KR101378144B1 - 폴리머 복합재료 구성요소에 기능 구성요소의 접합 - Google Patents

폴리머 복합재료 구성요소에 기능 구성요소의 접합 Download PDF

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KR101378144B1
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앤드류 비핵
아드리안 잭슨
멩 호
로완 존슨 페이튼
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어드밴스드 컴포지트 스트럭쳐즈 오스트레일리아 피티와이 엘티디
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Abstract

본 발명은 적어도 열가소성 구성요소를 갖는 기능 구성요소를 열가소성 표면의 적어도 일부가 있는 열경화성 복합재료에 접합하는 방법에 관한 것이다. 열경화성 복합재료는 상용성 열가소성 재료의 선택하고, 결합된 재료를 가열하여 경화되지 않은 열경화성 폴리머가 열가소성 폴리머로의 이동을 허용한 후, 상기 결합된 재료를 냉각시켜 강하게 부착된 열가소성 표면을 형성하는 공정에 의해 기능 열가소성 표면층을 부착되게 한다. 열경화성 복합재료 구성요소는 폴리머 재료 코팅을 가질 수 있다. 본 발명은 연이어 고속 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위를 이용해 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 복합재료의 접합에 관한 것이다.
열경화성 복합재료 구성요소, 기능 구성요소, 접합방법, 폴리머 재료 코팅

Description

폴리머 복합재료 구성요소에 기능 구성요소의 접합{Welding of functional components to polymer composite components}
본 발명은 열가소성 폴리머 및 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 접합에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고주파 진동을 가함으로써 열가소성 폴리머를 포함하는 구성요소를 열가소성 표면이 있는 폴리머 복합재료 구성요소에 접합하는 것에 관한 것이다.
폴리머 복합재료 구성요소로서 알려진 섬유강화 폴리머 구성요소는 종종 매트릭스(matrix)로 알려진 폴리머 수지를 함께 보유한 강화섬유로 구성된다. 이 매트릭스는 에폭시 수지와 같은 열경화성 폴리머이거나 또한 폴리아미드나 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketon)과 같이 열가소성으로 알려진 열가소성 폴리머일 수 있으며, 열경화성인 경우 상기 복합재료 구성요소를 열경화성 복합재료 구성요소라 하고, 열가소성인 경우 상기 복합재료 구성요소를 열가소성 복합재료 구성요소라 한다. 열경화성 복합재료 구성요소는 예컨대 표면필름, 수지 접착제, 또는 결합제로서 소량의 열가소성 폴리머를 포함할 수 있다. 열가소성 복합재료 구성요소는 같은 방식으로 예컨대 코어 또는 삽입물에 소량의 열경화성 폴리머를 포함할 수 있다.
대부분의 구조적 폴리머 복합재료는 열경화성 매트릭스이다. 따라서, 이들 구조적 폴리머 복합재료 구성요소에 다른 구성요소를 접합하기 위한 기술은 열경화성 복합재료의 접합과, 기계적 고정 및 접착성 결합을 할 수 있는 표준방법에 기초한다. 이들 접합공정은 느린 공정일 수 있으며, 따라서 소형 구성요소들을 부착하는데에도 조립 비용이 상당히 추가될 수 있다.
또한 부속물이나 부품(fittings)으로 알려져 있고 스탠드 오프(stand-offs), 스터드(studs), 부싱(bushing), 브래킷(brackets), 및 유사 물품을 포함한 소형 기능 구성요소들은 다양한 물체들을 구조적 열경화성 복합재료 라미네이트와 구조물에 부착하는데 사용된다. 이러한 기능 구성요소들은 종래에는 금속이었으나, 다른 종류 및 다른 재료의 열가소성 복합재료, 강화 열가소성 복합재료, 섬유강화 복합재료 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 기능 구성요소가 경화 전에 복합재료에 내포되어 있는 경우 상기 기능 구성요소와 복합재료 간에 고강도의 부착이 이루어질 수 있다. 그러나, 이는 항상 가능한 것이 아니며 자주 불편하다. 따라서 기능 구성요소를 접합시키기 위해 기계적 고정수단이나 접착제의 사용을 통해 부착이 이루어진다. 이러한 방법은 또한 통상적으로 금속 및 다른 재료로 만들어진 구조에 기능 구성요소를 접합시키는데 사용될 수 있는 방법이다. 기계적 고정수단은 복합재료 라미네이트에 고강도의 부착을 제공한다; 그러나, 상기 부착은 복합재료 라미네이트에 구멍을 천공해야 하고 그 결과 상기 복합재료 라미네이트의 기계적 특성들이 저하될 가능성이 있다. 많은 시나리오에서, 접착성 결합으로 기능 구성요소를 부착하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 접착제가 사용되는 경우에, 기능 구성요 소들은 접착제 결합보다 훨씬 더 큰 하중을 견디는 능력을 가질 수 있다. 복합재료 구성요소가 페인트칠 된 경우 강한 접착성 결합 추가 배리어가 발생될 수 있다. 이 상황에서, 접착성 결합의 강도는 종종 페인트와 구성요소 간에 낮은 수준의 접착에 의해 좌우된다. 이는 신뢰할 수 있는 부착을 달성하기 위해 기능 구성요소 결합부근에 페인트를 자주 제거해야 한다.
저렴하고 용이한 대량생산된 기능 구성요소들은 전체적으로 또는 부분적으로 열가소성이거나 강화된 열경화성으로 제조될 수 있다. 이들은 부분적으로 이러한 구성요소들과 양호한 접착성 결합을 달성하는데 있어 어려움으로 인해 쉽게 채택되지 않았다. 열가소성 기능 구성요소와 열경화성 복합재료 간에 고강도의 접착성 결합을 하기 위해, 열경화성 복합재료와 열가소성 기능 구성요소의 표면 모두는 통상적으로 표면처리를 해야 한다. 열경화성 복합재료의 경우, 이는 표면의 연마와 적절한 용매로 세정될 수 있다. 열가소성의 경우, 이는 코로나 방전 또는 가스-플라즈마 처리와 같은 처리범위 중 하나일 수 있다.
