KR101071878B1 - 탄소 복합체와 이의 제조 방법 및 클러치용 디스크와 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기질재의 침투 효율을 높임과 동시에 제조 비용을 절감할 수 있는 탄소 복합체와 클러치용 디스크의 제조 방법에 관한 것이다. 탄소 복합체의 제조 방법은, ⅰ) 탄소 섬유들로 이루어진 탄소 섬유 다발을 준비하는 단계, ⅱ) 고상의 기질재 분말을 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 단계, ⅲ) 확산 유체에 탄소 섬유 다발을 공급하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시키는 단계, ⅳ) 탄소 섬유 다발을 건조 후 권취하는 단계, 및 ⅴ) 탄소 섬유 다발을 직조, 성형 및 소성하는 단계를 포함한다.
탄소섬유, 기질재, 탄소분말, 고분자수지, 확산유체, 침투, 확산, 성형, 소성

Description

탄소 복합체와 이의 제조 방법 및 클러치용 디스크와 이의 제조 방법 {CARBON COMPOSITE, MANUFACTURING METHOD THEREOF, DISK FOR CLUTCH, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기질재의 침투 효율을 높임과 동시에 제조 비용을 절감할 수 있는 탄소 복합체 및 이를 이용한 클러치용 디스크에 관한 것이다.
탄소 복합체는 보강재인 탄소 섬유 다발에 액상의 기질재(matrix)를 함침시키고 이를 적층한 후 성형 및 소성하는 과정을 거쳐 완성된다. 이러한 탄소 복합체는 기계적 특성과 열적 특성 및 치수 안정성이 뛰어나며, 마찰 및 마모에 매우 강한 특성을 지닌다.
그런데 특정 밀도의 탄소 복합체를 얻기 위해서는 여러번의 함침과 소성 공정을 반복해야 하므로 제조 공정이 복잡하고, 제조에 장시간이 소요되며, 제조 원가가 높아진다. 따라서 탄소 복합체의 뛰어난 성능에도 불구하고 응용 분야는 매우 제한적이다.
한편, 자동차의 클러치용 디스크는 금속재 표면에 탄소 섬유 직조물을 접착 시킨 구성이거나, 대형 차량의 경우 탄소 복합체만으로 구성된다. 탄소 복합체만으로 구성된 클러치용 디스크는, ① 탄소 섬유 다발에 열경화성 고분자 수지를 함침시킨 프리프레그(pregreg)를 적층하여 일정 두께를 확보하고, ② 가열 프레스로 프리프레그를 성형하여 그린바디(green body)를 제작하고, ③ 그린바디를 소성하는 과정으로 제조된다.
그런데 이와 같이 제조된 클러치용 디스크는 고분자 수지의 탄화 과정에서 발생하는 기공 및 균열들로 인해 밀도 저하가 발생한다. 따라서 열경화성 고분자 수지 또는 함침용 피치 등을 이용하여 함침 및 재소성을 반복하거나, 화학증착법을 이용하여 기공 및 내부 균열에 열분해 탄소를 함침시키는 방법을 적용하여 밀도 증가를 유도하고 있다. 그러나 이 방법 또한 복잡한 공정을 수반하게 되므로 제조에 상당한 시간이 소요되고, 제조 원가가 높아지는 문제가 있다.
본 발명은 탄소 섬유들 사이로 고상의 기질재 분말을 직접 침투시켜 기질재에 의한 특성 효과를 극대화할 수 있는 탄소 복합체와 이의 제조 방법 및 이를 이용한 클러치용 디스크와 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 탄소 섬유에 대한 기질재의 침투 효과를 높이고, 기질재에 의한 기공 및 균열 발생을 억제하여 높은 밀도를 구현할 수 있는 탄소 복합체와 이의 제조 방법 및 이를 이용한 클러치용 디스크와 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 함침과 소성의 공정 수를 줄여 제조 공정을 단순화하고, 제조 시 간을 단축시키며, 제조 원가를 절감할 수 있는 탄소 복합체와 이의 제조 방법 및 이를 이용한 클러치용 디스크와 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합체의 제조 방법은, ⅰ) 탄소 섬유들로 이루어진 탄소 섬유 다발을 준비하는 단계, ⅱ) 고상의 기질재 분말을 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 단계, ⅲ) 확산 유체에 탄소 섬유 다발을 공급하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시키는 단계, ⅳ) 탄소 섬유 다발을 건조 후 권취하는 단계, 및 ⅴ) 탄소 섬유 다발을 직조, 성형 및 소성하는 단계를 포함한다.
