KR100205830B1

KR100205830B1 - 접착력 및 기밀성이 향상된 로켓 노즐용 재료 및 그것의 제조방법

Info

Publication number: KR100205830B1
Application number: KR1019970026246A
Authority: KR
Inventors: 박병열; 예병한; 정상기; 김연철; 정발
Original assignee: 최동환; 국방과학연구소
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1999-07-01
Also published as: US6042671A; KR19990002596A

Abstract

본 발명은 내열재/열경화성 상온 경화 에폭시 수지인 제1접착제/열가소성 수지인 제2접착제 /열경화성중온 경화 에폭시 수지인 제3접착제/구조체의 순서로 적층된 로켓 노즐용 재료 및 이것의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 내열재 표면에 열경화성 상온 경화 에폭시 수지인 제1접착제를 적충하고, 상기 제1접착제 위에 열 가소성 제2접착제를 적충하고, 상기 제2접착제위에 열경화성 중온 경화 에폭시 수지인 제3접착제를 적층한 후 진공 성형하고, 상기제3접착제위에 미경화 탄소섬유/에폭시 구조체를 적층한 후 경화 시키는 것으로 이루어진다.

Description

접착력 및 기밀성이 향상된 로켓 노즐용 재료 및 그것의 제조방법

본 발명은 로켓트 추진 기관에서 추진제를 연소시켜 고온 고압의 가스를 분사시킴으로써 추력을 얻게 해주는 노즐에 이용될 수 있는 재료 및 그것의 제조방법에 관한 것이다. 이러한 용도로 사용되는 종래의 노즐용 재료는 도1에서와 같이 내열재(5), 단일층의 접착제(6) 및 복합재 구조체(1)로 형성된다. 이러한 재료는 내열재(5)와 복합재 구조체(1)를 접착시키기 위하여 내열재(5)위에 단일층이 접착제(6)를 적층하고 이 접착제(6)구조 외면에 복합재 구조체(1)를 습식 필라멘트 와인딩 공정을 통해 적층한후 접착제(6)와 복합제 구조체(1)를 동시에 오븐 경화함으로써 제작되었다. 그러나 이와 같은 종래의 방법에서는 내열재(5)와 복합재 구조체(1)의 열팽창 계수의 차이가 크기 때문에 내열재(5)와 복합체 구조체(1) 사이에 적충된 접착제(6)는 심한 잔류 응력을 가지게 된다. 이로 인해, 복합재 구조체(1)와 접착제(6)는 심한 잔류응력을 가지게 된다. 이로 인해 복합재 구조체(1)와 접착제(6)를 동시에 오븐 경화하여 제조된 노즐은 추진제 연소시 노즐 확대부의 내열재(5) 내부가 고온가스에 노출될 때 접착제(6)의 잔류응력에 의해 접착제층이 파괴되어 확대부 내열재(5)와 복합재 구조체(1)가 분리될 위험이 있다.

노즐 확대부의 내열재(5) 재료로는 일반적으로 페놀수지를 모재로 사용하고 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 보강재로 사용하는데, 페놀수지는 재료 자체 특성상 성형후에 재료 내부에 기공 및 미세 크랙등을 발생시킬 가능성이 있다. 또 앞에서 기재한 바와 같이 노즐 확대부 내열재(5)와 복합재구조체(1) 사이의 열팽창계수의 차이에 기인한 접착제(6)의 잔류응력에 의해 노즐확대부 내열재(5)와 복합재 구조체 (1)사이에도 미접착 부분이 존재할 수 있다. 이와 같은, 기공, 미세크릭 및 미접착 부분이 존재하면 고온의 가스가 내열재(5)내부의 결함경로를 따라 침투하게 되어 침투하게 되어 노즐 확대부의 파괴를 유발할 수 있다.

본 발명의 목적은 위와 같은 종래의 노즐에서 발생되는 결점을 해결할 수 있는 노즐을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 노즐 확대부 내열재(5)와 복합재 구조체(1) 사이에 다층의 접착제층을 형성시킴으로써 기밀성과 접착력을 동시에 갖도록 하여 노즐 성능의 신뢰도를 향상시키는 재료를 제공하는 것이다.

제1도는 종래의 노즐 확대부 내열재와 노즐 복합재 구조체 사이의 단일 접착층에 대한 구조도이다.

제2도는 본 발명에 따른 노즐 확대부 내열재와 노즐 복합재 구조체 사이의 다층 접착층에 대한 구조도이다.

