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복합재료는 모두 보강 섬유와 플라스틱 소재를 결합하여 만들어집니다. 복합재료에서 수지의 역할은 매우 중요합니다. 수지의 선택은 일련의 특성 공정 변수, 일부 기계적 특성 및 기능성(열적 특성, 난연성, 환경 저항성 등)을 결정하며, 수지 특성은 복합재료의 기계적 특성을 이해하는 데 핵심적인 요소입니다. 수지를 선택하면 복합재료의 공정 및 특성 범위를 결정하는 최적의 조건이 자동으로 정해집니다. 열경화성 수지는 우수한 가공성 때문에 수지 매트릭스 복합재료에 일반적으로 사용되는 수지 유형입니다. 열경화성 수지는 상온에서 거의 대부분 액체 또는 반고체 상태이며, 최종 상태의 열가소성 수지보다는 열가소성 수지를 구성하는 단량체에 더 가깝습니다. 열경화성 수지는 경화되기 전에는 다양한 형태로 가공할 수 있지만, 경화제, 개시제 또는 열을 사용하여 경화되면 화학 결합이 형성되어 작은 분자들이 분자량이 더 큰 3차원 가교된 단단한 고분자로 변환되기 때문에 더 이상 모양을 바꿀 수 없습니다.

열경화성 수지에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 사용되는 것은 페놀 수지입니다.에폭시 수지비스-말 수지, 비닐 수지페놀 수지 등

(1) 페놀 수지는 경화 후 접착성, 내열성 및 유전성이 우수한 초기 열경화성 수지이며, 특히 난연성이 우수하고 발열량이 적으며 연소 시 발생하는 가스의 독성이 적고 가공성이 우수하여 성형, 권취, 수작업 적층, 스프레이 및 압출 성형 등의 공정을 통해 복합재료 부품을 제조할 수 있다. 페놀 수지 기반 복합재료는 민간 항공기의 내부 장식 재료에 널리 사용되고 있다.

(2)에폭시 수지에폭시 수지는 항공기 구조물에 사용되는 초기 수지 매트릭스입니다. 다양한 재료에 적용 가능하며, 다양한 경화제와 촉진제를 사용하여 상온에서 180℃까지의 경화 온도 범위를 얻을 수 있습니다. 또한 우수한 기계적 특성, 섬유 접합성, 내열성 및 내습성, 뛰어난 인성, 우수한 가공성(양호한 피복성, 적절한 수지 점도, 우수한 유동성, 가압 범위 등)을 가지며, 대형 부품의 전체 동시 경화 성형에 적합하고 가격도 저렴합니다. 이러한 우수한 성형 공정과 탁월한 인성 덕분에 에폭시 수지는 첨단 복합 재료의 수지 매트릭스 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.

(3)비닐 수지비닐 수지는 탁월한 내식성을 지닌 수지 중 하나로 인정받고 있습니다. 대부분의 산, 알칼리, 염 용액 및 강용매에 내성을 가지며, 제지, 화학, 전자, 석유, 저장 및 운송, 환경 보호, 선박, 자동차 조명 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 불포화 폴리에스터와 에폭시 수지의 특성을 모두 갖추고 있어 에폭시 수지의 우수한 기계적 특성과 불포화 폴리에스터의 우수한 가공성을 자랑합니다. 뛰어난 내식성 외에도 내열성 또한 우수하며, 표준형, 고온형, 난연형, 내충격성형 등 다양한 종류가 있습니다. 섬유 강화 플라스틱(FRP)에 비닐 수지를 적용하는 주요 방식은 수작업 적층이며, 특히 내식성 분야에서 많이 사용됩니다. SMC(구조 마이크로 컴파운드)의 개발로 이러한 분야에서의 적용이 더욱 두드러지고 있습니다.

