우리는 복합재료에 많은 것을 기대합니다. 로켓 소재는 이륙 시의 열을 견딜 수 있어야 하고, 풍력 터빈은 강력한 돌풍을 버틸 수 있어야 하며 운동화는 견고하고 오랜 달리기에도 발을 지지해 줄 수 있기를 기대합니다. 전문가들은 어떻게 그러한 구체적인 용도에 맟춰 복합재료를 개발하고 그 특성을 확인합니까?

복합재료란 서로 결합되어 있지만 완성된 구조 내에서 거시적 또는 미시적으로 구별되는 두 가지 이상의 물질로 구성되어 있습니다. 완성된 복합재료는 단일 물질과는 다른 특성을 나타냅니다. 따라서 재료 과학자는 특정 응용 분야에 맟줘 복합재료 제형을 최적화할 수 있으나, 물질 특성을 확인하기 위한 테스트를 충분히 실시해야 합니다.

복합재료 개발자는 최첨단 분석 기법을 사용하여 가벼우면서 안정적인 제품에 대한 오늘날의 높은 수요를 충족하고 있습니다. 이들은 소재와 제품의 프로토타입의 특성을 먼저 분석하여 강도, 내열성, 부착성 및 내구성을 포함한 고객이 기대하는 핵심 성능 특성을 파악합니다.

전 세계 실험실의 복합재료 과학자들은 제품을 향상시키기 위해 어떤 방식으로 재료 분석을 사용하고 있습니까? 업계 최고의 과학 기법 및 다양한 활용 분야와 업계에 걸쳐 복합재료를 테스트하는 방법에 관한 실제 연구 예시는 다음과 같습니다.

DSC(Differential Scanning Calorimeters, 시차 주사 열량계)는 재료의 열 전이 관련 온도와 열류를 측정합니다. DSC는 복합재료의 유리 전이 온도(Tg), 겔화 시간, 경화 시간과 같은 주요 지표를 정량화합니다.

보르도 대학의 Mohamed Rady 교수는 과립형 복합재료의 상변화를 연구하는 데 DSC를 사용했습니다.¹ 교수는 특히 DSC를 통해 정확한 결과를 얻기 위해 간단한 절차를 고안하여 용융 및 응고를 조사했습니다.

폴사바티에 대학 CIRIMAT 실험실의 연구원인 Rivière, Caussé, Lonjon, Dantras, Lacabanne은 변조 DSC를 사용하여 폴리머(폴리에텔에텔케톤) 기지에 은 나노입자 추가의 효과를 연구했으며,² 정확한 열전도율과 비열 측정을 통해 재료의 열 전달 매커니즘을 파악할 수 있었습니다. 해당 데이터는 재료의 혼합을 최적화하여 특정 활용 분야에 적합한 복합재료를 제작하는 데 이용할 수 있습니다.

TA Instruments의 Discovery DSC 라인은 측정 기준선의 편평도, 전이 분해능, 감도가 개선된 특허받은 Tzero™ DSC 기술을 탑재하고 있어 보다 정확한 열류 측정이 가능합니다. Modulated® DSC(MDSC®) 실험은 TA DSC에서 보다 빠르고 정확합니다. Multi-Sample X3 DSC는 생산성을 보다 높이기 위해 최대 3개 샘플의 열류를 동시에 측정할 수 있습니다.

유변학은 물질의 흐름 및 변형에 대한 연구입니다. 변형 및 흐름은 각각 변형률과 변형 속도라고 하며, 외부 힘이나 응력의 영향으로 물체가 이동하는 거리를 나타냅니다.

예를 들어, 에보니 주립대학의 Ogah 교수는 레오미터를 사용하여 목재 및 플라스틱 복합재료 가공 시 필러와 첨가제의 효과를 측정했습니다.³ Ogah 교수는 열가소성 폴리머를 기지 재료로 사용하고 천연 섬유를 가공하여 천연 섬유 복합재료를 제작했습니다. 그 후 TA Instruments Discovery 하이브리드 레오미터를 사용하여 다양한 섬유 유형, 함량, 입자 크기 및 형태가 최종 복합재료의 유변학적 특성에 미치는 영향을 분석했습니다.

레오미터는 점성과 점탄성을 측정할 수 있는 독특한 기능을 갖추고 있습니다. TA Instruments의 Discovery 하이브리드 레오미터를 사용하면 사용자가 점도계나 모세관 레오미터로 조사할 수 없는 미세 구조의 차이도 손쉽게 식별할 수 있습니다. 이러한 측정법은 복합재료가 미시적인 수준에서 상호작용하는 방식을 조사하는 데 특히 유용합니다.

기계적 테스트는 연구자가 재료의 기계적 성질의 특성을 규명하거나 특정 힘에 대한 구조적 반응을 파악하는 데 도움이 됩니다. 복합재료 개발자는 재료의 파손, 피로, 전단 또는 크리프를 정량화하고 해당 정보를 사용하여 특정 활용 분야를 위한 보다 우수한 제품을 설계합니다.

앨버타 대학교의 Garces 및 Ayranci는 압출 기반 적층 공정을 이용한 저항 가열을 통해 형상 기억 폴리머 복합재료(SMPC)를 제조하고 활성화하는 새로운 접근법을 개발했습니다.⁴ 이들은 TA Instruments의 ElectroForce 열조절 인장 테스터를 사용하여 특정 공정 조건에서 SMPC의 변형 효과를 조사했습니다. 해당 연구를 통해 다른 이들도 그 기술을 이용하여 성공적으로 “바이오메디컬 스텐트, 스포츠 장비, 무인 항공기(UAV)”와 같은 다양한 활용 분야에 적합한 SMPC를 제조할 수 있게 되었습니다.

견고한 건축 재료를 개발하든 생체 적합성을 갖춘 골 대체물을 개발하든, 전 세계 주요 실험실은 복합재료의 기계적 특성을 파악하기 위해 ElectroForce 기계적 테스트 기기를 사용하고 있습니다. ElectroForce 로드 프레임은 다양한 적용 하중을 수용하며, 다중 샘플 피로 기기는 한 번에 최대 16개 샘플에 대한 피로 연구를 가속화할 수 있습니다.

이러한 연구의 예시에서는 몇 가지 가능성을 설명하고 있지만, 복합재료의 모든 재료 특성을 분석할 수 있는 수많은 기기와 기술이 존재합니다. 복합재료 페이지에서 오늘날의 최신 기술을 살펴보고 복합재료 설계와 가공 시 귀하의 필요에 맞는 기기가 무엇인지 알아보십시오.

실험실을 위한 최고의 기술이 무엇인지 여전히 확신이 없으신가요? TA Instruments에 문의하시면, 복합재료 전문가가 좋은 결정을 내릴 수 있도록 기꺼이 안내해 드릴 것입니다.