KR0183082B1 - 복합 재료용 예비성형체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 위스커 예비 성형체 제조방법에 관한 것으로서, 규소미립자와 탄소섬유를 4∼8:1의 부피비율로 혼합하여 알루미늄-알콕사이드 에탄올용액에 균일하게 분산시키고; 여과 탈수한 후 성형 및 건조하고; 300∼400℃의 온도로 가열처리;하는 것으로 이루어지는 것임.

Description

복합 재료용 예비성형체 제조방법

제1도는 예비성형체 제조에 사용되어지는 제조 장치를 간략하게 나타낸 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실린더 2 : 펀치

3 : 성형 몰드 4 : 필터

5 : 밀폐 고무 6 : 슬러리

7 : 필터 8 : 인입구

본 발명은 복합 재료용 예비성형체 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 금속, 합금, 플라스틱등의 매트릭스물질을 용침 또는 함침시키는 위스커-강화복합재의 제조시, 섬유질 골격으로 사용되어지는 위스커-예비성형체의 제조방법에 관한 것이다.

탄화규소(SiC), 알루미나(Al₂O₃), 흑연(C), 질화규소(Si₃N₄)등의 단결정을 구성하는 각종 위스커(whisker)는, 100㎛ 이하의 두께를 갖고 길이/직경의 비가 최소한 100 이상되는 단결정의 광물섬유로서, 강도, 탄성율, 내열성이 매우 높으며 화학적으로 안정한 특성을 가짐으로 해서, 오래전부터 금속 또는 플라스틱의 복합강화재로서 유용성이 주목되어 왔다.

SiC, Si₃N₄, Al₂O₃또는 흑연등의 위스커를 강화물질로서 사용하는 섬유강화 복합재의 성형방법으로서는 위스커-예비성형체를 미리 제조하고, 금속용탕 또는 플라스틱 용해물의 매트릭스물질의 위스커-예비성형체에 가압하에 함침시켜 고화시키는 방법이 일반적으로 행하여지고 있다. 이와 같은 방법으로 얻어지는 복합재의 품질은, 섬유질골격으로 사용되어지는 위스커-예비성형체의 조직구조에 따라 크게 의존되어진다.

또한, 근래에 들어 각종 복합재 제품이 양산됨으로 해서, 중간체로 사용되어지는 위스커-예비성형체의 신속하고 정밀한 제조가 매우 중요하게 되고 있다.

종래, 위스커-예비성형체의 제조방법으로서, 위스커를 물, 또는 알콜, 아세톤, 에테르와 같은 유기용매에 분산시키고, 여과하고 성형시킨 후 건조하는 방법이 예를 들면 일본국 특개평 4-30448호에 개시되어 있다.

이 문헌은 알콜, 아세톤, 에테르와 같은 유기용매에 10∼60g/ℓ의 분산농도 범위로 교반 혼합시켜 균일하게 분산시킨 후, 교반을 행하는 조건에서 유기 용매의 일부를 여과 제거하고, 즉시 금속 분말을 가하여 SiC 위스커와 금속 분말의 분산 농도가 350∼1100g/ℓ 되도록 조정한 후, 급속 여과하고 성형하여 케이크상 성형체로 얻은 후, 건조 처리하는 방법이다.

그러나 상기의 방법은 다음과 같은 문제점들이 있게 된다.

즉, 유기용매를 분산매로 사용하는 경우 위스커의 표면에 탄소입자가 형성되어, 금속과 복합화 하였을 경우 매우 취약한 탄화물이 형성되어 복합재 제품의 기계적 특성이 저하되게 된다.

또한 상기의 제조방법은 위스커 및 단섬유의 예비성형체 제조 방법이며, 입자들은 첨가되는 금속 입자들이 크로스-팩킹(close-packing) 됨으로써 공극율(volume fraction)이 큰 예비 성형체의 제조가 곤란하다.

본 발명은 상기한 종래기술에서 나타난 제 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모든 종류의 구상입자에 적용가능하고, 복합재 제품의 제조시 제품의 기계적 특성 저하를 야기하지 않고 더욱 공극율을 임의로 변화시킬 수 있는 새로운 입자-예비성형체 제조방법을 제공하려는데에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 규소미립자와 탄소 섬유를 4∼8:1의 비율로 혼합하여 알루미늄-알콕사이드 에탄올용액에 균일하게 분산시키고; 여과탈수한 후 성형 및 건조하고 300∼400℃의 온도로 가열처리하는 것으로 이루어지는 위스커-예비성형체 제조방법을 제공한다.