(4)변성 비스말레이미드 수지(비스말레이미드 수지라고도 함)는 신형 전투기의 복합 수지 매트릭스에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었습니다. 이러한 요구 사항에는 130℃에서 대형 부품 및 복잡한 형상의 부품 제조 등이 포함됩니다. 에폭시 수지와 비교하여 비스말레이미드 수지는 주로 우수한 내습성 및 내열성과 높은 작동 온도라는 특징을 가지고 있습니다. 단점은 에폭시 수지만큼 가공성이 좋지 않고 경화 온도가 높으며(185℃ 이상 경화), 200℃ 이상의 온도 또는 200℃ 이상의 온도에서 장시간 유지해야 한다는 것입니다.
(5) 시안화물(청음향) 에스테르 수지는 낮은 유전 상수(2.8~3.2)와 극히 작은 유전 손실 탄젠트(0.002~0.008), 높은 유리 전이 온도(240~290℃), 낮은 수축률, 낮은 수분 흡수율, 우수한 기계적 특성 및 접착 특성 등을 가지며 에폭시 수지와 유사한 가공 기술을 가지고 있습니다.
현재 시아네이트 수지는 주로 고속 디지털 및 고주파용 인쇄 회로 기판, 고성능 파동 전송 구조 재료, 항공우주용 고성능 구조 복합 재료의 세 가지 분야에서 사용되고 있습니다.

간단히 말해, 에폭시 수지의 성능은 합성 조건뿐만 아니라 분자 구조에도 크게 좌우됩니다. 에폭시 수지의 글리시딜기는 유연한 작용기로, 수지의 점도를 낮추고 가공 성능을 향상시키지만, 동시에 경화된 수지의 내열성을 저하시킵니다. 경화된 에폭시 수지의 열적 및 기계적 특성을 향상시키는 주요 방법은 저분자량 및 다기능화를 통해 가교 밀도를 높이고 강성 구조를 도입하는 것입니다. 물론, 강성 구조의 도입은 용해도 감소와 점도 증가를 초래하여 에폭시 수지의 가공 성능을 저하시킵니다. 에폭시 수지 시스템의 내열성을 향상시키는 것은 매우 중요한 문제입니다. 수지와 경화제의 관점에서 볼 때, 작용기가 많을수록 가교 밀도가 높아지고 유리전이온도(Tg)가 높아집니다. 구체적인 방법으로는 다기능 에폭시 수지 또는 경화제를 사용하거나 고순도 에폭시 수지를 사용하는 것이 있습니다. 일반적으로 사용되는 방법은 경화 시스템에 일정 비율의 o-메틸아세트알데히드를 첨가하는 것으로, 효과가 좋고 비용도 저렴합니다. 평균 분자량이 클수록 분자량 분포가 좁아지고 유리전이온도(Tg)가 높아집니다. 구체적인 작업 방법: 분자량 분포가 비교적 균일한 다기능 에폭시 수지 또는 경화제 등을 사용하십시오.

고성능 수지 매트릭스는 복합재료 매트릭스로 사용될 때 가공성, 열물리적 특성, 기계적 특성 등 다양한 물성을 갖추어야 하며, 이는 실제 응용 분야의 요구 사항을 충족해야 합니다. 수지 매트릭스의 제조성은 용매 용해도, 용융 점도(유동성), 점도 변화, 온도에 따른 겔화 시간 변화(공정 범위) 등을 포함합니다. 수지 배합의 조성과 반응 온도의 선택은 화학 반응 속도(경화 속도), 화학적 유변학적 특성(점도-온도-시간 관계), 화학 반응 열역학(발열 반응)을 결정합니다. 각 공정마다 수지 점도에 대한 요구 사항이 다릅니다. 일반적으로 권취 공정의 경우 수지 점도는 약 500cPs이고, 압출 성형 공정의 경우 약 800~1200cPs이며, 진공 주입 공정의 경우 약 300cPs이고, RTM 공정은 더 높을 수 있지만 일반적으로 800cPs를 넘지 않습니다. 프리프레그 공정에서는 점도가 비교적 높아야 하며, 일반적으로 30,000~50,000cPs 정도입니다. 물론 이러한 점도 요구사항은 공정, 장비, 재료 자체의 특성과 관련되어 있으며 고정되어 있지 않습니다. 일반적으로 저온 영역에서는 온도가 증가함에 따라 수지의 점도가 감소합니다. 그러나 온도가 증가함에 따라 수지의 경화 반응도 진행됩니다. 반응 속도는 10℃ 증가할 때마다 두 배로 증가하며, 이러한 근사치는 반응성 수지 시스템의 점도가 특정 임계 점도점에 도달하는 시점을 예측하는 데 여전히 유용합니다. 예를 들어, 100℃에서 점도가 200cPs인 수지 시스템이 1000cPs까지 점도가 증가하는 데 50분이 걸린다면, 동일한 수지 시스템이 110℃에서 초기 점도가 200cPs 미만에서 1000cPs까지 증가하는 데 필요한 시간은 약 25분입니다. 공정 변수 선택 시 점도와 겔화 시간을 충분히 고려해야 합니다. 예를 들어, 진공 주입 공정에서는 작동 온도에서의 점도가 공정에 필요한 점도 범위 내에 있는지 확인해야 하며, 이 온도에서 수지의 가사 시간이 충분히 길어 수지 주입이 원활하게 이루어지도록 해야 합니다. 요컨대, 사출 공정에서 수지 종류를 선택할 때는 재료의 겔화점, 충전 시간 및 온도를 반드시 고려해야 합니다. 다른 공정에서도 유사한 상황이 적용됩니다.