따라서, 본 발명은 부분적으로 또는 전체적으로 열가소성으로 된 기능 구성요소를 열경화성 복합재료 라미네이트 또는 구성요소에 부착하기 위한 방법을 제공함으로써 상기 문제들 중 적어도 부분적으로 하나 이상을 경감하는 것이 바람직하다. 이점적으로, 상기 방법은 매우 고강도의 부착으로 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 부착하는데 사용될 수 있다. 보다 이점적으로는, 상기 방법은 매우 빠르고, 기능 구성요소를 열경화성 복합재료의 표면에 부착하는데 있어 상당한 비용감소를 가능하게 할 수 있다. 상기 방법은 페인트칠 된 복합재료 구성요소 와 페인트칠 되지 않은 복합재료 구성요소 모두에 적용될 수 있다.
광범위하게, 본 발명은 적어도 부분적으로 열가소성 폴리머를 포함하는 기능 구성요소를 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소, 즉, 주로 열경화성 폴리머와 강화섬유로 제조된 구성요소에 접합하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제 1 실시예는 표면의 적어도 일부에 열가소성 폴리머가 접합되는 열경화성 폴리머 복합재료를 포함하는 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법으로서, 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위 접합공정에서 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 열가소성 표면과 고강도 접합을 형성할 수 있도록 선택된 제 2 열가소성 폴리머가 상기 표면의 적어도 일부에 접합되게 기능 구성요소를 선택하는 단계와, 상기 기능 구성요소의 열가소성 표면과 밀접히 접촉하게 상기 복합재료 구성요소의 열가소성 표면을 위치지정하는 단계와, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 각각의 열가소성 표면의 적어도 일부가 적어도 부분적으로 용융되고 융합되도록 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소 간에 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위를 가하는 단계와, 상기 열가소성 재료 또는 용융된 열가소성 재료가 다시 고체화되고 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소들이 함께 접합되도록 상기 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위를 멈추고, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소를 고정된 식으로 보유하는 단계를 포함하는 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 적어도 상기 기능 구성요소 또는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 상의 열가소성 표면에 하나 이상의 돌기들, 또는 표면 구조(surface texture), 또는 에너지 지시기가 형성되어, 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위 접합동안 발산된 에너지로 인해 이들 돌기들이 용융되게 한다. 상기 기능 구성요소상의 돌기들은 상기 열경화성 구성요소상의 열가소성 재료의 두께보다 작거나 같을 수 있다. 이점적으로, 이는 기능 구성요소와 열경화성 복합재료 구성요소 간에 이음새 없는 접합을 형성하게 도울 수 있다.
바람직하기게는, 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 상기 열가소성 표면은 상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질의 상호침투 능력을 나타내는 한센 용해도(Hansen solubility) 파라미터를 갖는 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 수지 구성물질과 제 1 열가소성 폴리머를 선택하는 단계와, 경화시 상기 복합재료 구성요소의 일표면 중 적어도 일부가 상기 열가소성 폴리머로 구성되도록 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 접촉하게 상기 열경화성 폴리머를 위치지정하는 단계와, 상기 열경화성 폴리머의 경화온도로 상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소를 가열하는 단계와, 상기 열가소성 폴리머가 경화된 열경화성 폴리머 구성요소에 매우 강하게 접합되도록 상기 열가소성 폴리머와 경화된 열경화성 폴리머 구성요소를 냉각시키는 단계에 의해 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 상에 형성되고, 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질과 상기 열가소성 폴리머는 상기 열경화성 폴리머가 경화되기 전에 적어도 부분적으로 상호침투될 수 있다.
이점적으로, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소상에 열가소성 표면을 융합함으로써, 상기 열가소성 폴리머의 표면층이 상기 열경화성 폴리머 복합재료에 고강도로 부착된다.
본 발명의 제 2 실시예는 표면의 적어도 일부에 열가소성 폴리머층이 접합되고 폴리머 코팅이 상기 열가소성 폴리머층을 덮는 열경화성 폴리머 복합재료를 포함하는 코팅된 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법으로서, 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위 접합공정에서 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 폴리머 코팅 아래의 열가소성 표면과 고강도 접합을 형성할 수 있도록 선택된 제 2 열가소성 폴리머가 상기 표면의 적어도 일부에 접합되게 기능 구성요소를 선택하는 단계와, 상기 기능 구성요소의 코팅된 열가소성 표면과 밀접히 접촉하게 상기 복합재료 구성요소의 열가소성 표면을 위치지정하는 단계와, 상기 열가소성 표면위의 상기 폴리머 재료 코팅의 적어도 일부가 변위되고 상기 구성요소의 각각의 열가소성 표면의 적어도 일부와 접촉하여 용융되고 융합되도록 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소 간에 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위를 가하는 단계와, 상기 열가소성 재료 또는 용융된 열가소성 재료가 다시 고체화되고 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소들이 함께 접합되도록 상기 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위를 멈추고, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소를 고정된 식으로 보유하는 단계를 포함하는 코팅된 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 상기 기능 구성요소상의 열가소성 표면에는 하나 이상의 돌기들, 또는 표면 구조, 또는 에너지 지시기가 형성되어, 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위 접합동안 발산된 에너지로 인해 이들 돌기들이 용융되게 한다. 상기 기능 구성요소상의 돌기들은 상기 열경화성 복합재료 구성요소의 표면상에서 상기 열가소성층을 덮는 폴리머 재료 코팅의 두께보다 더 큰 크기로 될 수 있다. 이점적으로, 이는 기능 구성요소의 열가소성 돌기들과 열경화성 복합재료 구성요소의 열가소성 표면이 접촉하기 전에 상기 폴리머 코팅을 변위시키고 적어도 부분적으로 용융 및 융합시키게 도울 수 있다.