제3도는 본 발명에 따른 노즐 확대부의 지상연소실험(3000℃)을 거친 후의 전자 현미경 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 노즐 복합재 구조체 2 : 열 경화성 중온 경화 에폭시

3 : 열가소성 필름 4 : 열경화성 상온 경화 에폭시

5 : 노즐 확대부 내열재 6 : 열 경화성 상온(또는 중온)경화 에폭시

본 발명에 따른 로켓 노즐은 도 2에 표현되었듯이, 노즐 혹대부 내열재(5)와 복합재 구조체 (1)사이에 다른 재질에 대한 접착성은 좋으나 파괴 신율이 낮은 단점을 갖는 열경화 접착제와 다른 재질에 대한 접착성은 부족하지만 높은 파괴 신율과 우수한 가스 기밀성의 장점을 가진 열가소성 접착제가 다층 적층되어 이루어진다.

본 발명에 따른 로켓 노즐은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.

제작된 노즐확대부 내열제(5) 표면에 제1접착제(4)를 가능한 얇게 도포한 후, 그 위에 제2접착제(3)를 적충하고 이어서 제3접착제(2)를 적층한다. 제3접착제(2)표면에, 직물에 테트론이 코팅되어 있는 이형직물, 예를 들어, Airtech International Inc. 의 BLEEDER RELEASE A과 이형 필름, 예를 들어, Airtech International Inc. 의 WICHTCASR 7500R를 적층하고, 이형 필름과 진공 밸브를 연결시켜 오븐에서 진공성형, 예를들어, 100℃/10분 조건에서 진공성형한 후, 이형 직물과 이형 필름을 제거하고, 접착제(4,3,2) 구조 외면에 복합재 구조체(1)를 습식 필라멘트 와인딩 공정을 통해 적층한 후 재료를 오븐 경화하여, 본 발명에 따른 로켓 노즐용 재료를 제조할 수 있다.

제3접착제(2) 표면에 이형 직물을 적층하면, 진공성형할 때, 이형필름 내부의 공기는 이형직물 사이를 통해 진공밸브에 의해 제거되며, 이형직물은 그자체가 이형성이 있으므로, 진공성형 후에 제품에서 쉽게 떨어지도록 한다.

또 이형 필름에 의해 진공성형 중에 이형 필름의 내부는 외부와 차단되어 진공으로 유지되므로함께 이형 필름 내부는 외부 대기압에 위해 압력을 받는다.

진공성형 조건은 특별히 한정되지는 않으나, 이형필름 내부를 약 700mmHg정도로 유지하고 이형필름 외부는 대기압인 조건으로 수행한다.

습식 필라멘트 와인딩 공정은 본 발명이 속하는 분야에서 널리 사용되고 있는 기술로, 필라멘트 와인딩 공정중에 섬유에 수지를 함침시키면서 적층하는 공정을 의미한다.

본 명세서에서 오븐경화라 함은 압력 또는 진공을 가하지 않고 온도만 가하여 경화시키는 것을 의미한다.

본 발명에서, 제1접착제 (4)로는 열 경화성 상온 경화에폭시 수지가 사용되며, 예를 들어, AW-106, HV 953U(Ciba-Geigy Coporation)이 사용된다.

제 1접착제(4)는 진공성형에 의해서 완전 경화되면서 진공압력에 의해 노즐 확대부 내열재 표면(5)과 제2접착제(3)와 좋은 접착력을 갖게 되어, 노즐확대부 내열재(5)와 제2접착제(3)를 잘 접착시킬 수 있다. 이와 같이 제1접착제(4)를 매개로함으로써, 제2접착제(3)의 단점인, 내열재(5)와 같은 경화된 재질에 대해 접착력이 부족하면 단점을 보완할 수 있다.

제2접착제(3)로는 융점이 100∼120℃인 열 가소성 수지가 사용되며, 예를 들어 TBF-615(3M Corpration)가 사용된다. 제2접착제(3)은 높은 파괴신율(약 300%)을 가지고 있으므로, 내열재(5)와 복합재 구조체(1)사이의 큰 열 팽창계수 차이로 인한 큰 잔류응력 및 열팽창 차이에 대해 완충역할을 할 수 있어, 내열재(5)와 복합재 구조체(1)사이의 접착분리를 방지할 수 있다. 또 제2접착제(3)는 기체에 대한 우수한 투과 차단성을 가지고 있으므로, 노즐확대부 내열재(5) 내부의 결함에 의해 기체 투과 경로가 형성되어 있다하더라도 노즐확대부 내열재(5) 외면에는 노즐 확대부 내열재(5)와 좋은 접착력을 갖는 접착제(3) 가 존재하므로 노즐확대부 내열재를 통한 기체 투과가 차단되어 노즐은 밀봉성을 가지게 된다.

