KR100242963B1 - 마찰재용 탄소-탄소 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기나 고속전철, 자동차 등의 브레이크 디스크로 사용되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물과 탄소직물을 교대로 적층하여 성형체를 제조하는 단계; 성형체를 성형틀에 장입하여 가열·프레싱함으로써 그린바디를 제조하는 단계; 그린바디를 1차 탄화하는 단계; 1차 탄화체에 핏치를 수회 함침시켜 탄화하는 단계; 및 탄화체를 탄화수소가스로 화학증착하는 단계를 거쳐 탄소-탄소 복합재료를 제조함으로써, 마찰면에 수직방향 또는 수평방향으로 높은 열전도도를 나타내고, 마찰 및 마모 특성이 탁월하면서도 밀도화 공정회수를 단축시키는 우수한 마찰재용 탄소-탄소 복합재료 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

마찰재용 탄소-탄소 복합재료 및 그 제조방법

본 발명은 탄소-탄소 복합재료(carbon-carbon composites) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기나 고속전철, 자동차 등의 브레이크 디스크로 사용되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄소-탄소 복합재료는 강화재와 매트릭스가 모두 탄소로 구성되는 것으로서, 가벼우면서도 강도가 뛰어나고 고온 및 내열 특성이 우수하기 때문에 내열성이 크게 요구되는 첨단 산업분야에서 각광받고 있는 신소재이다.

따라서 탄소-탄소 복합재료의 제조 및 응용 기술에 관련된 연구가 미 공군과 NASA가 공동으로 우주개발용 내열재료로 개발을 착수한 이래로 우주, 항공 및 방위산업분야 등에서 활발히 진행되고 있다. 특히 상기 소재는 마찰 및 마모특성과 열충격 저항성이 탁월하여 전투기 및 대형 여객기 등의 탄소 브레이크에 장착되어 사용되고 있으며 고온강도, 비강도, 내열충격성, 내화학성 및 생체적합성이 우수할 뿐아니라 불활성 분위기하에서는 3000℃ 이상에서도 사용가능하기에 우주 왕복선의 리딩 에지(Leading Edge), 발사체 분야의 로켓 노즐, 엑시트 콘(exitcone) 및 생체재료로도 각광받고 있다.

이와같은 탄소-탄소 복합재료가 항공기나 고속전철, 자동차 등의 브레이크 디스크와 같이 마찰재용으로 사용되기 위해서는 상기 특성이외에 열전도도, 내마모성, 충격강도 등이 우수하여야 한다.

즉, 열전도도는 마찰시 발생되는 열을 신속히 외부로 방출시킬 수 있는 정도를 의미하는바, 열전도도가 높은 재질일수록 제동시 발생하는 마찰열을 단시간내에 밖으로 방출시킬 수 있어 마찰열로 인한 탄소-탄소 복합재료의 산화를 감소시킬 수 있다. 또한 내마모성은 마찰이나 마모시 탄소-탄소 복합재료가 닳아 없어지는 저항성의 정도를 나타내는바, 내마모성이 우수할수록 탄소 복합재료를 마찰재용으로 장시간 사용할 수 있다. 게다가 충격강도가 클수록 제동시 발생되는 기계적 충격저항성이 우수하여 장시간 사용할 수 있다.

한편, 현재 사용되고 있는 항공기용 탄소 브레이크의 경우에는 제동시 발생되는 충격으로 인해 브레이크 디스크의 홈부위에서 탄소 복합재가 깨지는 현상이 발생하는바 이는 제품의 수명을 단축시키는 주요 요인이 되고 있다. 그러나 마찰 및 마모 기구는 마찰과정중에 발생하는 조각들이 필름을 형성하여 내마모성을 증진시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 마찰재용 탄소-탄소 복합재료에서 내마모성을 증진시키기 위해서는 마찰면의 구성성분 및 각 성분의 비율을 잘 선정하는 것이 무엇보다 중요하다.

종래에는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료로 탄소직물만이 적층되거나 절단된 탄소 섬유만을 적층하거나 또는 탄소직물과 절단된 탄소섬유를 혼합하여 적층한 것을 사용하였다.

그러나 탄소직물만을 적층하는 경우에는 마찰면에 평행한 방향으로는 열전도도가 우수한 반면에 마찰면에 수직한 방향으로는 열전도도가 취약하였을 뿐아니라 마찰표면에서의 내마모성에 많은 문제점이 발생하였다.

또한 절단된 탄소섬유만을 적층한 경우에는 마찰표면에서의 냐마모성은 우수하나 열전도도 및 내충격강도가 취약하였다.

