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컷 섬유를 이용한 탄소섬유 복합재료
토레이(Toray) 주식회사는 이번에 탄소섬유의 컷 섬유와 열가소성 수지를 사용한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)로 기존의 사출성형이나 스탬퍼블 시트(stampable sheet) 등 기존 재료에서는 얻을 수 없었던 뛰어난 역학 특성과 등방성을 세계 최초로 실현했다.
길이 수mm의 탄소섬유를 특수한 열가소성 수지로 경화시킨 섬유의 네트워크를 보강 구조로서 등방성 특성을 가지는 새로운 개념의 복합재료 컷 섬유 복합재료(Cut Fiber Composite)를 개발했다.
기존의 단섬유 복합재료와 차별화해 과제였던 이론 강도와의 괴리와 이방성을 큰폭으로 개선해, 항공기용 CFRP로 대표되는 프리프레그(Prepreg)에 필적하는 강도 발현율을 달성했다.
동시에, 불연속 섬유 복합재료의 강도 시뮬레이션을 세계 최초로 실현, 구조 재료의 강도 보증에 있어서 큰 진전을 이루었다. 이 기술에 의해 불연속 섬유 복합재료에 있어서 강도 발현율을 정량화할 수 있다. 이번에 개발한 “컷 섬유 복합재료”에서는 이론 강도의 90%를 등방적으로 발현하는 데에 성공했다.
중간기재로서 개발한 신규 스탬퍼블 시트를 특정한 형상으로 절단, 적층시켜 stamping 성형해, 금속의 프레스 성형과 같이 1분 이내로의 성형이 가능하다. 기존의 프레프레그나 금속의 프레스 성형에서는 곤란한 복잡한 형상의 성형품을 고속 성형할 수 있어 자동차 용도는 물론 다른 산업용도로도 폭넓은 활용을 기대할 수 있다.
또, 이 중간기재 자체가 등방성이어서 적층 방향을 설계할 필요가 없고, 국소적으로 두께를 바꾸는 것도 가능해 재료 손실이나 노력을 최소한으로 억제하는데 유효하다. 또, 열가소성 수지를 사용하고 있어 열용착과 같은 양산성이 뛰어난 가공 방법을 적용할 수 있는 것은 물론 리사이클에도 유리하다.
신규 스탬퍼블 시트는 두께 0.1~수mmRkwl 조합해 사용한다. 매트릭스 수지는 폴리프로필렌, 나일론, PPS(폴리페닐렌 설파이드)등 용도와 요구에 맞추어 설계하는 것이 가능하다. 탄소섬유의 함량을 기존 프리프레그의 반 이하에 억제하면서, 항공기용 CFRP와 동등한 비굴곡강도, 비휨강성을 실현, 동등한 경량 효과를 기대할 수 있다. 토레이는 향후, 이 기술의 실용화 개발을 진행시켜 나간다.
이번 개발한 기술은 독립 행정법인 신에너지 산업기술 종합 기술개발 기구(NEDO)로부터의 수탁 사업 “지속가능한 하이퍼 복합재료 기술 개발”에서의 개발 성과이다. 이 프로젝트에서는 열가소성CFRP를 수송기기에 적용하는 것으로 에너지 소비의 대폭 삭감을 목표로 하고 있다. 연구 기간은 2008~2012년까지 5년간으로 도쿄대학이 프로젝트 리더를 맡고 토레이는 강도 시뮬레이션에 대해 토호쿠 대학과 성형 가공 기술에 대해 타카키 세이코사와 각각 공동으로 연구를 진행시키고 있다. 올해는 중간기재의 개발에 성공했고, 계속해서 성형기술, 접합기술, 리사이클 기술의 실요화에 관련된 연구 개발을 추진해 나간다.
출처: NDSL 해외과학기술동향
(http://www.toray.co.jp/news/rd/nr110105.html)
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