챕터 7. 비금속재료와 신소재

챕터 7. 비금속 재료와 신소재

 

1. 비금속재료

 (1) 합성수지

   1) 합성수지의 특성

        - 장점 : ㄱ. 가소성이 크므로 임의의 성형을 할 수 있다. 

                   ㄴ. 가벼우며, 연질이고 방음, 방진, 단열효과가 크다.

                   ㄷ. 연성과 전성이 좋으며, 접착성이 크다.

                   ㄹ. 피막은 광택이 풍부하며, 색소 안료에 의해 임의의 색깔로 착색 가능.

                   ㅁ. 내식성이 우수하며 내수성, 내약품성이 큰 것이 많다.

                   ㅂ. 기계적 강도는 크지 않으며, 충전제 등을 혼합하여 향상 가능.

                   ㅅ. 합성방법에 따라 임의의 수지 재료를 만들 수 있다.

        - 단점 : ㄱ. 내열성이 작으므로 높은 온도에서는 사용 불가.

                   ㄴ. 기후에 민감하여 노화, 갈라짐, 변형, 변색 현상을 일으킴.

                   ㄷ. 선팽창계수가 비교적 커서 금속과 접합시켰을 때에는 팽창 차에 의하여 갈라질 염려가 있음.

                   ㄹ. 충격 및 집중 응력에 견디는 힘이 약하다.

    2) 합성수지의 종류

        - 열경화성 수지 : 주로 그물모양의 고분자로 이루어진 것으로 가역하면 경화되는 성질을 가지며, 한번 경화되면 가열해도

                            연화되지않는 것.

                            (페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 규소수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 푸란 수지)

        - 열가소성수지 : 주로 선모 양의 고분자로 이루어진 것으로 가열하면 부드럽게 되어 가소성을 나타내므로 여러 가지 모양으로

                            성형 가능하다. 냉각시키면 성형된 모양이 그대로 유지되면서 굳는다. 가열 시 다시 물렁해진다.

                            (폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 아크릴수지, 플루오르 수지)

    3) 합성수지의 성형가공

        - 압축성형 : 열경화성 수지에 적합하며, 너무 복잡한 성형은 곤란

        - 사출성형 : 열가소성 수지에 적합하며, 연속적으로 쉽게 성형 가능.

        - 압출성형 : 열가소성 수지나 고무제품의 성형에 이용되며, 튜브, 봉, 시트, 필름 등의 연속체 제품을 생산함.

        - 주조성형 : 용융된 수지를 주형에 넣고 물리적 또는 화학적으로 냉각 경화시켜 성형하는 방법.

 (2) 내열재료와 보온재료

    1)  내화물

        내화벽돌, 내화모르타르 등 금속제련이나 가열 등에 쓰이는 노를 만드는 재료를 말하며, 원료의 종류, 조성광물, 화학조성,

       내화도, 용도, 모양 및 가열처리방법 등에 따라 분류.

        내화물의 열에 견디는 정도를 내화도라 한다. 제게르콘의 번호로 나타낸다.

         - 산성내화벽돌 : 이산화규소(규사: SiO2)가 주성분.

         - 중성내화벽돌 : 알루미나(Al2O3)가 주성분.

         - 염기성내화벽돌 : 마그네시아(MgO)가 주성분.

    2) 보온재료

         - 유기질보온재료 : 털, 솜, 펄프 등은 섬유상태로서 보온용에 사용된다. 이것들은 수분을 흡수하면 보온효과가 불량하게 된다.

