KR101353910B1 - 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법 - Google Patents
액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 의한 제조방법은 a) 금형 내부에 탄소 입자 및 세라믹 입자를 포함하는 혼합 입자와 금속 기지를 장입하는 캐닝단계; b) 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계; c) 상기 금형을 가열하는 금형가열단계; 및 d) 상기 금형가열단계에서 용융된 금속 기지를 상기 혼합 입자와 함침하는 함침단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 제조방법은 a) 금형 내부에 탄소 입자 및 세라믹 입자를 포함하는 혼합 입자와 금속 기지를 장입하는 캐닝단계; b) 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계; c) 상기 금형을 가열하는 금형가열단계; 및 d) 상기 금형가열단계에서 용융된 금속 기지를 상기 혼합 입자와 함침하는 함침단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 금속-탄소 복합재의 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재 제조 방법에 관한 것이다.
항공기, 자동차 등의 소재는 연비 개선, 에너지 사용량 절감 등을 목표로 점차 경량화 및 고강도화되고 있다. 이러한 이유에서, 복합재료에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
금속-탄소 복합재, 특히, 알루미늄-탄소 복합재는 경량성, 고강도, 우수한 성형성 등 많은 장점이 있는 소재로서, 항공기 구조 부재 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 알루미늄-탄소나노섬유 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 알루미늄-탄소나노섬유 복합재는 알루미늄 파우더와 탄소나노섬유를 혼합하고(S110), 이를 밀링(milling)한 후(S120), 소결(sintering)하는 과정을 통하여 제조된다.
즉, 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재는 분말야금법에 기초하여 제조되었다. 그러나, 이러한 방법은 제조 비용이 과다하게 많이 소요되고, 많은 양의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재를 연속적으로 제조하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 탄소나노섬유를 포함하는 탄소섬유 복합재료를 금속 용탕에 혼입하여 주조함으로써 복합재를 만드는 방법도 공지된 바 있으나, 이러한 방법에 의할 경우 탄소나노섬유끼리 응집하여 금속의 기지가 잘 함침되지 않는다는 문제가 있었다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0012181호(2005.01.31 공개)에 개시된 탄소섬유복합금속재료 및 그 제조방법, 탄소섬유복합 금속 성형품 및 그 제조방법이 있다.
본 발명의 목적은 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 제조방법은 a) 금형 내부에 탄소 입자 및 세라믹 입자 또는 탄소 입자 및 절단 탄소섬유를 포함하는 혼합 입자와 금속 기지를 금형에 장입하는 캐닝단계; b) 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계; c) 상기 금형을 가열하는 금형가열단계; 및 d) 상기 금형가열단계에서 용융된 금속 기지를 상기 혼합 입자와 함침하는 함침단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 기지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 상기 탄소 입자는 탄소나노튜브, 탄노나소섬유 및 그라핀 중에서 1종 이상 포함할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 입자는 실리콘 카바이드(SiC), 알루미나(Al2O3) 및 텅스텐산화물(WO3) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법은 액상가압법을 이용함으로써 종래 분말 야금법에 기초한 제조 방법에 비하여 금속-탄소 복합재 제조 비용을 낮출 수 있으며, 금속-탄소 복합재를 연속적으로 제조할 수 있어 생산성이 우수하다.
특히, 본 발명에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법에 의하는 경우, 세라믹 입자가 탄소 입자간의 응집을 예방하여 금속 기지와 우수하게 함침될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 알루미늄-탄소나노튜브 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 복합재의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 의하여 제조된 복합재의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속-탄소 복합재 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 복합재의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 의하여 제조된 복합재의 SEM 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 금속-탄소 복합재의 제조 방법은 a) 금형 내부에 탄소 입자 및 세라믹 입자를 포함하는 혼합 입자와 금속 기지를 장입하는 캐닝단계(S100); b) 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계(S200); c) 상기 금형을 가열하는 금형가열단계(S300); 및 d) 상기 금형가열단계에서 용융된 금속 기지를 상기 혼합 입자와 함침하는 함침단계(S400)를 포함한다.
우선, 본 발명에서는 제일 먼저 캐닝단계(S100)를 실시하게 된다.
상기 캐닝단계(S100)는 탄소 입자 및 세라믹 입자를 포함하는 혼합입자와 금속 기지가 상기 금형 내부에서 서로 이격된 상태로 장입되도록 하는 것으로, 크게 상기 금속 기지를 금형 내부에 장입하는 기지장입과정과, 상기 혼합입자를 금형 내부에 장입하는 혼합입자 장입과정을 포함한다.
여기에서, 상기 금속 기지는 복합재의 기지를 이루는 것으로서, 요구 물성에 따라 적절히 선택될 수 있는바, 본 발명에서는 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것이 바람직하다.