바람직하게는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 코팅된 열경화성 폴리머 복합재료는 상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질의 상호침투 능력을 나타내는 한센 용해도 파라미터를 갖는 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 수지 구성물질과 제 1 열가소성 폴리머를 선택하는 단계와, 경화시 상기 복합재료 구성요소의 일표면 중 적어도 일부가 상기 열가소성 폴리머로 구성되도록 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 접촉하게 상기 열경화성 폴리머를 위치지정하는 단계와, 상기 열경화성 폴리머의 경화온도로 상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소를 가열하는 단계와, 상기 열가소성 폴리머가 경화된 열경화성 폴리머 구성요소에 매우 강하게 접합되도록 상기 열가소성 폴리머와 경화된 열경화성 폴리머 구성요소를 냉각하는 단계와, 상기 열가소성 표면을 포함한 상기 열경화성 폴리머 구성요소를 폴리머 재료층으로 코팅하는 단계를 포함하고, 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질과 상기 열가소성 폴리머는 상기 열경화성 폴리머가 경화되기 전에 적어도 부분적으로 상호침투될 수 있다.
이점적으로, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 경화동안 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소상에 열가소성 표면을 융합시킴으로써, 상기 열가소성 폴리머 표면층이 상기 열경화성 복합재료에 고강도로 부착된다.
본 발명의 실시예를 이용한 추가적인 이점은 예컨대 기계적 고정에 영향을 주는 구멍 천공에서 발생할 수 있는 본래의 복합재료 구성요소의 구조적 설계 또는 성능에 손상을 입히지 않고도 상기 기능 구성요소가 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 표면에 부착될 수 있다는 것이다.
어느 한 실시예에 대해, 바람직하게는, 상기 기능 구성요소는 순수한 열가소성 폴리머, 임의의 종류의 코폴리머 또는 임의의 종류의 폴리머 혼합물로 구성되거나, 열가소성 재료내 충진제, 섬유 또는 기타 재료 중 몇 퍼센트를 구성한다. 기능 구성요소가 열가소성 또는 강화된 열가소성 재료로 전체적으로 제조되는 경우, 사출성형과 같은 공정에 의해 간단히 제조될 수 있다. 대안으로, 기능 구성요소는 금속 서브컴포넌트와 결합하는 충진 또는 비충진 열가소성 재료로 구성될 수 있다. 구성요소가 열가소성 또는 강화 열가소성 재료와 금속의 결합인 경우, 금속부는 가공, 단조 또는 유사한 수단에 의해 제조될 수 있고, 열가소성 또는 강화 열가소성 재료가 조립물로서 금속위에 배치된다. 대안으로 금속의 일부는 사출성형 틀에 금속구성요소를 배치함으로써 열가소성 또는 강화 열가소성 재료를 이용해 "과도주입"될 수 있다.
기능 구성요소는 또한 긴 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소가 접합기를 통해 측면으로 이동하고 접합이 접합기에 의해 연이어 행해지는 일련의 국소적인 "현장(spot)" 접합에서 또는 연이은 "이음매(seam)" 접합공정에서 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 접합되는 더 큰 구성요소일 수 있다.
이점적으로, 접합을 통해 최소한의 접합 품질이 달성되는 경우, 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 대한 기능 구성요소의 부착강도는 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 대한 상기 열가소성 재료의 부착 또는 상기 기능 구성요소에 부착된 열가소성 재료에 따른다. 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 경우, 본 발명의 공정을 이용함으로써 경화되지 않은 열경화성 폴리머와 열가소성 폴리머 간에 상호침투를 통해 매우 고강도가 달성될 수 있다. 기능 구성요소의 경우, 이는 상기 구성요소의 디자인에 따르나, 순수한 열가소성 구성요소는 베이스(base) 플라스틱의 강도가 된다.
일반적으로 열경화성 복합재료상에 접합가능한 표면을 제공하기 위한 방법은 고주파 진동 상대변위 또는 고속의 연이은 상대변위 접합이 발생하도록 충분한 두께를 갖는 열가소성층을 필요로 한다. 특별한 접합공정에 대해 열경화성 복합재료 구성요소의 표면에 열가소성 재료가 충분하지 못하면, 상기 방법은 이 공정 전에 또는 공정 동안 순수한 폴리머이거나 기타 재료와 결합한 폴리머인 여분의 열가소성 폴리머의 추가를 포함할 수 있다.
이점적으로, 열가소성 표면이 본 발명의 공정에 의해 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소상에 형성된 경우, 본 발명의 수단에 의해 기능 구성요소의 부착을 위해 즉시 또는 나중에 사용될 수 있다. 또한, 기능 구성요소를 교체해야 할 필요가 있는 경우, 상기 기능 구성요소는 열가소성 재료가 열경화성 폴리머 구성요소의 표면에 보유되는 한 컷팅, 그라인딩 또는 유사한 방법에 의해 제거될 수 있다. 대안으로, 상기 기능 구성요소는 몇몇 소소로부터 열을 가함으로써 "접합되지 않거나" 제거될 수 있다. 최종 발생한 표면은 또 다른 기능 구성요소가 고강도가 달성될 수 있게 적소에 접합된 후 일반적으로 평탄화와 세정에 의해 또는 여분의 열가소성 재료의 추가 또는 접합에 의해 적절하게 만들어질 필요가 있다.
