전통 대 혁신: 탄소섬유 멀티액시얼 원단이 구조 설계를 재정의하는 방법?

탄소섬유 멀티액시얼 원단은 경량성, 고강도 및 우수한 다방향 기계적 특성 덕분에 항공우주, 풍력 발전, 자동차 제조, 철도 운송, 스포츠 용품, 건축 보강 및 의료 장비 등 다양한 분야에 널리 사용되며, 주로 내구성과 효율성을 향상시키기 위한 경량 고효율 구조 부품 제조에 활용됩니다. 제품 , 그리고 동시에 기술 발전과 환경 보호 수요 증가에 따라 그 응용 적용 범위는 계속 확대되고 있습니다.

멀티액시얼 원단의 기본 개념

1. 탄소섬유 다축성은 탄소섬유 복합재에서 탄소섬유가 여러 방향 또는 축 방향으로 층상 구조로 배열된 것을 의미합니다. 이러한 구조는 다양한 방향에 대한 강도와 강성을 확보할 수 있어 복합재료의 전반적인 성능을 향상시킵니다.

2. 탄소섬유 다축성 원단은 폴리에스터 실을 사용해 0°/±45°/-45°/90°의 다방향 각도로 탄소섬유 필라멘트를 경편직하는 방식으로 제작된 원단입니다.

0/90°	±45°

탄소섬유 다축성 천은 0°, ±45°, 90° 등의 다각도 섬유층 구조를 채택하며, 경편직 기술을 통해 정밀한 위치 고정을 실현합니다. 각 섬유층은 특정 각도로 배열되어 생물 골격과 유사한 생체모방 구조를 형성합니다. 이 독특한 설계 덕분에 재료는 다양한 응력 방향에서도 높은 강도를 유지할 수 있으며, 전통적인 단일 방향 천이 가지는 명확한 이방성 결함을 극복합니다.

직조 원단 대 다축성 원단

【평직】

(1) 과도한 안정성: 사각 지점 간 거리가 짧기 때문에 평직 직물은 높은 수준의 안정성을 가지지만, 이로 인해 복잡한 형상을 가진 오버레이 사용에는 부적합하며, 다른 일부 직물만큼 유연하지 않습니다.

(2) 응력 집중: 타래사의 과도한 크림프(사가 직조되면서 형성되는 각도)로 인해 거친 크림프가 발생하여 시간이 지남에 따라 부품을 약화시킬 수 있는 응력 집중이 생길 수 있습니다.

【새틴직】

(1) 유연성과 안정성의 균형: 새틴직 직물은 평직 직물만큼 우수하지는 않지만 유연성이 좋고 복잡한 윤곽을 형성할 수 있습니다.

(2) 강도 차이: 새틴직 직물은 평직 직물보다 강도가 낮아 인장 강도가 요구되는 일부 용도에서의 사용에 영향을 미칠 수 있습니다.

다중축 직물

전통적인 직물과는 달리:

(1) 다중 디레 강도 및 경직성: 이것은 지나치게 안정성 때문에 복잡한 윤곽 라미네이션에 적합하지 않은 평면 직물에 대한 상당한 개선입니다.

(2) 섬유의 곡률 감소: 워크 넥팅은 복합재의 간 절단 강도, 손상 내성, 충격 견고성 및 충격 후 압축 특성을 크게 증가시켜 섬유 강도를 더 높인다.

다축 직물용의 적용 분야

항공우주:T f22와 보잉 787의 '슬림화' 여정

항공기 날개, 구조 프레임 및 기타 부품에서는 공력 하중과 다차원 응력을 견디기 위해 경량이면서도 다방향 기계적 특성을 가진 재료가 요구된다. 탄소섬유 멀티액시얼 원단은 섬유 적층을 합리적으로 설계함으로써 부품 구조를 더욱 안정되게 만들고 강도 및 강성을 향상시킨다.

보잉 787의 동체 외판, 팬 블레이드 등에 사용된 탄소섬유 멀티액시얼 원단은 무게를 크게 줄여주며, 전통적인 탄소섬유 재료가 효과적으로 다방향 응력을 견디지 못해 피로 균열 내구성 문제가 발생하는 것을 방지한다.

