KR101336101B1

KR101336101B1 - 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법

Info

Publication number: KR101336101B1
Application number: KR1020100119402A
Authority: KR
Inventors: 신현규; 최연호; 이준상; 조채욱; 강정석; 임동원; 채병근; 최문수
Original assignee: 주식회사 데크
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2013-12-03
Also published as: WO2012074264A1; KR20120057869A

Abstract

본 발명인 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계; 상기 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계; 상기 2차로 탄화된 성형체를 기계가공하는 제5단계; 상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함한다.
본 발명은, 피치계 탄소섬유가 견딜 수 없는 큰 응력을 받았을 때, 피치계 탄소섬유를 2중으로 둘러싼 탄소매트릭스가 그 응력을 흡수한다. 따라서, 피치계 탄소섬유가 갑자기 끊어짐으로써 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도가 약해져 부서지는 것을 막을 수 있다.

Description

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법{CARBON-CERAMIC BRAKE DISC AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 관한 것이다.

자동차 브레이크는 드럼식 브레이크와 디스크식 브레이크로 구분된다.

디스크식 브레이크는 디스크의 표면과 패드의 마찰로 발생 되는 마찰력으로 디스크의 회전을 늦추거나 멈추게 함으로써, 자동차의 속도를 감속하거나 자동차를 정지시킨다.

제동력이 우수한 디스크는, 무게가 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가져야 한다. 이를 위해, 최근에는 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 디스크를 만든다.

탄소 섬유 강화 세라믹 복합체는, 기지(matrix)가 세라믹이고 탄소섬유로 강화된 소재이다.

이하, 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 만든 브레이크 디스크를 탄소-세라믹 브레이크 디스크라 칭한다.

일반적으로, 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 페놀수지와 탄소섬유를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계, 혼합물을 가압 및 가열하여 성형체를 만드는 단계, 성형체를 탄화시키는 단계, 탄화된 성형체에 규소를 녹여 침투시키는 단계를 거쳐서 만들어진다.

탄소섬유로는 팬(PAN, Polyacrylonitrile)계 탄소섬유가 사용된다. 팬계 탄소섬유는 강도가 크고 인성(引性)이 크며 취성이 작다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화시키는 용도로 사용하기에 적합하다.

그러나, 팬계 탄소섬유는 규소와 반응을 잘한다. 따라서, 탄화된 성형체에 규소를 녹여 침투시키는 단계에서, 팬계 탄소섬유는 규소에 의해 쉽게 침식되고, 침식된 부분은 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다.

도 1은, 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 침식되고, 침식된 부분의 탄소가 규소와 반응하여 탄화규소가 된 상태를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 팬계 탄소섬유(Cf-pan)가 규소에 의해 침식되면, 브레이크 작동시 충격에 의해, 쉽게 끊어질 수 있다. 이 경우, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화시키는 기능을 제대로 할 수 없다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은, 팬계 탄소섬유를 사용하는 대신에, 피치(pitch)계 탄소섬유를 사용하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 개발하였다. 피치계 탄소섬유는, 팬계 탄소섬유에 비해 규소와 반응성이 낮다. 따라서, 피치계 탄소섬유를 사용하면, 규소침식문제가 해결된다.

다만, 피치계 탄소섬유는, 인성이 작고 취성이 커서, 큰 응력을 받으면 갑자기 끊어질 수 있다. 이로 인해, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도가 약해져 부서질 수 있다.

본 발명의 목적은, 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유를 사용하면서, 큰 응력에는 강한 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계; 상기 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계; 상기 2차로 탄화된 성형체를 기계가공하는 제5단계; 상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함한다.

또한, 상기 목적은, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계; 상기 1차로 탄화된 제1성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계; 상기 2차로 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 2차로 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제5단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층으로 구성되며, 상기 지지층과 마찰층 각각에는, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계; 상기 1차로 탄화된 제1성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계; 상기 2차로 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제5단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층으로 구성되며, 상기 지지층과 마찰층 각각에는, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포되며, 상기 지지층에 분포된 피치계 탄소섬유만, 탄소매트릭스에 의해 2중으로 둘러싸인 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.

