충격 저항성, 경량성, 강성, 내마모성 및 주요 군사 및 산업 응용 분야를 포함한 아라미드 섬유 복합재에 대해 알아보세요.
"폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)"라고도 알려진 아라미드 섬유는 초고강도, 고탄성률, 내열성, 내산 및 내알칼리성, 경량성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 아라미드 섬유는 1960년대 DuPont(상품명 Kevlar)에 의해 개발 및 상업화에 성공하여 탄소섬유가 등장하기 전에는 아라미드 섬유가 고성능 섬유 시장을 장악하고 있었습니다.
1. 아라미드 섬유 개발의 간략한 역사
1960년대 DuPont은 등록 상표 Kevlar로 아라미드 섬유를 도입하고 생산한 세계 최초의 회사였습니다. 아라미드 섬유는 1973년부터 시장에 판매되었습니다. 아라미드는 타이어 제조에서 나일론을 대체할 가볍고 매우 강한 소재를 찾기 위해 연구를 수행하던 폴란드 태생의 여성 화학자 Stephanie Kwolek에 의해 발견되었습니다.
케블라 섬유의 발명가 - 폴란드 태생의 여성 화학자 스테파니 크볼렉(Stephanie Kwolek)
오늘날 가장 유명한 아라미드 복합재료는 DuPont의 Kevlar 섬유입니다. 시간이 지나면서 다른 공급업체에서도 DuPont의 Nomex, 일본 Teijin의 Twaron 및 Technora, 한국 Toray의 Arawin, 한국 Heracron의 Kolon 및 중국 회사의 일부 제품을 포함한 다양한 상표명으로 아라미드를 공급했습니다.
따라서 케블라(Kevlar), 트와론(Twaron), 노멕스(Nomex)라고 불리는 모든 소재는 실제로 아라미드를 지칭하며, 이는 우수한 충격 및 내마모성, 고온 저항성, 가벼운 무게 등 특별한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 이 소재는 육군, 공군, 수상스포츠, 모터스포츠뿐만 아니라 타이어, 의류, 보호장갑 등의 제조에도 자주 사용됩니다.
아라미드 섬유 소재로 제작된 보호 장갑
2.1 높은 충격 및 균열 저항성
아라미드 섬유는 내충격성이 뛰어나고 인성이 강하며 많은 양의 에너지를 흡수하는 능력이 있어 압력에도 균열이 발생하지 않습니다. 방탄 조끼, 보트, 카약, 군용 차량 부품용 장갑 제조에 널리 사용됩니다. 아라미드 섬유 복합재의 내충격성은 탄소 섬유 복합재의 5배입니다(낙하 충격 방법을 사용하여 테스트). 이러한 탁월한 충격 저항성 또는 방탄 능력은 아라미드 구조를 형성하는 긴 원자 사슬에 기인합니다.
뛰어난 내충격성을 고려하여 아라미드 섬유는 방탄 조끼 및 탱크 장갑 재료 제조를 위한 군용 응용 분야에 널리 사용됩니다. 방탄 조끼는 일반적으로 수십 겹의 아라미드(예: 케블라)로 구성된 소재로 만들어지며, 두 겹 사이에 세라믹 판이 포함되어 있습니다. 일부 장갑차에 사용되는 보호막은 강철-아라미드-강 재질로 만들어져 최대 직경 700mm의 대전차 미사일을 견딜 수 있습니다.
아라미드 섬유는 방탄 조끼에 널리 사용됩니다.
또한 강철-아라미드-강철 실드는 탱크 자체를 보호하는 것 외에도 미사일이 관통하여 생성되는 운동 에너지를 흡수하여 승무원을 보호합니다. Kevlar의 또 다른 응용 분야는 Kevlar 로터 블레이드가 장착된 미군 공격 헬리콥터인 Boeing AH-64입니다. 여기에서 Kevlar는 직경이 최대 23mm인 총알에 대한 보호 기능을 제공합니다.
아라미드 섬유는 헬리콥터에 방탄 보호 기능을 제공합니다.
높은 내충격성으로 인해 Kevlar는 가장 까다로운 스포츠 과제 중 하나인 볼보 오션 레이스(Volvo Ocean Race)를 위해 설계된 요트 선체와 같은 보트 및 카약 제작에 널리 사용됩니다. 대부분의 수상 스포츠용 고성능 카약은 아라미드 섬유 또는 탄소 섬유/아라미드 섬유 복합 재료로 만들어집니다.
아라미드 섬유는 카약을 손상으로부터 보호합니다.
2.2 저밀도/저중량
아라미드 섬유는 무게가 매우 가볍기 때문에 복합재료 제조에 유리합니다. 탄소 섬유 복합재 자체는 매우 가벼운 것으로 간주되지만, 아라미드 섬유 복합재는 탄소 섬유 복합재보다 약 20% 가볍습니다. 복합 재료에 아라미드 직물을 사용하면 내 충격성과 내마모성이 향상되고 복합 부품의 무게가 줄어 듭니다.