게다가 탄소직물과 탄소섬유를 혼합하여 적층한 경우에는 열전도성, 내마모성 및 내충격강도는 비교적 우수하나 밀도화를 반복적으로 수행해야하므로 밀도화공정에 장시간이 소요되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해서 안출된 것으로서, 열전도성, 내충격성이 우수한 마찰재용 탄소-탄소 복합재료를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 탄소-탄소 복합재료를 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마찰재용 탄소-탄소 복합재료는, 탄소섬유, 핏치, 흑연분말의 혼합물로 구성된 마찰부분과 탄소직물에 상기 혼합물이 교대로 적층된 구조부분을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소-탄소 복합재료는 상기 구조부분에 있어 탄소직물대신에 탄소직물 상부에 핏치분말이 코팅된 프리프레그가 혼합물과 교대로 적층되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소-탄소 복합재료는 상기 혼합물 대신에 핏치분말과 흑연분말이 균일하게 뿌려진 탄소매트나 탄소펠트가 탄소직물이나 탄소직물 상부에 핏치 분말이 코팅된 프리프레그와 교대로 적층된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법은, 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물과 탄소직물을 교대로 적층하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 성형틀에 장입하여 가열·프레싱함으로써 그린바디를 제조하는 단계; 상기 그린바디를 1차 탄화하는 단계; 상기 1차 탄화체에 핏치를 수회 함침시켜 탄화하는 단계; 및 상기 탄화체를 탄화 수소가스로 화학증착하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때 상기 혼합물 대신 핏치분말과 흑연분말이 균일하게 뿌려진 탄소매트 또는 탄소펠트를 사용할 수도 있다.

그리고, 상기 성형체를 제조하는 단계에 있어서 탄소직물대신에 핏치분말을 탄소 직물상부에 코팅시킨 프리프레그를 사용할 수도 있다.

제1도는 본 발명의 실시예 1에 따른 제조방법의 공정도이고,

제2도는 본 발명의 실시예 2에 따른 제조방법의 공정도이며,

제3도는 본 발명의 실시예 1에 따른 성형체의 구조를 나타낸 것이고,

제4도는 본 발명의 실시예 2에 따른 성형체의 구조를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A, A′ : 마찰부분 B, B′ : 구조부분

1, 1′ : 핏치분말 2, 2′ : 흑연분말

3, 3′ : 절단된 탄소섬유 4 : 탄소직물

5 : 절단된 프리프레그

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 단면도로서, 마찰부분과 구조부분으로 된 복합재료의 마찰부분(A)은 핏치분말(1)과 흑연분말(2)에 다수개의 절단된 탄소섬유(3)가 포함되어 있고, 상기 구조부분(B)은 탄소직물(4)과 상기 혼합물이 교대로 적층된 구조로 되어 있다.

이때 상기 구조부분(B)은 20 내지 85 중량%의 탄소직물(4)과 80 내지 15 중량%의 혼합물로 구성되어지되, 상기 혼합물은 바람직하기로는 절단된 탄소섬유(3) 10 내지 65 중량%, 핏치분말(1) 30 내지 60 중량%, 흑연분말(2) 5 내지 40 중량%의 비율로 이루어진 것이다.

또한, 상기 마찰부분(A)은 이루는 혼합물 역시 절단된 탄소섬유(3) 10 내지 65 중량%, 핏치분말(1) 30 내지 60 중량%, 흑연분말(2) 5 내지 40 중량%의 비율로 이루어져 있다.

여기서 절단된 탄소섬유(3)의 길이는 0.1 내지 150mm, 핏치분말(1)의 입도는 1.0mm이하, 흑연분말(2)의 입도는 0.1mm 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는 탄소섬유(3)의 길이가 수십mm이하, 핏치와 흑연분말의 입도는 수㎛이하이다.

그리고 탄소직물(4)은 평직, 주자직, 능직형태가 가능하다.

상기 탄소직물(4) 대신에 100㎠ 이하의 크기로 절단된 탄소직물상부에 5 내지 60 중량%의 핏치분말이 코팅된 프리프레그로 된 구조로 가능하다.

제4도는 본 발명에 따른 또다른 형태의 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 단면도로서, 마찰부분과 구조부분으로 된 복합재료의 마찰부분(A′)은 제3도의 A와 동일한 핏치분말(1′)과 흑연분말(2′)에 다수개의 절단된 탄소섬유(3′)이 포함되어 있고, 상기 구조부분(B′)은 절단된 탄소직물을 핏치로 코팅한 프리프레그(5)에 상기 혼합물이 교대로 적층된 구조로 되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 마찰재용 탄소-탄소 복합재료를 제조하기 위한 제조방법은, 제1도와 제2도에서와 같이 탄소직물이나 핏치분말이 코팅된 프리프레그와 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물을 교대로 적층하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 성형틀에 장입하여 가열·프레싱함으로써 그린바디를 제조하는 단계; 상기 그린바디를 1차 탄화하는 단계; 상기 1차 탄화체에 핏치를 수회 함침시켜 탄화하는 단계; 및 상기 탄화체에 탄화수소가스로 화학증착하는 단계를 포함하여 구성되는 바, 이를 단계별로 상세히 설명한다.

