KR100503499B1 - 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 니들펀칭 기술을 이용하여 평면으로 다층 배열된 섬유의 일부를 두께방향으로 배열함으로써 각 층간 결속력을 증대시킬 수 있는 고온 복합재용 프리폼(Preform) 제조방법에 관한 것으로서, 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물의 1개층을 최상부에 위치시키고, 연속 고강도 섬유직물의 다수 층을 상기 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물 층의 하부에 위치시킨 다음, 상부에서 다수개의 바브가 형성된 니들을 펀칭하여 프리폼 단위층을 제조하는 단계와; 상기 제조된 프리폼 단위층을 다수 적층시키면서 다시 니들 펀칭하여 결속시키는 단계로 구성되는 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공한다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 연속 고강도 강화섬유를 대부분 사용하더라도 고연성 섬유나 비연속 고강도 섬유가 니들 펀칭에 의하여 두께방향으로 배열되면서 고강도 연속 섬유층을 결속시켜주기 때문에 섬유층의 밀집화가 가능하며 두께에 제한이 없는 복합재용 프리폼을 제조할 수 있는 공정상의 효과가 있다.
Description
본 발명은 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 니들펀칭 기술을 이용하여 평면으로 다층 배열된 섬유의 일부를 두께방향으로 배열함으로써 각 층간 결속력을 증대시킬 수 있는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 복합재 제조에 이용되는 프리폼(Preform)이란 섬유상의 강화재료를 일정형태로 형상화한 것으로서, 일정형태로 형상화한 다음 기지재료를 프리폼의 공극으로 증착하거나 침투시키어 최종적으로 복합재료를 제조하기 위한 것이다.
고온용 복합재를 제조하기 위한 내화성(Refractory) 섬유는 탄소섬유 및 세라믹계 섬유이다.
상기 세라믹계 섬유로는 탄화물계(Carbide) 섬유, 질화물계(Nitride) 섬유 또는 산화물계(Oxide) 섬유 등이 있으며, 그 예로는 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride; Si3N4), 보론 카바이드(Born Carbide; BN), 알루미나(Alumina; Al2O3) 등이 있다.
내화성 섬유의 전단계 재료(Precursor)는 열처리에 의한 내화상태 이전의 섬유로서, 탄소섬유의 대표적인 전단계 재료로는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile; PAN)이 있다.
상기 PAN은 분자식이 CH2=CHCN인 아크릴로니트릴을 라디칼(Radical) 중합시켜 얻는 비닐중합체로서, 주용도는 아크릴계 합성섬유에 이용되며, 연화점(軟化點)이 300℃ 이상이고, 제조된 그대로 섬유재료로 사용하는 경우는 없고, 고온처리하여 이용하고 있으며, 탄소강화 복합재료 분야에서는 고온 탄화처리된 PAN을 펠트(Felt) 또는 섬유직물상으로 제작하여 복합체의 강화재료로 이용하고 있으며, 연성을 주기 위하여 산화된 oxi-PAN(Oxidized Polyacrylonitrile)를 이용하고 있다.
펠트(Felt) 조직이란 섬유상이 서로 얽혀서 축융되는 성질을 이용하여 비벼서 일정한 두께로 굳어지게 한 것으로서, 불규칙배열(Rnadom Chopped) 섬유조직을 일컫는 것이다.
내화성 섬유 프리폼의 제조와 관련된 종래 기술은 불규칙배열(Random Chopped)인 펠트조직이나 평직 및 주자직직물인 2차원 섬유배열구조가 대부분이었으며, 이러한 2차원적 구조에서는 평면방향의 기계적 특성은 우수하나 두께방향으로는 섬유가 보강(Reinforcement)되지 않기 때문에 밀도화 공정에서 층과 층 사이가 쉽게 분리되는 취약함을 나타내었다.
상기한 층간 전단강도를 향상시키기 위해서는 두께방향으로 섬유가 보강되어있는 3차원적 섬유배열구조의 프리폼이 필요한데, 3차원적 프리폼 제조로 많이 적용되고 있는 기술로는 유기 바인더(Organic Binder)를 사용한 인발 성형된 봉(Rod)을 3축 혹은 4축 이상으로 입체 구성하여 열분해(Pyrolysis) 처리하는 방법이 있다.