규소 미립자는 기지금속의 기계적 특성과 마모 및 열적 특성의 개선목적으로 첨가되어지며, 본 발명에 있어서 입자의 크기는 15∼60㎛의 값을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 규소를 사용하는 이유는 Al합금을 기지금속으로 하는 복합재료에 있어서 계면반응물을 형성하지 않기 때문이다. 규소 미립자의 입자의 크기가 15㎛ 미만이면 클로스-팩킹(Close-packing)되기 쉬운 문제점이 있으며, 60㎛ 이상이면 복합재료의 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있어 바람직하지 않게 된다.

탄소섬유는 자기 윤활성이 우수하여 예비성형체의 공극율을 임의로 변화시키는데 유리하며, 본 발명에 있어 바람직한 규소 미립자와의 혼합비는 규소미립자: 탄소섬유=4∼8:1의 부피비가 바람직하다. 규소미립자에 대한 탄소섬유의 혼합비가 1/4 부피비율 이상이면 Si입자의 분산강화 특성을 발휘하기 힘들며, 1/8 부피 비율 이하이면 예비성형체내에 실리콘 입자가 클로스-팩킹(Close-packing)되는 문제점이 있게 된다.

또한, 본 발명에 사용되어지는 탄소섬유의 크기는 직경 5∼15㎛, 길이는 1∼4mm가 바람직하다. 탄소섬유의 크기가 상기의 범위 밖에 있게 되면 실리콘 입자의 분산 상태가 불균일한 문제점이 발생하게 된다.

한편, 본 발명에 있어서 규소입자와 탄소섬유에 대한 결합제로서는 알루미늄-알콕사이드 화합물이 사용되어진다.

알루미늄 알콕사이드 화합물은 상기한 알루미늄-알콕사이드 화합물은 물 또는 에탄올과 같은 친수성 용매에 용해되어 산성조건에서 다음과 같이 가수분해되어진다.

상기의 알루미늄-알콕사이드 화합물의 가수분해시 부산물로서 생성되는 알콜 화합물은 후술한 건조 및 예비가열공정에서 제거되어진다.

본 발명에 있어서 알루미늄-알콕사이드 화합물의 알콕사이드기의 탄소수는 특별한 제한은 없으나 알루미늄-알콕사이드의 제조가 용이하고 알루미늄-알콕사이드의 물에 대한 용해도가 크고 건조 및 예비가열공정에서 완전한 제거가 용이하도록 탄소수 1∼4개가 바람직하다. 이에 따라 본 발명에 있어서 사용가능한 알루미늄-알콕사이드 화합물로서 트리메톡시알루미늄, 트리에톡시 알루미늄, 트리프로폭시 알루미늄, 트리부톡시알루미늄 화합물이 특히 바람직하다.

또한, 상기에 있어서 알루미늄 알콕사이드는 몰비로 용매 50몰에 대하여 0.05∼0.3몰로 사용되어진다.

상기한 알루미늄-알콕사이드 화합물들은 신촉매에 의하여 가수분해되어진다.

첨가되어지는 산촉매는 알루미늄-알콕사이드 화합물에 대하여 10몰%의 양으로 사용되어진다. 5몰%이하이면 가수분해 반응속도가 느려져 공정이 지연되며 10몰% 이상이면 무기염이 생성되어 바람직하지 않은 반응이 진행되는 문제점이 있다.

상기에 사용되는 산촉매로서는 산화력이 없는 HCl이 특히 바람직하다.

상기에서와 같이 알루미늄-알콕사이드 화합물은 산성조건에서 알루미늄-알콕사이드-디하이드레이트 화합물로 가수분해되어지며, 알루미늄-알콕사이드의 가수분해에 의하여 생성되어진 알루미늄-알콕사이드-디하이드레이트는 뒤에 첨가되어진 규소미립자와 탄소섬유 입자에 대한 분산성을 향상시켜 준다.

알루미늄-알콕사이드 용액에의 규소 미립자와 탄소섬유 입자의 첨가는 통상적인 분산공정을 사용하여 위스커 입자를 알루미늄-알콕사이드 용액내에 균일하게 분산시킬 수 있다.

규소입자와 탄소섬유 입자가 균일하게 분산되어진 알루미늄-알콕사이드 용액은 더욱 진공여과되어 위스커 입자가 보다 균일하게 분산되어진 케이크(Cake)상태로 제작되어진다.

케이크 상태의 혼합물은 주형에 주입한 후 약 5kg/㎠의 압력으로 성형한다.

상기의 성형물은 300∼400℃의 온도에서 가열되어지면 다음과 같은 상기성형물중에 포함되어 있는 알루미늄 알콕사이드 화합물의 중축합반응이 일어나게 되며 동시에 성형물중에 포함되어 있는 알루미늄 알콕사이드 화합물의 가수분해 반응공정중에 생성된 부산물인 ROH 화합물이 제거되어진다.

가열 시간이 증가됨에 따라 그물상의 결합구조를 갖는 Al₂O₃가 형성되어진다.