본 발명은, 피치계 탄소섬유가 견딜 수 없는 큰 응력을 받았을 때, 피치계 탄소섬유를 2중으로 둘러싼 탄소매트릭스가 그 응력을 흡수한다. 따라서, 피치계 탄소섬유가 갑자기 끊어짐으로써 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도가 약해져 부서지는 것을 막을 수 있다.

도 1은, 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 침식되고, 침식된 부분의 탄소가 규소와 반응하여 탄화규소가 된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3(a),(b),(c)는, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 4는, 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고, 2차로 탄화시킬 때의 온도 및 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5는, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유의 종단면도이다.
도 6은, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유와, 탄소매트릭스가 둘러싸지 않은 피치계 탄소섬유의 응력-변위량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 8은, 도 7의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10(a),(b),(c)는, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 11(a),(b),(c)는, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 12는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 13은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.

도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3(a),(b),(c)는, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.

도 2 및 도 3(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,

피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물(X)을 만드는 제1단계(S11); 상기 혼합물(X)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 성형체(Y)를 만드는 제2단계(S12); 상기 성형체(Y)를 1차로 탄화시키는 제3단계(S13); 상기 1차로 탄화된 성형체(Y)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계(S14); 상기 2차로 탄화된 성형체(Y)를 기계가공하는 제5단계(S15); 상기 기계가공된 성형체(Y)에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계(S16); 및 상기 규소가 침투된 성형체(Y)를 연마하는 제7단계(S17);를 포함한다.

이하, 제1단계(S11)를 설명한다.

피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물(X)을 만든다.

이하, 제2단계(S12)를 설명한다.

도 3(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 혼합물(X)을 넣는다.

도 3(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 혼합물(X)를 가압하여 성형체(Y)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 혼합물(X)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.

도 3(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 성형체(Y)를 꺼낸다.

성형체(Y)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.

이하, 제3단계(S13)를 설명한다.

도가니(crucible) 안에 성형체(Y)를 넣는다. 진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.

진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간동안 1550℃로 승온시킨다.

진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간동안 1550℃로 유지시킨다.

성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 성형체(Y)에 포함된 유기화합물이 열분해되어 탄소가 된다. 유기화합물이 열분해되고 남은 자리에는 기공(porosity)이 형성된다.

이하, 제4단계(S14)를 설명한다.

도 4는, 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고, 2차로 탄화시킬 때의 온도 및 시간을 나타낸 그래프이다.

도가니 안에 1차로 탄화된 성형체(Y)를 넣는다.

도가니 안에 1차로 탄화된 성형체(Y)가 묻히도록, 고체상태인 피치를 넣는다. 피치의 종류는 이방성 피치 또는 등방성 피치이다.

진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 진공저항가열로는, 1차로 탄화된 성형체(Y)의 온도를 3시간 동안 330℃로 승온시킨다. 진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 10시간 동안 330℃로 유지시킨다. 피치의 점도는 330℃에서 가장 낮아지므로, 성형체(Y)의 온도가 330℃로 유지되는 동안, 피치가 성형체(Y)로 가장 잘 침투한다.

진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 10시간 동안 1000℃로 승온시킨다. 진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 6시간 동안 1000℃로 유지시킨다. 진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1시간 동안 1550℃로 승온시킨다. 진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.

성형체(Y)의 온도가 1000℃로 승온되고 유지되고, 다시 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 성형체(Y)가 2차로 탄화되면서, 성형체(Y)에 녹아들어간 피치가 열분해되어 탄소가 된다.

진공저항가열로안에서 2차로 탄화된 성형체(Y)를 상온까지 냉각시킨다.

도 5는, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유의 종단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 1차 탄화시 생성된 탄소매트릭스(C1)가 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)를 둘러싸고, 2차 탄화시 생성된 탄소매트릭스(C2)가 탄소섬유(Cf-pitch)를 또 한번 둘러싼다.