확산 유체는 10cP 내지 25cP의 점도를 가질 수 있다. 기질재 혼합물은 5㎛ 이하의 평균 입도를 가지는 탄소 분말 및 고분자 수지를 포함하며, 고분자 수지는 탄소 분말에 대해 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다.
기질재 혼합물은 세라믹 분말을 더욱 포함하며, 세라믹 분말은 탄소 분말 및 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
탄소 분말은 코크스로부터 얻은 제1 탄소 분말 및 고형 피치의 열처리를 통해 얻은 제2 탄소 분말을 포함하며, 제1 탄소 분말과 제2 탄소 분말의 혼합비는 30:70 내지 50:50일 수 있다. 제1 탄소 분말은 1.0% 이하의 휘발분 및 0.1% 이하의 회분을 가지며, 제2 탄소 분말은 250℃ 이상의 연화점 및 80% 이상의 퀴놀린 불용분 함량을 가질 수 있다.
건조는 120℃ 내지 200℃의 온도에서 진행되고, 성형은 450℃ 내지 600℃의 온도 및 4MPa 내지 9MPa의 압력에서 진행되며, 소성은 1,000℃ 내지 2,700℃의 온도에서 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합체는 전술한 방법으로 제조되며, 30% 내지 70%의 복합화율 및 0.35 이하의 마찰계수를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 클러치용 디스크의 제조 방법은, ⅰ) 탄소 섬유들로 이루어진 탄소 섬유 다발을 준비하는 단계, ⅱ) 고상의 기질재 분말을 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 단계, ⅲ) 확산 유체에 탄소 섬유 다발을 공급하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시키는 단계, ⅳ) 탄소 섬유 다발을 건조 및 권취하는 단계, ⅴ) 탄소 섬유 다발을 직조, 1차 성형 및 소성하여 소성체를 제조하는 단계, 및 ⅵ) 소성체를 디스크 형상으로 2차 성형하는 단계를 포함한다.
확산 유체는 10cP 내지 25cP의 점도를 가질 수 있다. 기질재 혼합물은 5㎛ 이하의 평균 입도를 가지는 탄소 분말 및 고분자 수지를 포함하며, 고분자 수지는 탄소 분말에 대해 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다.
기질재 혼합물은 세라믹 분말을 더욱 포함하며, 세라믹 분말은 탄소 분말 및 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
탄소 분말은 코크스로부터 얻은 제1 탄소 분말 및 고형 피치의 열처리를 통해 얻은 제2 탄소 분말을 포함하며, 제1 탄소 분말과 제2 탄소 분말의 혼합비는 30:70 내지 50:50일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 클러치용 디스크는 전술한 방법으로 제조되며, 30% 내지 70%의 복합화율 및 0.35 이하의 마찰계수를 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시킨 후 탄소 섬유들 사이로 고상의 기질재 분말, 즉 탄소 분말을 직접 침투시키므로, 기질재의 침투를 용이하게 함과 동시에 기질재의 침투 함량과 기질재의 침투 균일도를 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 의한 탄소 복합체 및 클러치용 디스크는 제조 과정을 단순화하여 제조 비용을 낮출 수 있으며, 기계적 특성과 열적 특성이 향상되고, 마찰 및 마모에 매우 강한 특성을 지닌다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합체의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참고하면, 탄소 복합체의 제조 방법은, 탄소 섬유 다발을 준비하는 제1 단계(S10)와, 고상의 기질재 분말을 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 제2 단계(S20)와, 탄소 섬유를 확산시켜 탄소 섬유 사이로 기질재 분말을 침투시키는 제3 단계(S30)와, 기질재 분말이 침투된 탄소 섬유 다발을 건조 및 권취하는 제4 단계(S40)와, 권취된 탄소 섬유 다발을 직조, 성형 및 소성하는 제5 단계(S50)를 포함한다.