대부분이 수작업으로 이루어지는 이 열분해(Pyrolysis) 처리공정은 제조시간이 길고, 기공이 크게 존재하여 기지재료의 균일한 증착이나 침투가 일어나지 않는 단점이 있다.
또한, 연속 섬유다발을 사용하여 완전한 3차원 섬유배열구조의 프리폼을 생산하는 방법으로는 3차원 위빙(3D Weaving), 3차원 브레이딩(3D Braiding) 이나 다층 니팅(Multi-Layer Knitting) 등의 방법이 있으나, 생산성이 낮아 대량 생산하는데 한계가 있다.
3차원 섬유배열구조를 가지면서 대량생산에 가장 적합한 프리폼을 제조하는 방법은 니들펀칭(Needle Punching) 기술이다. 이 기술은 바늘의 상하운동에 의해 평면상으로 배열된 섬유의 일부를 두께방향으로 배열시키기 위해서 고인성의 oxi-PAN계 탄소섬유로 구성된 펠트(Felt)를 주로 사용하고 있다.
펠트는 섬유가 연속적이지 않고 불규칙(Random)하게 배열되어 있기 때문에 니들펀칭에 의하여 두께방향으로 쉽게 섬유가 배열되어 펀칭은 잘되지만 섬유배열의 방향성이 없고 펠트 자체가 부풀러진 상태이므로 밀집시키는데는 한계가 있었다.
또한, 탄화 전처리단계인 oxi-PAN 섬유는 열처리 흑연화공정에서 20% 이상의 부피수축을 발생하기 때문에 제품치수가 불안정하거나, 생산공정 및 시간이 늘어나는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위하여, 흑연화된 고강도 탄소섬유를 사용할 수 있으나, 이 섬유는 취성이 높기 때문에 펀칭에 의하여 섬유가 절단되어 두께방향으로 배열되지 않으므로 탄소섬유를 일정 길이로 절단(Stretch-Breaking)하여 그 주위를 폴리비닐 알코올(PVA) 섬유로 감아(Wrapping) 직조한 직물형태가 있다.
상기와 같은 방법은 고강도 탄소섬유를 사용하므로 흑연화공정이 필요치 않고 균일한 공극을 제공하기 때문에 고품질의 탄소-탄소 복합재를 얻을 수 있으나, 이런 형태의 직물로만 중첩하는 경우 섬유가 절단되어 있기 때문에 기계적 특성이 떨어지는 단점이 있다.
상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 열처리 공정이 필요치 않는 평직, 주자직 등과 같은 연속 고강도 탄소섬유직물과, 연속 고연성 탄소섬유직물이나 비연속 고강도 섬유직물을 이용하여 여러 층의 직물이 서로 결속되도록 하는 니들 펀칭함으로써 단위층 자체도 결속이 되며, 중첩된 단위층 사이에도 밀집도와 결속력이 높은 다층 구조를 구성하기 위한 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물의 1개층을 최상부에 위치시키고, 연속 고강도 섬유직물의 다수 층을 상기 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물 층의 하부에 위치시킨 다음, 상부에서 다수개의 바브가 형성된 니들을 펀칭하여 프리폼 단위층을 제조하는 단계와; 상기 제조된 프리폼 단위층을 다수 적층시키면서 다시 니들 펀칭하여 결속시키는 단계로 구성되는 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 연속 고연성 섬유직물은 부피%로서 55~65% 탄화된 산화 폴리아크릴로니트릴(oxi-PAN)계 섬유로 제작된 펠트 또는 평직이나 주자직 직물인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공하게 되며,
또한, 본 발명은 상기 불연속 고강도 섬유직물은 부피%로서 99% 이상 탄화된 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유를 잡아당겨 절단(Stretch-Broken)한 섬유를 직조한 다축경편 직물(Multiaxial Warp Knit)인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공하게 되고,
또한, 본 발명은 상기 연속 고강도 섬유직물은 부피%로서 99% 이상 탄화된 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 연속 탄소섬유 또는 고강도 세라믹계 섬유를 직조한 평직 또는 주자직물인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 이용되는 니들펀칭 장비의 일례를 도시한 장치 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 이용되는 니들의 형상도이다.