하나 이상의 기능 구성요소들은 상기 복합재료상에 열가소성 표면의 각 별개의 영역에 있는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 접합될 수 있다. 게다가, 열가소성 표면의 다수 영역들이 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 표면에 있는 경우, 기능 구성요소들이 이들 영역 일부 또는 모두에 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 간에 고속의 연이은 상대변위 또는 고주파 진동 상대변위를 가하는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터의 상대변위를 상기 기능 구성요소에 가하기 위한 장치와, 상기 기능 구성요소에 대한 상기 액츄에이터의 위치지정 및/또는 상기 기능 구성요소에 압력을 가하기 위한 적어도 하나의 구조를 구비하는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소상에 기능 구성요소를 접합하는 장치가 제공된다.
본 발명의 이러한 태양의 접합장치는 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 간에 고속의 연이은 상대변위 또는 고주파 진동 상대변위를 가할 수 있다. 상기 접합장치는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에서 상기 구성요소 중 하나와 접촉하게 된다. 상기 접합장치는 일반적으로 20kHz 주파수에서 동작하는 휴대부가 있는 휴대용 초음파 접합유닛일 수 있다. 대안으로, 상기 접합장치는 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 간에 고속의 회전 상대변위를 가할 수 있는 스핀 접합장치일 수 있다.
기능 구성요소에 상대변위를 가하는 접합장치는 선택적으로 상기 기능 구성요소상에 단단히 위치되거나 상기 기능 구성요소를 보유하는 형태의 인터페이스를 갖는다. 상기 장치는 고체이거나 중공 센터가 있어 다른 형태의 기능 구성요소들이 접합되게 할 수 있다.
상기 접합장치는 추가로 기능 구성요소에 대한 액츄에이터의 위치지정 및/또는 상기 기능 구성요소에 압력을 가하는 하나 이상의 구조들을 갖는다. 상기 위치지정 및/또는 압력구조들은 접합되는 상기 구성요소에 상대변위를 가하는 것을 방해하지 않는 식으로 접합동안 접합장비에 단단히 부착된다. 이들 구조는 접합장치의 측면이동을 제한하고 추가로 접합되는 구성요소상에 접합장치의 압력을 높인다. 상기 구조가 고주파 접합장치에 대한 이동 또는 조정능력을 갖는 경우, 상기 구조는 접합공정 전에 상기 접합장치에 단단히 고정되고, 연이어 해제될 수 있다. 추가로 상기 구조는 연속적으로 또는 주기적으로 가벼운 신장력이 가해지게 하여, 상기 구조가 접합공정 이전에 상기 접합장치의 최적의 정렬을 위해 상기 접합장치의 일단을 초과하여 신장되게 할 수 있다. 상기 구조는 부분적으로 또는 완전히 진공될 수 있는 덮개 또는 챔버를 포함할 수 있어, 접합장치의 단부에 순 힘이 가해진다. 상기 덮개 또는 챔버는 일단에 씰링 구성요소를 포함하여, 상기 기능 구성요소 또는 상기 열경화성 복합재료 구성요소와 밀봉이 이루어지게 할 수 있다.
본 발명에서, "열가소성 폴리머"라는 용어는 순수한 열가소성 폴리머, 임의의 종류의 코폴리머, 또는 임의의 종류의 폴리머 혼합물을 말한다. 열가소성 폴리머는 또한 열가소성 재료내에 충진제, 섬유 또는 기타 재료의 몇 퍼센트를 포함할 수 있다. 열가소성 폴리머는 반결정 또는 아모포스(armorphous)로서 분류될 수 있다. 게다가, 각각의 열가소성 재료가 접합에서 상용될 수 있는 경우, 상기 열경화성 복합재료 구성요소상의 표면 열가소성 재료는 상기 기능 구성요소의 열가소성 재료와는 다른 열가소성 재료일 수 있다.
또 다른 태양의 본 발명은 상술한 방법에 의해 부착된 기능 구성요소가 있는 열경화성 복합재료 구성요소를 제공한다.
도 1은 특별한 폴리머용 용매의 적합성을 결정하는데 사용될 수 있는 폴리머용 한센 용해도(Hansen solubility)를 도시한 것이다.
도 2는 오토클레이브 경화 전 열경화성 폴리머 복합재료 프리프레그(prepreg)와 열가소성 박막의 개략도이다.
도 3a는 열가소성 또는 강화 열가소성 재료로 제조된 일반적인 기능 구성요소의 개략도이다.
도 3b는 열가소성이 들어 있는 베이스를 가진 금속 구성요소로 제조된 일반적인 기능 구성요소 또는 부품의 개략도이다.
도 3c는 열가소성 베이스에 삽입된 금속 구성요소로 제조된 일반적인 기능 구성요소의 개략도이다.
도 3d는 열가소성 베이스에 부분적인 금속 베이스와 피라미드형 에너지 지시기를 도시한 도 3c의 저면도이다.
도 4는 도 3b와 유사한 기능 구성요소 또는 부품과, 열가소성 표면이 있는 경화된 열경화성 복합재료 구성요소와, 접합장치의 하단부의 개략도이다.
도 5는 도 3b와 유사한 기능 구성요소 또는 부품과, 폴리머 코팅이 있는 열가소성 표면을 갖는 경화된 열경화성 복합재료 구성요소와, 접합장치의 하단부의 개략도이다.
도 6a는 도 3b와 유사한 기능 구성요소 또는 부품과, 열가소성 표면이 있는 경화된 열경화성 복합재료 구성요소와, 환형 진공덮개가 있는 접합장치의 하단부의 개략도이다.
