항공기 산업의 복합재

이것은 주제 페이지 입니다 . Appropedia는 독창적인 연구 에 중점을 두고 있지만 이 페이지는 유용한 컨텍스트를 제공하고 사이트를 탐색하는 데 도움이 됩니다. 이 페이지를 개선 하여 Appropedia에 도움을 줄 수 있습니다 .더 읽어보세요...

복합 재료 ^W는 항공기 산업에서 널리 사용되며 엔지니어가 재료를 개별적으로 사용할 때 직면했던 장애물을 극복할 수 있게 해주었습니다. 구성 재료는 복합재에서 고유성을 유지하며 서로 완전히 용해되거나 병합되지 않습니다. 이 재료들은 함께 구조적 특성이 향상된 '하이브리드' 재료를 만듭니다.

경량, 내열성 복합재료의 개발을 통해 차세대 고성능, 경제적인 항공기 설계가 실현될 것입니다. 이러한 재료를 사용하면 연료 소비가 줄어들고 효율성이 향상되며 항공기의 직접 운영 비용이 절감됩니다.

복합재료는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 원할 경우 섬유를 촘촘하게 감아 강도를 높일 수도 있습니다. 복합재의 유용한 특징은 각 층의 섬유가 서로 다른 방향으로 이어져 층을 이룰 수 있다는 것입니다. 이를 통해 엔지니어는 고유한 특성을 가진 구조를 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 한 방향으로만 구부러지고 다른 방향으로는 구부러지지 않도록 구조를 설계할 수 있습니다. ^[2]

기본 복합재의 합성

기본 복합재에서는 하나의 재료가 지지 매트릭스 역할을 하고, 다른 재료는 이 기본 비계 위에 구축되어 전체 재료를 강화합니다. 물질의 형성은 비용이 많이 들고 복잡한 과정이 될 수 있습니다. 본질적으로 기본 재료 매트릭스는 고온 및 고압의 금형에 배치됩니다. 그런 다음 에폭시 나 수지를 기본 재료 위에 붓고 복합 재료가 냉각되면 강한 재료가 생성됩니다. 복합재는 기본 매트릭스에 보조 재료의 섬유를 삽입하여 생산할 수도 있습니다.

복합재는 인장 강도와 압축 저항성이 우수하여 항공기 부품 제조에 사용하기에 적합합니다. 재료의 인장 강도는 섬유질 특성에서 비롯됩니다. 인장력이 가해지면 복합재 내의 섬유가 가해진 힘의 방향과 정렬되어 인장 강도를 얻습니다. 압축에 대한 우수한 저항성은 기본 매트릭스 시스템의 접착성 및 강성 특성에 기인할 수 있습니다. 섬유를 직선기둥 모양으로 유지하고, 좌굴을 방지하는 것이 수지의 역할이다.

항공 및 복합재

복합 재료는 금속 합금에 필적하는 구조적 강도를 제공하면서도 무게는 가볍기 때문에 항공 산업에 중요합니다. 이로 인해 항공기의 연료 효율성과 성능이 향상됩니다. ^{[3] [4]}

항공 산업에서 복합재의 역할

유리 섬유는 가장 일반적인 복합 재료이며 수지 매트릭스에 내장된 유리 섬유로 구성됩니다. 유리섬유는 1950년대 보트와 자동차에 처음으로 널리 사용되었습니다. 섬유유리는 1950년대 보잉 707 여객기 에 처음 사용되었으며 , 전체 구조의 약 2%를 차지했습니다. Boeing이 제작한 새로운 항공기의 각 세대에는 복합 재료 사용 비율이 증가했습니다. 787 Dreamliner 에서는 복합재 사용량이 50%로 가장 높습니다 .

보잉 787 드림라이너(Boeing 787 Dreamliner) 는 주요 구조 요소가 알루미늄 합금이 아닌 복합 재료로 만들어진 최초의 상용 항공기가 될 것입니다. ^[1] 이 항공기에서는 구식 유리 섬유 복합재에서 고급 탄소 라미네이트 및 탄소 샌드위치 복합재로 전환됩니다. 드림라이너의 윙 박스에 문제가 발생했는데, 이는 부품 제작에 사용된 복합 재료의 강성이 부족했기 때문입니다. ^[1] 이로 인해 항공기의 최초 배송 날짜가 지연되었습니다. 보잉은 이러한 문제를 해결하기 위해 이미 제작된 윙박스에 새로운 브라켓을 추가하는 등 윙박스를 강화하는 한편, 아직 제작되지 않은 윙박스도 개조하고 있다. ^[1]

복합 재료 테스트

재료의 복잡한 특성으로 인해 컴퓨터 시뮬레이션으로 복합재 부품의 성능을 정확하게 모델링하는 것이 어려운 것으로 나타났습니다. 복합재는 강도를 높이기 위해 서로 겹쳐지는 경우가 많지만, 레이어가 서로 다른 방향으로 방향이 지정되어 테스트 시 어떻게 작동할지 예측하기 어렵기 때문에 제조 전 테스트 단계가 복잡해집니다. ^[1]

부품에 대한 기계적 스트레스 테스트도 수행할 수 있습니다. 이러한 테스트는 소규모 모델로 시작한 다음 점차적으로 구조의 더 큰 부분으로 이동하고 마지막으로 전체 구조로 이동합니다. 구조 부품은 실제 비행에서 예상되는 최악의 조건을 훨씬 뛰어넘는 응력을 모방하기 위해 구부리고 비틀는 유압 기계에 삽입됩니다.

