KR100630427B1 - 프리프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법에 관한것으로, 그 목적은 두께 방향의 섬유가 관통될 수 있는 프리프레그 적층구조와, 배열된 프리프레그 간의 일정한 간격을 유지하며, 균일한 간격의 두께 방향 섬유를 관통하는 복합재료 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 이웃하는 프리프레그 테이프와 일정 간격을 두고 동일방향으로 배열되는 프리프레그 테이프를 적어도 2개이상 배열하는 단계와; 상기 배열된 프리프레그 테이프들과 직각방향으로 그 상부에 동일한 방법으로 배열하는 단계와; 상기 상하로 직각되게 배열하는 단계를 임의의 두께가 될 때까지 반복하여 적층배열하는 단계와; 상기 적층배열 단계 후, 임의의 두께로 적층된 프리프레그 테이프들 사이에 형성된 다수의 수직 공간마다 스티칭 섬유를 삽입하여 보강하는 단계로 이루어진 방법을 특징으로 한다.

3축구조, 복합재료, 프리프레그 테이프, 스티칭

Description

프리프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법{Fabrication Method of Three-Dimensionally Reinforced Composites using Prepreg Tapes}

도 1은 보강 복합재료 개념도,

도 2는 프리프레그 적층 방법을 보인 실시예도,

도 3은 두께 방향 섬유 삽입 방법을 보인 실시예도,

도 4는 3축 보강 복합재료 평판도,

도 5는 기계 스티칭에 의한 3축 보강 복합재료 단면 사진,

도 6은 수작업 스티칭에 의한 3축 보강 복합재료 단면 사진,

도 7은 3축 보강 복합재료의 스티치 섬유 이외 지역의 단면 사진이다.

본 발명은 고성능 고분자 복합재료에 응용할 수 있는 기술에 속하는 것으로, 자세하게는 프리프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법에 관한 것이며, 특히 프리프레그 테이프 배열기술과 스티칭 기술을 혼합한 3축 구조 복합재료 제조방법에 관한 것이다.

고성능 고분자 복합재료를 제조하는 가장 일반적인 방법은 프리프레그를 일정한 크기로 절단하여 적층한 후 오토클레이브 내에서 진공 가열하여 경화시키는 성형법이다.

그러나, 이러한 단순 적층 복합재료는 사용 중에 충격하중에 의하여 쉽게 층과 층 사이가 갈라지는 층간 분리가 일어난다.

이러한 층간분리를 억제하는 방법 중 가장 효과적인 것은 두께 방향의 섬유 보강을 통하여 3차원적인 섬유 배열구조를 사용하는 것이다.

두께 방향의 구조는 일반적으로 3차원 직조에 의하여 얻을 수 있는데 대표적인 기술로서 브레이딩(braiding), 위빙(weaving), 또는 스티칭(stitching) 등이 있다.

상기 3차원 브레이딩이나 위빙 직조 공정은 제조할 수 있는 크기가 제한되어 있고 제조시간이 매우 길기 때문에 특수한 제품 이외에는 많이 사용되지 않고 있다.

또한 상기 스티칭 기술은 적층된 여러 장의 직물 전체를 두께방향의 바늘 관통에 의하여 결속시키는 방법으로, 이 기술은 제품의 크기에 크게 제한 받지 않으며 생산성이 매우 높은 장점이 있는 반면에 바늘의 관통으로 인하여 섬유 손상이 생기고 복합재료 성형시 수지함침이 불완전 할 수 있다는 단점이 있다.

또한, 프리프레그와 같이 비교적 딱딱한 재료를 여러장 겹쳐서 스티칭 하는 것은 불가능하기 때문에 주로 직물에 사용되고 있다.