도 6b는 도 3b와 유사한 기능 구성요소 또는 부품과, 열가소성 표면이 있는 경화된 열경화성 복합재료와, 조절가능한 진공관이 있는 접합장치의 하단부의 개략도이다.
본 명세서에 개시되고 정의된 본 발명은 명세서 또는 도면에 언급되거나 명백한 각각의 특징들 중 2 이상의 다른 모든 조합들에도 확장되는 것임을 이해할 것이다. 이 다른 조합 모두는 본 발명의 다양한 다른 태양들을 구성한다.
본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 따르면, 열가소성 표면이 있는 열경화성 복합재료는 부품을 성공적으로 부착하는데 필요하다. 이러한 표면 복합재료, 재료 상용성 요건, 재료 선택 및 성공적인 표면융합의 성공적인 형성에 대한 간략한 논의가 잇따른다.
폴리머 열동역학 및 용해도 기준
상용성(compatibility) 재료의 선택은 다수의 용해도 파라미터가 근사하게 일치할 것을 요구한다. 상용성 아모포스 열가소성용 재료 선택의 원리는 다음과 같은 혼합 깁스 자유에너지(ΔGm)를 기초로 한다.
Figure 112008074733714-pct00001
여기서, ΔHm은 혼합 에탈피이고, T는 온도이며, ΔSm은 혼합 엔트로피이다. 다음과 같이 엔탈피를 결정하기 위해 힐더브랜드-스캣차드(Hildebrand-Scatchard) 방정식이 사용될 수 있다.
Figure 112008074733714-pct00002
여기서 δα와 δβ는 (힐더브랜드 파라미터로 알려진) 고려되는 2종류의 용해도 파리미터, 예컨대, 아모포스 폴리머와 모노모 또는 경화제이다.
그러나, 힐더브랜드-스캣차드 방정식(수학식 2)을 사용하는 것은 극성 힘과 같은 분자간 힘이 이들 폴리머의 용해도 행동에 크게 영향을 끼치기 때문에 본 발 명에 적용될 수 있는 고성능의 반결정 열가소성 수지의 종류에 부적합할 수 있다. 분산력, 극성 힘 및 수소 결합력을 고려하여 한센 파라미터를 사용하는 것이 아모포스 및 반결정 폴리머에도 똑같이 적용될 수 있는 적절합 접근으로 추천된다(AFM Barton "CRC Handbook of Solubility Parameters and Other Cohesion Parameters", CRC Press, Boca Raton, 1983 참조). 이들 파리미터의 적용은 폴리머 용매 호환성에 합당한 가이드를 제공한다. 폴리머(b)에 대한 상용성 반경은 도 1의 용해도에 도시된 바와 같이 반경 bR로 정의된다. 임의의 용매 a에 대한 분산력(δα), 극성 힘(δβ) 및 수소 결합력(δh)의 한센 용해도 파라미터가 결정되고 도표에 좌표표시될 수 있다. 용매 a에 대한 3개의 한센 파리미터(aδd, aδp, aδh)를 위치결정하는 용해도상의 지점이 bR로 정의된 구내에 있는 경우, 폴리머는 용매에서 용해될 수 있다. 즉,
Figure 112008074733714-pct00003
여기서 이 경우 용매는 모노머 또는 경화제이고, bR은 알고 있는 한센 파리미터의 공통 용매들을 이용한 표준 실험에 의해 결정된다.
재료 선택과 표면 융합
상기 기준에 따라 선택된 열가소성 재료는 열경화성 폴리머 재료 또는 열가 소성 폴리머 재료의 표면에 상당한 반상호침투 폴리머 네트워크(Semi-Interpenetrating Polymer Network, SIPN)를 형성함으로써 성공적으로 융합될 수 있다. 상기 공정의 태양은 한센 파라미터의 사용에 의해 결정된 용해도를 갖는 열경화성 폴리머와, 열경화성 모노머와 경화제가 아모포스 폴리머로 또는 결정 구성요소의 융합 열을 넘어섬으로써 반결정 열가소성 폴리머의 결정 구성요소로 충분히 이동할 수 있도록 열가소성 폴리머의 선택과 경화온도/시간 싸이클을 선택하는 것이다. 구성요소의 경화에 잇따라, 상기 열가소성 폴리머는 본래 표면 영역에 분자사슬의 얽힘을 통해 상기 구성요소에 밀접하게 접합되어 이로써 열경화성 수지와 열가소성 수지 간에 반상호침투 폴리머 네트워크를 형성한다.
