탄소섬유는 어떻게 만들어질까요?

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흑연 섬유 라고도 하는 탄소 섬유는 직경이 5~10미크론인 매우 미세한 필라멘트로 구성된 합성 섬유로 탄소를 주성분으로 하는 폴리머입니다. 탄소 섬유는 이러한 얇은 필라멘트 수천 개를 짜고 가공하여 얻습니다. 이 필라멘트는 인장 강도가 높기 때문에 두께에 비해 매우 강합니다. 탄소 섬유의 한 형태인 탄소 나노튜브는 만들 수 있는 가장 강력한 재료로 간주됩니다. 일반적으로 탄소 섬유는 목재나 플라스틱과 비슷한 밀도로 훨씬 가볍지만 강철과 유사한 특성을 가지고 있습니다.

탄소 섬유는 건설, 항공 우주 기술, 고성능 차량, 다양한 엔지니어링 응용 분야, 스포츠 장비, 악기 등 다양한 용도로 사용됩니다.

탄소 섬유는 풍력 터빈 블레이드 제조와 같은 다양한 에너지 관련 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한 천연 가스 저장 시스템과 차량용 축전지에도 사용됩니다. 항공 산업에서 이 소재는 상업용 및 군용 항공기는 물론 무인 항공기에도 사용됩니다. 또한 심해 석유 탐사 및 개발을 위한 플랫폼 및 파이프 제조에도 사용됩니다.

사람의 머리카락(직경 50μm) 옆에 있는 직경 6μm의 탄소 섬유.
사람의 머리카락(직경 50μm) 옆에 있는 직경 6μm의 탄소 섬유.

탄소 섬유를 구성하는 필라멘트는 유기 폴리머로 구성됩니다. 즉, 모노머라고 하는 동일한 분자의 반복적인 결합에 의해 생성되는 탄소 화합물의 긴 사슬 입니다 . 대부분의 탄소 섬유는 약 90%가 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 만들어집니다. 이 중합체는 다음 그림에 표시된 반응에서 아크릴로니트릴 또는 프로필렌니트릴(C 3 H 3 N)에서 생성됩니다.

폴리아크릴로니트릴에서의 폴리아크릴로니트릴 중합 반응.
폴리아크릴로니트릴에서의 폴리아크릴로니트릴 중합 반응.

재료 제조 공정의 특정 조건은 탄소 섬유의 특정 품질을 부여합니다. 이러한 조건 중 일부는 사용된 원료, 공정 온도(일부 단계는 고온의 오븐에서 수행됨) 또는 생산 대기(일부 공정은 산소가 없는 상태에서 발생)입니다. 제조 공정은 제조업체의 소유이므로 공정의 다양한 측면은 영업 비밀입니다. 가장 효율적인 탄성 계수를 가진 최고급 탄소 섬유는 항공 우주 산업과 같이 가장 까다로운 응용 분야에 사용됩니다.

탄소 섬유 제조 공정

탄소 섬유 제조는 화학적 및 기계적 공정을 결합합니다. 탄소 섬유의 전구체 원료는 얇은 필라멘트로 생산된 후 혐기성(무산소) 분위기에서 고온으로 가열됩니다. 높은 온도는 탄소가 아닌 모든 원자 물질의 방출을 유발합니다. 이러한 방식으로 탄화 공정은 원래 필라멘트가 얽힌 제품인 긴 사슬의 탄소 원자로 주로 구성된 섬유를 생성합니다. 그런 다음 이러한 섬유를 직조하거나 다른 재료와 혼합하여 다른 유형의 섬유를 생산하거나 다양한 모양과 크기로 성형할 수 있습니다. 아래에서 탄소 섬유 제조와 관련된 공정 순서를 살펴보겠습니다.

. 폴리아크릴로니트릴은 다른 성분과 혼합되어 세탁 후 펼쳐지는 섬유로 방사됩니다.

안정화 . 섬유는 화합물을 안정화시키는 화학 공정을 거칩니다.

탄화 . 안정화된 섬유는 혐기성 분위기에서 장기간 동안 섭씨 1,000도에서 2,500도 사이의 매우 높은 온도로 가열됩니다. 이렇게 탄소의 결정화는 응집도가 높은 합집합에서 일어난다.

표면 처리 . 섬유의 표면은 후속 편조에서 섬유 간 결합을 향상시키기 위해 산화됩니다.

