탄소섬유 제조 방법으로 구리 원소가 탄소로만 되어 있는 섬유 입니다. 레이온이나 폴리아크릴로니트릴, 피치등의 전구체를 열처리 하여 제조 하게 됩니다. 탄소섬유 역사는 19세기 말 에디슨이 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명한 것이 계기였습니다. 탄소섬유 특징으로 철보다 5배 가볍고 강도는 10배 강하며 탄소섬유 용도는 항공, 우주, 방위산업 및 반도체 등 고부가가치 복합재료의 핵심소재로 이용되고 있습니다. 아래 글에서 탄소섬유 알아보겠습니다.
탄소섬유
선밀도 혹은 실 개수 당 필라멘트 수로 평가
탄소 섬유 전단계의 경우에는 폴리아크릴로니트릴, 레이온 그리고 피치로 알려져 있으며 탄소 섬유 필라멘트 실은 여러 공정 기술에 쓰이는 데 주로 수지 침투 가공재와 필라멘트 감기, 풀트루전, 실 짜기, 실 땋기 등으로 사용하게 됩니다. 탄소 섬유 실은 선 밀도나 실 개수 당 필라멘트 수로 평가됩니다. 특히 탄소섬유로 만든 실의 경우에는 탄소 섬유 필라멘트나 옷감을 제조 하는데 사용할 수 있습니다. 이 섬유의 모습은 일반적으로 실의 선밀도와 선택된 무늬에 달려 있습니다. 흔히 사용하는 무늬의 경우 능직, 새틴 방식 그리고 평직이 있습니다. 또한 탄소 필라멘트 실은 뜨개질을 하거나 땋을 수도 있는 섬유 입니다.
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굵기가 매우 가는 섬유
탄소 섬유 또는 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF는 탄소가 주성분인 0.005~0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이며 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들의 경우 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며 이런 분자 배열 구조로 인해서 강한 물리적 속성을 띠게 됩니다. 한 가닥의 실은 수 천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여져 만들어지는 구조 입니다.
탄소섬유 역사
탄소 섬유가 처음 알려지게 된 사연은 에디슨 때문인데 19세기 말 백열 전구용 탄소 필라멘트를 발명한 것으로 부터 시작입니다. 공업화된 재료로서의 탄소섬유의 역사는 1959년 레이온을 원료로 한 GPCF(general purpose carbon fiber)가 생산 되면서 부터 시작되었습니다. 우주개발과 군수용으로 로켓모터와 노즐에 필요한 내열재료의 개발 요구에 따라 처음 생겨났습니다. 우주용 기기와 항공기 분야에서 기본으로 요구되는 경량 및 고강성 재료의 연구를 통해서 개발되었습니다.
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탄소섬유 제조
탄소섬유는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유이며 섬유의 직경이 10μm 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 높으며, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수하고, 열팽창이 적은 특징이 있습니다. 탄소 섬유를 최초로 1860년에 만든 사람은 조셉 윌슨 스완 경으로 아려져 있습니다. 스완 경은 백열전구의 발광부를 만들기 위해 다양한 소재를 연구하다가 산소가 없다면 발광부가 고온에서도 불타지 않을 것이라고 생각해서 유리 전구 안의 공기를 빼내고 종이를 탄화시킨 섬유로 된 원시적인 탄소 섬유를 만들어 백열전구를 제작했습니다. 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기 때문에, 섭씨 400~600도 정도로 서서히 가열해서 탄소 필라멘트가 수소를 잃어버리면서 서로 결합을 하도록 만드는 과정을 거치게 됩니다. 이렇게 탄소 필라멘트 들이 서로 결합하도록 하여 탄소섬유를 제조하게 됩니다.
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탄소섬유 특징 용도
탄소섬유의 경우에는 철보다 5배 가벼우며 강도는 10배 강하며1 mm2 당 약 800kg의 무게를 지탱하며 내충격성 및 내열성이 뛰어난 고강도, 고탄성 첨단소재이며 항공, 우주, 방위산업 및 반도체 등 고부가가치 복합재료의 핵심소재로 사용되어 왔습니다. 에폭시 등의 수지와 혼합하여 중합체 플라스틱으로 만든 탄소섬유 강화 중합체(CFRP)의 형태로 많이 이용되고 있습니다.
마무리
탄소 섬유는 전도성이 뛰어나 매우 낮은 전류라도 전달할 수 있는 소재 입니다. 대형 직물로 직조 되는 경우 유연성 발열체가 필요한 응용 분야에서 적외선 가열을 안정적으로 전달하는 데 사용할 수 있습니다.
또한 100도를 넘는 온도를 쉽게 견딜 수 있는 물리적 특성을 가지고 있습니다. 화학적 안정성을 지니고 있는 섬유이며 대부분의 직물과 재료 사이에서 상대적으로 안전하게 사용될 수 있는 특징이 있습니다. 그러나 재료 자체가 접혀서 생긴 단락으로 인해 열 발생량이 증가하여 화재의 위험이 있습니다.