본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법은 종래에 확립된 니들 펀칭(Needle Punching) 기술을 이용하여 섬유층간의 결속을 가능하게 하는 것이다.
즉, 본 발명에 니들펀칭 기술의 원리는 도 1에 도시된 바와 같이, 니들 펀칭하고자 하는 다수의 재료층(30)이 가이드 롤러(31)에 의하여 일방향으로 공급되며, 상하왕복 운동하는 펀칭헤드(11)에 고정되어 있는 다수의 니들(10)이 가이드 평판(12)을 통과하여 상기 재료층(30)의 최상층을 통과하게 된다.
상기 최상층을 통과하는 니들(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하향 경사지도록 돌출된 바브(Barb; 40)에 섬유가 걸리어 아래로 내려가고, 상기 니들(10)이 상승할 때에는 상기 바브(40)가 하향 경사지도록 형성되어 있기 때문에 니들(10)만 섬유 재료층(30)으로부터 빠져나오게 됨으로써 섬유 재료층(30)이 두께방향으로 배열된 프리폼(21)으로 제조되어지는 것이다.
상기와 같은 니들펀칭시 제조되는 프리폼(21)을 압축하기 위하여, 가이드 평판(12)이 제공되는 것이며, 원하는 압축력을 니들 펀칭되는 재료층(30)에 가할 수 있다.
또한, 길이방향의 이송은 인발용 롤러(20)에 의하여 이루어지며, 인발속도와 펀칭헤드(11)의 속도 및 펀칭헤드(11)의 니들(10)의 설치밀도를 적절히 조절함으로써 단위면적당 펀칭회수를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 따라 제작되는 프리폼 단위층의 모사도이고, 도 4는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 따라 제작된 프리폼 단위층을 적층하는 방법을 도시한 개념도이며, 도 5는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 의하여 제조된 프리폼의 형상 사진도이다.
고강도 섬유로 구성된 직물은 펀칭에 의해 두께방향으로 섬유가 배열되지 않기 때문에 그 직물 위층에 고연성의 섬유로 구성된 직물, 혹은 비연속 고강도 섬유직물을 사용하여 이 두 종류의 직물로 구성된 단위층을, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 중첩시키게 된다.
펀칭니들(10)의 삽입은 최상위층에 적층된 연속 고연성 섬유직물 혹은 비연속 고강도 섬유직물(50)에서 아래층으로 연속 고강도 섬유직물(51) 방향으로 일어나며, 이 때 최상층에 적재된 연속 고연성 섬유직물 혹은 비연속 고강도 섬유직물(50)은 연신율이 높거나 이미 절단된 섬유이기 때문에 니들(10)의 삽입작용에 의하여 아래층의 고강도 섬유직물(51)의 섬유사이로 두께방향 배열이 일어난다.
상기와 같이 두께방향으로 배열된 연속 고연성 섬유직물 혹은 비연속 고강도 섬유직물(51)은 여러층으로 적층된 연속 고강도 섬유직물(51)을 관통하게 되면서 각각의 층들이 결속되어짐으로써 프리폼의 단위층(55)을 형성하게 된다.
도 3에 도시된 중첩된 프리폼 단위층(55)의 구성에 있어서, 연속 고강도 섬유직물(51)은 다층으로 하고, 연속 고연성 섬유직물 혹은 비연속 고강도 섬유직물(50)은 단층으로 조합한다.
일반적으로, 연속 고연성 섬유직물(50)은 전단계 재료(Precursor)를 사용함으로써 강도향상을 위한 열처리 공정을 거치는데, 이 때 부피수축으로 인한 잔류응력이나 치수불안정 등을 고려하여 연속 고연성 섬유직물층(50)이 차지하는 부피는 가능한 한 적도록 한다. 또한, 비연속 고강도 섬유직물(50)을 사용하는 경우에도 절단된 형태이므로 강도 저하를 되도록 적게 하기 위하여 이 직물이 차지하는 부피도 가능한 한 적도록 한다.