성형 공정에서 부품(금형)의 크기와 형상, 보강재의 종류, 그리고 공정 변수는 공정의 열 전달 속도와 물질 전달 과정을 결정합니다. 수지는 화학 결합 형성에 의해 발열 반응을 일으키며 경화됩니다. 단위 부피당 단위 시간당 형성되는 화학 결합이 많을수록 방출되는 에너지도 많아집니다. 수지와 그 중합체의 열 전달 계수는 일반적으로 매우 낮습니다. 중합 과정에서 열 제거 속도가 열 발생 속도를 따라가지 못합니다. 이렇게 누적되는 열은 화학 반응을 더 빠른 속도로 진행시켜 더 많은 열을 발생시킵니다. 이러한 자가 가속 반응은 결국 부품의 응력 파손이나 열화를 초래합니다. 이는 두꺼운 복합재 부품 제조에서 더욱 두드러지며, 경화 공정 경로를 최적화하는 것이 특히 중요합니다. 프리프레그 경화의 높은 발열 속도로 인한 국부적인 "온도 오버슈트" 문제와 전체 공정 조건과 국부 공정 조건 사이의 상태 차이(예: 온도 차이)는 모두 경화 공정 제어 방식에 따라 달라집니다. 부품(특히 두께 방향)의 "온도 균일성"을 확보하기 위해서는 "제조 시스템" 내의 여러 "단위 기술"의 배치(또는 적용)가 중요합니다. 얇은 부품의 경우, 많은 열이 주변 환경으로 방출되기 때문에 온도가 서서히 상승하고, 때로는 부품이 완전히 경화되지 않을 수 있습니다. 이때 가교 반응을 완료하기 위해 보조 열을 가해야 하는데, 이를 연속 가열이라고 합니다.

복합재료 비오토클레이브 성형 기술은 기존의 오토클레이브 성형 기술과 비교되는 개념입니다. 넓게 말하면, 오토클레이브 장비를 사용하지 않는 모든 복합재료 성형 방법을 비오토클레이브 성형 기술이라고 할 수 있습니다. 현재까지 항공우주 분야에서 비오토클레이브 성형 기술의 적용은 주로 비오토클레이브 프리프레그 기술, 액상 성형 기술, 프리프레그 압축 성형 기술, 마이크로파 경화 기술, 전자빔 경화 기술, 평형 압력 유체 성형 기술 등으로 나눌 수 있습니다. 이 중 OoA(Outof Autoclave) 프리프레그 기술은 기존 오토클레이브 성형 공정과 가장 유사하며, 수동 및 자동 적층 공정의 기반이 넓어 대규모로 실현될 가능성이 높은 부직포 오토클레이브 성형 기술로 여겨집니다. 고성능 복합 부품 제조에 오토클레이브를 사용하는 중요한 이유는 경화 과정 중 기체의 증기압보다 높은 충분한 압력을 프리프레그에 가하여 기공 형성을 억제하기 위함이며, 이는 OoA 프리프레그 기술에서 극복해야 할 주요 난제입니다. 진공 압력 하에서 부품의 다공성을 제어할 수 있는지, 그리고 그 성능이 오토클레이브 경화 적층재의 성능에 도달할 수 있는지는 OoA 프리프레그 및 그 성형 공정의 품질을 평가하는 중요한 기준입니다.