제1 단계(S10)에서, 탄소 섬유 다발은 적어도 한 방향으로 나란하게 정렬된 복수의 탄소 섬유들을 포함한다. 각각의 탄소 섬유는 대략 5㎛ 내지 7㎛의 직경을 가질 수 있다.
도 2는 탄소 섬유 다발의 일 실시예를 나타낸 사진이다. 도 2를 참고하면, 한 방향으로 나란하게 정렬된 탄소 섬유들이 모여 탄소 섬유 다발을 구성한다. 탄소 섬유 다발에서, 각각의 탄소 섬유는 소정의 공기층을 사이에 두고 이웃한 탄소 섬유와 분리되어 위치한다.
제2 단계(S20)에서, 확산 유체는 기질재 혼합물 및 점성을 부여하기 위한 액상 물질을 포함한다. 기질재 혼합물은 기질재 분말인 탄소 분말에 고분자 수지를 혼합한 것이며, 선택적으로 세라믹 분말을 더 포함하여 내열성을 높일 수 있다.
탄소 분말은 5㎛ 이하의 평균 입도를 가진다. 탄소 분말의 평균 입도가 5㎛를 초과하면 탄소 섬유들 사이로 탄소 섬유의 직경보다 큰 탄소 분말이 침투하게 되므로 탄소 섬유가 절단되어 탄소 복합체의 기계적 특성을 저하시킬 수 있다.
탄소 분말은 코크스로부터 얻은 제1 탄소 분말과, 고형 피치의 열처리를 통해 얻은 제2 탄소 분말을 포함한다. 제1 탄소 분말은 코크스 분말로서 휘발분 1.0% 이하 및 회분 0.1% 이하의 조건을 만족할 수 있다. 제2 탄소 분말은 고형 피치를 열처리하여 제조된 탄소 분말로서 연화점 250℃ 이상 및 퀴놀린 불용분 함량 80%의 조건을 만족할 수 있다.
제1 탄소 분말에서, 휘발분의 함량이 1.0%를 초과하면 이후의 소성 과정에서 중량 감소가 일어나므로 성형체의 밀도 저하를 유발할 수 있다. 회분은 고온에서 산화 촉진재로 기능하므로 0.1% 이하의 낮은 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.
제2 탄소 분말은 이후의 성형 과정에서 탄소 섬유들을 결합시키는 결합재의 역할을 하므로, 성형 온도에서 용융성 및 흐름성을 나타내는 것이 필수적이다. 그런데 제2 탄소 분말의 연화점이 250℃보다 낮으면, 소성 공정을 거치면서 중량 감소가 발생하여 성형체의 밀도 저하를 유발할 수 있다. 그리고 제2 탄소 분말에서, 퀴놀린 불용분의 함량이 높을수록 일정한 용융성을 얻을 수 있지만, 퀴놀린 불용분의 함량이 80%보다 낮으면 역시 소성 공정을 거치면서 중량 감소가 발생하여 성형체의 밀도 저하를 유발할 수 있다.
제1 탄소 분말은 점결성이 전혀 없는 반면 소성에 의한 중량 감소를 최소화하는 기능을 한다. 제2 탄소 분말은 점결성을 가지며, 이 점결성에 의해 결합재로 기능한다. 따라서 탄소 분말은 제2 탄소 분말을 필수적으로 포함하여야 한다. 제1 탄소 분말과 제2 탄소 분말의 혼합비는 30:70 내지 50:50일 수 있다. 이 범위를 벗어나면 소성에 의한 중량 감소가 커져 성형체의 밀도 저하가 발생하고, 탄소 섬유들의 결합 성능이 저하되어 탄소 복합체의 기계적 및 열적 특성이 저하될 수 있다.
고분자 수지로는 페놀계 수지, 일례로 페놀계 노볼락 수지(phenolic novolak resin)가 사용될 수 있다. 세라믹 분말로는 내열성이 우수한 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
제2 단계(S20)의 기질재 혼합물에서 고분자 수지는 탄소 분말에 대해 0.5중량% 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 고분자 수지가 탄소 분말에 대해 0.5중량% 미만으로 포함되면 제3 단계(S30)에서 탄소 섬유들 사이로 침투된 탄소 분말들이 제4 단계(S40)의 건조 과정에서 접착력 부족에 의해 분리될 수 있다. 한편, 고분자 수지가 탄소 분말에 대해 20중량%를 초과하여 포함되면 제3 단계(S30)의 침투 공정 이후 탄소 섬유 다발이 경직되어 제4 단계(S40)의 권취가 불가능해질 수 있다.
