항공기 복합재료 및 항공기 재료의 결함 검사

 지난 장에서는 항공기에 사용되는 금속 재료에 대해 알아보았습니다. 이번 장에서는 항공기에 사용되는 복합재료에 대해 알아본 뒤 항공기에 사용되는 재료들의 결함 검사에 대해서도 알아보겠습니다.

 

1. 복합재료

 복합재료란 서로 다른 성질을 가진 두 종류 이상의 재료를 합성하여 단일 재료와 비교했을 때 더 우수한 성질을 가지거나 각각의 단일 재료에는 없던 새로운 성질을 가지도록 한 재료입니다. 항공기에 쓰이고 있는 대표적은 복합재료는 섬유 강화 수지로 유리, 탄소, 보론 혹은 강도가 큰 유기 섬유를 에폭시 수지와 같은 모재로 고정시킨 복합재료입니다. 이외에 모재로 금속을 사용하는 금속 복합재료에 대한 연구도 활발히 진행 중에 있습니다.

 섬유 강화 수지 중에서도 유리 섬유계 복합재는 1940년대 개발된 이래로 오늘날까지 2차 구조부 등에 널리 쓰이고 있는 재료이나 강성이 나빠 높은 강성을 요구하는 고강도 부재로는 적합하지 않다는 단점을 가집니다. 이러한 단점을 보완하기 위해 1960년대 후반부터 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 보론 섬유 등의 새로운 복합 재료들이 개발되었습니다. 이들 재료들의 비중은 알루미늄의 55~75% 정도로 합금강 정도의 강도와 강성을 가지고 있어 현재 쓰이고 있는 금속재료들에 비해 강도 및 강성의 중량비가 매우 우수합니다. 

 탄소 섬유와 보론 섬유는 이미 군용기 분야에서 널리 실용화되어, F-15의 경우 꼬리 날개의 외판에 탄소 섬유가, 스피드 브레이크에 보론 섬유가 사용되었습니다. 초기 비행기에서 사용된 양은 구조 중량의 몇 퍼센트 뿐이었으나 현재 수직 이착륙기인 AV-8B에서는 25%, 최근 개발된 민항기인 보잉 787에는 50%가 넘는 비중을 차지하고 있습니다. 

 보통의 복합재료는 프리프레그라 불리는 섬유에 수지를 침투시킨 두께 0.1mm 정도의 반고형 시트 또는 테이프 형태의 소재로 공급됩니다. 프리프레그 내의 섬유 배열은 모두 한 방향이거나 여러 방향으로 된 것이 있습니다. 복합재의 강도는 섬유 방향으로 매우 강한 반면 섬유와 수직인 방향으로는 약하기 때문에 하중의 크기와 방향에 맞게 일방향 프리프레그를 적층 합니다. 부품 모양의 몰드 위에 프리프레그를 적절히 적층 한 후 몰드와 함께 오토클레이브 등의 장비에 넣고 가열 및 가압하여 경화시킨 후 탈형합니다. 

 수지로는 에폭시, 폴리에스터, 폴리아미드와 같이 한번 열을 가하면 재가공이 불가능한 열 경화성 수지와 열을 가하면 연화하여 재가공이 가능한 열 가소성 수지를 사용합니다. 복합 재료의 장래가 유망한 것은 앞서서 언급했던 알루미늄 합금 대비 우수한 강도 중량비를 가졌다는 것 외에 섬유의 방향성을 이용하여 구조 자체에서 요구되는 강도나 강성을 방향에 따라 줄 수 있다는 점도 있습니다. 즉 하중에 따라 적층의 방향과 두께를 결정하여 최소한의 중량으로 가장 효율이 좋은 구조 설계가 가능하다는 것입니다. 이와 같은 복합 재료를 제대로 사용하기 위해서는 사용 환경에서의 특성 규명과 설계자료의 축적이 필요하며 알루미늄 합금에 비해 비싼 원재료 가격의 절감 역시 해결해야 할 과제입니다. 

 

2. 재료의 결함 검사

 항공기 재료의 결함 검사는 그 재료의 성분 및 성질에 따라 여러가지 검사 방법을 적요합니다. 주물로 만들어진 부품은 재질이 불균일하고 기포가 포함되어 결함이 생길 수 있기 때문에 이를 발견하기 위해 주물 제품, 특히 강재 주물의 경우 마그나 플럭스 검사를 실시합니다. 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금에 대해서는 다이 체크를 시행하며 이외에 X선 검사, 감마선 검사, 초음파 검사 등을 사용하기도 합니다. 

 마그나플럭스 검사는 자력선을 이용한 검사로 주물뿐 아니라 금속 제품의 결함이나 균열을 발견하는 방법으로 검사하는 물체에 전류를 흐르게 하여 자력선을 만들면 결함이 있는 부분에 자력선이 집중됩니다. 여기에 철분을 물에 띄워서 뿌려주면 결함 부분에 철분이 집중적으로 부착되므로 이것을 관찰해서 결함을 발견하는 방법입니다. 검사 후에는 반드시 검사 부품에 남아있는 자기를 없애야 합니다.

 마그나플러스 검사는 경금속과 같은 자화 되지 않는 재료에는 사용할 수 없기 때문에 이런 경우 다이 체크 방법을 사용합니다. 다이 체크 검사는 특수한 감광 물질은 검사 부분에 흘려보내고 닦아내면 균열 부분에만 감광 물질이 스며들어 자외선 등불 밑에서 관찰하면 유난히 밝게 빛나는 부분을 탐지하여 결함을 발견하는 방법입니다.

 X선 및 감마선 검사 방법은 모든 금속에 이용되는 방법입니다. X선 및 감마선의 투과성을 이용하여 결함이나 균열 부분이 검게 나타나는 부분은 인체에서 결핵을 발견한 것이라고 볼 수 있습니다. X선의 파장은 10 옹스트롬이고, 감마선은 X선의 1/10 정도의 파장을 가지므로 투과 능력은 X선에 비해 감마선이 더 큽니다. 철판의 경우 X선은 15cm 두께를 투과하는 반면 감마선은 50cm 두께까지 투과할 수 있습니다.

 초음파 검사는 근래에 들어 광범위하게 사용되는 방법으로 초음파 진동을 이용한 검사 방식입니다. 초음파 진동을 발생시키는 압전 재료 탐침에서 전달되는 초음파는 검사 물체 내부로 전파되어 일부는 결함부에서 반사되고 다른 일부는 끝에서 반사되어 돌아옵니다. 초음파 검사의 원리는 탐침에서 검출된 이 반사파의 영상화를 통해 결함의 유무를 검사하는 것입니다. 이 방법은 판재의 두께 측정에도 이용됩니다. 초음파 검사에 이용되는 주파수는 1~5 MHz이며 주물과 같이 결정 입자가 크거나 미세한 결함에 대한 검사에는 높은 주파수를 사용합니다. 

 

 

 

다음 장부터는 항공기에 존재하는 여러가지 추진 역학에 대해 알아보겠습니다.