도 6은, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유와, 탄소매트릭스가 둘러싸지 않은 피치계 탄소섬유의 응력-변위량을 비교하여 나타낸 그래프이다. 실선은 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유의 응력-변위량 곡선을 나타내고, 점선은 탄소매트릭스로 둘러싸지 않은 피치계 탄소섬유의 응력-변위량 곡선을 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 탄소매트릭스로 둘러싸지 않은 피치계 탄소섬유는 응력에 비례하여 계속 늘어나다가, 절단지점(E)에서 더 이상 큰 응력을 견디지 못하고 갑자기 끊어져 버린다.

반면, 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼 피치계 탄소섬유는 응력에 비례하여 늘어나다가, 소성지점(F)부터는 더 이상 응력에 비례하지 않고 변위량(G)만큼 늘어난 후 절단지점(H)부터 서서히 끊어진다. 그 이유는, 피치계 탄소섬유를 2중으로 둘러싼 탄소매트릭스가, 피치계 탄소섬유가 견딜 수 없는 큰 응력은 흡수하고 나머지 작은 응력만을 피치계 탄소섬유로 전달하기 때문이다.

이하, 제5단계(S15)를 설명한다.

성형체(Y)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.

성형체(Y)의 축공 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합된다.

이하, 제6단계(S16)를 설명한다.

도가니 안에 규소를 넣는다.

도가니 안에 성형체(Y)의 하부가 규소에 묻히도록 넣는다. 성형체(Y)의 상부에 규소를 쌓는다.

진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.

진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.

성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 규소가 녹아서 성형체(Y)의 기공으로 침투한다.

기공으로 침투한 규소 대부분은 성형체(Y)에 포함된 탄소와 반응하여, 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다. 탄소와 반응하지 않은 나머지 규소는 기공을 메운다.

이하, 제7단계(S17)를 설명한다.

연마기(grinder)로, 성형체(Y)를 연마한다.

도 7은, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 단일몸체(single body)로 구성된다.

탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(11)을 구비한다. 축공(11) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(12)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.

탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 두께는 20~50mm이다.

탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.

도 8은, 도 7의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 길이가 짧고(1~3mm)은 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)와, 길이가 긴(25~30mm) 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)가 무작위로 분포된다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다.

길이가 긴 피치계 탄소섬유와 길이가 짧은 피치계 탄소섬유가 혼합된 이유는, 길이가 긴 피치계 탄소섬유만 분포될 경우 피치계 탄소섬유와 공기의 접촉면적이 커져 피치계 탄소섬유가 산화되기 쉽고, 반면, 길이가 짧은 피치계 탄소섬유만 분포될 경우 피치계 탄소섬유의 강화기능이 떨어지기 때문이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 1차 탄화시 생성된 탄소매트릭스(C1)는 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)를 1차로 둘러싼다. 2차 탄화시 생성된 탄소매트릭스(C2)는 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)를 2차로 둘러싼다. 2차로 둘러싼 탄소매트릭스(C2)의 일부는, 성형체에 규소를 침투시키는 단계에서 규소와 반응하여 탄화규소(SiC)가 된다.

도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 10(a),(b),(c)는, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 11(a),(b),(c)는, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 10 또는 도 11에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 제1성형체 또는 제2성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.

도 9, 도 10(a),(b),(c), 도 11(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,

피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S21); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S22); 상기 제1성형체(Y1)를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체(Y2)를 1차로 탄화시키는 제3단계(S23); 상기 1차로 탄화된 제1성형체(Y1)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체(Y2)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계(S24); 상기 2차로 탄화된 제1성형체(Y1)를 기계가공하고, 상기 2차로 탄화된 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제5단계(S25); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제6단계(S26); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계(S27); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제8단계(S28);를 포함한다.

이하, 제1단계(S21)를 설명한다.

피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만든다. 제1혼합물(X1)로 후술할 지지층을 만든다.

피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만든다. 제2혼합물(X2)로 후술할 마찰층을 만든다.

이하, 제2단계(S22)를 설명한다.

도 10(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제1혼합물(X1)을 넣는다.

