KR100831310B1 - 단섬유를 적용하여 복합재 계면특성을 개선한 복합재이탈피의 보강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 군사용의 날개안정철갑탄용 고강도 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법에 관한 것으로서, 기존 알루미늄 이탈피의 성능에 비해서 무게비 강도가 우수하고 비중이 낮은 고강도 섬유강화 복합재 이탈피를 제조할 수 있는 일방향 섬유 프리프레그 플라이 적층공정을 개발한 것이다.

반경방향으로 섬유가 적층된 복합재 이탈피는 포강내에서 매우 높은 압력으로 인하여 원주방향으로 층간분리를 방지할 수 있어야 안정화된 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 층간분리현상을 방지하기 위하여 예비 적층판 단계에서부터 소재의 계면에 단섬유를 도포하여 소재간의 접착력을 향상시켰으며, 피스 적층시 각각의 세그먼트 사이에 단섬유를 도포하여 수지가 전담하던 원주방향의 팽창압력을 섬유가 맡게 함으로써 높은 압력에도 견딜 수 있게 설계하였다.

날개안정철갑판, 이탈피, 단섬유, 적층, 세그먼트, 피스

Description

단섬유를 적용하여 복합재 계면특성을 개선한 복합재 이탈피의 보강 제조방법{METHOD FOR REINFORCEMENT MANUFACTURING A COMPOSITE SABOT IMPROVING THE COMPOSITE INTERFACIAL CHARACTERISTIC AS APPLYING A SHORT FIBER}

본 발명은 군사용의 날개안정철갑탄용 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법에 관한 것으로서, 반경방향 적층에 의한 원주방향으로의 프리프레그 플라이(prepreg ply) 층간분리(delamination)를 방지할 수 있도록 각 제조단계마다 소재의 계면에 단섬유를 도포하여 소재간의 접착력을 향상시킨 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 대전차포탄에 사용되고 있는 날개안정철갑탄용 이탈피는 알루미늄 합금이 주로 이용된다. 그러나 알루미늄 합금보다 밀도가 낮은 고강도 섬유강화 복합재료를 이탈피에 적용하면 동일한 포구에너지로 포구속도를 증대시킬 수 있으므로 탄의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 이 분야에서는 기존의 금속재 이탈피를 비강도 및 비강성이 우수한 소재인 고분자 기지의 섬유강화 복합재료로 대체함으로써 가볍고 우수한 성능의 이탈피를 제작하기 위한 방법이 연구되고 있다.

통상적으로 이탈피는 관통자의 외경에 3조각으로 분리 결합되어 관통자를 포신에서 보호하고 동시에 관통자에 추진에너지를 전달하여 관통자가 포신을 벗어나 비행하게 한 후 관통자로부터 분리된다. 즉, 관통자의 구조적인 지지역할 및 포신에서의 압력 누출을 방지하는 역할을 수행하게 된다. 따라서 관통자를 발사하기 위하여 발생되는 추진에너지를 최대한 관통자로 전달하여야 관통자가 안정적인 비행을 수행할 수 있게 되므로, 이탈피는 중량이 가벼울수록 전체 시스템의 성능 설정에 아주 유리한 것이다.

또한, 상기 이탈피는 발사시 추진에너지를 관통자에 충분히 전달하기 위하여 이탈피와 관통자의 경계면에 나사산 또는 그루브 형태의 요철결합부가 형성되고, 이탈피의 외형은 포신과 긴밀하게 밀착되어 있어 발사시 발생되는 압력을 밀폐할 수 있도록 구성되어 있으며, 발사 후 관통자가 포신에서 벗어나면 관통자의 비행에 영향을 주지 않고 비행시 공기 마찰력에 의하여 분리되도록 설정되어 있다.

도 6은 종래 알루미늄재 이탈피의 설치 상태를 나타낸 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 전차 또는 장갑차의 포신(1)에 날개안정철갑탄의 관통자(2)가 3개의 조각으로 이루어진 이탈피(3)와 결합된 형태로 삽입되어 있다.

상기 관통자(2)의 외경부와 이와 대응하는 이탈피(3)의 내경부에는 나사산 또는 그루브 형태의 요철결합부(2a, 3a)가 형성되어 있으며, 이 요철결합부(2a, 3a)는 발사 에너지에 따른 전단응력을 고려하여 손상되지 않도록 설정되어 있다.

이와 같이 구성된 종래의 이탈피는 전체가 알루미늄재로 형성되어 있으므로 발사시 요구되는 전단응력을 고려한 내구력에는 별다른 문제가 없으나, 복합재에 비하여 상대적으로 비중이 높은 문제점이 있으며, 이와 같이 이탈피의 비중이 높게 되면 관통자의 중요한 성능인 비행속도 및 목표물에 대한 관통력과 시스템 전체 성능에 영향을 미치게 된다.

