炭素纖維 發熱體 제조 및 炭素 發熱體를 이용한 産業用 機器
탄소섬유는 탄소 및 섬유로서의 성질을 겸비한 다양한 특징을 나타내는 섬유재료이다. 탄소섬유의 주성분은 탄소이며, 탄소섬유의 조성은 선구물질의 종류와 소성온도에 의해 변한다. 탄소섬유의 본래 표면에는 관능기가 거의 존재하지 않으므로 제조 시 섬유표면을 산화 처리한다. 산화처리에 의해서 섬유표면에 카르복실기, 페닐기, 카르보닐기 등의 관능기가 생성된다. 이 산화처리의 종류에는 산에 의한 액상산화, 공기 또는 오존 등에 따른 기상산화 그리고 전해산화 등의 방법이 있는데 공업적으로는 전해산화가 일반적이다1).
그리고 탄소섬유는 복합화 공정에서 생기는 보풀을 방지하여 취급을 용이하게 하기 위해 sizing을 한다. sizing제로는 경화제를 포함하지 않는 에폭시 수지를 사용하는 것이 많다. 복합화의 과정에서 매트릭스 수지를 경화시킬 때에 경화제가 매트릭스에서 섬유표면의 sizing제로 충분히 확산되지 않는 경우에는 sizing제로 사용된 에폭시 수지와 경화제의 화학량론이 달성되지 않는다. 그 때문에 섬유표면의 sizing제는 탄성률이 높은 경화물로 된다. 이것은 섬유강화 복합재료 내부에서 섬유가 파단 되었을 때에 그 장소에서 매트릭스 수지에 취성 크랙(crack)이 발생하는 원인으로 된다2).
탄소섬유의 특성을 간단하게 요약하면 비탄성률, 비강도, 내열성, 내식성, 전도성, 진동 감쇄성 및 마모 특성 등이 우수한 재료이다.
그리고 탄소섬유는 복합화 공정에서 생기는 보풀을 방지하여 취급을 용이하게 하기 위해 sizing을 한다. sizing제로는 경화제를 포함하지 않는 에폭시 수지를 사용하는 것이 많다. 복합화의 과정에서 매트릭스 수지를 경화시킬 때에 경화제가 매트릭스에서 섬유표면의 sizing제로 충분히 확산되지 않는 경우에는 sizing제로 사용된 에폭시 수지와 경화제의 화학량론이 달성되지 않는다. 그 때문에 섬유표면의 sizing제는 탄성률이 높은 경화물로 된다. 이것은 섬유강화 복합재료 내부에서 섬유가 파단 되었을 때에 그 장소에서 매트릭스 수지에 취성 크랙(crack)이 발생하는 원인으로 된다2).
탄소섬유의 특성을 간단하게 요약하면 비탄성률, 비강도, 내열성, 내식성, 전도성, 진동 감쇄성 및 마모 특성 등이 우수한 재료이다.
제 1장 서 론 1
1.1 연구의 배경 1
1.1.1 탄소섬유의 정의 및 물리적 특성 1
1.1.2 탄소섬유의 종류 4
1.2 연구의 목적 및 필요성 13
제 2장 탄소섬유 발열체의 개발 14
2.1 서 론 14
2.2 탄소섬유 발열체의 종류 및 특성 16
2.2.1 선상발열체 16
2.2.2 관상발열체 21
2.3 탄소섬유 발열체의 제조공정 23
2.4 결 론 39
제 3장 CFRP 기계적 성질에 미치는 나노입자의 영향 40
3.1 서 론 40
3.2 실 험 42
3.2.1 재료 및 시험편 제작 42
3.2.1.1 재료 42
3.2.1.2 독본형 시험편 제작 45
3.2.1.3 스트란드형 시험편 제작 47
3.2.2 섬유 무게 함유율 49
3.2.3 인장 시험 50
1.1 연구의 배경 1
1.1.1 탄소섬유의 정의 및 물리적 특성 1
1.1.2 탄소섬유의 종류 4
1.2 연구의 목적 및 필요성 13
제 2장 탄소섬유 발열체의 개발 14
2.1 서 론 14
2.2 탄소섬유 발열체의 종류 및 특성 16
2.2.1 선상발열체 16
2.2.2 관상발열체 21
2.3 탄소섬유 발열체의 제조공정 23
2.4 결 론 39
제 3장 CFRP 기계적 성질에 미치는 나노입자의 영향 40
3.1 서 론 40
3.2 실 험 42
3.2.1 재료 및 시험편 제작 42
3.2.1.1 재료 42
3.2.1.2 독본형 시험편 제작 45
3.2.1.3 스트란드형 시험편 제작 47
3.2.2 섬유 무게 함유율 49
3.2.3 인장 시험 50
본 연구는 탄소섬유 발열체를 이용한 보일러 제작 및 개발에 관한 것으로서, 발열 시 발생하는 복사열을 활용하여 증기를 얻는 방식의 보일러를 제작한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다51).