제2 단계(S20)의 기질재 혼합물이 세라믹 분말을 더 포함하는 경우, 세라믹 분말은 탄소 분말 및 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 내지 50중량%로 포함될 수 있다. 세라믹 분말이 탄소 분말 및 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 미만으로 포함되면 탄소 복합체의 열적 특성을 높이는 효과가 미비해진다. 한편, 세라믹 분말이 탄소 분말 및 고분자 수지의 혼합물에 대해 50중량%를 초과하여 포함되면 기질재 혼합물의 점결력이 저하되므로 탄소 복합체의 강도가 저하될 수 있다.
확산 유체에 포함되는 액상 물질로는 다당류 계통의 액체가 사용될 수 있으며, 예를 들어 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 다이에틸렌글리콜, 트라이에틸렌글리콜, 다이프로필렌글리콜, 헥실렌글리콜, 뷰틸렌글리콜, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 이러한 글리콜류 액체는 다가 알코올 화합물로서, 액상이면서도 물과의 혼합이 용이하고 점성을 보유하고 있으므로 탄소 분말을 탄소 섬유의 표면에 부착시키는 효과가 우수하다.
확산 유체는 고상의 기질재 분말을 함유한 슬러리로서, 다음에 설명하는 제3 단계(S30)에서 탄소 섬유들을 확산시켜 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시 키는 역할을 한다.
제3 단계(S30)에서, 탄소 섬유 다발을 제2 단계(S20)의 확산 유체에 연속적으로 공급하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 확산 유체에 포함된 기질재 분말을 침투시킨다. 여기서, '탄소 섬유들의 확산'이란 개별 탄소 섬유들 사이로 확산 유체가 침투하면서 개별 탄소 섬유들 사이의 간격이 벌어지는 현상을 의미한다.
예를 들어, 공급 로울러를 이용하여 탄소 섬유 다발을 일정한 속도로 확산기의 하부에서 상부로 이동시키고, 확산기의 상부에서 하부로 확산 유체를 흘려줌으로써 탄소 섬유들의 확산 및 기질재 침투를 이룰 수 있다.
따라서 전술한 탄소 섬유의 확산 현상을 이용하여 개별 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 용이하게 침투시킬 수 있다. 그 결과, 기질재 분말을 탄소 섬유들 사이로 직접 침투시키고, 기질재의 침투 함량을 높임과 동시에 기질재의 침투 균일도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이때, 확산 유체의 점도는 10cP 내지 25cP일 수 있다. 확산 유체의 점도가 10cP 미만이면 탄소 섬유의 확산 효율이 저하되고, 확산 유체의 점도가 25cP를 초과하면 기질재 분말의 침투가 방해된다. 따라서 두 경우 모두 기질재의 침투 함량과 침투 균일도가 낮아진다.
제4 단계(S40)에서, 기질재 분말이 침투된 탄소 섬유 다발을 건조기에 투입하여 건조한 다음, 건조된 탄소 섬유 다발을 권취기에 투입하여 권취한다.
건조 온도는 120℃ 내지 200℃일 수 있다. 건조 온도가 120℃ 미만이면 건조 에 소요되는 시간이 길어져 건조 장치의 대형화 및 제조 원가 상승을 유발할 수 있다. 한편, 건조 온도가 200℃를 초과하면 탄소 섬유 다발에 함유된 고분자 수지의 용융 경화로 인해 권취가 불가능해질 수 있다.
도 3은 제4 단계(S40)를 거친 탄소 섬유 다발을 나타낸 전자 현미경 사진이다. 도 3을 참고하면, 탄소 섬유들 사이 및 탄소 섬유들의 표면에 기질재 분말이 균일하게 침투된 것을 확인할 수 있다.
제5 단계(S50)에서, 권취된 탄소 섬유 다발을 일정한 규격으로 직조한 다음 성형 및 소성하여 탄소 복합체를 완성한다.