이점적으로, 상기 열동역학과 용해도 상용성 기준이 충족된 경우, 접합공정은 일반적으로 열경화성 폴리머에 대한 제조업체의 추천 경화 싸이클에 어떠한 변경을 하지 않고도 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 열가소성 재료는 열경화성 폴리머 복합재료와 함께 작용하기 위해 선택되고, 동일한 열가소성 재료이거나 아닐 수 있는 제 2 열가소성 재료도 마찬가지로 기능 구성요소용으로 선택된다. 상술한 바와 같이, 열경화성 폴리머 복합재료를 표면화하기 위한 열가소성 재료의 최적의 선택은 열가소성 폴리머 구성요소 및 경화되지 않은 열경화성 폴리머 구성요소의 복잡한 용해도 파라미터를 근사하게 일치시킴으로써 달성된다. 상기 기술은 추천된 아모포스 또는 반결정 폴리머를 선택여 높은 부착강도를 달성하는데 성공적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 형태에 따른 방법은 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 함께 사용하는데 적합하다. 예는 도 2에 도시된 오토클레이브에 프리프레그 섬유(프리프레그) 복합재료의 경화이다. 한 더미의 프리프레그(10)가 경화장치(12)에 위치해 있고, 떨어져 있는 열가소성 재료(14)의 영역들이 최외곽면에 있다. 필름형태로 열가소성 재료를 갖는 것이 일반적으로 편리하다. 결합된 프리프레그와 열가소성 재료가 천공 필름(16)과 공기구멍 재료(18)에 이상적으로 덮여있고, 나일론 백 필름(nylon bagging film)(20)이 씰링 테이프(22)로 상기 장치에 밀봉되어 있다. 전체 조립물은 진공포트(24)를 통해 공기를 뺀 후 오토클레이브 내에 배치된다. 상기 조립물은 온도와 압력이 올려지고 용액 상용성으로 인해 경화되지 않은 열경화성 폴리머 구성요소가 열가소성 재료로 이동하게 되는, 즉, 열경화성 폴리머와 열가소성 폴리머의 상호침투가 충분한 깊이로 발생하여 최종적으로 표면화된 구성요소에 높은 결합강도를 달성하는 온도에까지 이르게 된다. 이동 온도는 열경화성 폴리머의 경화온도일 수 있다. 그러나, 경화되지 않은 폴리머 구성요소의 불충분한 이동이 이 온도에서 발생하는 경우, 저온의 구역이 경화 싸이클에 포함될 수 있어 상호침투 영역을 높인다. 열경화성 폴리머를 경화한 다음에, 조립물을 냉각시키고 오토클레이브에서 꺼내면 적어도 부분적으로 열가소성 표면을 갖는 열경화성 폴리머 복합재료가 형성된다.
열경화성 폴리머 복합재료에 열가소성 재료를 경화시키고 표면 융합시키는 상술한 기술은 프리프레그 복합재료의 오토클레이브 경화에 국한되지 않으며, 경화되지 않은 열경화성 폴리머 구성요소가 열경화성 폴리머의 경화 전에 열가소성 재 료와 접촉될 수 있는 경우와, 경화되지 않은 열경화성 폴리머 구성요소의 이동이 발생하는 경우, 다른 많은 열경화성 복합재료 제조방법들로, 레이업(layup)과 경화절차에 대한 변형을 통해 달성될 수 있다.
기능 구성요소의 접합면에 대한 열가소성 재료는 다수의 별도의 목적을 수행할 필요가 있다. 열가소성 재료는 열경화성 폴리머 구성요소의 표면 열가소성을 갖는 블렌딩 또는 용액 상용성을 가져야 한다. 열가소성 재료와 선택된 접합 공정들 간에 상용성이 또한 있어야 하며, 그 결과, 충분한 분자의 혼합이 이 단계동안에 발생된다. 마지막으로, 기능 구성요소 설계에 따라, 열가소성 재료는 의도한 역할을 수행하기 위해 충분히 큰 벌크 기계적 특성을 가져야 한다. 블렌딩과 용액 사용성은 일반적으로 열경화성 폴리머 복합재료의 표면상의 열가소성 재료에 이상적인 열가소성 재료를 선택함으로써 보장된다. 그러나, 모든 열가소성 재료가 고주파 접합공정에 아주 적합한 것은 아니다; 특히, 일부 반결정 열가소성 재료로 제조된 부분들은 특정한 기하학적 형태들에 기계적 손상을 받아 나중에 기능이 손상될 수 있다. 이런 이유와 기능 구성요소의 효율적인 공정을 위해, 기능 구성요소와 열경화성 폴리머 구성요소 표면에 대해 다른 열경화성 재료를 선택해야 할 필요가 있다. 다른 많은 아모포스 열가소성 재료들이 고주파 접합공정에 상용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 고주파 접합공정에 상용될 수 있는 것으로 알려진 아모포스 열경화성 재료는 PEI, AMS, PMMA 및 ABS와, PPO 및 PS를 포함한다. 매우 적은 반결정 열경화성 재료들, 예컨대, PET와 PEI 및 PET와 PC가 고주파 접합공정에 상용될 수 있는 것으로 알려져 있다.
기능 구성요소의 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3a는 열경화성 폴리머 구성요소의 열가소성 표면에 접합하기 위한 하부면(32)과, 별도 사용을 위한 기능 단부(34), 이 경우, 스레드 포스트(threaded post)가 있는 열가소성 기능 구성요소(30)를 도시한 것이다. 접합면(32)은 많은 돌기들이 있어 고주파 접합, 특히 초음파 접합동안 열제어를 돕는다. 이들 돌기는 고주파 싸이클 변위하에서 인접한 열가소성 재료보다 더 빨리 가열되는 경향이 있다. 본 발명의 제 1 실시예가 이용되는 경우, 돌기의 높이는 바람직하게는 열경화성 복합재료 구성요소상의 열가소성 재료의 두께보다 작거나 같다. 그러나, 돌기의 높이는 최적의 접합강도를 얻기 위해 열경화성 폴리머 복합재료상의 열가소성 표면의 두께와 대략 같게 유지되어야 필요가 있다. 열경화성 복합재료 구성요소의 표면에 있는 열가소성 재료의 최소 추천 두께는 20㎛인 반면, 최대 열가소성 재료의 두께는 무게, 치수 및 비용의 실용성에 의해 제한되며, 본 발명의 실행에 대해서는 바람직하게는 단지 5㎜이다. 돌기가 열경화성 복합재료 구성요소상의 열가소성 층의 두께에 대해 높이가 비슷하거나 같은 경우, 최대 부착강도를 제공하며 기능 구성요소와 복합재료의 열가소성 표면 간에 거의 이음매가 없는 접합이 이루어질 수 있다. 기능 구성요소의 열가소성 재료와 열경화성 복합재료 구성요소상의 열가소성 재료 간에 폴리머 코팅이 위치해 있는 경우, 다른 접근이 본 발명의 제 2 실시예에 대해 요구된다. 효과적인 접합을 이루기 위해, 접합공정동안 코팅이 제거되어야 한다. 돌기가 사용된 경우, 이들은 제거된 코팅이 기능 구성요소와 열경화성 복합재료 구성요소 사이의 갭에 수용될 수 있는 충분한 높이로 되어야 한다. 바람직하게는, 돌기의 높이는 열경화성 폴리 머 복합재료 구성요소의 두께보다 더 크다. 더 짧은 돌기들로 부착이 될 수 있으나 공정의 안정성을 위해 적어도 0.5㎜의 돌기 높이가 추천된다.
