○ 복합재료의 출현 ; 다양한 성질을 갖는 재료를 요구(우주항공, 수중...) ○ 대부분의 금속 및 세라믹은 복합재료(polymorphism) ; 복합재료에서 제외 ○ 자연상태의 복합재료 - 목재 ; cellulose fiber + lignin - 뼈 ; collagen + apatite ○ 복합작용원리(principle of combined action) ○ 복합화의 목적 ; 강성, 인성, 강도(특히 고온강도)의 향상 ○ 복합재료의 구성 = 기지(matrix) + 분산상(dispersed phase) ○ 복합재료의 성질 ; 구성 상의 성질, 함량 및 분산상의 형태에 의존 ○ 복합재료의 분류 - 기지에 따른 분류 물 성 | 고분자 복합재료 (PMC) | 금속 복합재료 (MMC) | 세라믹 복합재료 (CMC) | 밀 도 | 低 | 高 | 低 | 사용 온도 | 低 | 高 | 高 | 인 성 | 高 | 高 | - |
- 분산상에 따른 분류 입자강화 복합재료 (Particulated composite) | 섬유강화 복합재료 (Fiber-reinforced composite) | 적층강화 복합재료 (Laminated composite) | 휘스커강화 복합재료 (Whisker-reinforced composite) |
입자강화 복합재료 1. 과립 복합재료 ○ 혼합법칙(rule of mixture) ; 2상 복합재료 - 탄성율 ; 복합재료의 탄성율은 이론적인 상한값과 하한값과 사이에 존재 상한값 | Ec(U) = EmVm + EpVp | 하한값 | Ec(L) = EmVp / (VmEp + VpEm) |
- 실험치(Cu-W) ; 상한값과 하한값 사이에 존재
○ 과립 복합재료의 예 - 컴포짓 레진 - 고무 ; carbon black (20～50 ㎚, 15～30%) - Cermet ; WC, TiC + Co, Ni - 콘크리트 ; 시멘트 + 자갈(모래) + 물 ○ 과립 복합재료의 성질 - 기지 ; 기포 - 분산상 ; 입도, 표면상태, 기지와의 계면결합
2. 분산강화 복합재료
○ 합금의 강도 및 경도 향상 ○ 강화입자 ; 10～100 ㎚ ○ 금속 기지에 세라믹 입자 강화 ; Ni/ThO2, Al/Al2O3
섬유강화 복합재료
○ 섬유강화의 목적 - 비강도(specific strength) 향상 ; 인장강도 vs. 밀도 - 비탄성율(specific modulus) 향상 ; 탄성율 vs. 밀도
1. 섬유 길이의 영향
○ 하중이 전달되면 소성 변형 ; 섬유의 끝에서는 하중 전달 없음 ➡ 비강도 및 비탄성율의 향상을 위해서는 임계 길이 이상 ○ 임계 길이 ; lc = σf* d / 2 τc (where, σf* ; 인장강도, τc ; 결합력) - 탄소섬유/유리 ; 약 1 ㎜ (섬유 지름의 약 20～150배) 섬유길이 ≥ 15l c | 장섬유(long fiber) 연속섬유(continuous fiber) | 섬유길이 〈 15l c | 단섬유(short fiber) 불연속섬유(discontinuous fiber) |
2. 섬유의 방향성과 부피분율의 영향 ○ 섬유의 방향성 - 섬유가 한 쪽 방향으로 서로 평행하게 정열된 상태 - 섬유가 완전히 무질서한 상태 
○ 정렬된 장섬유에 장축 방향으로 응력을 가했을 경우 - 응력-연신율의 거동 | 성 질 | 인장강도 | 파단 연신율 | | 섬 유 | 완전 취성 | σf* | εf* | εf*〈 εm* | 기 지 | 약간의 연신율 | σm* | εm* |