제1혼합물(X1)위에 코어체(V)를 올려놓는다. 코어체(V)는 냉각채널의 형상을 가진다. 코어체(V)위에 제1혼합물(X1)을 넣는다.

도 10(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제1혼합물(X1)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.

도 10(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제1성형체(Y1)를 꺼낸다.

제1성형체(Y1)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.

도 11(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제2혼합물(X2)을 넣는다.

도 11(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 제2혼합물(X2)를 가압하여 제2성형체(Y2)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제2혼합물(X2)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.

도 11(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제2성형체(Y2)를 꺼낸다.

제2성형체(Y2)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.

이하, 제3단계(S23)를 설명한다.

제1성형체(Y1)를 1차로 탄화시킨다. 제2성형체(Y2)를 1차로 탄화시킨다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 1차로 탄화시키는 방법은 제1실시예에서 성형체를 1차로 탄화시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.

제1성형체(Y1) 탄화시, 코어체(V)는 열분해 된다. 코어체(V)의 열분해 시 잔류 탄소량은 10 wt% 미만인 것이 바람직하다. 이를 위해, 코어체(V)는, 폴리카보네이트(polycarbonate), ABS수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 스티렌 수지(Styrene resin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 아크릴 수지(Acrylic resin) 등과 같은 열가소성 수지로 만들어진다. 코어체(V)가 열분해 되면, 코어체(V)가 열분해되고 남은 빈자리에 냉각채널이 형성된다.

이하, 제4단계(S24)를 설명한다.

1차로 탄화된 제1성형체(Y1)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시킨다. 1차로 탄화된 제2성형체(Y2)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시킨다. 1차로 탄화된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 방법은, 제1실시예에서 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.

이하, 제5단계(S25)를 설명한다.

제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.

제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 축공주위로 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합한다.

이하, 제6단계(S26)를 설명한다.

제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 액체상태의 페놀수지를 도포한다. 도포두께는 0.1~2mm이다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)를 접착한다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태의 페놀수지를 제거한다.

다른 방법으로, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 고체상태의 페놀수지를 뿌린다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 제2성형체(Y2)를 각각 올려놓고 프레스로 가압하고 프레스에 설치된 히터로 가열한다. 고체상태의 페놀수지가 녹으면서, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)가 접착된다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태(고체상태의 페놀수지가 녹은 상태)의 페놀수지를 제거한다.

제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)가 접착되면, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이에 후술할 접착층이 만들어진다.

이하, 제7단계(S27)를 설명한다.

서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시킨다. 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 방법은, 제1실시예에서 성형체에 규소를 침투시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.

이하, 제8단계(S28)를 설명한다.

연마기(grinder)로, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마한다.

도 12는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 지지층(110), 마찰층(120), 접착층(130)으로 구성된다.

탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(101)을 구비한다. 축공(101) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(102)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.

지지층(110)은 냉각채널(111)을 구비한다. 지지층(110)의 두께는 20~50mm이다. 지지층(110)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.

마찰층(120)의 두께는 0.1~2mm이다. 마찰층(120)의 성분조성은, 지지층(110)의 성분조성과 동일한, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.

지지층(110)의 성분조성과 마찰층(120)의 성분조성이 동일하므로, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수가 동일하다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)를 만드는 과정에서, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수의 차이로 인해, 마찰층(120)에 균열이 생기지 않는다.

지지층(110)에는, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 지지층(110)에 포함된 피치계 탄소섬유의 길이는 10~30mm이다. 지지층(110)에 포함된 피치계 탄소섬유는 탄소매트릭스에 의해 2중으로 둘러싸지며, 바깥쪽 탄소의 일부는 규소와 반응하여 탄화규소가 된다.

마찰층(120)에는, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다. 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유는 탄소매트릭스에 의해 2중으로 둘러싸지며, 바깥쪽 탄소매트릭스의 일부는 규소와 반응하여 탄화규소가 된다.