더욱이, 복합재료 이탈피의 제조에 있어 지금까지 사용되어 왔던 복합재 제조의 적층방법인 축방향이나 원주방향의 적층법으로는 그루브(groove)의 기계적 강도를 충족시킬 수 없기 때문에 반경방향 적층법을 적용하는 것으로 보고되고 있다. 반경방향 적층법은 일방향 섬유(unidirectional fiber) 또는 직물 섬유(fabric fiber)/수지(resin)로 된 프리프레그를 사용하여 관통자와 접촉하는 부위인 그루브 면에 프리프레그 플라이(prepreg ply)를 수직방향으로 적층하는 방법으로서 전술한 축방향이나 원주방향으로 적층된 재료에 비하여 그루브 전단강도를 대폭 향상시킬 수 있다. 그러나 반경방향 적층방법의 경우 관통자와 맞닿는 수직방향 및 동일 면방향으로의 강도는 충족되지만 프리프레그 플라이가 적층되는 두께방향으로의 접착강도가 낮은 것이 결점이므로 이에 대한 강도를 보강시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.

최근까지 반경방향 적층과 관련되어 출원된 기술은 적층기술이나 섬유배향에 관한 기술이 전부이다. 즉 미국 특허 5,640,054(Sabot segment molding apparatus and method for molding a sabot segment), 미국 특허 5,789,699(Composite ply architecture for sabot) 및 6,125,764(Simplified tailored composite architecture) 등이 그것이다.

전술한 두께방향으로 재료물성을 보강하기 위한 방안으로서는 인성이 매우 높은 수지의 개발 등이 채택될 수 있으나, 이 방법은 가격이 높아지고 제조방법이 까다로워 제품 제작시 원가의 상승이 예상된다.

그리고, 기존의 원주방향 적층 또는 반경방향 적층만으로 구성된 이탈피는, 포 발사시 발생되는 추진에너지를 관통자에 전달하는 과정에서 이탈피의 적층상의 문제로 인한 포강 내의 높은 폭압을 발사체인 관통자에 충분히 전달하지 못하고 파괴되었다. 또한, 복잡한 내부 및 외부 형상을 만족시키기 위해 정밀 가공장비를 사용하므로 제작상에 어려움이 따랐다. 더구나, 기존의 원주방향 또는 반경방향 적층방법만으로는 원주방향으로 걸리는 압력을 충분히 견딜 수 없기 때문에, 포강 내에서 높은 인장력과 압축력을 견디기 위해 필요한 내구성이 불충분하여 층간분리 현상을 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각 제조단계별로 적층부위 계면에 단섬유를 도포하여 수지가 전담하던 원주방향의 팽창 압력을 섬유가 맡게 함으로써, 이탈피에서 원주방향의 접착력을 향상시키고 포 발사시 포강 내의 높은 폭압으로부터 이탈피를 보호하며 복합재 이탈피의 불안정한 이탈을 방지하여 성능향상 및 재현성을 증가시킬 수 있는 복합재료 이탈피의 보강 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 단섬유를 적용하여 복합재 계면특성을 개선한 복합재 이탈피의 보강 제조방법은, 복합재인 프리프레그 섬유를 반경방향으로 적층하여 복합재 이탈피를 제조하는 방법으로서, 복수매의 플라이를 겹쳐 소정 형태의 서브 세그먼트를 4개 이상 형성하는 서브 세그먼트 형성단계와, 상기 4개 이상의 서브 세그먼트를 적층하여 세그먼트를 3개 이상 형성하는 세그먼트 형성단계와, 상기 3개 이상의 세그먼트를 적층하여 피스를 3개 형성하는 피스 형성단계와, 그리고 상기 3개의 피스를 합체하여 이탈피를 형성하는 이탈피 형성단계를 포함하는 섬유강화 복합재 이탈피의 제조방법에 있어서,

