[공학] 재료과학 - 금속복합재료 정리

1. 복합재료란

복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 거시적으로 조합되어 유효한 기능을 갖는 재료를 일컫는다. 그러나 두 종류 이상의 재료가 미시적으로 조합되어 거시적으로 균질성을 갖는 합금들은 복합재료라 하지 않으며, 복합재료는 구성소재들 사이에 거시적으로 경계면을 가지고 있다는 점이 합금과 다르다. 복합재료의 구성요소로는 섬유, 입자, 층, 모재 등이 있으며, 이러한 요소들로 구성된 복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, 섬유강화 복합재료, 등으로 구분할 수 있다. 복합재료로서 개선 할 수 있는 특성은 강도 및 강성도, 내식성, 피로수명, 내 마모 특성, 충격특성, 고온특성, 전기 절연성, 단열성, 경량화, 외관 등을 들 수 있다. 이러한 특성이 동시에 모두 개선되는 것은 아니고 목적에 알맞게 필요에 따라 선택하여 쓸수 있으며, 복합재료가 신소재로서 가장 주목받고 있는 특성은 무게비 강도 및 강성도라고 할 수 있다.
따라서, 복합재료는 tailor-made 재료라고도 불리듯 `표 1`에 나타내는 바와 같이 단일 재료로는 기대할 수 없는 여러 우수한 특성을 가지고 있다. 이런 복합재료를 정의하는데는 몇 가지 주의해야 중요점이 있다.
1. 높은 比彈性率, 比强度를 가진다

2. 輕, 薄, 短, 小 도움

3. 충격강도가 크다

4. damping 特性이 우수하다

5. 피로강도가 크다

6. 고온강도, 크리이프 특성을 개선할 수 있다

7. 파괴인성 향상과 파괴흡수 에너지 증대

8. 내마모성, 자기윤활성의 부여가능

9. 내식성 향상

10. 각종기능의 조합재가 가능

11. 열팽창계수의 조정과 높은 치수 안정성

12. 일체성형에 의해 공수의 대폭 저감

13. 최적 설계의 실현, 적응성이 높은 재료

14. 不連續性, 異方性의 활용이 가능하다

`표 1` 섬유강화 복합재료의 이점

여러 가지 형태의 복합재료

⑴ 복합재료는 단순히 복수의 물질(원소)을 조합하여 만들어진 것이 아니라, 복합된 제 각각의 재료는 그 복합재료에서 분해하여 꺼냈다고 해도 역시 재료로서 사용할 수 있는 것으로 되어 있다는 것이다. 원자의 조합 그 자체를 설계하는 합금이나, 하이브리드 재료 까지는 포함하고 있지 않다.

⑵ 복합재료는 재료특성을 설계하여 만드는 재료이다. 그렇기 위해서는 우선 기재의 특성을, 편차를 포함한 설계 data로 파악하여 둘 필요가 있다.

⑶ 복합재료에 요구되는 특성을 설계할 필요가 있다. 그렇기 위해서는 필요로 하는 특성을 수치화해야 한다. 예를 들면 사용하는 사람이 요구하는 것은 좋은 음질이 나는 스피커이며, 혹은 승차감이 좋은 차이다. 이것을 설계하는 것은 전기 혹은 기계의 전문가이다. 종래의 재료의 경우는 재료가 고정되어 있기 때문에 설계자는 그것에 적당한 재료를 재료전문가로 부터 선택받아 설계하며 제조자에게 부품으로 발주하여 조립해 왔다.

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특성의 요구에서부터 설계, 제작까지 복합재료는 science가 아니고 engineering의 문제라는 것이다. 설계의 최적화라는 것은 이상적인 것을 추구하는 것이 아니고 현재 가지고 있는 기술에서 제일 적절하게 응용할 수 있는 재료는 무엇인가 하는 것을 추구하는