         - 무기질보온재료 : 광물섬유로 된 석면은 보온용으로 사용되며, 400℃ 이상은 천천히 분해, 800℃부근에서는 강도와 보온성이 상실

         - 금속보온재료 : 얇은 알루미늄박으로 공기층을 만들고, 복사열의 반사와 대류 하지 않는 정지된 공기의 보온성을 이용하여 보온용

 (3) 윤활유

         기계의 유동을 원활하게 하고 효율을 높이며, 수명을 길게 하려면 미끄럼면의 마찰을 적게 할 필요가 있을 때 사용

    1) 윤활유의 작용

         - 마찰 부분을 윤활하는 작용

         - 마찰 부분에 발생하는 열을 기름에 흡수, 제거

         - 피스톤과 실린더에서 그 틈을 밀봉하여 가스의 누출을 방지

         - 불순물을 마찰면에서 제거하여 주는 청정작용

         - 외부의 먼지, 습기, 가스 등의 침입을 막음

    2) 윤활유의 종류

         - 광물성윤활유 : 산화에 대하여 안정되고 여러 가지의 점도를 가지는 제품이 있는데 스핀들유, 기계유, 모빌 유가 있다.

         - 지방성윤활유 : 콩기름, 목화씨 기름, 땅콩기름, 피마자기름 등의 식물성과 소기름, 돼지기름 등의 동물성 윤활유가 있다.

         - 혼성의 액체 윤활유와 그리스 및 고체 윤활유 등이 있다.

 (4) 절삭유

    1) 절삭유의 역할

         - 공구의 수명을 길게 한다.

         - 다듬질면을 좋게 한다.

         - 냉각장용과 윤활작용을 한다.

 

    2) 절삭유의 종류

         - 알칼리성수용액, 유화유, 광물성 윤활유, 동·식물유

 (5) 도료

      물체의 표면에 칠하면 굳어져서 단단하고, 탄성력 있는 피막을 만들어 그 물체를 보호하는 동시에 내구력을 늘리고 아름답게 하는 것.

    1) 도료의 구비조건

         - 한 번의 칠로 두꺼운 막을 형성하기 때문에 되도록 농도가 진하고, 점도는 적을 것.

         - 저온경화성을 가지고 있을 것.

         - 매끄럽고 광택이 있는 도막면을 형성할 것.

         - 도막이 굳고 질기며, 충분한 부착성을 가질 것.

         - 도막은 내후성과 내약품성이 클 것.

    2) 도료의 종류 

         - 방청도료 : 녹을 방지하기 위하여 사용하며 보통 유성페인트 사용.

         - 내산도료 : 금속의 표면을 산성물질에 의한 부식으로부터 보호하기 위한 도료

         - 내열도료 : 가열도료

 (6) 유리

      이산화규소, 붕산, 인산 등과 같은 산성 성분과 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 금속산화물류 등의 염기성 성분을 알맞게

      조합하여 1300~1600℃의 높은 온도에서 용융, 고화시켜 만듬.

 (7) 접착제

      열경화성수지를 사용하여 벨트의 접착, 금속표면에 부착에 이용, 용접열에 의한 영향이 적다.

 (8) 고무

       - 천연고무 : 열대지방의 고무나무에서 채취한 액체라텍스를 응고하여 만든 생고무에 황을 첨가하여 형틀에 넣어 100~150℃로 가열 

                      하여 성형시킨 것이다. 황이 15%이하이면 연질고무, 황이 30%이상이면 경질고무(에보나이트).

       - 합성고무 : 실리콘고무, 우레탄고무, 플루오르고무가 있다.

 

2. 신소재

     기능성재료란 강도는 중요시하지 않고 특수한 성능, 기능을 갖는 재료를 말한다.

 (1) 초소성합금

      금속재료가 유리질처럼 늘어나는 특수한 현상을 말한다. 재료가 어떤 작용 응력 상태에서 파단에 이르기까지 수백 % 이상의

     큰 신장률을 발생시키는 현상. 재료에는 공정, 공석 조직을 나타내는 것이 많다.

 (2) 제진합금

       고체음이나 고체 진동이 문제가 되는 경우 음원이나 진동원을 사용하여 공진, 진폭, 진동속도를 감쇠시키는 합금.

 (3) 형상기억합금

       변형 전의 형상을 기억하고 있다가 외력의 작용으로 소성변형을 하였더라도 재료의 온도만을 올리면 원래 형상으로 회복하는 재료.