아라미드 섬유의 밀도는 약 1.45g/cm3인 반면, 아라미드-에폭시 수지 복합재의 밀도는 약 1.3g/cm3입니다. 이 계산은 에폭시 수지와 경화제의 혼합 밀도(~1.1g/cm3)와 복합 재료 생산에 사용되는 첨단 기술, 즉 오토클레이브 프리프레그를 기반으로 합니다. 일반적으로 매우 가벼운 것으로 간주되는 탄소 섬유 복합재의 밀도는 약 1.55g/cm3인 반면, 아라미드 섬유 복합재는 20% 더 가볍습니다.
아라미드 섬유 복합재의 무게는 금속과 어떻게 비교됩니까? 알루미늄은 2.7g/cm3, 티타늄은 4.5g/cm3, 강철은 7.9g/cm3입니다. 따라서 아라미드 섬유 복합재는 알루미늄보다 2배, 티타늄보다 3~4배, 강철보다 6배 가볍습니다.
2.3 유리섬유와 탄소섬유 사이의 적당한 강성
아라미드 섬유 복합재는 유리 섬유 복합재보다 강성이 높지만 탄소 섬유 복합재보다 훨씬 낮습니다. 탄소 섬유와 유사하게 아라미드 섬유는 다양한 강성과 강도를 제공하는 표준, 중간 및 고탄성 섬유를 포함하여 다양한 유형으로 제공됩니다.
다양한 유형의 섬유의 강성은 다음과 같습니다.
유리 섬유 직물 - 72GPa(표준 E-유리)에서 87GPa(S 강화 강도 유리 직물)까지;
탄소 섬유 직물 – 230 GPa(Toray T300) ~ 588 GPa(Toray HM 등급 M60J)
아라미드 섬유 직물 – 96 GPa(표준 아라미드, 즉 Kevlar 129)부터 186 GPa(항공기/항공우주 산업에 사용되는 아라미드, 즉 Kevlar 149)까지.
요약하면, 표준 직물로 만든 아라미드 복합재는 유리 섬유 복합재보다 강성이 30~40% 더 높지만 탄소 섬유 복합재에 비해 50% 낮습니다.
2.4 내마모성
아라미드 섬유 복합재는 경주용 자동차 엔진을 보호하는 스키드 플레이트와 같이 마모되기 쉬운 부품에 널리 사용되었습니다. 아라미드는 일반적으로 채굴 산업(예: 광업)에서 고무 컨베이어 벨트를 강화하여 더 높은 강도와 내마모성을 보장하는 데 사용됩니다. 케블라 제조업체에 따르면 이 강화재는 내마모성을 50~70%까지 높일 수 있다고 합니다. 이러한 특성으로 인해 이 소재는 Twaron 또는 Kevlar와 같은 아라미드 직물을 사용하는 절단 방지 안전 장갑과 같은 작업복뿐만 아니라 복합재에도 사용할 수 있습니다. 2.5 낮은 유전 상수
아라미드 섬유 복합재는 약 3.85(10GHz에서)의 낮은 유전 상수를 가지므로 아라미드 보호 커버/레이돔을 통해 우수한 신호 침투 및 강도를 보장합니다. 이 유형의 안테나는 군용 항공기와 같은 군사 목적으로 널리 사용됩니다.
군용 레이돔에 사용되는 아라미드 섬유
아라미드 섬유 복합 케이스/레이돔은 안테나가 손상되지 않도록 보호하고 우수한 신호 성능을 보장합니다. 이와 대조적으로 E-유리 섬유 복합재는 6.1(10GHz에서)의 유전 상수를 제공하므로 안테나 신호 전력 및 성능이 60% 감소합니다. 아라미드 외에도 유전 상수가 3.78(10GHz에서)인 석영 섬유도 사용됩니다.
2.6 기타 특성
아라미드 섬유는 열팽창 특성이 낮고 고온에서 매우 안정적이며 열팽창이 거의 0이고 열팽창 계수가 약간 음수(-2.4 x 10⁻⁶ /°C)에 해당합니다. 아라미드 섬유는 우수한 절연체이며 전기를 전도하지 않습니다.
아라미드 섬유 복합재의 특별한 특성은 진동 흡수와 관련되어 있어 항공기 구조 부품과 같이 진동에 견디는 부품을 제조하는 데 적합합니다.
2.7 다른 직물과의 혼합 복합재
아라미드 섬유 직물은 탄소 섬유 복합재 및 유리 섬유 복합재에 사용하기 위해 필요에 따라 매개변수적으로 조정될 수 있으므로 복합재 제품 공급업체에 다양한 가능성을 제공합니다.
탄소섬유 복합재의 경우 아라미드 섬유 직물을 여러 겹 추가하면 내충격성을 향상시킬 수 있습니다. 탄소섬유 50%와 아라미드 섬유 50%로 구성된 하이브리드 복합재는 탄소섬유만으로 만든 복합재에 비해 내충격성이 최대 25% 향상된 것으로 나타났다.
아라미드 섬유-탄소섬유 하이브리드 원단