여기에서 탄소 입자는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 탄노나소섬유(Carbon Nano Fiber; CNF), 및 그라핀(Graphene) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
이러한, 탄소 입자는 금속 기지 100부피부 대비 5~40부피부로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 8~20부피부를 제시할 수 있다. 탄소 입자의 첨가량이 금속 기지 100 부피부 대비 5부피부 미만일 경우, 탄소 입자 첨가로 인한 강도 및 강성 향상 등의 효과가 불충분하다. 반대로, 탄소 입자의 첨가량이 금속 기지 100 부피부 대비 40 부피부를 초과하는 경우, 탄소 입자들의 응집으로 인하여 건전한 함침이 어려워질 수 있다.
본 발명에서 상기 탄소 입자는 세라믹 입자 또는 절단 탄소섬유와 혼합되어 혼합 입자를 형성한다. 여기에서 상기 혼합 입자는 고체 진탕(shaking)에 의하여 혼합될 수 있다.
탄소 입자 자체의 경우, 응집성이 강하고, 용융된 금속 기지에 대한 젖음성이 좋지 않다. 또한 탄소 입자 자체의 경우, 예를 들어, 알루미늄의 비중은 대략 2.7, 탄소나노튜브의 비중은 대략 1.5로서, 금속 기지에 비하여 비중이 상대적으로 낮아, 액상가압 공정 중 금속 기지 내에 제대로 분산되기 어렵다.
이에 본 발명에서는 탄소 입자 자체를 투입할 때의 문제점을 해결하기 위하여, 세라믹 입자 또는 직경 5~20μm의 절단(chopped) 탄소섬유를 혼합한다.
상기 세라믹 입자는 실리콘 카바이드(SiC), 알루미나(Al2O3) 및 텅스텐산화물(WO3) 등을 제시할 수 있으며, 상기 절단 탄소섬유로는 PAN계, PITCH계 탄소섬유를 제시할 수 있다.
이러한 세라믹 입자 또는 절단 탄소섬유는 금속 기지 100 부피부에 대하여, 5~40부피부로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 8~15부피부를 제시할 수 있다. 세라믹 입자 또는 절단 탄소섬유의 첨가량이 금속 기지 100 부피부 대비 5부피부 미만일 경우, 첨가로 인한 탄소 입자의 응집 방지 등의 효과가 불충분하다. 반대로, 세라믹 입자 또는 절단 탄소섬유의 첨가량이 금속 기지 100 부피부 대비 40 부피부를 초과하는 경우, 건전한 복합재 성형과 탄소 입자 첨가 분율 제약의 문제가 있다.
상기 캐닝단계(S100)를 거쳐 상기 금형 내부에 금속 기지와 혼합 입자들이 각각 장입되면 상기 진공형성단계(S200)를 실시하게 된다.
상기 진공형성단계(S200)는 금형 내부의 가스 등 유체를 제거하여 진공 상태가 되도록 하는 것으로, 상기 금속 기지가 용융될 때, 상기 금형 내부의 가스와 용융된 금속 기지 및 혼합 입자가 화학반응을 일으키지 않도록 하기 위함이다.
상기 진공형성단계(S200)가 완료되면, 금형가열단계(S300)를 실시하게 된다. 상기 금형가열단계(S300)는 금형 내부의 금속기지의 용해온도 이상으로 가열하여 상기 금속기지가 용융하도록 강제하는 기지용융과정을 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 기지용융과정에서, 상기 금형을 가열하는 온도는 상기 금속 기지의 용융온도보다 100℃ 이상 높게 유지되도록 함이 바람직하다.
다음으로, 상기 금형가열단계(S300)가 완료되면, 상기한 함침단계(S400)를 실시하게 된다. 상기 함침단계(S400)는 용융된 금속 기지가 탄소 입자 및 세라믹 입자의 혼합 입자와 함침되도록 하는 단계이다.
상기 함침단계(S400)가 완료된 본 발명의 금속-탄소 복합재는 금속 기지 100부피부에 대하여 탄소 입자 5~40부피부, 세라믹 입자 5~40부피부가 고르게 함침된 상태가 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
1. 금속-탄소 복합재 시편의 제조
실시예 1
먼저, 분리판을 금형 내부에 삽입한 다음, 상기 금형 내부에 밀도가 1.6인 탄소나노섬유(VGCF-H, 쇼와덴코카본 제조), 실리콘 카바이드 입자, 및 알루미늄 합금(A356) 분말을 장입하였다. 다음으로 상기 금형 내부의 유체를 제거하고, 상기 금형을 680~780℃로 가열하여 용융된 알루미늄 합금 기지를 상기 탄소나노섬유 및 실리콘 카바이드 입자와 함침하고, 출탕 및 자연냉각하여 실시예 1에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
이때, 투입된 탄소나노섬유 및 실리콘 카바이드 입자는 알루미늄 합금 기지 100부피부 대비 각각 15부피부였다.