상기 살펴본 바와 같이 종래의 3차원 직조 기술의 단점은 제품의 크기가 제한되어 있고 제조시간이 길어 생산비용이 높다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 두께 방향의 섬유가 관통될 수 있는 프리프레그 적층구조와, 배열된 프리프레그 간의 일정한 간격을 유지하며, 균일한 간격으로 두께 방향 섬유를 관통하는 복합재료 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 이웃하는 프리프레그 테이프와 일정 간격을 두고 동일방향으로 배열되는 프리프레그 테이프를 적어도 2개이상 배열하는 단계와; 상기 배열된 프리프레그 테이프들과 직각방향으로 그 상부에 동일한 방법으로 배열하는 단계와; 상기 상하로 직각되게 배열하는 단계를 임의의 두께가 될 때까지 반복하여 적층배열하는 단계와; 상기 적층배열 단계 후, 임의의 두께로 적층된 프리프레그 테이프들 사이에 형성된 다수의 수직 공간마다 스티칭 섬유를 삽입하여 보강하는 단계로 이루어진 방법을 특징으로 한다.

상기 이웃하는 프리프레그 테이프 간의 간격은 일정하게 배열하기만 하면 되 고, 그 간격에 특별한 한정은 없다. 단지 사용할 바늘이 통과할 수 있는 간격이면 되고, 이 간격을 너무 크게 하면 배열되는 섬유량이 줄어들므로 복합재료의 물성이 떨어진다.

상기 스티칭 섬유를 삽입시 바늘을 이용 기계식 또는 수작업 중에서 선택된 하나를 이용하여 직조한다.

상기 프리프레그 테이프는 폭이 일정한 열경화성 혹은 열가소성 프리프레그 테이프 중에서 선택된 하나를 사용하되, 상기 열경화성 프리프레그 테이프는 탄소섬유/에폭시, 유리섬유/에폭시, 아라미드섬유/에폭시, 탄소섬유/비스말리이미드(bismaleimide) 등으로 이루어진 군중에 선택된 하나이고, 상기 열가소성 프리프레그 테이프는 탄소섬유/PEEK, 탄소섬유/폴리아미드, 탄소섬유/PPS, 유리섬유/폴리아미드 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나이다.

상기 스티칭 섬유는 아라미드섬유, 유리섬유, 폴리에틸렌섬유 등으로 이루어진 군중에 선택된 하나를 사용한다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 보강 복합재료 개념도로서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 3축 구조의 복합재 형상을 나타내고 있는데, 여기서 프리프레그는 x, y평면에 서로 직각으로 교차 배열되어 있고 적층된 전체 두께를 관통하여 스티치 섬유가 z축 방향으로 배열되어 있음을 볼 수 있다.

도 1에서 보면 두께 방향의 섬유가 관통되기 위해서는 x, y평면에 적층된 프리프레그 전체 두께를 통하여 섬유가 지나갈 수 있는 공간이 비워져 있어야 한다.

프리프레그 테이프 간의 간격을 일정하게 만들기 위해서 적용하는 방법을 다음에 소개한다.

본 발명에 사용되는 프리프레그 테이프는 열경화성 혹은 열가소성 프리프레그 테이프 중에서 선택된 어느 하나를 사용한다.

도 2는 프리프레그 테이프를 사용한 적층방법을 보인 것이다. 일정한 간격을 두고 길이 방향으로 테이프를 배열한 뒤 이와 직각의 일정한 간격으로 테이프를 배열한다. 이 과정을 거치면 일정한 간격을 가지는 서로 직교하는 테이프 배열을 얻을 수 있다. 이 작업을 계속하여 원하는 두께가 될 때까지 반복한다.

상기 프리프레그 테이프를 배열하는 장치는 정밀한 위치 이동이 가능해야하고 일정한 거리만큼 이동하면서 프리프레그 테이프를 압착하는 기능과 이동이 끝나면 프리프레그 테이프를 절단하는 기능 및 다시 배열할 때 프리프레그 테이프를 재공급하는 기능을 가질 필요가 있다.

도 3은 도 2에 보여준 적층 구조에 대하여 두께방향 섬유를 배열하는 방법을 보인 것이다. 적층구조의 전체두께를 관통하여 확보된 공간에 스티칭을 한다. 스티칭은 기존의 스티칭 기계를 사용하거나 수작업을 할 수도 있다.