【철도 운송: CSR 칭다오 사팡 차량의 신세대 탄소섬유 메트로 차량 CETROVO】

더 가벼운 차체와 더 높은 에너지 효율. 탄소섬유 지하철 차량의 차체 중량이 25% 감소하고, 볼스터 프레임(탄소섬유 다축)의 중량이 50% 감소하며, 전체 차량 중량이 약 11% 줄어들어 운행 시 에너지 소비가 7% 감소합니다. 각 열차는 연간 약 130톤의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있으며, 이는 101무(acre)의 조림 효과와 같습니다.

수명 주기 동안의 운영 및 유지보수 비용 절감. 탄소섬유 경량 소재와 신기술의 적용 덕분에 탄소섬유 지하철 열차의 바퀴와 레일 마모가 크게 줄어들어 차량과 궤도 유지보수 작업량이 현저히 감소하였으며, 전체 수명 주기 동안의 유지보수 비용이 22% 감소하였습니다.

【군사 산업: 미국 F22-랩터 전투기의 비밀 무기】

미국의 F-22 '랩터' 전투기는 다양한 탄소섬유 강화 복합재료, 예를 들어 탄소섬유 다축 경사 편직 복합재료를 활용하여 주날개, 드래그 꼬리, 평면 꼬리 및 기체 피복 등 여러 부위에서 복합재료 사용 비율이 약 35%에 달하며, 이로 인해 기체 무게가 크게 줄어들고 기동성, 피로 저항성 및 내식성 등의 특성이 향상되었다. 기체의 무게가 현저히 감소되었으며, 기동성과 피로 및 부식 저항성이 개선되었다.

【민수 부문: 차세대 소재 혁명】

민수 분야에서 탄소섬유 다축 직물은 건설, 의료, 교통, 스포츠 장비 등 다양한 산업에 널리 사용되고 있으며, 그 제품들은 일상생활에 깊이 통합되어 있다. 건설 분야에서는 기존 구조물의 보수 및 보강에 편리한 시공성과 신뢰할 수 있는 효과라는 장점으로 인해 해당 소재가 널리 채택되었으며, 이는 건설 산업 내 응용 확대를 크게 촉진하였다. 의료 분야에서는 의료 기술의 발전과 건강 인식의 향상에 따라 고효능 의료기기에 대한 시장 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 장비의 고하중 운전은 내구성에 엄격한 요구조건을 제시한다. 탄소섬유 소재는 뛰어난 화학적 불활성(내식성, 내산·내알칼리성)과 치수 안정성을 입증받아 의료기기 제조를 위한 이상적인 소재로 각광받고 있다. 교통수단은 다축 직물의 경량성과 고강도 특성(우수한 인장 및 전단 저항성) 덕분에 차체의 공차 중량을 크게 줄이고 에너지 소모를 낮출 수 있으며, 우수한 기계적 특성은 차량의 수동적 안전성을 효과적으로 향상시킨다. 스포츠 용품 산업에서는 탄소섬유 복합재가 가벼운 무게, 높은 감쇠 성능, 뛰어난 피로 저항성, 낮은 변형률 특성으로 소비자의 고성능 장비에 대한 수요를 충족시키며 제품의 품질과 내구성을 보장한다.

미래 전망

복합재료 적용 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 탄소섬유 멀티액시얼 원단은 맞춤형 적층 각도, 높은 설계 자유도 및 우수한 기계적 특성 덕분에 다양한 분야에서 더욱 넓은 발전 가능성을 갖게 될 것입니다. 향후 자동화 제조 기술과 새로운 수지 시스템의 발전에 따라 멀티액시얼 원단의 생산 효율이 더욱 향상되고 비용이 계속 최적화되면서, 풍력터빈 블레이드, 신에너지차량, 항공우주 등 고부가가치 분야에서의 대규모 적용이 촉진될 것입니다. 동시에 멀티액시얼 원단의 뛰어난 충격 저항성과 피로 저항성은 건물 보강, 스포츠 용품, 의료기기 등 민생 분야에서도 더 큰 가치를 발휘하여 경량화되고 고효율 제품의 보급을 지원할 것입니다.