모양 . 섬유는 다양한 두께와 기계적 특성의 섬유로 꼬이는 기계에 로드되는 보빈에 처리되고 감깁니다. 이러한 섬유는 직물을 짜는 데 사용하거나 열, 압력 또는 진공을 사용하는 공정에서 열가소성 폴리머와 같은 다른 재료와 결합하여 특정 형식과 속성을 가진 부품을 형성할 수 있습니다.

탄소 나노튜브는 탄화 공정에서 특수 오븐에서 레이저 빔을 사용하여 표준 탄소 섬유와 다른 공정을 사용하여 만들어집니다. 나노튜브는 전구체보다 20배 더 큰 저항에 도달할 수 있습니다.

일련의 공정을 완료하면 탄소 섬유를 얻을 수 있으며 각각은 수천 개의 탄소 필라멘트로 구성됩니다. 각 섬유의 필라멘트 수는 1,000에서 24,000 사이로 다양할 수 있으며, 이는 각각의 경우에 지정되는 제조 특성입니다.

이렇게 생성된 탄소 섬유의 구조는 육각형 패턴의 결정 구조를 가진 탄소 원자의 중첩된 시트로 펼쳐지는 흑연의 구조와 유사할 것입니다. 흑연과 달리 탄소 섬유는 결정질 물질이 아닌 비정질 물질입니다. 탄소 원자는 교차하는 시트에 배열되어 있어 이 섬유에 탁월한 기계적 저항성을 부여합니다.

탄소 섬유 제조 공정에는 많은 위험과 과제가 수반됩니다. 일부 응용 프로그램의 경우 제조 비용을 감당할 수 없습니다. 예를 들어, 개발 중인 기술이지만 자동차 산업의 막대한 비용으로 인해 현재 탄소 섬유의 사용은 고성능 및 고급 차량으로 제한됩니다.

표면 처리 공정은 결함 섬유를 초래하는 결함 생성을 피하기 위해 신중하게 조절되어야 합니다. 제품 품질을 보장하려면 엄격한 공정 제어가 필요합니다. 결과적으로 이러한 프로세스는 건강 및 안전 문제와 관련이 있으며 호흡기 및 표피 상태를 유발할 수 있습니다. 탄소 섬유는 전기 전도체이므로 전기 장비에서 아크 및 단락을 생성하여 결과적으로 위험할 수 있습니다.

발전하는 기술

탄소 섬유 기술이 계속 발전함에 따라 그 사용 및 적용 가능성이 다양해지고 증가할 것입니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 탄소 섬유 생산과 관련된 몇 가지 연구를 개발하고 있으며, 이미 업계의 요구를 충족하기 위한 새로운 제조 및 설계 기술의 창출 가능성을 보여주고 있습니다.

나노튜브 선구자인 MIT 기계공학 부교수 John Hart는 학생들과 함께 3-프린터에 사용할 새로운 재료를 찾는 것을 포함하여 제조 기술을 혁신하기 위해 노력해 왔습니다.D 광고. Hart는 학생들에게 새로운 재료와 함께 작동할 3D 프린터를 구상하기 위해 고정관념을 깨도록 요청했습니다. 그 결과 녹은 유리, 아이스크림, 탄소 섬유 합성물을 프린트한 프로토타입이 탄생했습니다. 학생 팀은 또한 폴리머의 대 면적 병렬 압출을 처리 하고 인쇄 공정의 현장 광학 스캐닝을 수행할 수 있는 기계를 만들었습니다.

John Hart는 Automobili Lamborghini와의 공동 프로젝트에서 MIT의 화학 부교수인 Mircea Dinca와 함께 작업했습니다. 그것은 언젠가는 차체 전체를 배터리 시스템으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 더 강하고 가벼운 구조, 더 얇은 페인트, 더 강한 촉매 ​​변환기를 생산할 수 있는 새로운 복합 재료 및 탄소 섬유 개발 가능성을 조사했습니다. 자동차 시스템에서 전송.

Automobili Lamborghini와의 공동 프로젝트에서 Massachusetts Institute of Technology의 John Hart와 Mircea Dinca가 개발한 새로운 탄소 섬유 자동차 디자인.
Automobili Lamborghini와의 공동 프로젝트에서 Massachusetts Institute of Technology의 John Hart와 Mircea Dinca가 개발한 새로운 탄소 섬유 자동차 디자인.

이러한 놀라운 발전의 전망으로 인해 탄소 섬유 시장이 2019년 47억 달러에서 2029년 133억 달러로 성장할 것으로 예상되는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

출처

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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