특정 성질들이 기능 구성요소로부터 요구되는 경우, 구성요소의 일부가 금속으로 제조되게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성요소의 일예가 도 3b에 도시되어 있다. 이 기능 구성요소(36)의 금속부(38)는 가공, 주조 또는 유사한 공정에 의해 제조될 수 있다. 기능 구성요소(36)의 금속부(38)를 포함하고 있는 열가소성 재료(40)의 제조는 나중에 사출성형기에 금속부의 과도한 주입(overinjection)을 통해 달성될 수 있다. 상기 구성요소는 열가소성 접합 인터페이스, 상기 구성요소의 금속부에 높은 부착강도, 및 기능 금속부를 갖고 있어 본 발명의 목적에 이점이 있다. 금속과 열가소성 재료 모두로 제조된 유사한 기능 구성요소(32)가 도 3c에 도시되어 있다. 이 예에서, 열가소성 부분(44)과 금속부(46)는 별개로 제조된 후에 조립될 수 있다. 도 3d에 개략적으로 도시된 이 예의 구성요소의 베이스는 피라미드형 초음파 접합 에너지 지시기들이 있는 열가소성 베이스(48)이다. 금속 구성요소(48)는 복합재료 구성요소에 조립을 위해 이상적으로 설계되어 있어, 처음 접촉할 때 복합재료 구성요소로부터 특정한 틈을 두고 있다가 접합공정이 완료되면 복합재료 구성요소와 접촉하게 된다.
이러한 기능 구성요소에 대한 재료들은 금속과 열가소성 재료 또는 강화 열가소성 재료에 국한되지 않는다. 기능 구성요소들은 또한 세라믹 부분일 수 있거나, 전자부품을 포함할 수 있거나, 다양한 다른 재료들을 포함할 수 있다. 기능 구성요소들은 열가소성 부분을 보유해야 하나, 상기 구성요소들이 본 발명에 기술된 방식으로 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소들에 접합될 수 있어야 한다.
기능 구성요소를 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 접합시키는 한가지 방법은 혼(horn)이 있는 초음파 접합과 같은 고주파 싸이클 변위 시스템을 사용하는 것이다. 접합공정의 예가 도 4에 도시되어 있다. 본 발명의 제 1 실시예의 바람직한 방법에 따라 제조된 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소(50)는 상기 구성요소의 영역에 열가소성 표면(52)이 있다. 본 발명의 공정에 따라 선택 및/또는 설계된 기능 구성요소(54)는 복합재료 구성요소(50)의 열가소성 표면(52)에 대해 열가소성 표면(56)이 위치해 있다. 초음파 접합기 혼(58)이 기능 구성요소(54)의 상단면(60)에 대해 가져와 지고, 상기 접합기 혼(58)을 통해 기능 구성요소(54)와 복합재료 구성요소(50)의 접합 열가소성 표면(52,56)에 압력이 가해진다. 현재 실시예에서, 초음파 접합기 혼(58)은 기능 구성요소(54)의 포스트(64)를 수용하기 위한 중공부(62)가 있다. 그런 후 고주파수 싸이클 변위가 기능 구성요소(54)에 전달되어, 제 1 에너지 지시기(66)와 상기 구성요소에 있는 인접합 열가소성 재료의 적어도 일부가 가열되고 용융되어, 기능 구성요소 열가소성 표면(56)과 복합재료 열가소성 표면(52)이 결국 혼합된다. 일반적으로 상기 공정은 진폭 및 주파수와 같은 요인에 따라 0.5 내지 10초 사이에 일어난다. 그런 후 싸이클 변위가 중단되는 한편, 조립이 함께 유지되도록 계속되면서 냉각된다. 스핀 접합과 같은 기능적 방법들이 대안으로 기능 구성요소의 열가소성 돌기와 복합재료 구성요소의 열가소성 표면 사이에 국소적인 열을 발생하도록 사용될 수 있다. 열가소성 돌기는 마찰접합을 위해 반드시 필요한 것은 아니나, 제어된 접합공정을 제공하기 위해 바람직하다.
상기 공정은 구성요소의 표면에 얇은 폴리머 층을 제공하기 위해 열가소성 폴리머 구성요소가 페인팅, 분말코팅, 스프레잉, 침지, 브러싱, 접착 아플리케(adhesive applique) 또는 임의의 다른 수단과 같은 기술에 의해 폴리머 재료에 코팅된 경우 마찬가지로 수행될 수 있다. 하기의 명세서에서, 페인팅은 구성요소 표면상에 폴리머층을 제공하는 상기 기술 또는 유사한 방법 중 하나를 광범위하게 말하는데 사용될 수 있다. 접합공정의 예가 도 5에 도시되어 있다. 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소(70)는 상기 구성요소의 영역에 열가소성 표면(72)이 있고 연이어 폴리머 재료 코팅(74)이 도포된다. 본 발명의 공정에 따라 선택 및/또는 설계된 기능 구성요소(76)는 상기 복합재료 구성요소의 페인트칠 된 열가소성 표면(80)에 마주보며 열가소성 표면(78)에 위치된다.
