복합소재, 복합재료 또는 Composite.
복합재료는 무엇일까요? 말 그대로 다른 재료를 합쳐놓은 것입니다. 한 가지 소재에서는 기대할 수 없던 물성을 복합재료는 가질 수 있기 때문입니다.
"복합재료는 쏘맥..."
소재도 일단 섞어보면 다른 맛이 납니다... 뭘 섞는지, 어떻게 만드는지 소재를 다루는 사람마다 참 다양한 물성을 낼 수 있습니다. 주변에 다양한 소재들이 있지만 오늘은 Polypropylene(PP)-glass fiber(유리섬유) 복합소재를 예로 들어보겠습니다.
PP는 구조적으로 강성(Stiffness)이 높지 않습니다. Aliphatic 고분자로 유연한 구조를 가지고있죠. 강성은 외부에서 힘이 가해졌을 때 소재가 얼마나 변형이 잘 되냐의 척도입니다. 반면유리섬유는 Si-O 결합과 network로 구조적으로 강성이 높습니다.
PP와 Glass fiber를 단독재료로 사용하면 당연히 각각 소재의 특성만 있습니다. 하지만 두가지 재료를 혼합한다면 어떻게 될까요?
이것들을 복합재료로 만든다면? 물성이 보강 됩니다. 위 사진에서 오른쪽에 SEM image를 보면, Glass fiber는 PP matrix에 들어가있습니다. 외부에서 stress가 가해졌을 때 전달 경로가 단독소재와 복합소재일 때 차이가 발생합니다. 단독소재를 변형시키기에 충분한 stress를 복합소재에 가하면 변형이 적게 일어납니다. PP에 전달된 stress/에너지는 복합소재 내부에 있는 glass에 전달됩니다. PP보다 강성이 높은 Glass는 해당 stress를 버티며, 복합소재 전체에서는 복합소재 전반적으로 강성이 높아지게 됩니다.
PP의 관점에서 보면 단독일때 보다 복합일때 강성이 보강된거죠. 이런식으로 microscopic 관점에서 재료의 물성이 보강되어 '복합재료'라는 새로운 물성을 갖는 소재가 되었습니다. Glass 관점에서도 복합소재가 되며 역시 물성이 보강됩니다. 유리를 얇은 섬유로 만든다면 굉장히 brittle해서 손가락으로 문지르기만 해도 바스러집니다. 그런데 glass 표면에 pp가 있으면 달라집니다. 실처럼 유연해집니다. 이번에는 PP의 유연한 구조가 glass의 취성을 보강해 준 것입니다.
"선조의 지혜"
결국에는 이렇게 요약할 수 있습니다. "PP-유리섬유 복합재는 황토+짚으로 벽돌 만드는거랑 똑같다." 같은 원리입니다. 황토만으로 건물을 올릴 수 없습니다. 짚을 섞은 벽돌을 쓰거나, 나무로 틀을 짜고 황토를 바르는 등 무언가와 섞어야 황토로 집을 지을 수 있습니다.
우리가 밥만 먹고 살 수 없듯이, 아무리 좋은 소재라도 모든 분야에 적용할 수 없습니다. 다만 소재가 가진 적용 한계를 넓혀주는 것은 '재료의 복합화'입니다.
다음에는 '경량화'에 초점을 맞춘 복합소재 이야기를 포스팅 하겠습니다.
SEM image : Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 31, Issue 10, October 2000, Pages 1117-1125
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