OoA 프리프레그 기술의 개발은 우선 수지 개발에서 시작되었습니다. OoA 프리프레그용 수지 개발에는 세 가지 주요 사항이 있습니다. 첫째, 성형 부품의 기공률을 제어하는 ​​것입니다. 예를 들어, 첨가 반응 경화형 수지를 사용하여 경화 반응 중 발생하는 휘발성 물질을 줄일 수 있습니다. 둘째, 경화된 수지의 성능을 향상시켜 오토클레이브 공정을 통해 형성된 수지의 특성(열적 특성 및 기계적 특성 포함)을 구현하는 것입니다. 셋째, 프리프레그의 우수한 가공성을 확보하는 것입니다. 이를 위해 대기압의 압력 구배 하에서 수지가 유동성을 갖도록 하고, 점도 유지 기간을 길게 하며, 충분한 상온 경화 시간을 확보하는 등의 조건을 충족해야 합니다. 원료 제조업체는 특정 설계 요구 사항 및 공정 방법에 따라 재료 연구 개발을 수행합니다. 주요 방향은 기계적 특성 향상, 상온 경화 시간 증가, 경화 온도 감소, 내습성 및 내열성 향상 등이 되어야 합니다. 이러한 성능 향상 중 일부는 상충될 수 있습니다. 예를 들어, 높은 인성과 저온 경화는 서로 상충될 수 있습니다. 따라서 균형점을 찾아 종합적으로 고려해야 합니다.

수지 개발 외에도 프리프레그 제조 방법은 OoA 프리프레그의 응용 개발을 촉진합니다. 본 연구에서는 무기공 적층판 제작에 있어 프리프레그 진공 채널의 중요성을 밝혀냈습니다. 후속 연구에서는 반함침 프리프레그가 가스 투과성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. OoA 프리프레그는 수지로 반함침되고, 건조 섬유는 배기가스 통로로 사용됩니다. 부품 경화 과정에서 발생하는 가스와 휘발성 물질은 이 통로를 통해 배출되어 최종 부품의 기공률을 1% 미만으로 낮출 수 있습니다.
진공 백 성형 공정은 오토클레이브를 사용하지 않는 성형(OoA) 공정에 속합니다. 간단히 말해, 금형과 진공 백 사이에 제품을 밀봉하고 진공을 이용하여 제품에 압력을 가함으로써 제품을 더욱 치밀하고 기계적 특성을 향상시키는 성형 공정입니다. 주요 제조 공정은 다음과 같습니다.

먼저, 적층 몰드(또는 유리판)에 이형제 또는 이형포를 도포합니다. 사용된 프리프레그의 규격에 따라 프리프레그를 검사하는데, 주로 표면 밀도, 수지 함량, 휘발성 물질 함량 등을 확인합니다. 프리프레그를 필요한 크기로 절단합니다. 절단 시 섬유 방향에 주의해야 하며, 일반적으로 섬유 방향 편차는 1° 미만이어야 합니다. 각 블랭킹 유닛에 번호를 매기고 프리프레그 번호를 기록합니다. 적층 시에는 적층 기록지에 명시된 적층 순서를 엄격히 준수해야 하며, PE 필름 또는 이형지는 섬유 방향을 따라 연결하고, 기포는 섬유 방향을 따라 제거해야 합니다. 스크레이퍼를 사용하여 프리프레그를 펼치고 층 사이의 공기를 최대한 제거합니다. 적층 과정에서 프리프레그를 접합해야 하는 경우가 있는데, 이때에도 섬유 방향을 따라 접합해야 합니다. 접합 과정에서는 겹침과 겹치지 않는 접합을 적절히 조절해야 하며, 각 층의 접합면은 엇갈리게 배치해야 합니다. 일반적으로 단방향 프리프레그의 접합 간격은 1mm입니다. 편조 프리프레그는 접합이 아닌 겹침만 허용되며, 겹침 폭은 10~15mm입니다. 다음으로 진공 예비 압축에 주의해야 하며, 예비 압축 두께는 요구 사항에 따라 달라집니다. 이는 적층재에 갇힌 공기와 프리프레그 내의 휘발성 물질을 제거하여 부품의 내부 품질을 확보하기 위한 것입니다. 그 후 보조 재료를 적층하고 진공 백킹을 실시합니다. 백킹 밀봉 및 경화 후, 공기 누출이 완전히 없어야 합니다. 참고: 공기 누출이 가장 빈번하게 발생하는 곳은 실란트 접합부입니다.

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