이러한 단위층(55)을 다시 중첩하여 펀칭하면, 최종 제조되는 프리폼의 두께를 원하는 치수로 증가시킬 수 있다. 즉, 하나의 단위층(55)을 펀칭한 다음, 니들펀칭된 다른 단위층(55)을 그 위에 적재 중첩시켜 펀칭하는 단위층간의 펀칭방법에 의하면 단위층 내부 및 단위층 층간의 결속을 형성할 수 있을 뿐 아니라, 프리폼의 밀집도를 향상시킬 수 있는 것이다.
이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 작용을 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예에서는 탄소-탄소 복합재용으로서 탄소섬유로 구성되는 프리폼의 제조에 대하여 설명한다.
연속 고연성의 섬유직물로서는 파손변형율이 PAN계의 탄소섬유보다 수십 배 높은 oxi-PAN계 섬유로 제조된 펠트(Felt) 혹은 평직 또는 주자직을 사용하며, 고강도 섬유직물로서는 탄소섬유 8매 주자직 직물을 사용한다.
즉, 상기 연속 고연성의 섬유직물인 oxi-PAN계 직물은 탄화율이 무게%로 55~65%인 oxi-PAN계 탄소섬유를 이용하는데, 그 이유는 55% 미만으로 탄화된 섬유조직을 복합재료의 강화재료로 이용하면 최종 제조되는 복합재료의 기계적 물성이 크게 개선되지 않으며, 65%를 초과하는 탄화율을 가지는 탄소섬유를 이용하면 연신율이 크게 저하되어 본 발명에 따른 니들 펀칭공정 수행시 취성이 강하여 부서지는 경향이 강하여 층간 결속력이 현저히 저하하기 때문이다.
또한, 연속 고연성의 섬유직물의 형태로서 펠트조직을 이용하는 이유는 섬유형태가 연속섬유가 아닌 단섬유로 되어 있어서 니들 펀칭공정에 의하여 두께방향으로 배열이 용이하므로 층간 결속력을 증가시킬 수 있기 때문이다.
한편, 고강도 섬유직물로서는 PAN계 탄소섬유를 이용하는데, 그 이유는, 탄소 수량(Yield)이 oxi-PAN계의 섬유보다 현저히 높기 때문에(약 99% 이상) 고온 열처리과정에서 부피수축이 상기 oxi-PAN계 섬유보다 현저히 적음과 동시에 최종 제조되는 복합재료의 강도도 더욱 증대되기 때문이며, 이러한 고강도 섬유직물은 탄소섬유 뿐 아니라, 강도가 높고 내화성이 좋은 세라믹계(알루미나, 실리콘 나이트라이드, 보론 카바이드 등) 섬유도 이용될 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 가능한 한 oxi-PAN 섬유량을 최소로 하기 위하여, 8매 주자직 탄소섬유 직물 6장에 oxi-PAN 펠트를 1장 중첩한 것을 단위층으로 구성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1단위층(70)은 전체 프리폼의 중심면에 위치하도록 하기 위하여 펠트-8주자직-펠트의 순서로 구성하여 상하면 모두 니들 펀칭을 한다.
이 때 평면에 배열된 고연성 섬유펠트의 일부는 두께방향으로 배열되어 이 두께방향으로 배열된 섬유가 각 층간결속을 주게 되는 것이다. 본 실시예에서는 니들펀칭이 한 면에서만 일어나는 단면펀칭을 적용하였다.
상기 제1단위층(70) 위에서 제2단위층(71)을 중첩시키고, 같은 방법으로 니들 펀칭을 수행하며, 니들의 펀칭깊이는 두 층(70,71)을 관통하는 길이가 되도록 한다.
상기 니들 펀칭이 수행된 프리폼은 그 상하면을 바꾸어 반대면에서 제3단위층(72)을 중첩시켜 니들펀칭한다.
상기와 같은 니들 펀칭과정을 프리폼의 전체 두께가 50㎜가 될 때까지 반복한 것이 도 5에 도시되어 있다.
[실시예 2]
실시예 1에서처럼 탄소 수량(Yield)이 적은 oxi-PAN계의 섬유를 사용하는 경우, 고온(500~1000℃)의 열처리 과정에서 20~30%의 부피수축을 가져오기 때문에 이를 방지하기 위하여 PAN계나 피치(Pitch)계의 탄소섬유를 사용할 수 있다. 그러나 이런 고강도 섬유가 연속섬유 형태의 직물인 경우는 펀칭 작업에 의하여 섬유가 두께 방향으로 배열되지 않고 절단만 주로 일어나기 때문에 섬유 결속을 주기 어렵다.
