이름만 봐도 물성과 특징이 보인다.
T 계열 탄소섬유 (High Strength Grade)
- T 계열은 인장강도(Tensile Strength)를 중심으로 한 탄소섬유
- 예, T700, T800 등
- 뒤의 숫자는 인장강도의 크기를 ksi 단위로 표현한 것
- 예, T700은 700 ksi의 인장강도를 가지는 탄소섬유 그레이드
- M 계열에 비해 강도가 높고 연성이 있는(Ductile) 재료
| 탄소섬유 | 인장강도 (ksi) | 인장강도 (MPa) |
| T300 | 512 | 3,530 |
| T700S | 711 | 4,900 |
| T800H | 796 | 5,490 |
| T800S | 853 | 5,880 |
| T1000S | 924 | 6,370 |
| T1100S | 1,017 | 7,000 |
M 계열 탄소섬유 (High Modulus Grade)
- M 계열은 탄성률(Modulus)를 중심으로 한 탄소섬유
- 예, M40, M60 등
- 뒤의 숫자는 탄성률의 크기를 103 kgf/mm2 단위로 표시한 것
- 예, M40은 40 x 103 kgf/mm2의 탄성률을 가지는 탄소섬유 그레이드
- T 계열에 비해 강도는 낮지만 탄성률이 높고 취성적인(Brittle) 재료
| 탄소섬유 | 탄성률 (103 kgf/mm2) | 탄성률 (GPa) |
| M35J | 35.0 | 343 |
| M40J | 38.4 | 377 |
| M46J | 44.5 | 436 |
| M55J | 55.1 | 540 |
| M60J | 60.0 | 588 |
공식적으로 T700S, T700G 처럼 S와 G로 구분되지만 명확하게 차이를 설명한 자료가 없습니다.
T700SC – 12K – 50C
탄소섬유의 이름 T700S 등의 뒤에 Blank / B / C 표기
- Blank : Twisted Yarn은 따로 표기를 하지 않음.
- B : Untwisted Yarn
- C : Never Twisted Yarn
도레이에서는 기본적으로 탄소섬유를 생산하면 Twisted Yarn으로 생산을 합니다. Untwisted Yarn은 Twisted Yarn으로 생산 후 Untwisting 공정을 통해 꼬임을 제거한 상태를 말합니다. Never Twisted Yarn은 생산 단계에서부터 꼬임이 없도록 생산된 것입니다.
탄소섬유를 한쪽방향으로 배열한 UD(Unidirectional Tape) 프리프레그를 제조할 때에는 스프레딩을 용이하게 하기 위해서 Never Twisted Yarn을 사용합니다. 대부분의 항공용 그레이드는 UD나 직물과 관계없이 Never Twisted Yarn을 사용하는 것으로 보입니다.
T700SC – 12K – 50C
일반적으로 탄소섬유는 1K / 3K / 6K / 12K / 24K 단위로 생산을 합니다. 여기서 K는 kilo, 1천을 뜻하는 것으로 탄소섬유 한 가닥이 몇 가닥의 필라멘트로 만들어졌는지를 뜻합니다. 즉, 1K는 1천개의 필라멘트가 탄소섬유 한 가닥, 3K는 3천개의 필라멘트가 탄소섬유 한 가닥에 들어있다는 말입니다. 필라멘트가 많이 포함될 수록, K수가 커질수록 그만큼 실의 가닥이 굵어집니다.
탄소섬유가 굵어지면 정해진 시간에 탄소섬유 제조 라인에서 생산되는 양이 중량 단위로는 증가하게 됩니다. 그래서 탄소섬유가 얇아질수록 가격은 비싸게 형성이 됩니다.
일부 탄소섬유에서 굵기에 따라 인장강도에 차이가 발생하는데 이것은 굵기 차이로 인해 탄화공정을 지나는 동안 탄화도의 차이로 인한 현상입니다.
