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단독재료는 실현불가능한 성능을 발휘하는 복합재료. 필요에 가장 적합한 설계가 가능하다.

철근콘크리트나 베니어판에서 보듯이 재료 단독으로는 실현이 불가능한 우수한 성질을 발휘하는 재료가 일반적인 의미의 복합재료이다. 오늘날 섬유강화플라스틱으로 대표되는 복합재료는 고분자나 금속 등으로 된 기지재료(基地材料)에 미세분말이나 섬유를 강화재료로 적절히 조합시킨 것이다. 기지재료는 플라스틱, 금속, 세라믹스 등 다채로우며 강화재로는 유리, 세라믹스,폴리머, 탄소섬유 등이 있다.

가혹한 조건에 이용

우주왕복선은 극초음속으로 대기권을 통과하여 우주공간에 도달한 후 보통 비행기와 같이 비행하여 목적지에 착륙한다.이 신형 항공기에 사용되는 재료는 구조재료로서는 가장 가혹한 조건에 노출되는 셈이다. 또 적재되는 연료만으로 궤도에 진입하려면 기체구조가 매우 큰 공기역학적 응력에 견딜 수 있도록 경량이면서도 강한재료가 필요하게 된다.
 

기체의 일부에는 1천℃이상의 고온에서 강도를 유지하는 재료가 필요하며, 엔진에는 더욱 고온에서 강도를 유지할 수 있는 재료가 요청된다. 이같은 비행기는 지금까지 계획은 있었으나 설계가 나온 일은 없다. 그러나 기체의 대부분과 몇개의 엔진부품이 복합재료로 알려진 하이브리드재료로 제조된다는 것은 확실하다.
 

저밀도이며 강성이 있는(하중변형에 대해서 강한)고강도 재료의 필요성으로부터, 군사용과 상업용의 항공기, 운동용구, 자동차 등에서 이미 여러 구성부분에 복합재료가 사용되기 시작하고 있다. 또한 내열성이 보다 우수한 복합재료는 로케트의 구성부분이나 미사일의 노즈콘(선단부)에 등장하고 있다.
 

기술 진보에 따라 단일재료로는 만들어 낼 수 없는 성질을 가지고 있는 재료에 대한 요구가 계속되는 한, 복합재료는 점점 중요한 재료가 될 것이다.
 

이상적인 구조재료는 가까운 장래에 원소의 주기율표의 중앙부분에 있는 몇개의 원소로 만들어질 것이다. 탄소 알루미늄 규소 질소 산소 등의 원소는 강하고 안정된 화학결합의 화합물을 만들기 때문이다. 산화알루미늄(루비나 사파이어의 기본물질, Al₂O₃)탄화규소(SiC) 이산화규소(유리의 주성분, SiO₂)와같은 세라믹스를 대표하는 화합물은 강하고 강성이 있어서 내열성이나 내화학부식성을 갖는다. 이들의 밀도는 낮으며, 또한 그 구성원소는 자원으로서 풍부하게 존재한다.

섬유로 재료강도 향상

그럼에도 불구하고 이 물질들은 구조재료로서 거의 사용되지 않고 있다. 왜냐하면 이들은 약하고, 작은 흠이나 내부의 균열만으로도 파괴적인 균열이 생기기 때문이다. 강도를 높이는 방법은 이런 재료를 입자가 가는 섬유형태로 만드는 것이다. 예를 들면 유리창은 쉽게 깨지지만 같은 유리를 가는 섬유로 뽑아내면 강철의 6배이상의 인장력을 갖게 된다.
 

많은 재료가 섬유의 형태에서 최고의 기능을 발휘한다는 것은 어떤 종류의 유기폴리머(중합체)에 대해서도 적용된다. 폴리머분자는 보통은 공유결합된 탄소원자의 긴 사슬로 이루어진다. 대부분의 경우 이 사슬은 느슨하게 결합되거나 복잡한 형태로 결정화 되어있다. 따라서 폴리머의 재료는 유연하고 약하다.
 

그러나 사슬이 모두 응력의 방향으로 향해 있다면 폴리머는 매우 강하고 강성도 나타낸다. 어떤 폴리머는 막대기 모양의 분자로서 폴리머를 섬유로 짤 때에 쉽게 한 방향으로 정렬한다. 아라미드섬유는 이 성질을 이용하여 생산되고 있으며, 강도와 강성이 매우 높다. 폴리에틸렌과 같이 유연한 사실을 갖는 폴리머도 섬유축에 따라 폴리머분자를 당겨 배열하는 새로운 기술에 의해 매우 강하고 단단한 섬유로 만들어진다.
 

복합재료의 기지재료(matrix)는 섬유강화복합재료에서 섬유를 굳히는 접착제의 작용을 하며 균열을 일으킬 응력환경이나 물리적 손상으로부터 섬유를 보호한다. 기지재료를 선택할 때 결정적인 것은 그 복합재료를 어떤 온도범위에서 이용하는가이다.
 

1백℃~2백℃정도의 온도에 노출되는 복합재료의 기지재료는 유기폴리머이며 대부분의 복합재료는 여기 속한다. 폴리에스테르수지 속에 짧은 유리섬유를 집어넣는 파이버글래스가 전형적인 예로서 전기제품, 선체, 자동차의 차체에 쓰인다.