상기 서브 세그먼트 형성단계는, 복수매의 플라이를 겹쳐 예비 적층판을 형성하는 단계와, 상기 예비 적층판을 소정 형태로 재단하여 서브 세그먼트를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 예비 적층판 형성단계에서는, 복수매의 플라이 적층시 매(每) 플라이 사이에 단섬유를 도포하여 예비 적층판을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세그먼트 형성단계에서는, 상기 서브 세그먼트 적층시 매 서브 세그먼트 사이에 단섬유를 도포하여 세그먼트를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세그먼트 형성단계에서는, 적층된 서브 세그먼트의 경사면에 단섬유를 충분히 도포하고, 보강용 서브 세그먼트를 더 적층함으로써 세그먼트를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피스 형성단계에서는, 상기 세그먼트 적층시 매 세그먼트 사이에 단섬유를 도포하여 피스를 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 단섬유는, 탄소섬유, 흑연섬유 및 유리섬유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 섬유이고, 상기 반경방향으로 적층된 복합재에서 프리프레그의 섬유도, 탄소섬유, 흑연섬유 및 유리섬유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 섬유이며, 상기 섬유 프리프레그의 기지재료는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 단섬유를 적용하여 복합재 계면특성을 개선한 복합재 이탈피의 보강 제조방법에 의하면, 기존의 알루미늄 이탈피에 비해 무게를 약 30% 감소시킬 수 있고, 종래의 복합재 이탈피 제작에서 반경방향 적층만을 적용한 모델보다도 포강 내에서 발생하는 높은 충격 에너지를 가진 팽창압력으로부터 단섬유가 반경방향층의 접착력을 향상시켜 이탈피 파괴에 충분히 견딜 수 있는 최적의 적층 설계요 건을 구현할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1의 사시도에는, 섬유 프리프레그 플라이(30)가 바탕지(10) 및 이형지(20)와 함께 도시되어 있다. 이 섬유 프리프레그 플라이(30)에서 기지재료로는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 사용하고, 섬유는 탄소섬유, 흑연섬유, 유리섬유 중에서 어느 하나 또는 그 이상의 섬유를 사용하여 만든다.

이렇게 만든 섬유 프리프레그 플라이(30)에서 바탕지(10)과 이형지(20)를 분리하고, 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 2매 이상의 플라이(30)를 플라이의 배향각도를 고려하여 순서대로 적층한다. 이때 각 플라이가 접착성을 가지고 있지만 복수매의 플라이 적층시 각 플라이 사이에 단섬유(50)를 도포함으로써, 예비 적층판(40) 형성단계에서부터 소재의 접착성을 더욱 증대시킨다. 이렇게 적층된 예비 적층판(40)은 도 2(b)와 같이 마치 1매처럼 서로 긴밀하게 접착된다. 단섬유(50)는 각 플라이 사이에 단독으로 도포되는 것이 아니라, 수지에 포함되어 도포됨으로써 단섬유(50)가 포함된 수지(60)층을 이루게 된다. 이와 같이 접착된 복수매의 플라이는 기존의 수지층으로만 구성된 이탈피보다 플라이(30) 사이의 접착성이 한층 더 향상되었다.

이러한 방식으로 복수매 겹쳐 바로 소정의 형상을 갖는 서브 세그먼트를 형성할 수도 있겠지만, 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 복수매의 플라이를 겹쳐 예비 적층판(40)을 형성한 다음, 이 예비 적층판(40)을 재단기로 절단하여 도 3(a)에 도시한 바와 같이 여러 가지 형태의 서브 세그먼트(70)를 제조하는 것이 바람직하다.

이와 같이 형성된 각 서브 세그먼트(70)는 소정의 적층법에 따라 단섬유(50)를 각 서브 세그먼트 사이에 도포하면서 도면 3(b) 내지 3(c)와 같은 세그먼트(80) 형상으로 적층된다. 구체적으로는, 도 3(b)에서 보강용 서브 세그먼트(71)를 제외하고 연속적인 형태의 서브 세그먼트(70)들을 순서대로 적층한 다음, 그 경사면에, 즉 각 서브 세그먼트(70)가 이루는 계단면 측에 단섬유(50)를 충분히 도포하고 그 위에 보강용 서브 세그먼트(71)를 적층한다. 도 3(c)에는 이와 같이 형성된 세그먼트(80)의 외형이 도시되어 있다. 이와 같이, 세그먼트(80)의 보강용 서브 세그먼트(71)와 다른 서브 세그먼트의 접촉면에 단섬유(50)를 충분하게 도포하면 섬유의 휨 발생을 방지할 수 있다.

이어서, 이렇게 형성한 각 세그먼트(80)의 보강용 서브 세그먼트(71) 표면에 단섬유(50)를 다시 도포하고 다른 세그먼트(80)를 접착하여 적층하는 방식으로 도 4(a)에 도시한 피스(90)를 형성한다. 도 4(b)에서는 이 피스(90)를 이루는 각 세그먼트(80)가 이웃하는 세그먼트(80)와 소정의 간격을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 각 세그먼트의 구성을 나타내기 위하여 과장하여 도시한 것으로서, 실제로는 세그먼트(80)들이 적층되고 접착되어 있음이 이해될 것이다.