복합재료 사용 요인

경량화는 복합재료 사용의 가장 큰 장점이며, 복합재료 선택 시 중요한 요소 중 하나입니다. 다른 장점으로는 높은 내식성과 피로로 인한 손상에 대한 저항성이 있습니다. 이러한 요소는 장기적으로 항공기의 운영 비용을 절감하고 효율성을 더욱 향상시키는 역할을 합니다. 복합재는 성형 공정을 사용하여 거의 모든 형태로 성형할 수 있다는 장점이 있지만 이로 인해 이미 어려운 모델링 문제가 더욱 복잡해졌습니다.

복합재 사용의 주요 단점은 상대적으로 새로운 재료이므로 비용이 많이 든다는 것입니다. 높은 비용은 또한 노동 집약적이고 종종 복잡한 제조 공정에 기인합니다. 복합재는 결함을 검사하기 어려운 반면 일부는 습기를 흡수합니다.

반면 알루미늄은 무겁지만 제조와 수리가 쉽습니다. 움푹 패이거나 구멍이 뚫려도 여전히 함께 유지될 수 있습니다. 복합재는 이와 같지 않습니다. 손상된 경우 즉시 수리가 필요하며 이는 어렵고 비용이 많이 듭니다.

무게 감소로 연료 절감

연료 소비는 항공기 건조 중량, 탑재량 중량, 항공기 연령, 연료 품질, 대기 속도, 날씨 등을 포함한 여러 변수에 따라 달라집니다. 787 드림라이너의 경우처럼 복합재료로 만들어진 항공기 부품의 무게가 약 20% 감소했다. ^[4]

Airbus A340-300 항공기에 대해 20%의 빈 중량 감소를 통한 총 연료 절감의 샘플 계산이 아래에 수행됩니다.

이 사례 연구의 초기 샘플 값은 외부 소스에서 얻은 것입니다. ^[5]

주어진:

• 작동 시 자체 중량(OEW): 129,300kg
• 최대 무연료 중량(MZFW): 178,000kg
• 최대 이륙 중량(MTOW): 275,000kg
• 최대. 범위 @ 최대. 무게: 10,458km

위의 주어진 수치로부터 다른 수량을 계산할 수 있습니다.

• 최대 화물 중량 = MZFW - OEW = 48,700kg
• 최대 연료 중량 = MTOW - MZFW = 97,000kg

따라서 최대 연료 중량 및 최대 주행 거리 = 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km를 기준으로 연료 소비량을 kg/km 단위로 더 계산할 수 있습니다.

다음은 중량을 20% 감소시킬 때 예상되는 연료 절감량을 계산한 것입니다. 이는 OEW 값을 20%만 감소시킵니다.

• OEW(신차) = 129,300kg * 0.8 = 103,440kg, 이는 25,860kg의 무게 절감에 해당합니다.

화물 및 연료 중량이 일정하게 유지된다고 가정:

• MZFW(신규) = MZFW - 25,680kg = 152,320kg
• MTOW(신규) = MTOW - 25,680kg = 249,320kg

97,000kg의 연료 질량은 처리해야 할 MTOW가 줄어들고 최대 중량과 최대 범위가 반비례하므로 범위가 증가합니다.

단순 비율을 사용하여 새 범위를 계산합니다.

249,320케이g275,000케이g=10,458케이중엑스케이중{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

X를 풀면 다음과 같은 새로운 범위가 제공됩니다.

• 엑스 = 11,535.18km

이는 중량 감소로 연료 소비에 대한 새로운 값을 제공합니다 = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

이를 고려하면, 10,000km 이상의 주행 거리에서는 자중이 20% 감소하여대략 8,660kg 의 연료가 절약됩니다 .

환경 적 영향

그린 엔지니어링 쪽으로 더욱 눈에 띄게 발전하는 변화가 있습니다 . 오늘날 사회에서는 우리 환경에 대한 생각과 관심이 높아지고 있습니다. 이는 복합재료 제조에도 적용됩니다.

앞서 언급한 바와 같이 복합재는 더 무거운 재료와 비교하여 더 가볍고 강도 값도 비슷합니다. 더 가벼운 복합재가 운송되거나 운송 용도로 사용될 때 더 무거운 대체재에 비해 환경 부하가 더 낮습니다. 또한 복합재는 금속 기반 재료보다 내식성이 뛰어나 부품의 수명이 더 길어집니다. ^[7] 이러한 요소들이 결합되어 환경적 관점에서 복합재를 좋은 대체 재료로 만듭니다.