제2접착제(3)는 열가소성 수지이므로 자체로는 점착성이 없어서 노즐확대부 내열재와 같은 형상에 적층하기는 어렵지만 앞에서 기재한 바와 같이 노즐확대부 내열재 외면에, 자체 점착성이 있는 제1접착제(4)를 얇게 도초한후 제2접착제(3)을 적층하면 내열재 표면에 제2접착제(3)를 어렵지 않게 적층할 수 있다.

제3접착제(2)로는 열 경화성 중온 경화 에폭시 수지가 사용되며, 예를 들어 FM-73(Cynamid Coperation)가 사용된다. 제3접착제(2)는 진공 성형후에도 미경화 상태로 유지된다.

본 발명에 따라 접착제(4,3,2)를 다층으로 적층한 후 진공 성형하게 되면, 내열재 표면(5)에 3층으로 접착제 층이 단일층 처럼 상호간 접착력을 가지게 된다.

제2접착제(3)는 융점온도가 약100℃ 부근이므로 제2접착제(3)는 수행된 성형온도와 진공압력하에서 미 경화상태인 제1접착제(4)와 제3접착제(2)의 상호 확산에 의해 경계면에서 좋은 접착력을 보여준다.

제3접착제(2)외면에 습식 필라멘트 와인딩(예를 들어 탄소 섬유/에폭시 수지사용)에 의해 복합재 구조체를 부가한후 오븐경화한다. 오븐 경화 전에 제3접착제(2)와 습식 필라멘트 와인딩에 사용된 수지는 모두가 미경화 에폭시 상태이므로 오븐경화중 상호 확산이 원활하게 발생하게 되어 접착 경계면에 압력을 가할 수 없는 오븐경화에 의해서도 제3접착제(2)와 복합재 구조체(1)는 좋은 접착력을 보인다.

오븐경화 조건은 이 분야에서 흔히 수행하는 조건으로 행하며함께 예를 들어 100∼120℃에서 4시간의 조건에서 수행할 수 있다.

[실시예]

지상연소 실험

본 발명에 따른 노즐확대부에 대해, 3000℃로 지상연소실험을 한 후 주사전자현미경으로 사진을 찍었다. (도3). 사진에서 왼쪽이 복합재 구조체(1)이고 오른쪽이 내열재(5)이며, 따라서 중간부분이 제3접착제(2), 제2접착제(3) 및 제1접착제(4)로 이루어지는 접착제 층이다. 즉 복합재 구조체(1)/제3접착제(2) + 제2접착제(3) + 제1접착제(4)/내열재(5)의 구조이다. 사진에서 확인되듯이, 복합재 구조체(1)와 내열재95) 사이에 미접착 부분이 없음을 분리를 방지할 수 있다. 또, 제1접착제(4)왕제2접착제(3)와 제3접착제(2)도 서로 구별되지 않을 정도 잘 결합되어 있다.

노즐 확대부 내열재와 복합재 구조체의 접착에 있어서 다층접착제를 사용함으로써 내열재와 복합체 구조체 사이에 우수한 접착력 및 우수한 밀봉성을 얻을 수 있다.

Claims

내열재/열경화성 상온 경화 에폭시 수지인 제1접착제/열가소성 수지인 제2접착제/열경화성 중온 경화에폭시 수지인 제3접착제/구조체의 순서로 적층된 로켓노즐용 재료.
내열재 표면에 열경화성 상온 경화 에폭시 수지인 제1접착제를 적층하고, 상기 제1접착제 위에 열 가소성 수지인 제2접착제를 적층하고, 상기 제2접착제 위에 열경화성 중온 경화 에폭시 수지인 제3접착제를 적층한 후 진공성형하고 상기 제3접착제 위에 구조체를 적층한 후 경화시키는 것으로 이루어지는 로켓노즐용 재료의 제조방법
제2항에 있어서, 상기 구조체가 습식 필라멘트 와인딩 법에 의해 적층되는 방법.
제2항에 있어서, 상기 구조체 적층 후의 경화가 오븐 경화에 의해 수행되는 방법.