도 4(b)에서와 같이 세그먼트(80)로 구성된 피스(90)의 종단면은 부채꼴 모양으로 형성되고, 그 상부에 도 5의 이탈피(120)에서 중심을 지나는 기준선(100)이 도 4(b)에 점으로 표시되어 있다. 따라서, 도 3(a)와 같이 여러 가지 형태로 재단 된 서브 세그먼트(70)를 상기 기준선(100)을 기준으로 적층하여 세그먼트(80)를 3개 이상 형성하고, 이 복수의 세그먼트는 적층되어 120°의 각을 갖는 피스(90)를 형성하도록 이루어진다. 도면부호 중 미설명부호 110은 포강 내에서 피스(90)가 받는 폭압 분포를 나타낸 것이다.

마지막으로, 이와 같이 제조된 피스(140)는 압착금형에 투입되어 성형하게 되며, 필요에 따라 압착금형에 압력과 온도를 가하여 더욱 긴밀하고 견고하게 성형하게 된다. 도 7은 성형 완료된 피스를 기계 가공하여 조합한 섬유강화 복합재 이탈피(160)를 나타낸 것이다.

이와 같이 적층된 복합재 이탈피는 수지가 전담하던 팽창력을 섬유가 담당하므로 이탈피의 요구되는 기계적 강도를 만족시킬 수 있도록 하여 포강 내의 폭압(110)으로부터 층간분리 현상을 방지할 수 있게 되었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허 청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 탄소섬유 플라이를 나타낸 사시도이다.

도 2(a)는 예비 적층판을 이루는 복수개의 플라이를 나타낸 사시도이다.

도 2(b)는 예비 적층판을 이루는 복수개의 플라이의 횡단면도이다.

도 3(a)는 세그먼트를 이루는 서브 세그먼트를 나타낸 구성도이다.

도 3(b)는 적층된 세그먼트를 나타낸 횡단면도이다.

도 3(c)는 피스를 이루는 세그먼트를 나타낸 사시도이다.

도 4(a)는 이탈피를 이루는 피스를 나타낸 사시도이다.

도 4(b)는 이탈피를 이루는 피스의 횡단면도이다.

도 5는 이탈피의 외형을 나타낸 사시도이다.

도 6은 종래기술에 의한 이탈피의 구성을 나타낸 종단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 바탕지

20 : 이형지

30 : 탄소섬유 프리프레그 플라이

40 : 예비 적층판

50 : 보강재인 단섬유

60 : 수지

70 : 서브 세그먼트

71 : 보강용 서브 세그먼트

80 : 세그먼트

90 : 피스

100 : 복합재 이탈피 반경방향 적층시 기준선

110 : 포강 내에서의 폭압 분포

120 : 섬유강화 복합재 이탈피

Claims (5)

1. 복합재인 프리프레그 섬유를 반경방향으로 적층하여 복합재 이탈피를 제조하는 방법으로서,

   복수매의 플라이(30)를 겹쳐 소정 형태의 서브 세그먼트(70)를 4개 이상 형성하는 서브 세그먼트 형성단계와,

   상기 4개 이상의 서브 세그먼트를 적층하여 세그먼트(80)를 3개 이상 형성하는 세그먼트 형성단계와,

   상기 3개 이상의 세그먼트를 적층하여 피스(90)를 3개 형성하는 피스 형성단계와, 그리고

   상기 3개의 피스를 합체하여 이탈피(120)를 형성하는 이탈피 형성단계를 포함하는 섬유강화 복합재 이탈피의 제조방법에 있어서,

   상기 서브 세그먼트 형성단계는, 복수매의 플라이를 겹쳐 예비 적층판(40)을 형성하는 단계와, 상기 예비 적층판을 소정 형태로 재단하여 서브 세그먼트(70)를 형성하는 단계를 포함하고,

   상기 예비 적층판 형성단계에서는, 복수매의 플라이 적층시 매(每) 플라이 사이에 단섬유(50)를 도포하여 예비 적층판(40)을 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 세그먼트 형성단계에서는, 상기 서브 세그먼트 적층시 매 서브 세그먼트 사이에 단섬유(50)를 도포하여 세그먼트(80)를 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 세그먼트 형성단계에서는, 적층된 서브 세그먼트(70)의 경사면에 단섬유(50)를 충분히 도포하고, 보강용 서브 세그먼트(71)를 더 적층함으로써 세그먼트(80)를 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 피스 형성단계에서는, 상기 세그먼트 적층시 매 세그먼트(80) 사이에 단섬유(50)를 도포하여 피스(90)를 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 단섬유(50)는, 탄소섬유, 흑연섬유 및 유리섬유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 섬유이고,

   상기 반경방향으로 적층된 복합재에서 프리프레그의 섬유는, 탄소섬유, 흑연섬유 및 유리섬유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 섬유이고, 상기 섬유 프리프레그의 기지재료는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 이탈피의 보강 제조방법.

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