전통적으로 생산되는 복합재료는 석유 기반의 섬유와 수지로 만들어지며 본질적으로 생분해되지 않습니다. ^[8] 이는 복합재의 수명주기가 끝나면 대부분의 복합재가 매립지에 버려지기 때문에 심각한 문제를 제시합니다. 천연 섬유로 만든 생분해성 복합재에 대한 중요한 연구가 진행되고 있습니다 ^. 대규모로 쉽게 제조할 수 있고 기존 복합재료와 유사한 특성을 갖는 생분해성 복합재료의 발견은 항공산업을 포함한 여러 산업에 혁명을 일으킬 것이다^.

환경 보호 노력을 지원하는 대안은 폐기된 항공기의 중고 부품을 재활용하는 것입니다. 항공기의 '언엔지니어링'은 복잡하고 비용이 많이 드는 프로세스이지만, 직접 부품을 구입하는 데 드는 비용이 높기 때문에 회사의 비용을 절약할 수 있습니다. ^[6]

미래 복합재료

세라믹 매트릭스 복합재

미국 항공우주국(NASA) 에서는 항공기 부품에 사용하기 위한 경량, 고온 복합재료를 개발하기 위한 많은 노력이 진행 중입니다 . 예비 계산에 따르면 개념적 엔진의 터빈 흡입구 온도는 1650°C에 달할 것으로 예상됩니다. ^[3] 재료가 이러한 온도를 견디려면 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 사용해야 합니다. 고급 엔진에 CMC를 사용하면 엔진이 작동할 수 있는 온도가 높아져 생산량이 증가합니다. ^CMC 는 유망한 구조 재료이지만 적절한 강화 재료의 부족, 가공의 어려움, 수명 및 비용으로 인해 응용이 제한됩니다.

거미 실크 섬유

거미줄은 복합 재료 사용을 위한 또 다른 유망한 재료입니다. 거미줄은 높은 연성을 나타내어 섬유를 정상 길이의 최대 140%까지 늘릴 수 있습니다. ^[11] 거미줄은 -40°C의 낮은 온도에서도 강도를 유지합니다. 이러한 특성으로 인해 거미줄 ^은 비정상적인 온도에서도 강도를 유지하는 연성 복합 재료 생산 시 섬유 재료로 사용하기에 이상적입니다. 연성 복합 재료는 날개와 주 동체의 결합과 같이 다양한 응력을 받는 항공기 부품에 유용합니다. 이러한 복합재의 강도, 인성 및 연성이 증가하면 치명적인 파손이 발생하기 전에 부품이나 접합에 더 큰 응력이 가해질 수 있습니다. 합성 거미줄 기반 복합재는 섬유가 생분해된다는 장점도 있습니다.

실험실에서 거미줄을 재현하려는 많은 시도가 실패했지만 아직 완벽한 재합성은 이루어지지 않았습니다. ^[12]

하이브리드 복합강판

또 다른 유망한 재료는 복합재와 나노테크 섬유 및 합판에서 영감을 받아 제작된 스테인리스 스틸이 될 수 있습니다. 강철판은 동일한 재료로 만들어졌으며 기존 강철과 똑같은 방식으로 취급하고 가공할 수 있습니다. 그러나 동일한 강도에 비해 몇 퍼센트 더 가볍습니다. 이는 차량 제조에 특히 유용합니다. 특허 출원 중인 스웨덴 회사인 Lamera는 Volvo Industries 내 연구에서 분사된 회사입니다.

결론

중량 대비 강도 비율이 높기 때문에 복합 재료는 기존 금속 재료에 비해 장점이 있습니다. 그러나 현재 복합재를 제조하는 데는 비용이 많이 듭니다. 초기 구현 비용을 줄이고 현재 복합재의 비생분해성 문제를 해결하기 위한 기술이 도입될 때까지 이 상대적으로 새로운 재료는 기존 금속 합금을 완전히 대체할 수 없습니다.

참고자료

페이지 데이터

부분의	MECH370
키워드	항공기 , 소재 , 소재가공
저자	BSKukreja , 요한 뢰프스트롬
특허	CC-BY-SA-3.0
조직	퀸스대학교
언어	영어 (en)
번역	스페인어 , 이탈리아어 , 포르투갈어 , 슬로바키아어 , 러시아어 , 터키어 , 히브리어 , 네덜란드어 , 프랑스어 , 인도네시아어
관련된	19개의 하위 페이지 , 26개의 페이지는 여기에 링크되어 있습니다.
별칭	항공기 산업에서의 복합재 사용
영향	페이지 조회수 86,287회
만들어진	2009년 10월 29일 BSKukreja 작성
수정됨	2024년 1월 29일 Felipe Schenone 작성
다음으로 인용	BSKukreja , 요한 뢰프스트롬 (2009-2024). "항공기 산업의 복합재료" . Appropedia . 2024년 4월 10일에 확인함 .
API 쿼리	기본 , 의미 , HTML , 파일 , 기타