한편, 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유는, 마찰층(120)이 외부로 노출된 관계로, 공기와 만나 산화되기 쉽다. 따라서, 공기와의 접촉면적을 최소화하기 위해서, 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유은 지지층(110)에 포함된 피치계 탄소섬유의 길이보다 짧다. 피치계 탄소섬유의 길이를 짧게 하더라도, 브레이크 작동시, 마찰층(120)이 지지층(110)보다 상대적으로 충격을 덜 받기 때문에, 마찰층(120)의 강도는 충분히 유지될 수 있다.

접착층(130)의 두께는 0.1~1mm이다. 접착층(130)의 성분조성은, SiC 50 wt%, Si 45 wt%, C 5 wt%이다.

도 13은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 10(a),(b),(c), 도 11(a),(b),(c), 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S31); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S32); 상기 제1성형체(Y1)를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체(Y2)를 1차로 탄화시키는 제3단계(S33); 상기 1차로 탄화된 제1성형체(Y1)에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계(S34); 상기 2차로 탄화된 제1성형체(Y1)를 기계가공하고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제5단계(S35); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제6단계(S36); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계(S37); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제8단계(S38);를 포함한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 1차로 탄화된 제1성형체(Y1)에만 피치를 녹여 침투시킨 후 2차로 탄화시키고, 1차로 탄화된 제2성형체(Y2)에는 피치를 녹여 침투시킨 후 2차로 탄화시키지 않는다. 이를 제외하고는, 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법과 동일하다.

본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 지지층에 분포된 피치계 탄소섬유만 탄소매트릭스가 2중으로 둘러싼다. 이를 제외하고는, 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 동일하다.

본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 브레이크 작동시, 지지층이 마찰층보다 더 큰 응력을 받기 때문에, 마찰층에 포함된 피치계 탄소섬유까지 탄소매트릭스로 2중으로 둘러쌀 필요가 적다는 점에서 창안되었다. 또한, 마찰층에 포함된 피치계 탄소섬유가 탄소매트릭스로 2중으로 둘러싸이면, 마찰층에 탄소가 많아져서, 마찰층이 쉽게 산화된다는 점에서 창안되었다.

Claims

피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계;
상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계;
상기 성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계;
상기 1차로 탄화된 성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계;
상기 2차로 탄화된 성형체를 기계가공하는 제5단계;
상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및
상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하며,
상기 제4단계에서, 상기 1차로 탄화된 성형체의 온도를 3시간 동안 330℃로 승온시키고 10시간 동안 330℃로 유지시키고, 10시간 동안 1000℃로 승온시키고 6시간 동안 1000℃로 유지시키고, 1시간 동안 1550℃로 승온시키고 2시간 동안 1550℃로 유지시키고, 상온까지 냉각시키는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
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피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계;
상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
상기 제1성형체를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계;
상기 1차로 탄화된 제1성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계;
상기 2차로 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 2차로 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제5단계;
상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계;
상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및
상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하며,
상기 제4단계에서, 상기 1차로 탄화된 제1성형체 및 제2성형체 각각의 온도를 3시간 동안 330℃로 승온시키고 10시간 동안 330℃로 유지시키고, 10시간 동안 1000℃로 승온시키고 6시간 동안 1000℃로 유지시키고, 1시간 동안 1550℃로 승온시키고 2시간 동안 1550℃로 유지시키고, 상온까지 냉각시키는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
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피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계;
상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
상기 제1성형체를 1차로 탄화시키고, 상기 제2성형체를 1차로 탄화시키는 제3단계;
상기 1차로 탄화된 제1성형체에 피치를 녹여 침투시키고 2차로 탄화시키는 제4단계;
상기 2차로 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 1차로 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제5단계;
상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계;
상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및
상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하며,
상기 제4단계에서, 상기 1차로 탄화된 제1성형체의 온도를 3시간 동안 330℃로 승온시키고 10시간 동안 330℃로 유지시키고, 10시간 동안 1000℃로 승온시키고 6시간 동안 1000℃로 유지시키고, 1시간 동안 1550℃로 승온시키고 2시간 동안 1550℃로 유지시키고, 상온까지 냉각시키는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
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