권취된 탄소 섬유 다발은 평직, 주자직 또는 다차원 직물로 직조될 수 있다. 이와 같이 직조된 탄소 섬유 다발을 여러층으로 적층한 다음, 가압 성형기에 투입하여 열간 가압함으로써 성형체를 제조한다. 이후 성형체를 소성로에 투입하여 소성함으로써 탄소 복합체를 완성한다.
소성 과정에서, 기질재는 결정화되어 탄소 복합체의 고온 특성과 마찰 특성을 향상시키며, 확산 유체에 함유된 유기 물질은 제거된다.
성형체 제조시 성형 온도는 450℃ 내지 600℃일 수 있고, 성형 압력은 4MPa 내지 9MPa일 수 있다. 성형 온도가 450℃ 미만이면 기질재가 충분히 소성되지 못할 수 있고, 성형 온도가 600℃를 초과하면 코크스화가 일어남으로 인해 이후의 소성 공정에서 불필요한 에너지가 소비되어 원가 상승을 유발할 수 있다. 성형 압력이 4MPa 미만이면 충분한 성형 압력을 얻을 수 없으므로 성형체의 밀도가 저하될 수 있고, 성형 압력이 9MPa을 초과하면 탄소 섬유 다발 내부의 기질재가 외부로 밀려 나오게 되므로 역시 성형체의 밀도가 저하될 수 있다.
소성체 제조시 소성 온도는 1,000℃ 내지 2,700℃일 수 있다. 소성 온도가 1,000℃ 미만이면, 기질재 분말의 충분한 결정화가 이루어지지 못하여 탄소 복합체의 고온 특성과 마찰 특성을 저하시킬 수 있다. 한편, 소성 온도가 2,700℃를 초과하면, 고온에 의한 제조 원가 상승 및 제조 시간의 연장 등을 유발할 수 있다.
이와 같이 완성된 탄소 복합체는 전술한 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시킨 후 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 직접 침투시킴에 따라, 기질재의 침투를 용이하게 함과 동시에 기질재의 침투 함량과 기질재의 침투 균일도를 향상시킬 수 있다.
따라서 본 실시예에 의한 탄소 복합체는 제조 과정을 단순화하여 제조 비용을 낮출 수 있으며, 기계적 특성과 열적 특성이 향상되고, 마찰 및 마모에 매우 강한 특성을 지닌다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치용 디스크의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4를 참고하면, 클러치용 디스크의 제조 방법은, 탄소 섬유 다발을 준비하는 제1 단계(S10)와, 고상의 기질재 분말을 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 제2 단계(S20)와, 탄소 섬유를 확산시켜 탄소 섬유 사이로 기질재 분말을 침투시키는 제3 단계(S30)와, 기질재 분말이 침투된 탄소 섬유 다발을 건조 및 권취하는 제4 단계(S40)와, 권취된 탄소 섬유 다발을 1차 성형 및 소성하는 제5 단계(S50)와, 제5 단계(S50)의 소성체를 2차 성형하는 제6 단 계(S60)를 포함한다.
제1 단계(S10) 내지 제5 단계(S50)는 전술한 탄소 복합체의 제조 방법과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 제6 단계(S60)에서, 소성체를 성형기에 투입하여 중공을 가지는 원판 형상의 디스크로 성형함으로써 클러치용 디스크를 완성한다.
도 5는 전술한 과정으로 완성된 클러치용 디스크를 나타낸 사진이다. 도 5를 참고하면, 클러치용 디스크(100)는 중공을 가지는 원판 형상으로 형성되며, 중공의 가장자리를 따라 톱니부를 형성할 수 있다. 클러치용 디스크(100)의 형상은 차종 및 용도에 따라 다양하게 변형 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합체와 클러치용 디스크는 30% 내지 70%의 복합화율과 0.35 이하의 낮은 마찰계수(μ)를 나타낸다. 여기서, 복합화율은 기질재의 중량에 대한 탄소 섬유의 중량 비율을 나타낸다. 복합화율과 기질재의 함량은 반비례한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 아래에 설명하는 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
제1 탄소 분말 67중량%, 제2 탄소 분말 20중량% 및 페놀 수지 13중량%를 혼합하여 기질재 혼합물을 제조하고, 기질재 혼합물에 대해 액상 물질인 글리콜 수용액을 80중량% 혼합하여 11cP의 점도를 가지는 확산 유체를 제조하였다. 이 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시킨 다음 건조, 권취, 직조, 1차 성형, 소성 및 2차 성형 과정을 거쳐 클러치용 디스크를 제조하였다. 1차 성형 압력은 4MPa, 1차 성형 온도는 450℃, 소성 조건은 1,450℃-1시간이다.