1. 저압용 증기보일러의 경우, 약 3 에서 200 ℃의 증기를 생산할 수 있었고, 기존의 보일러 시스템에 비해 간소하면서도 안전성이 높은 보일러 제작이 가능하다고 판단한다.
2. 분무식 과열증기보일러의 경우, 약 3 에서 380 ℃까지 온도를 상승시킬 수 있었으며, 기존의 보일러 시스템에 비해 매우 낮은 압력에서 고온의 증기를 발생시킨 결과, 기기의 소형화와 설비의 경제적 이점을 가져올 수 있을 것으로 판단한다.
3. 기존의 경유보일러와 탄소섬유 발열체 증기보일러를 비교한 결과, 약 70 %가량 에너지 절감효과를 보였다.
각 종 산업분야에서 난방비 부담과 환경문제가 대두되고 있고, 기존에 사용하고 있는 난방기기를 대체할 새로운 기기가 시급하다고 판단하였다.
따라서 현재 사용되어지고 있는 열 소비·생산기반 시설의 열원(기존의 니크롬 금속열선)보다 효율성이 뛰어난 탄소섬유 발열체를 개발하여 보일러, 열풍기 등 난방기기 또는 산업용 열원기기에 적용하고, 친환경 에너지원으로서 보다 경제적인 산업원가 목표를 달성할 수 있을 것으로 여겨진다.
1. 저압용 증기보일러의 경우, 약 3 에서 200 ℃의 증기를 생산할 수 있었고, 기존의 보일러 시스템에 비해 간소하면서도 안전성이 높은 보일러 제작이 가능하다고 판단한다.
2. 분무식 과열증기보일러의 경우, 약 3 에서 380 ℃까지 온도를 상승시킬 수 있었으며, 기존의 보일러 시스템에 비해 매우 낮은 압력에서 고온의 증기를 발생시킨 결과, 기기의 소형화와 설비의 경제적 이점을 가져올 수 있을 것으로 판단한다.
3. 기존의 경유보일러와 탄소섬유 발열체 증기보일러를 비교한 결과, 약 70 %가량 에너지 절감효과를 보였다.
각 종 산업분야에서 난방비 부담과 환경문제가 대두되고 있고, 기존에 사용하고 있는 난방기기를 대체할 새로운 기기가 시급하다고 판단하였다.
따라서 현재 사용되어지고 있는 열 소비·생산기반 시설의 열원(기존의 니크롬 금속열선)보다 효율성이 뛰어난 탄소섬유 발열체를 개발하여 보일러, 열풍기 등 난방기기 또는 산업용 열원기기에 적용하고, 친환경 에너지원으로서 보다 경제적인 산업원가 목표를 달성할 수 있을 것으로 여겨진다.
34. B. A. Kim, H. Y. Hwang, S. J. Kang and C. K. Moon, 2015, “Effect of Nitrogen Gas Pressure on the Mechanical Properties of Polymer Composite Materials”, Journal of the Korea Society Power System Enginnering, Vo. 19, No. 2, pp. 64-68.
35. S. J. Kang, Y. M. Choi, C. K. Moon and B. A. Kim, 2016, “Study on the Development of Steam Boiler using Carbon-fiber Heater”, Journal of the Korea Society Power System Engineering.
35. S. J. Kang, Y. M. Choi, C. K. Moon and B. A. Kim, 2016, “Study on the Development of Steam Boiler using Carbon-fiber Heater”, Journal of the Korea Society Power System Engineering.
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