이렇게 제조된 3차원 구조는 오토클레이브나 오븐을 사용하여 주어진 경화 사이클에 따라 복합재료로 성형할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

(실시예)

도 4는 탄소섬유/에폭시 프리프레그를 사용하여 적층한 후 아라미드 섬유를 사용하여 두께 방향으로 스티칭한 후 복합재료로 성형한 모습을 보인 것이다. 스티칭 섬유로서는 인성이 높은 아라미드 섬유를 사용하였는데 그 이유는 적층된 구조에 바늘이 직각으로 관통할 때 생기는 섬유 손상을 최소로 하기 위한 것이다. 프리프레그 테이프의 적층 순서는 0도 및 90도 방향으로 반복 작업을 하였고 테이프 간의 배열 간격은 1㎜로 하였다.

도 5 및 도 6은 기계 및 수작업으로 스티칭한 3축 보강 복합재료의 0도 섬유방향의 단면 모습으로서 두께방향 섬유의 배열상태를 보여주고 있다. 여기서 밝게 보이는 부분이 0도 층이며 어둡게 보이는 층이 90도 층이다. 기계작업의 경우는 루프를 이루면서 두 가닥의 섬유가 배열되어 있고 섬유의 굴곡이 다소 생긴 것을 볼 수 있는 반면에, 수작업의 경우에는 한 가닥의 섬유가 비교적 직선으로 배열되어 있다. 테이프 간의 간격이 1㎜이고 스티칭 섬유가 얇음에도 불구하고 스티칭 섬유 주위에 수지 과다 지역이 넓지 않은 이유는 프리프레그 테이프의 탄소 섬유가 경화도중 약간의 이동을 했기 때문이다. 이런 현상은 수지과다 지역을 국부적으로 만들지 않기 때문에 복합재료의 특성이 저하될 수 있는 가능성이 크게 줄어진다.

도 7은 길이 방향의 단면에서 스티칭 섬유가 지나지 않는 부분을 보인 것인데, 여기서 0도 섬유의 직진성을 볼 때 프리프레그 테이프를 사용한 적층 공정의 유효성을 확인할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명 3축 구조 복합재료는 그동안 단점으로 지적되어 왔던 직조기술에 의한 복합재료의 생산성 및 크기 제한 문제를 해결할 수 있다는 장점과,

종래 적층된 직물에 주로 적용하는 스티칭의 경우 바늘의 관통에 의하여 섬유 손상이 많이 생길 수 있으나 본 발명은 일정한 공간 사이로 바늘 관통이 일어나기 때문에 섬유 손상이 거의 일어나지 않는다는 장점과,

프리프레그를 사용하기 때문에 섬유의 굴곡이 최소화 되므로 직조형 복합재료에 비하여 면내 방향의 기계적 특성이 우수하다는 장점과,

기존에 많이 적용하고 있고 성형기술도 잘 확립된 중간재인 프리프레그를 사용하기 때문에 단 기간에 산업계 활용이 가능하다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 복합재료를 적층하여 보강 복합재료를 제조하는 방법에 있어서,

   이웃하는 프리프레그 테이프와 일정 간격을 두고 동일방향으로 배열되는 프리프레그 테이프를 적어도 2개이상 배열하는 단계와;

   상기 배열된 프리프레그 테이프들과 직각방향으로 그 상부에 동일한 방법으로 배열하는 단계와;

   상기 상하로 직각되게 배열하는 단계를 임의의 두께가 될 때까지 반복하여 적층배열하는 단계와;

   상기 적층배열 단계 후, 임의의 두께로 적층된 프리프레그 테이프들 사이에 형성된 다수의 수직 공간마다 스티칭 섬유를 삽입하여 보강하는 단계로 이루어지되,

   상기 프리프레그 테이프는 열경화성 혹은 열가소성 프리프레그 테이프 중에서 선택된 어느 하나를 사용하고,

   상기 열경화성 프리프레그 테이프는 탄소섬유/에폭시, 유리섬유/에폭시, 아라미드섬유/에폭시, 탄소섬유/비스말리이미드(bismaleimide) 등으로 이루어진 군중에 선택된 하나이고,

   상기 열가소성 프리프레그 테이프는 탄소섬유/PEEK, 탄소섬유/폴리아미드, 탄소섬유/PPS, 유리섬유/폴리아미드 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나이고,

   상기 스티칭 섬유는 아라미드섬유, 유리섬유, 폴리에틸렌섬유 등으로 이루어진 군중에 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 프리프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법.

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