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탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱 개발
연구소 2013-09-09 6207

탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱 개발

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=240977&service_code=04

 

~ 양산차의 차체 경량화가 가능 ~

NEDO 프로젝트에 의해 도쿄대학, 도레이, 미쯔비시 레이용, 토요보, 다카기세이코 등의 그룹은 가열하면 성형하기 쉽게 되는 열가역성 수지를 이용한 아주 새로운 “탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱(CFRTP)”의 개발에 성공하였다. 기존 CFRP로는 곤란하였던 고속 성형가공 및 높은 범용성을 가진 접합을 수행할 수 있기 때문에 양산차에 사용할 수 있는 있으며, 차체의 경량화(현행 대비 30% 정도) 및 에너지 소비 저감 등의 효과가 기대된다.

높은 강도와 상당히 가벼운 특성을 가진 탄소섬유는 세계 생산량의 70% 이상을 일본계 기업이 독점하고 있는 선진 소재이지만, 에폭시 수지 등 열경화성 수지와 일체화한 탄소섬유 강화 열경화성 플라스틱(CFRP)은 설계가 어렵다는 점, 금속과 같은 균질 재료가 아니라는 점, 성형 가공시간이 길며 고가인 점 등의 과제를 가지고 있다. 이번에 개발한 탄소섬유 강화 열가역성 플라스틱(CFRTP)은 열경화성 수지 대신에 열가역성 수지를 이용함으로써 CFRP가 가지고 있는 과제를 극복하였다.

기술개발 결과는 다음과 같다.
(1) 역가공성 CFRTP 중간기재 개발
등방성 CFRTP 중간기재는 폴리프로필렌 수지(PP) 중에 불연속의 탄소섬유가 균일, 등방으로 분산된 재료이다. SMC(sheet molding compound) 및 GMT(Glass-mat reinforced thermoplastics) 등 종래의 복합재료 기재와 비교하여 상당히 우수한 강도 특성을 가지고 있으며, 단위 중량당 강성, 강도(비강성, 비강도)가 우수하며, 성형품은 연속섬유를 이용한 항공기용 CFRP에 필적하는 경량화 효과를 실현할 수 있었다. 일방향성 CFRTP 중간기재로서 독자적인 표면 처리기술 및 수지 개질기술에 의해 탄소섬유에 PP를 고도로 함침시킨 프리프 레그 테이프의 개발에 성공하였다. 매트릭스 수지가 폴리아미드 수지인 경우 더욱 높은 물성을 얻을 수 있었다.

(2) 역가공성 CFRTP 성형기술의 개발 영업
자동차용 이차구조 부재용으로 등방성 CFRTP 기재를 사용하여 금형 점유 시간이 짧고 성형 후 재료의 편차를 작게 할 수 있는 고속 스탬핑(stamping) 성형기술의 개발에 성공하였다. 자동차용 일차구조 부재로는 강도, 강성이 우수한 바구니형 단면 구조를 가진 중공의 폐단면 구조체를 이용하는 것이 효과적이기 때문에 일방향성 기재를 사용한 고속 내압 성형기술을 개발하였다. 고속 내압 성형기술은 심리스(seamless) 중공단면 구조체를 성형하는 방법이지만, 지금까지 열가역성 복합재료의 기술이 확립되어 있지 않기 때문에 시중에서 판매된 성형 가공품은 전혀 없지만, 이번에 개발한 기술은 저압에서의 양호한 형상 부형성을 가지고 있어 높은 역학특성을 발현하는 고도의 블레이드 설계기술과 그 성형기술을 확립한 것이다.

(3) 역가공성 CFRTP 접합기술의 개발
CFRTP 중간 기재의 볌용 구조 재료화를 달성하기 위해서는 접합기술도 중요하다. 기존 금속 용접기술과 비슷한 속도와 접합강도를 가진 접합기술의 개발을 목표로 열가역성 수지에 특징적인 접합기술인 융착법을 검토하였다. 그 결과 열판융착, 진동융착, 초음파융착 등 접합면을 중첩시켜 가열 가압하는 방법을 개발하였다. 또한 접합부를 일체화함으로써 섬유 함유율이 증가하고 섬유끼리의 얽힘에 의한 고인성화를 달성함으로써 접합부의 강도를 높이는데 성공하였다.

(4) 역가공성 CFRTP 재활용 기술의 개발 영업
탄소섬유는 고에너지를 이용하여 제조하는 재료이기 때문에 가능한 한 높은 수준에서의 재활용이 요구된다. 본 연구에서 개발한 CFRTP 재료는 매트릭스 수지가 물질 재활용이 가능한 열가역성 수지이기 때문에 고도의 재활용이 가능하여 환경부하 및 비용을 크게 저감시킬 수 있어 이 재료의 보급이 가속될 가능성을 제시하였다. 개발된 재료의 기재구조로부터 부품성형, 이차가공을 거쳐 완성차의 조립, 사용에서 폐기까지 생산 프로세스로부터의 전과정에서 폐자재 및 불량품의 순환을 고려함으로써 폐쇄 재활용을 달성할 수 있다는 것을 나타내었다.

이번에 개발한 재료 및 가공방법은 부재별 요구 특성에 맞는 개별적인 최적화가 필요하기 때문에 재료 및 성형에 관한 데이터베이스의 구축 및 충실화를 도모하고 신뢰성 향상 및 안전성을 고려한 구조설계, 평가방법의 확립 등을 목표로 하고 있다.

 

출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

 

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