T700SC – 12K – 50C
탄소섬유는 고분자 수지와 결합이나 섬유의 핸들링을 위해 사이징(sizing) 처리를 하게됩니다. 고분자 수지와 결합력을 위해 사용하는 수지의 종류에 따라 사이징 타입을 다르게 사용합니다.
| Sizing Type | Resin System Compatibility |
| 1 | Epoxy |
| 3 | Epoxy |
| 4 | Epoxy, Phenolic, BMI |
| 5 | General Purpose: Epoxy, Phenolic, Polyester, Vinyl Ester |
| 6 | Epoxy |
| 7 | Epoxy |
| F | Vinyl Ester |
T700SC – 12K – 50C
탄소섬유는 고분자 수지와 결합력을 위해 산화 공정 중 산소 원자가 탄소섬유의 표면에 결합되는 표면 처리를 하게 됩니다.
0과 1은 이런 표면처리를 표시하는 것입니다.
T700SC – 12K – 50C
탄소섬유에 사이징 처리를 할 때 사이징 에이전트가 적용된 양(%)을 표시한 것입니다.
| Designated Letter | Sizing Amount (%) |
| A | 1% |
| B | 1%, 1.5%(M60J 50B) |
| C | 1% |
| D | 0.7% |
| E | 0.3%(60E), 0.5%(10E/31E/41E), 0.6%(71E), 0.7%(F0E) |
설계자 관점에서 직관적인 판단의 수단
탄소섬유 복합재료를 사용하고자 하는 다른 분야 엔지니어들은 이런 질문을 많이 합니다.
“T700S보다 T800S이 강도가 더 높은데 T800S로 바꾸면 강도가 얼마될까요?”
앞서 살펴본 바와 같이 711 ksi에서 853 ksi로 증가합니다. 우리가 흔히 인식하는 MPa 단위로 바꾸면 대략 1,000 MPa 정도 증가합니다. 복합재료 라미나 물성 기준으로 본다면 60% 섬유체적비 기준으로 대략 430 MPa 정도의 인장강도 증가를 예상할 수 있습니다.
설계자 관점에서 설계 목표가 무엇인지에 따라서 T 계열이 좋을 수도 있고 M 계열이 좋을 수도 있습니다.
T 계열
- 파손 시점이 더 높은 응력까지 최대한 지연이 되어야 하는 경우
- 순간적으로 취성적인 파손이 허용되지 않는 경우
M 계열
- 파손보다 변형이 극도로 제어 되어야 하는 경우
- 치수 안정성이 민감한 경우
일반적인 경우 탄소섬유는 탄성률이 높아지면 인장강도는 낮아지는 반비례 관계를 가지고 있습니다. 예외적으로 High Strength Grade인 T1100 까지는 인장강도와 탄성률이 모두 높아지는 영역입니다. T1100 탄소섬유도 탄성률 기준으로 300 GPa 수준으로 High Modulus Grade로 들어가지 못하는 Intermediate Modulus Grade입니다.
즉, Intermediate Modulus Grade까지는 강도와 탄성률이 증가하고 High Modulus Grade로 들어가면 탄성률이 증가하면 인장강도는 현저하게 감소하는 경향을 보입니다. 대체로 High Modulus Grade 탄소섬유는 T700보다 낮은 인장강도를 보입니다.
※ 참고
- T700은 흔히 Standard Modulus 라고 하는데 T 계열은 High Strength Grade로 보아야 합니다.
- T800에서 T1100은 탄성률 기준으로는 Intermediate Modulus로 볼 수 있습니다.
- T1100은 Ultra High Strength Grade로 경쟁제품이 없습니다.
※ 탄소섬유에 아래 표기가 언급이 되어 있다면 대략적인 물성 범위를 예상할 수 있습니다.
- HS: High Strength
- SM: Standard Modulus
- IM: Intermediate Modulus
- HM: High Modulus
- UHM: Ultra High Modulus (Pitch계 탄소섬유로 초고탄성 탄소섬유)