(실시예 2)
1차 성형 압력을 6MPa, 1차 성형 온도를 500℃, 소성 조건을 2,000℃-1시간으로 변경한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
(실시예 3)
제1 탄소 분말 34중량%, 제2 탄소 분말 20중량%, 탄화규소(SiC) 33중량% 및 페놀 수지 13중량%를 혼합하여 기질재 혼합물을 제조하고, 기질재 혼합물에 액상 물질인 글리콜 수용액을 75중량%로 혼합하여 21cP의 점도를 가지는 확산 유체를 제조하였다. 이 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시킨 다음 건조, 권취, 직조, 제1 성형, 소성 및 제2 성형 과정을 거쳐 클러치용 디스크를 제조하였다. 1차 성형 압력은 6MPa, 1차 성형 온도는 450℃, 소성 조건은 2,000℃-1시간이다.
(실시예 4)
확산 유체를 점도를 11cP, 1차 성형 압력을 9MPa, 1차 성형 온도를 600℃, 소성 조건을 2,300℃-1시간으로 변경한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
(실시예 5)
제1 탄소 분말 22중량%, 제2 탄소 분말 20중량%, 탄화규소(SiC) 22중량%, 질화규소(Si3N4) 22중량% 및 페놀 수지 14중량%를 혼합하여 기질재 혼합물을 제조하고, 기질재 혼합물에 액상 물질인 글리콜 수용액을 70중량%로 혼합하여 21cP의 점도를 가지는 확산 유체를 제조하였다. 이 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 탄소 섬유들 사이로 기질재를 침투시킨 다음 건조, 권취, 직조, 1차 성형, 소성 및 2차 성형 과정을 거쳐 클러치용 디스크를 제조하였다. 1차 성형 압력은 9MPa, 1차 성형 온도는 600℃, 소성 조건은 2,300℃-1시간이다.
(실시예 6)
소성 조건을 2,700℃-1시간으로 변경한 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
(비교예 1)
확산 유체의 점도를 7cP, 소성 조건을 2,000℃-1시간으로 변경한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
(비교예 2)
확산 유체의 점도를 28cP, 1차 성형 압력을 600MPa, 1차 성형 온도를 600℃로 변경한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
(비교예 3)
제2 탄소 분말 32중량%, 탄화규소(SiC) 33중량%, 질화규소(Si3N4) 22중량% 및 페놀 수지 13중량%를 혼합하여 기질재 혼합물을 제조하고, 기질재 혼합물에 액상 물질인 글리콜 수용액을 90중량%로 혼합하여 7cP의 점도를 가지는 확산 유체를 제조하였다. 이 확산 유체를 이용하여 탄소 섬유들을 확산시키고, 탄소 섬유들 사이로 기질재 분말을 침투시킨 다음 건조, 권취, 직조, 1차 성형, 소성 및 2차 성형 과정을 거쳐 클러치용 디스크를 제조하였다. 1차 성형 압력은 6MPa, 1차 성형 온도는 450℃, 소성 조건은 2,300℃-1시간이다.
(비교예 4)
확산 유체의 점도를 28cP로 변경한 것을 제외하고 실시예 5와 동일한 방법을 실시하여 클러치용 디스크를 제조하였다.
실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 4의 클러치용 디스크에 대하여 복합화율과 마찰계수 특성을 평가하였다.
Figure 112009034447027-pat00001
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 6의 클러치용 디스크는 70% 이하의 복합화율을 나타내며, 0.35 이하의 마찰계수를 나타내었다. 반면, 비교예 1 내지 비교예 4의 클러치용 디스크는 106 이상의 복합화율을 나타내고, 0.35 이상의 마찰계수를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
전술한 방법으로 제조된 클러치용 디스크는 자동차에 적용시 코너링에서 주행 안정성을 높이고 진동 감쇄성을 높일 수 있으므로 안정된 코너링과 주행을 가능하게 하며, 사고 방지에 큰 기여를 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합체의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 탄소 섬유 다발의 일 실시예를 나타낸 사진이다.