금속과 세라믹스를 기지재료로

항공기의 표면이나 구조재료용으로 개발된 첨단 복합재료의 대부분은 폴리에스테르수지보다 내열성이 우수한 폴리머 속에 탄소나 아라미드와 같은 강성과 강도가 우수한 섬유를 집어넣어 강화한 것이다.
 

폴리머를 녹게하거나 약화시킬 정도로 높은 온도에서는 다른 종류의 기지재료 즉 금속이 필요하게 된다. 금속기지재료는 내열성 이외의 잇점도 갖고있다. 강화섬유의 강도에 덧붙여서 금속기지재료의 높은 강도와 연성으로부터 복합재료에 인성이 생기는 것이다. 이런 섬유강화금속의 약점은 제조과정이 복잡하고 금속기지재료의 밀도가 높다는 것이다.
 

금속을 기지재료로 한 복합재료는 극초음속으로 나는 우주왕복선의 기체표면중 저온부분의 재료도 사용될 수 있을 것이다. 그러나 기수, 날개의 앞부분, 엔진의 온도는 금속기지재료의 융점을 넘을 것이다. 이에 설계자들은 섬유와같은 내열성을 갖고 가벼우면서도 잠재적으로 대단히 강한 강성이 있는 세라믹스를 기지재료로 한 복합재료를 검토하고 있다.
 

세라믹스 기지재료는 복합재료에 보다 우수한 내열성을 제공한다. 예를들면 탄화규소섬유로 강화한 붕산규소유리의 강화는 1천℃까지 유지된다. 또 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄), 산화알루미늄(Al₂O₃), 무라이트(알루미늄, 규소, 산소의 복합화합물)와같은 기지재로는 1천7백℃에서도 사용할수 있는 복합재료를 만든다. 이러한 복합재료의 대부분은 온도가 높아질수록 강인하게되는 특징을 지닌다. 즉 대부분의 세라믹스에서는 구성성분인 결정입자 사이에 유리질의 영역이 있고, 그것이 고온에서는 연화하여 균열의 방지장치로서 작용하기 때문이다.
 

성질로보면 세라믹스를 기지재료로한 복합재료와 관계가 있지만, 제법에 특색이 있는 복합재료가 기지재료와 강화섬유 쌍방에 탄소원소를 사용한 카본카본복합재료이다. 이것의 강화섬유는 반결정상태의 탄소섬유이고, 기지재료는 통상 비정질(아모퍼스)의 탄소이다. 카본카본복합재료는 2천5백℃에서도 그 강도를 유지하여 우주왕복선과같은 대기권재돌입체의 노즈콘에 쓰이고 있다.
 

복합재료가 사용될 수 있는 온도는 기지재료의 선택에 크게 의존한다. 그러면 강화섬유는 어떻게 선택하면 될까. 세라믹스, 폴리머, 원소단체(붕소, 탄소 등)으로 된 강화섬유는 모두 강하지만 성질은 제각기다. 예를들면 유리섬유의 인장강도는 고성능 복합재료의 강화재로서 널리 이용되고 있는 흑연섬유에 비해 같거나 그 이상으로 우수하다. 그러나 유리섬유는 큰 응력을 받을 때 길이가 몇%정도 늘어난다. 따라서 유리섬유로 강화한 복합재료는, 강성이 극히 중요한 고성능의 응용분야에 대해서는 연구되고있지 않다. 단지 유리섬유는 가격이 싸기 때문에 요구조건이 낮은 응용분야에 보급되고 있다.
 

설계방법의 혁명

큰 내충격성이 필요한 곳에서는 탄소섬유가 아닌 다른 강화섬유를 사용한 복합재료 쪽이 적당할 것이다. 전투용 헬리콥터 기체는 포격을 받아도 부서지면 안된다. 따라서 강성이 조금 떨어져도 가장 강인한 아라미드의 폴리머섬유를 쓰는 것이다.
 

하이브리드 복합재료에서 전형적으로 보듯이 재료의 세부에 이르는 성질의 관리는 공업설계를 크게 바꾸어 놓고 있다. 금속이나 합금과같은 균질한 재료는 그만큼의 관리를 필요로 하지 않기 때문에, 재료를 지정하는 것과 구성요소의 설계는 전통적으로 별개로 행해져왔다. 그러나 복합재료는 항공우주기술 등의 분야에서 전통적인 재료를 대체하기 시작하면서 구성요소의 설계와 재료의 지정이 하나로 결합되고 있다.

복합재료의 미세구조는 관리가 가능하기 때문에 그것이 받는 응력의 분포에 맞도록 재료를 만들 수 있다. 동시에 각각의 구성요소는 복합재료의 독특한 성질을 살린 것이 될 것임에 틀림없다. 즉 사출성형(射出成型), 필라멘트 와인딩, 3차원 직물과 같은 공정에 의해 방향성을 갖는 성질과 복잡한 형상이 만들어질 것이다.
 

여러가지 구성요소와 그 재료를 입안하는 일은 점점 복잡해지기 때문에 공업설계는 컴퓨터와 다른 학문영역에 걸친 연구에 더욱 의존하게 될 것이다. 이와같은 접근방법은 장래의 기술의 열쇠를 쥔 복합재료의 잠재능력을 충분히 발휘하게 할 것이다.