상의 다른 재료의 결합으로 구성되어 원래 상을 유지하면서 원래의 성질보다 우수한 성능을 가진 재료를 말합니다. 또한, 이것은 섬유(Fiber)와 기지(Matrix) 사이에 계면을 가지고 있으며, 물리적으로나 화학적으로 배열되거나 분포되어 있는 상을 가진 것을 말합니다. 일반적으로는 탄소 섬유를 이용한 복합재를 많이 사용하나 사용 목적에 따라서 케블러나 유리섬유 등도 많이 사용하게 됩니다.

대표적으로 많이 사용되는 분야는 우주 항공 분야나 자동차 분야에 도입을 하고 있습니다. 먼저, 우주 항공 분야에서는 100도에서 150도 이상으로 변화하는 상황에서의 열변형이 작은 재료의 특성을 갖는 복합재료를 사용하려고 하고 있으며, 우주 궤도로 발사되는 로켓의 하중이나 강성 조건에 최적화된 부분을 찾아서 적용하려고 하고 있습니다. 또한, 자동차 분야에서는 후드, 그릴, 트렁크, 문, 바퀴 덮개 뿐만 아니라 하중을 전달하는 역할을 하는 부품에서도 강도, 비틀림 강성 및 내피로성, 내충격성, 소음 감소를 고려하여 사용하고 있습니다. 이 뿐만 아니라 방산 업체 등에서 가볍고 방탄 역할이 뛰어난 아라미드 소재를 적용하는 사례도 많이 찾아볼 수 있습니다. 마지막으로 산업분야를 제외하고도 골프채나 테니스 라켓과 같은 부분에서 진동 감쇠 효과를 이용하여 사용하기에 최적화된 사례도 찾아볼 수 있다.

2. 복합재료(Composite Material)의 종류

복합재료의 구조적 형태에 따라서 'Particle-Reinforced Composite Material','Fiber-Reinforced Composite Material','Structural Composite Material'으로 3가지의 큰 분류로 나타낼 수 있습니다.

첫번째로 'Particle-Reinforced Composite Material'은 기재에 융합하지 않고 분말이나 단 섬유를 분산시킨 복합재료를 말합니다. 또한, 이 분류 안에서도 'Large Particle'인지 'Dispersion-Strengthened'인지에 대한 분류로 나뉘게 됩니다. 먼저 'Large Particle Composite'의 경우에는 고분자 재료 또는 단섬유로 이루어진 복합재료를 말하며, 고분자 형태로 이루어 져있기 때문에 다양한 형상으로 제작되어 사용될 수 있으며, 기재와 입자의 계면의 강한 결합으로 인해 기계적 특성이 향상되어지는 장점을 가지고 있습니다. 반대로 'Dispersion-Strengthened Composite'은 0.1 마이크로 미터보다 작은 입자를 균일하게 분포시켜 만든 복합재료로 일반적으로 금속성질이나 비금속 산화물 등의 성질을 가지고 있습니다.

두번째로 'Fiber-Reinforced Composite Material'을 살펴보자면 CFRP(Cabon Fiber Reinforced Plastic)입니다. 일반적으로 복합재료 대학원 실험실에서 가장 쉽게 볼 수 있는 재료라고 생각하시면 될 것 같습니다. 또한, 이것은 위에서도 언급했듯이 섬유(Fiber)와 기재(Matrix)의 결합상태를 갖는 복합재료를 말하며, 일반적으로 탄소섬유와 에폭시의 혼합으로 사용되는 프리프레그(Pre-preg)와 같은 부분은 Uni-Fiber Model이라고 분류를 하고, 수직 방향으로 적층시키는 모형을 갖는 것은 Woven Fabric Model로 분류가 되어집니다. 또한, 이것은 고분자 기지 재료보다 강한 물성을 가지며, 금속에 비해 가벼운 성직을 가지고 있다는 장점을 가지고 있습니다.

세번째로 'Structural Composite Material'의 경우에는 Face와 Core로 이루어진 복합재료라고 말할 수 있습니다. 이것의 대표적인 부분은 Sandwich Panel이라고 할 수 있습니다. 이것의 종류로는 Hexagonal Honeycomb Core, Flexicore, Overexpanded Core 등이 있습니다.

일단 기본적인 부분에 대한 포스팅은 여기까지 하기로 하고, 다음 복합재료 포스팅에서는 복합재료 해석 부분에 대해서 설명을 드릴 수 있도록 하겠습니다.