중국은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)의 접착 신뢰성을 높이는 새로운 공정을 개발했다.
Beijing Zhongke Lixin Technology 연구팀은 CFRP의 내충격성 개선을 위해 B-O 동적 공유결합(B–O dynamic covalent bond)을 활용한 에폭시수지(Epoxy Resin) 강화 전략을 개발했다.
에폭시수지 내부에 B-O 결합을 도입함으로써 외부 충격이 가해질 때 결합이 일시적으로 깨지며 에너지를 흡수하고 다시 결합해 구조적 안정성을 회복하게 만드는 방법으로, 기존 CFRP 대비 층간 박리와 수지 파손 등 취성 파손을 효과적으로 억제할 수 있다.
CFRP는 탄소섬유와 합성수지를 결합해 만든 섬유 복합재로 무게 대비 강도와 강성이 우수하고 내식성이 뛰어나 항공기와 자동차의 핵심 구조 부품에 활용되고 있다.
특히, 고성능 탄소섬유 복합재는 첨단 무인 항공기와 차세대 전기자동차(EV) 개발의 기반이 되는 핵심 소재로 주목받고 있다.
다만, 저속 충격이 가해질 경우, 층간 박리와 기지 파쇄와 같은 파손이 발생하며 구조적 하중 지지력이 급격히 감소하는 단점이 있어 실제 응용 범위가 제한되는 점이 극복 과제로 지적됐다.
CFRP의 충격 저항성 부족은 열경화성 수지 기지의 낮은 파괴 인성과 탄소섬유 사이의 약한 계면 결합력에서 비롯된다. 수지가 단단하고 깨지기 쉬운 특성이 있어 충격 에너지를 충분히 흡수하지 못하며 섬유와 수지 사이 결합력이 약해 내부가 쉽게 분리되며 구조적 손상이 발생하는 것이다.
이에 따라 연구팀은 CFRP의 충격 저항성 향상을 위해 B-O 동적 공유결합 기반의 에폭시수지 연성 강화 전략을 제안했다.
붕산(Boric Acid)과 나노입자를 활용해 에폭시수지 내부에 동적 결합 네트워크를 형성하고 탄소섬유 표면과 수지 사이에도 동적 결합을 구축해 CFRP의 내충격성과 섬유와 수지 간 계면 강도를 동시에 강화했다.
시험 결과에 따르면 연구팀이 개발한 강화 CFRP는 기존 탄소섬유-에폭시수지 복합재 대비 충격 파괴 인성(Fracture Toughness) 및 CAI(Compression After Impact) 강도가 각각 70%, 35% 이상 향상됐다.