실시예 2
분리판을 금형 내부에 삽입한 다음, 상기 금형 내부에 밀도가 1.6인 탄소나노섬유(VGCF-H, 쇼와덴코카본 제조), 알루미나 입자 및 알루미늄 합금(A356) 분말을 장입하였다. 다음으로 상기 금형 내부의 유체를 제거하고, 상기 금형을 680~780℃로 가열하여 용융된 알루미늄 합금 기지를 상기 탄소나노섬유 및 알루미나 입자와 함침하고, 출탕 및 자연냉각하여 실시예 2에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
이때, 투입된 탄소나노섬유 및 알루미나 입자는 알루미늄 합금 기지 100부피부 대비 각각 8부피부였다.
실시예 3
분리판을 금형 내부에 삽입한 다음, 상기 금형 내부에 밀도가 1.6인 탄소나노섬유(VGCF-H, 쇼와덴코카본 제조), 산화텅스텐 입자 및 알루미늄 합금(A356) 분말을 장입하였다. 다음으로 상기 금형 내부의 유체를 제거하고, 상기 금형을 680~780℃로 가열하여 용융된 알루미늄 합금 기지를 상기 탄소나노섬유 및 산화텅스텐 입자와 함침하고, 출탕 및 자연냉각하여 실시예 3에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
이때, 투입된 탄소나노섬유 및 알루미나 입자는 알루미늄 합금 기지 100부피부 대비 각각 30부피부였다.
비교예 1
분리판을 금형 내부에 삽입한 다음, 상기 금형 내부에 밀도가 1.6인 탄소나노섬유(VGCF-H, 쇼와덴코카본 제조) 및 알루미늄 합금(A356) 분말을 장입하였다. 다음으로 상기 금형 내부의 유체를 제거하고, 상기 금형을 680~780℃로 가열하여 용융된 알루미늄 합금 기지를 상기 탄소나노섬유와 함침하고, 출탕 및 자연냉각하여 비교예 1에 따른 복합재 시편을 제조하였다.
이때, 투입된 탄소나노섬유는 알루미늄 합금 기지 100부피부 대비 15부피부였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1~3 및 비교예 1에 따라 제조된 금속-탄소 복합재의 물성을 나타낸 것이다.
| 구 분 | 인장강도 | 연신율 | 탄성계수 | 비중 |
| 실시예 1 | 261 | 0.4 | 104 | 2.69 |
| 실시예 2 | 253 | 0.5 | 98 | 2.70 |
| 실시예 3 | 266 | 0.3 | 142 | 2.65 |
| 비교예 1 | < 30 MPa | - | - | 2.58 |
표 1을 참조하면, 실시예 1~3에 따른 금속-탄소 복합재의 경우, 비교예 1에 따른 복합재에 비하여 현저히 높은 강도를 나타내었다. 이는 복합재 제조 과정에서 실시예 1~3의 경우 금속 기지 내에 탄소 입자가 고르게 분산되었기 때문이라 볼 수 있다.
이는 SEM 사진을 통해서도 확인할 수 있는바, 도 3의 경우 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 복합재로서 알루미늄 합금이 탄소나노섬유 및 실리콘 카바이드와 건전하게 함침되었음을 알 수 있었다.
반면, 도 4의 경우 본 발명의 비교예 1에 의하여 제조된 복합재로서, 알루미늄이 부분적으로 함침되고, 탄소나노섬유들이 응집되어있음을 확인할 수 있었다.
본 발명은 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
Claims (8)
- a) 금형 내부에 탄소 입자 및 세라믹 입자 또는 탄소 입자 및 절단 탄소섬유를 포함하는 혼합 입자와 금속 기지를 장입하는 캐닝단계;
b) 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계;
c) 상기 금형을 상기 금속 기지의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하는 금형가열단계; 및
d) 상기 금형가열단계에서 용융된 금속 기지를 상기 혼합 입자와 함침하는 함침단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 기지는
알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 탄소 입자는,
탄소나노튜브, 탄노나소섬유 및 그라핀 중에서 1종 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 탄소 입자는
금속 기지 100 부피부에 대하여, 5~40부피부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 세라믹 입자는,
실리콘 카바이드(SiC), 알루미나(Al2O3) 및 텅스텐산화물(WO3) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 세라믹 입자 또는 절단 탄소섬유는,
금속 기지 100 부피부에 대하여, 5~40부피부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 캐닝 단계에서,
상기 혼합 입자들은 고체 진탕에 의하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 액상가압법을 이용한 금속-탄소 복합재의 제조방법.
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