상기 탄소직물이나 핏치분말이 코팅된 프리프레그와 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물을 교대로 적층하여 성형체를 제조하는 단계는, 우선 탄소섬유를 0.1 내지 150mm 길이로 절단하고 핏치와 흑연은 균일하게 분쇄한 다음 절단된 탄소섬유 10 내지 65 중량%, 핏치분말 30 내지 60 중량%, 흑연분말 5 내지 40 중량%의 비율로 혼합하고 이 혼합물을 탄소직물이나 탄소직물에 핏치분말이 코팅된 프리프레그에 뿌려 성형하는 것으로 이루어진다. 여기서 핏치분말은 입도가 0.1mm이하, 흑연분말은 입도는 0.1mm이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 프레프레그에는 탄소직물상부에 5 내지 60 중량%의 핏치분말이 코팅된다.

그리고 그린바디를 제조하는 단계는 상기 성형체를 성형틀에 장입하여 130 내지 450℃의 온도에서 열처리하고 가압하는 것으로 이루어진다. 여기서 바람직한 열처리 온도는 200 내지 350℃이다.

또한 1차 탄화체를 만드는 단계는 상기 그린바디를 성형틀에서 탈착한 뒤 불활성 분위기에서 20기압이하의 압력과 700 내지 2000℃의 온도범위로 열처리하는 것으로 이루어진다.

상기 1차 탄화체를 불활성 분위기에서 대기압이하의 압력과 700 내지 2000℃의 온도범위로 핏치를 수회 함침시켜 탄화한 다음 이를 탄화수소가스로 800℃이상의 증착온도로 화학증착과정을 거쳐 최종적인 고밀도의 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 것이다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따라 다음과 같이 구체적인 실시예로 복합재료를 제조하여 그 물성을 측정하여 보았는바, 그 구체적인 실시예 및 물성결과는 다음과 같다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지 이를 제한하지 않는다.

[실시예 1]

탄소직물위에 분쇄한 핏치를 골고루 뿌린다음 가열하여 프리프레그를 제조하는 탄소섬유 50 중량%, 핏치분말 30 중량%, 흑연분말 20 중량%를 균일하게 혼합한 혼합물을 상기 프리프레그와 교대로 적층하여 성형체를 제조하였다. 이때 탄소섬유는 1.0mm이하로 절단한 것을 사용하였고 핏치분말은 그 입도가 0.1mm이하인 것, 흑연분말은 그 입도가 0.02mm이하인 것을 사용하였다.

상기 성형체를 성형틀에 장입하여 성형체의 온도가 200℃ 내지 250℃일 때 프레싱하여 그린바디를 제조한 다음 상기 그린바디를 1기압의 불활성분위기에서 1200℃까지 열처리하여 1차 탄화체를 제조하였다. 그런다음 상기 1차 탄화체를 핏치를 사용하여 3회 함침시켜 탄화한 후 탄소-탄소 복합재료를 제조하였고 이를 화학증착법에 따라 800℃의 온도에서 탄화수소가스로 증착시켜 고밀도의 탄소-탄소 복합재료를 제조하였다.

[실시예 2]

탄소직물을 핏치로 코팅한 프리프레그를 50cm × 5cm의 크기로 절단하여 실시예 1의 프리프레그 대신 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 마찰재용 탄소-탄소 복합재료를 제조하였다.

[비교예]

탄소직물과 탄소섬유를 일정량의 핏치와 혼합하여 적층시켜 성형체를 제조한 후 이후 단계는 흑연분말을 사용하지 않는 것과 함침/탄화 횟수를 5회하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 탄소-탄소 복합재료를 제조하였다.

상기의 실시예 1, 2와 비교예에 따른 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 물성은 다음의 표와 같다.

상기의 시험결과에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소직물에 핏치분말을 코팅한 프리프레그를 사용하고 흑연을 포함하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료는, 흑연은 사용하지 않은 비교예 1의 마찰재용 탄소-탄소 복합재료에 비해 마찰 및 마모 특성과 수평방향으로의 열전도성이 탁월하고 밀도가 높으며, 절단한 프리프레그를 사용한 실시예 2의 마찰재용 탄소-탄소 복합재료는 흑연을 사용하지 않은 것에 비해 마찰 및 마모 특성과 수직ㅇ향으로의 열전도성이 탁월하고 밀도가 높다는 것을 명백히 보여준다.