도 3은 도 1의 제4 단계를 거친 탄소 섬유 다발을 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치용 디스크의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5는 도 4의 방법으로 완성된 클러치용 디스크를 나타낸 사진이다.

Claims (14)

  1. 탄소 섬유들로 이루어진 탄소 섬유 다발을 준비하는 단계,
    탄소 분말과 고분자 수지를 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 단계,
    상기 확산 유체에 상기 탄소 섬유 다발을 연속으로 공급하여 상기 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 상기 탄소 분말을 침투시키는 단계,
    상기 탄소 섬유 다발을 건조 후 권취하는 단계, 및
    상기 탄소 섬유 다발을 직조, 성형 및 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 탄소 분말은 코크스로부터 얻은 제1 탄소 분말과 고형 피치의 열처리를 통해 얻은 제2 탄소 분말을 포함하고, 상기 제1 탄소 분말과 상기 제2 탄소 분말의 혼합비는 30:70 내지 50:50으로 이루어지는 탄소 복합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산 유체는 10cP 내지 25cP의 점도를 가지는 탄소 복합체의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소 분말은 5㎛ 이하의 평균 입도를 가지며, 상기 고분자 수지는 상기 탄소 분말에 대해 0.5중량% 내지 20중량%로 포함되는 탄소 복합체의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기질재 혼합물은 세라믹 분말을 더욱 포함하며, 상기 세라믹 분말은 상기 탄소 분말 및 상기 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 내지 50중량%로 포함되는 탄소 복합체의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소 분말은 1.0% 이하의 휘발분 및 0.1% 이하의 회분을 가지며, 상기 제2 탄소 분말은 250℃ 이상의 연화점 및 80% 이상의 퀴놀린 불용분 함량을 가지는 탄소 복합체의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 건조는 120℃ 내지 200℃의 온도에서 진행되고, 상기 성형은 450℃ 내지 600℃의 온도 및 4MPa 내지 9MPa의 압력에서 진행되며, 상기 소성은 1,000℃ 내지 2,700℃의 온도에서 진행되는 탄소 복합체의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제4항, 제6항, 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 30% 내지 70%의 복합화율 및 0.35 이하의 마찰계수를 가지는 탄소 복합체.
  9. 탄소 섬유들로 이루어진 탄소 섬유 다발을 준비하는 단계,
    탄소 분말과 고분자 수지를 함유한 기질재 혼합물에 액상 물질을 혼합하여 확산 유체를 제조하는 단계,
    상기 확산 유체에 상기 탄소 섬유 다발을 연속으로 공급하여 상기 탄소 섬유들을 확산시키고, 확산된 탄소 섬유들 사이로 상기 탄소 분말을 침투시키는 단계,
    상기 탄소 섬유 다발을 건조 및 권취하는 단계,
    상기 탄소 섬유 다발을 직조, 1차 성형 및 소성하여 소성체를 제조하는 단계, 및
    상기 소성체를 디스크 형상으로 2차 성형하는 단계를 포함하며,
    상기 탄소 분말은 코크스로부터 얻은 제1 탄소 분말과 고형 피치의 열처리를 통해 얻은 제2 탄소 분말을 포함하고, 상기 제1 탄소 분말과 상기 제2 탄소 분말의 혼합비는 30:70 내지 50:50으로 이루어지는 클러치용 디스크의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 확산 유체는 10cP 내지 25cP의 점도를 가지는 클러치용 디스크의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄소 분말은 5㎛ 이하의 평균 입도를 가지며, 상기 고분자 수지는 상기 탄소 분말에 대해 0.5중량% 내지 20중량%로 포함되는 클러치용 디스크의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기질재 혼합물은 세라믹 분말을 더욱 포함하며, 상기 세라믹 분말은 상기 탄소 분말 및 상기 고분자 수지의 혼합물에 대해 10중량% 내지 50중량%로 포함되는 클러치용 디스크의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 30% 내지 70%의 복합화율 및 0.35 이하의 마찰계수를 가지는 클러치용 디스크.
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