따라서, 고강도 섬유를 사용하는 경우에는 PAN계 의 연속 탄소 섬유를 잡아당겨 일정한 길이로 절단(Stretch-Broken)한 섬유를 직조한 다축경편 직물(Multiaxial Warp Knit)을 상부 직물로 사용하고 하부직물로는 연속 고강도 탄소섬유 8매 주자직 직물을 사용한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 가능한 한 불연속 고강도 섬유량을 최소로 하기 위하여, 다축경편 직물 1장에 8매 주자직 탄소섬유 직물 2장 중첩한 것을 단위층으로 구성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 첫 번째 단위층(70)은 전체 프리폼의 중심면에 위치하도록 하기 위하여 다축경편-8주자직-다축경편의 순서로 구성하여 상하면 모두 니들 펀칭을 한다.
실시예 1과 같은 방법으로 첫 번째 단위층(70) 위에서 두 번째 단위층(71)을 중첩시키고, 같은 방법으로 니들 펀칭을 수행하며, 니들의 펀칭깊이는 두 층(70,71)을 관통하는 길이가 되도록 한다. 두 번째 단위 층은 다축경편-8주자직으로 구성한다.
상기 니들 펀칭이 수행된 프리폼은 그 상하면을 바꾸어 반대면에서 세 번째 단위층(72)을 중첩시켜 니들펀칭한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 고강도 강화섬유를 사용하더라도 연속 고연성의 직물 또는 비연속 고강도 섬유직물의 섬유가 니들 펀칭에 의하여 두께방향으로 배열되면서 고강도 연속 섬유층을 결속시켜주기 때문에 니들 펀칭공정이 용이함과 동시에 단위층별 니들 펀칭공정을 수행함으로서 섬유층의 밀집화가 가능하며 두께에 제한이 없는 복합재용 프리폼을 제조할 수 있는 공정상의 효과가 있다.
또한, 기존의 3차원적 직조형 섬유배열구조에 비하여 프리폼 제조시간 및 제조비용이 저감되어 대량생산이 적합하며, 복합재의 원재료인 프리폼을 수입에 의존하지 않고 국내 제작된 프리폼을 이용할 수 있으므로 수입대체 효과가 매우 크다.
도 1은 본 발명에 이용되는 니들펀칭 장비의 일례를 도시한 장치 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 이용되는 니들의 형상도;
도 3은 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 따라 제작되는 프리폼 단위층의 모사도;
도 4는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 따라 제작된 프리폼 단위층을 적층하는 방법을 도시한 개념도;
도 5는 본 발명에 따른 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법에 의하여 제조된 프리폼의 형상 사진도이다.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣
10:니들 11:펀칭헤드 12:가이드 평판 20:인발용 롤러
21:프리폼 30:재료층 31:가이드 롤러 40:바브
70:제1단위층 71:제2단위층 72:제3단위층
Claims (4)
- 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물의 1개층을 최상부에 위치시키고, 연속 고강도 섬유직물의 다수 층을 상기 연속 고연성 섬유직물 또는 불연속 고강도 섬유직물 층의 하부에 위치시킨 다음, 상부에서 다수개의 바브가 형성된 니들을 펀칭하여 프리폼 단위층을 제조하는 단계와;상기 제조된 프리폼 단위층을 다수 적층시키면서 다시 니들 펀칭하여 결속시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 연속 고연성 섬유직물은 부피%로서 55~65% 탄화된 산화 폴리아크릴로니트릴(oxi-PAN)계 섬유로 제작된 펠트 또는 평직이나 주자직 직물인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 불연속 고강도 섬유직물은 부피%로서 99% 이상 탄화된 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유를 잡아당겨 절단한 섬유를 직조한 다축경편 직물인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 연속 고강도 섬유직물은 부피%로서 99% 이상 탄화된 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 연속 탄소섬유 또는 고강도 세라믹계 섬유를 직조한 평직 또는 주자직물인 것을 특징으로 하는 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법.
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