- 섬유는 파단되면 원래 크기보다 작지만 기지에 매입되어 하중 분담 
- 탄성의 거동 ※ 가정 ; 계면 결합력이 매우 우수하여 섬유와 기지의 변형이 동일 복합재료의 총하중력은 기지에 의한 하중과 섬유에 의한 하중의 합 Fc = Fm + Ff
F = σA이므로, σcAc = σmAm + σfAf
단면적으로 나누면, σc = σmAm/Ac + σfAf/Ac ∴ σc = σmVm + σfVf
εc = εm = εf 이므로, σc/εc = Vmσm/εm + Vfσf/εf
∴ Ecl = EmVm + EfVf
∴ Ecl = Em(1-Vf) + EfVf
- 인장 강도
† 섬유의 강도에 의존 † σcl* = σm'(1-Vf) + σf*Vf
○ 정렬된 장섬유에 단축 방향으로 응력을 가했을 경우 응력은 기지 및 분산상에서 동일 ; σc = σm = σf = σ
전체 변형율 εc = εmVm + εfVf
ε = σ/E이므로, σ/Ect = Vmσ/Em + Vfσ/Ef
∴ 1/Ect = Vm/Em + Vf/Ef
∴ Ect = EmEf/(VmEf + VfEm) + EmEf/[(1-Vf)Ef + VfEm)
- 인장 강도 † 장축 방향보다 강도가 매우 낮음 ; 경우에 따라서 기지보다 낮음 † 기지의 강도에 의존 ○ 정렬된 단섬유 강화 복합재료 - 강화 효과는 장섬유보다 낮음 ; 탄성율 90%, 인장강도 50% 수준 - 상업적인 면에서는 더욱 중요 ; 유리 섬유, 탄소 섬유, aramid 섬유 ○ 정렬되지 않은 단섬유 강화 복합재료 - 탄성율은 섬유의 부피 분율보다 작게 증가 Ecd = KEfVf + EmVm (where, 0.6 〈 K 〈 1.0)
섬유강화 복합재료 ○ 방향성에 따라 물성 변화 ○ 섬유의 장축 방향에서 최대 강화효과 ○ 섬유의 단축 방향에서는 강화 효과가 거의 없음 |
3. 섬유 재료
○ 형태에 의한 분류 copped fiber | 잘게 썬 섬유 | filament yarn | 섬유 다발 | fiber cloth | 직포 |
○ 재질에 의한 분류 
4. 기지상(matrix)
○ 기지상의 종류 - 금속이나 고분자를 선호 ; 연성 - 세라믹 ; 파괴인성 개선 ○ 기지상의 기능 - 섬유상을 결합 - 외부 응력을 섬유에 전달 - 연성이 있고, 탄성율이 섬유보다 매우 높아야 함 - 섬유상이 마찰이나 마모에 의해 손상되는 것을 방지 - 섬유상이 주위 환경과 화학 반응하지 않도록 보호 - 섬유상끼리 분리시켜 응력이 섬유상을 따라 전달되는 것을 방지 - 섬유상과의 결합력이 매우 커야 함
5. 고분자기지 섬유강화 복합재료
○ 유리섬유 강화 고분자 복합재료 - 유리섬유의 특징 † 유리섬유의 제조 용이 † 비교적 강하여 높은 비강도 발현 † 화학적으로 안정 † 고분자 복합재료의 제조 용이 ; 경제적 - 예 ; 자동차와 보트의 몸체, 플라스틱 파이프, 저장 탱크(FRP) ○ 탄소섬유 강화 고분자 복합재료 - 탄소섬유의 특징 † 탄소섬유는 모든 강화상중에서 비탄성율과 비강도가 최고 † 고온에서도 기계적 성질 유지 ; 고온에서의 산화가 문제 † 화학적 안정성 † 제조 공정이 비교적 저렴 - 탄소섬유의 종류 ; precursor에 따라 분류 † 레이온 † 폴리아크릴로니트릴(PAN) † pitch
○ Aramid섬유 강화 고분자 복합재료 - Aramid 섬유의 특징 † 1970년대 초에 개발
† Aromatic poluamide | 