즉, 본 발명에 사용된 탄소직물이나 프리프레그는 충격강도 및 마찰면에 평행한 방향으로 높은 열전도도를 가지도록 작용하고, 탄소섬유는 마찰면에서의 높은 내마모성 및 마찰면에 수직방향으로 높은 열전도도를 가지도록 작용하며, 흑연분말은 윤활작용으로 인하여 마찰 및 마모 특성을 향상시키며 수직방향으로의 열전도도 역시 향상시킬 뿐만아니라 성형체를 고밀도화시키기에 함침/탄화의 밀도화 공정회수를 단축시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 절단된 탄소섬유, 흑연분말 및 핏치분말의 혼합물과 탄소직물 또는 탄소직물에 핏치가 코팅된 프리프레그가 교대로 적층 성형된 마찰재용 탄소-탄소 복합재료는 탄소섬유만으로 또는 탄소직물만으로 이루어진 마찰재용 탄소-탄소 복합재료에 비해 마찰면에 수직방향 또는 수평방향으로 높은 열전도도를 나타내고, 탄소섬유와 탄소직물 둘다로 이루어지나 흑연을 포함하지 아니한 탄소-탄소 복합재료에 비해 마찰 및 마모 특성, 수직방향으로의 열전도성이 탁월하고 밀도가 높아 함침/탄화의 밀도화 공정회수를 단축시키는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기와 같은 마찰재용 탄소-탄소 복합재료를 제조하는데 효율적인 제조방법을 제공해 주는 것이다.

Claims (18)

1. 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물로 이루어진 마찰부분과 상기 혼합물과 탄소직물이 교대로 적층되어 이루어진 구조부분을 포함하여 구성되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
2. 제1항에 있어서, 상기 혼합물이 탄소섬유 10-65 중량%, 핏치 30-60 중량%, 흑연 5-40 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
3. 제1항에 있어서, 상기 구조부분의 탄소직물과 상기 혼합물의 구성비가 20-85 중량%: 15-80 중량%인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유의 길이가 0.1-150mm, 핏치분말의 입도가 1.0mm 이하, 흑연분말의 입도가 0.1mm 이하인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
5. 제1항에 있어서, 상기 탄소직물이 평직, 주자직, 능직 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
6. 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물로 이루어진 마찰부분과 상기 혼합물과 탄소직물의 상부에 핏치분말이 코팅된 프리프레그가 교대로 적층되어 이루어진 구조부분을 포함하여 구성되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
7. 제6항에 있어서, 상기 혼합물은 탄소섬유 10-65 중량%, 핏치 30-60 중량%, 흑연 5-40 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
8. 제6항에 있어서, 상기 탄소섬유의 길이가 0.1-150mm, 핏치분말의 입도가 1.0mm이하, 흑연분말의 입도가 0.1mm이하인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
9. 제6항에 있어서, 상기 핏치분말이 5-60 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
10. 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물로 이루어진 마찰부분과 상기 혼합물과 절단된 프리프레그가 교대로 적층되어 이루어진 구조부분을 포함하여 구성되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
11. 제10항에 있어서, 상기 혼합물은 탄소섬유 10-65 중량%, 핏치 30-60 중량%, 흑연 5-40 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
12. 제10항에 있어서, 상기 탄소섬유의 길이가 0.1-150mm, 핏치분말의 입도가 1.0mm이하, 흑연분말의 입도가 0.1mm이하인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
13. 핏치분말과 흑연분말이 균일하게 뿌려진 탄소매트와 탄소펠트 중 어느 하나로 이루어진 마찰부분과 탄소매트와 탄소펠트 중 어느 하나와 탄소직물이 교대로 적층되어 이루어진 구조부분을 포함하여 구성되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료.
14. 마찰부분과 구조부분으로 이루어진 마찰재용 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 방법에 있어서, 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말로 이루어진 혼합물과 탄소직물을 교대로 적층하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체를 성형틀에 장입하여 가열·프레싱함으로써 그린바디를 제조하는 단계; 상기 그린바디를 1차 탄화하는 단계; 상기 1차 탄화체에 핏치를 수회 함침시켜 탄화하는 단계; 및 상기 탄화체를 탄화수소가스로 화학증착하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 성형체를 제조하는 단계가 탄소섬유, 핏치분말, 흑연분말의 혼합물과 탄소직물상부에 핏치분말이 코팅된 프리프레그를 교대로 적층하는 것을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법.
16. 제14항 또는 제15에 있어서, 상기 그린바디를 제조하는 단계가 상기 성형체를 130-450℃의 온도에서 가열하고 프레싱하는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법.
17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 1차 탄화단계는 불활성 분위기에서 20기압 이하의 압력과 700-2000℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법.
18. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 핏치를 함침하여 탄화하는 단계는 불활성분위기에서 1 기압 이하의 압력과 700-2500℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재료의 제조방법.

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