 (4) 초전도합금

        절대온도 0K에 가까운 극저온이 되면 전기저항이 0이 되어 완전도체가 되는 동시에 그 내부에 흐르고 있던 자속이 외부로 배제되

       어 자속밀도가 0이 되는 마이스너 효과에 의해 완전한 반자성체가 되는 재료

 (5) 파인세라믹스

        도자기, 유리, 시멘트, 내화물 등은 전동세라믹스이고, 전통세라믹스에서는 기대할 수 없었던 정밀하고 고도화된 고성능 및

       고기능성의 전자재료, 기계재료이다.

 (6) 초탄성재료

        응력유기 마텐자이트 변태와 그 역변태현상을 이용한 것을 고무와 같이 많이 휘기도 하고 늘어나기도 하지만 하중을 제거하면

       원상태로 되돌아가는 성질을 갖는 금속재료이다.

 (7) 복합재료

        성분이나 형태가 서로 다른 두 종류이상의 소재가 거시적으로 조합되어 단일재료보다 우수한 특성을 가지는 재료.

        그러나, 두 종류 이상의 재료가 미시적으로 조합되어 거시적으로 균질성을 갖는 한 방향 응고 합금은 복합재료라 하지 않는다.

        - 복합재료계 신소재

          ㄱ. 서멧 : 세라믹과 금속을 복합한 것을 말하며, 초경합금의 대체재료로서 탄화물 합금이 개발되면서 시작.

                      융점이 높은 코발트 분말과 세라믹의 복합 또는 탄화티탄과 텅스텐 등의 화합물과 산화물의 입자를 조합하여 압축함을

                      이용해 굳혀서 금속의 활발한 확산을 이용 가능한 온도로 가열하여 소결시킨 재료.

          ㄴ. 섬유강화플라스틱(FRP) : 뛰어난 기계적 특성을 지니고 플라스틱의 내식성, 우수한 성형을 겸비한다. 알루미늄보다 가볍고,

                                              강보다 강한 내식, 내열 및 내마모성이 우수한 반영구적인 재료. 

 (8) 고경도재료

        가공 및 굴삭 등의 공정에 있어 가공하려는 대상물보다 높은 경도를 가진다.

        1) 고속도강(HSS, SKH) : 다량의 W, Cr, V, Mo, Co 함유한 절삭용 공구강

        2) 초경합금 : 주기율표 제 IVa~VIa족 금속의 탄화물과 철계금속(Ni, Co, Fe)로 되는 소결합금의 총칭

        3) 서멧 : 세라믹과 금속의 합성어로 세라믹스가 우수한 성질을 금속과 조합하여 취성을 개선

        4) 입화정질화붕소 : 결정구조가 다이아몬드와 동일하고 경도는 다이아몬드 다음으로 크다. 육방정의 질화붕소에

                                 촉매를 혼합하여 약 5만 기압, 약 2000℃에서 CBN 분말이 얻어진다.

        5) 다이아몬드 : 현존하는 최고의 고경도 재료이며 절삭용으로 가장 많이 사용되고 있다.

       * 고경도재료의 경도순서 : 다이아몬드>CBN>세라믹스>초경합금>고속도강

 (9) 액정폴리머

     1) 액정의 정의

          액체 결정을 줄인말로 액체와 고체의 성질을 모두 가진다. 따라서 액정은 고체결정처럼 분자가 규칙적을 배열되어 있지는 않지만, 

          전혀 불규칙적인 액체에 비하면 어느 정도는 규칙성이 있다.

      2) 액정폴리머의 특징

          - 강도와 탄성계수가 우수하다.

          - 용융시 유동성이 우수하여 두꺼운 부분의 수지 충전성이 좋아 고정밀도의 성형품이 얻어짐.

          - 성형 수축률 및 선팽창률이 낮고, 치수안정성이 우수.

          - 난연소성이고 내가수분해성, 내약품성이 우수.