복합소재역학은 고체역학의 새로운 분기점입니다. 이것은 두 가지 또는 여러 가지 다른 성능의 재료로 거시적 척도 위에 이루어진 다상고체 재료, 즉 복합재료의 역학문제를 연구합니다. 복합소재는 뚜렷한 비균일성과 이방성 성질을 가지고 있다는 것이 복합소재의 역학적 중요한 특징입니다. 복합소재는 보강물과 기체로 이루어져 있으며, 보강물은 하중을 견디는 주요한 역할을 합니다. 그 기하학적인 형태는 긴 섬유, 짧은 섬유, 입자상 등 다양합니다. 기체는 보강물을 접착, 지지, 보호하고, 응력을 전달하는 역할을 하며, 항상 고무, 흑연, 수지, 금속, 세라믹 등을 사용합니다.
복합재료 역학
근대 복합소재의 가장 중요한 것은 두 가지입니다. 하나는 섬유강화 복합소재로 주로 유리강과 같은 장섬유 적층 복합소재로, 다른 하나는 입자강화 복합소재로 건축공정에서 널리 응용되는 콘크리트와 같은 것입니다. 섬유강화복합소재는 고기능성 재료로 역학적 성능, 물리적 성능, 화학적 성능 등에서 단일 소재보다 월등히 우수합니다.
섬유강화복합소재의 발전은 현재 국제적으로 매우 중요시되고 있는 과학기술 문제입니다. 현재 군용으로는 항공기, 로켓, 미사일, 인공위성, 함정, 탱크, 재래식 무기장비 등에 섬유강화 복합소재가 적용되고 있으며, 민간용으로는 운송수단, 건축구조, 기계와 계기부품, 화공관과 용기, 전자와 원자력공학 구조, 그리고 인체공학, 의료기기, 체육용품 등에 이르기까지 복합소재가 사용되기 시작했습니다.
자연계에는 대나무, 목재, 동물의 근육과 뼈 등 많은 복합소재가 존재합니다.역학적 관점에서 천연 복합 재료 구조는 종종 매우 이상적인 구조이며, 이들은 인공 섬유 강화 복합 재료를 발전시키는 데 생체 모방학적 근거를 제공합니다.
인류는 일찍이 유력한 학 개념의 복합소재를 창제했습니다. 예를 들면 고대 중국인과 유대인은 짚이나 밀짚으로 집을 짓는데 사용되는 흙벽돌을 보강했고, 2000년 전에는 부식방지용 생칠안감을 만들었고, 얇은 비단과 옻을 접착시켜 만든 중국칠기도 근대 섬유강화복합소재의 모태가 되어 가벼움과 강도, 강성이 큰 역학적 장점을 나타냈습니다.
콘크리트로 상징되는 근대 복합소재는 100여 년 전에 나왔습니다. 이후 기존의 콘크리트 구조물은 고층건물의 강도를 충족시키지 못하여 건축자는 철근 콘크리트 구조물로 전환하였고, 이 중 철근은 콘크리트의 인장강도를 높여 건축상의 문제를 해결하였습니다.
1940년대에는 재료역학적 성능에 대한 군용 측의 요구를 충족시키기 위해 신소재를 개발하기 시작했고, 1940년대에는 유리섬유강화복합소재(즉, 유리강) 개발에 성공했습니다. 복합소재의 역학적 내용이 풍부하게 등장했습니다.50년대에는 보다 강도가 높은 탄소섬유, 붕소섬유 복합소재가 등장하면서 복합소재의 역학 연구가 크게 발전했고, 새로운 역학 학문인 복합소재의 역학을 만들어 갔습니다.
탄소섬유, 붕소섬유는 고온에 견디지 못하고 전단력이 떨어지는 단점을 극복하기 위해 최근 20년간 금속기와 세라믹기의 복합소재를 개발했습니다. 1960년대에 들어서면서 복합소재 역학 발전의 속도가 빨라졌습니다. 1964년 로젠은 단방향 섬유강화복합소재의 세로압축 강도를 결정하는 방법을 제안했습니다. 1966년 휘트니와 라일리는 복합재료의 탄성상수를 정하는 독자적인 모델법을 제안했습니다. 1968년 경채위륜과 힐의 다년간의 연구로 채-힐 파괴 준칙이 만들어졌고, 1971년에는 장량 형식의 채-오 파괴 준칙이 등장했습니다.
1970년 존스는 일반적인 다방향 층판을 연구하고 간단한 정밀해제를 얻었습니다. 1972년 휘트니는 이중 푸리에 급수를 사용하여 비틀림 결합강도가 이방성 층판에 미치는 굴곡하중과 진동에 미치는 영향 문제를 구했고, 이 방법으로 구한 변위는 자연경계조건을 만족하면서도 빠르게 정밀해로 수렴할 수 있었습니다. 같은 해 샤미스, 핸슨, 세라피니는 복합재료를 연구했습니다. 또한, 차이웨이룬은 단방향 층판의 비선형 변형 성능 분석에서, 애덤스는 비탄성 문제의 세부 역학 이론에서, 소하페리는 복합재료 점탄성 응대입니다. 힘 분석 등은 모두 획기적인 연구 작업을 했습니다.