이때 Al₂O₃의 생성과 함께 결합력이 생겨 견고한 위스커 예비성형체가 완성되어진다. Al₂O₃는 상기한 바와 같이 위스커의 한종류를 이루는 것이므로 본 발명에 있어서는 위스커 예비성형체의 기계적 특성에 영향을 주지 않는다. 또한 가열온도가 300∼400℃이므로 Si입자 표면의 과다한 부식이 발생하지 않는다.

본 발명에 있어서, 바람직한 알루미늄-알콕사이드에 대한 위스커의 첨가량은 알루미늄-알콕사이드 1몰당 규소 미립자와 탄소섬유의 혼합입자의 바람직한 첨가량은 100∼200g 정도가 바람직하다.

위스커의 사용량이 알루미늄-알콕사이드 1몰당 100g 미만이면 위스커 특성이 Al₂O₃쪽으로 경사되어 바람직하지 않으며, 200g 이상이면 균일한 케이크를 제조하는데 어려움이 있어 좋지 않게 된다.

다음에 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

ψ 30㎛의 규소 미립자와 같이 2mm, ψ 15㎛의 탄소섬유를 부피비로 6:1로 혼합한 후, 알루미늄 알콕사이드 1몰당 규소미립자와 탄소섬유의 혼합 입자가 100g이 되도록 트리부톡시 알루미늄과 에탄올이 몰비로 0.1:50으로 구성된 알루미늄 알콕사이드 용액에 첨가하고 균일하게 분산시킨 후, 도면에 표시한 진공 여액 탈수 장치에 주입, 여과탈수시키고 성형용 금형에 주입하고 5kg/㎠의 압력으로 가압한 다음 300℃에서 90분간 가열하여 복합 재료용 예비성형체를 제조하였다.

[비교예]

직경이 30㎛인 실리콘 입자를 100g를 1ℓ의 증류수에 분산시킨 후 무기 binder로서 colloidal silica를 1% 첨가 약 2000rpm 정도로 2분간 교반시킨다. 이러한 현탁액을 그림 1에 표시한 진공여액 탈수장치에 주입, 진공탈수와 동시에 5kg/㎠의 압력으로 성형시킨 습윤상태의 예비형체로 성형한 후 탈형시켜 습윤상태의 예비성형체를 100℃에서 12시간 예비건조시킨 후 900℃에서 1시간 가열하여 예비성형체 제조했다.

상기의 실시예 및 비교예에서 얻어진 복합재료용 예비성형체의 기계적 특성들을 다음의 방법으로 평가하여 그 결과를 아래의 표에 나타내었다.

[평가방법]

시험방법으로서는 XRD에 의해 예비성형체내의 생성물질을 조사했으며, 30×30×100mm의 예비형체로 삼점굴절 시험하여 예비성형체의 굴절강도를 조사했다. 그림2의 용탕단조용 금형을 사용하여 직경 50mm, 높이 100mm의 예비형체의 내부에 용융금속에 용침시켜 침투거리를 측정했다. 침투시험조건은 예비성형체를 800℃로 가열한 후, 300℃로 예열한 그림2의 용탕단조금형내에 설치하고 830℃로 가열한 AC4B Al합금을 100MPa의 압력으로 가압 했다.

예비성형체의 굴절강도는 비교예가 더 높지만, 상기의 복합재료 제조조건에서 실시예나 비교예에서도 변형은 없었다. 예비성형체의 굴절강도는 용탕을 침투시킬때 예비성형체가 변형되지 않기 위해서 필요한 성질로서 예비성형체의 굴절강도가 일반적으로 0.35kg/㎠ 이상이면 예비성형체의 변형은 발생하지 않는다.

Claims (7)

1. 규소미립자와 탄소섬유를 4∼8:1의 부피비율로 혼합하여 알루미늄-알콕사이드 에탄올 용액에 균일하게 분산시키고; 여과 탈수한 후 성형 및 건조하고; 300∼400℃의 온도로 가열처리; 하는 것으로 이루어지는 위스커-예비성형체 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 규소 미립자는 ψ 15∼40㎛의 크기를 갖는 것임을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기한 탄소섬유는 ψ 5∼20㎛, 길이 1∼4mm인 것을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기한 알루미늄-알콕사이드 용액은 알루미늄 알콕사이드 화합물을 용매 50몰에 대하여 0.05∼0.3몰을 용해시킨 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기한 알루미늄-알콕사이드 용액의 용매는 물 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기한 알루미늄 알콕사이드는 트리메톡시 알루미늄, 트리에톡시 알루미늄, 트리프로폭시알루미늄으로 트리부톡시알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되어짐을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기한 가열처리는 300∼400℃에서 1시간 이상 행하여 짐을 특징으로 하는 위스커-예비성형체 제조방법.