최근 몇 년 동안 복합재료의 역학적 성능을 혼합한 연구가 일부 학자들의 관심을 끌었습니다. 린은 1972년 복합재료가 섞인 응력-응변 곡선의 직선부에 해당하는 최대 응변으로 복합재 중 낮은 확장성을 가진 섬유의 파괴 응변을 초과한다는 사실을 처음 발견했습니다. 이해하기가 쉽지 않은 이 현상은 1974년 뱅셀 등에 의해 발견돼 후손들이 혼재효과라고 불렀습니다.
특성
복합소재의 비강도와 비강성이 높습니다.
재료의 강도를 밀도로 나눈 것을 비강도라고 하고, 재료의 강성을 밀도로 나눈 것을 비강도라고 합니다. 이 두 개의 참량은 재료 탑재 능력을 가늠하는 중요한 지표입니다. 강도와 강성이 높다는 것은 재료의 무게보다 가벼우며 강도와 강성이 크다는 뜻입니다. 구조설계, 특히 항공·우주 구조설계가 재료에 중요한 요구사항입니다. 현대 항공기, 미사일과 위성, 복합케이블 거치대, 복합케이블 지그 등 기체 구조는 섬유강화복합소재를 사용하는 비율을 점차 확대하고 있습니다.
복합재료의 역학적 성능은 적절한 원재료와 합리적인 적층형태를 선택하여 복합재료 부재나 복합재료 구조가 사용요건을 충족하도록 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 재료가 한쪽 방향으로 당겨져 늘어나면 당겨진 방향에서도 재료가 늘어나는데, 이는 상용 재료와는 성능이 전혀 다릅니다. 또한 복합재료의 결합효과를 이용하여 평판형 위에 층판을 깔고 온도를 높여 경화시키면 자동으로 필요한 곡판이나 케이스가 됩니다.
복합재료의 피로방지 성능이 우수
일반적으로 금속의 피로강도는 인장강도의 40~50%인데 어떤 복합소재는 70~80%까지 높습니다. 복합소재의 피로가 끊어진 것은 기체에서 시작돼 섬유와 기체의 경계면으로 확장되는 것으로 돌발적인 변화는 없습니다. 따라서 복합소재는 파괴 전에 전조가 있으므로 검사하고 보완할 수 있습니다. 섬유복합소재는 또한 비교적 우수한 항음진 피로 특성을 가지고 있습니다. 복합소재로 만든 헬리콥터의 회전날개는 금속보다 피로 수명이 몇 배 더 깁니다.
복합 재료의 진동 저감 성능이 우수
섬유복합소재는 섬유와 기저계면의 감쇄가 커서 진동저감성이 우수합니다. 같은 형상과 같은 크기의 두 가지 보를 각각 진동 시험으로 하면 탄소섬유 복합재료 보의 진동 감쇠 시간이 가벼운 금속 보보다 훨씬 짧습니다.
복합소재는 보통 고온에 견딜 수 있음
고온에서 탄소나 붕소섬유로 보강된 금속은 원금속보다 강도와 강성이 훨씬 높습니다. 일반 알루미늄 합금은 400℃에서 탄성 모량이 크게 떨어지고 강도도 떨어집니다. 같은 온도에서 탄소섬유나 붕소섬유로 보강된 알루미늄 합금의 강도와 탄성 모량은 거의 변하지 않습니다. 복합소재의 열전도율은 일반적으로 모두 작기 때문에 초고온에 대한 순간 내성이 비교적 좋습니다.
복합소재의 안전성이 좋음
섬유강화복합소재의 기저에는 독립된 수천만 개의 섬유가 있습니다. 이 재질로 된 부재에 과부하가 걸리고 소량의 섬유가 절단되면 파괴되지 않은 섬유에 하중이 신속하게 재분배되어 전달되므로 부재 전체가 단시간에 적재능력을 상실하지 않습니다.
복합소재의 성형공정은 간단함
섬유강화복합소재는 일반적으로 전체 성형에 적합하기 때문에 부품의 수를 줄임으로써 설계 계산 작업량을 줄일 수 있고 계산의 정확성을 높일 수 있습니다. 또한, 섬유강화복합소재부품의 제작단계는 섬유와 기체를 접합하여 금형으로 성형한 후 온도를 높여 경화시키므로 제작과정에서 기체가 유체에서 고체로 변하여 재료에 미세 균열이 생기기 어렵고, 경화 후의 잔여 응력이 적습니다.