돌기(82)가 본 발명의 제 2 실시예의 일부로서 사용되는 경우, 이들은 편의상 기능 구성요소에 위치될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 초음파 접합기 혼(84)이 기능 구성요소(76)의 상단면(86)에 마주보게 가져와 지고, 상기 접합기 혼(84)을 통해 상기 기능 구성요소(76)의 돌출한 열가소성 표면(78)에 압력이 가해지게 된다. 싸이클 상대변위 하에, 기능 구성요소(76)의 돌출한 열가소성 재료(82)가 상기 열가소성 재료(72)의 페인트(80)를 벗기고 상기 돌출한 열가소성 재료(82)의 팁으로부터 멀리 제거한다. 결국 기능 구성요소(76)의 돌출한 열가소성 재료(82)는 열경화성 복합재료 구성요소(70)의 아래에 있는 열가소성 표면(72)과 접촉하게 된다. 다른 태양으로, 본 발명의 제 1 실시예와 동일한 방식으로 접합이 발생한다. 기능 구성요소의 접합면 상의 돌기들은 스핀 접합공정에서 페인트를 제거하는데 있 어 마찬가지로 유용할 수 있다. 이 상황에서, 돌기들은 페인트칠 된 표면을 파내거나 문질러 아래의 열가소성 표면을 드러나게 할 수 있고, 그런 후 열의 마찰증가를 통해 접합될 수 있다.
기능 구성요소가 상기 방식으로 접합되는 경우, 접합이 일반적으로 달성될 수 있으나 상기 구성요소가 정확하게 위치될 수 없다. 고주파 진동하에서, 초음파 접합에서 발견된 바와 같이, 기능 구성요소와 열경화성 복합재료 박판 또는 구성요소가 서로에 대해 측면으로 제거되는 경향이 있다. 기능 구성요소와 초음파 혼 간의 측면 이동은 기능 구성요소상의 상부 인터페이스, 즉, 초음파 혼과 접촉하는 표면의 형태에 제어될 수 있다. 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 대한 초음파 접합기와 기능 구성요소의 측면 이동의 제어도 또한 달성될 수 있다. 한가지 방법은 복합재료 구성요소상에 일시적으로나 영구적으로 접합공정동안 기능 구성요소의 수직 이동을 허용하나 상당한 수평이동을 방지하는 억제장치를 제공하는 것이다. 두번째 방법은 도 6에 도시된 바와 같은 장치를 이용하는 것이다. 도 6a는 기능 구성요소(90), 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소(92) 및 초음파 접합기(94)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 추가로, 덮개(96)가 초음파 접합 혼(98)과 직접 접촉하지 않게 하는 방식으로 초음파 접합기(94)에 연결된 덮개(96)로서 기능 구성요소 또는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 압력을 주거나 가하는 구조가 도시되어 있다. 덮개(96)는 초음파 접합기(94)와 열경화성 복합재료 구성요소(2) 간에 측면 이동을 저지하는데 사용될 수 있다. 도표에서 단면으로 도시된 덮개(96)는 내벽(100), 외벽(102) 및 밀봉하는데 적합한 유연한 베이스 재료(104)와 함께 환형이 다. 유연한 베이스 재료(104)는 또한 열경화성 복합재료 구성요소(92)에 대하여 덮개의 진동을 줄이는데 사용될 수 있고, 이 용도를 위해 점착성을 띠거나 특별한 형태로 되거나 표면을 파지하거나 진동을 줄이도록 구성될 수 있다. 덮개(96)는 열경화성 복합재료 구성요소(92)와 접촉할 수 있고, 내벽(102)과 외벽(104) 간의 공기가 빠져나간다. 이는 초음파 접합기(94)가 열경화성 복합재료 구성요소(92)에 대해 측면으로 이동하지 못하게 한다. 이점적으로, 덮개(96)는 또한 순 하방압력이 열경화성 복합재료 구성요소(92)에 대하여 초음파 접합기(94)에 가해지도록 설계될 수 있어, 접합공정에 도움을 줄 수 있다.
평평하지 않은 표면에 접합을 가능하게 하고 접합 혼의 최적 위치지정을 가능하게 하는 유사한 장치가 도 6b에 도시되어 있다. 기능 구성요소(110), 열경화성 복합재료 구성요소(112) 및 초음파 접합기(114)가 상술한 바와 같이 있다. 포스트(118)가 초음파 접합 혼(120)과 직접 접촉하지 않는 식으로 하나 이상의 포스트(118)가 초음파 접합기 케이싱(116)에 연결되어 있다. 포스트(118)는 중공구조와 밀봉하는데 적합한 유연한 베이스 재료(122)를 갖는다. 포스트(118)는 초음파 접합기(114)에 대해 수직으로 활주할 수 있어, 구배지거나 각진 열경화성 복합재료 구성요소(112)가 접합시 모든 포스트(118)와 접촉될 수 있다. 접합 전에, 포스트(118)가 소정 높이로 조절된 경우, 포스트(118)의 높이가 초음파 접합기(114)에 대해 고정될 수 있다. 연이어, 포스트(118)내 공기가 빼내어 지고, 초음파 접합기(114)와 열경화성 복합재료 구성요소(112) 간에 측면 이동이 저지되고, 기능 구성요소(110)에 순 하방압력이 가해지게 된다.
사용될 수 있는 다른 위치지정 또는 위치 장치들로는 진공, 클램프, 또는 착탈식 접착제에 의해 열경화성 복합재료 구성요소에 임시로 부착될 수 있고 혼 또는 접합기용 가이드 또는 위치지정 장치로서 작용하는 가이드 장치드들을 포함한다.
접합장치의 상기 예는 단지 예이며, 본 발명 내에서 요약된 원리에 대한 변형에 의해 달성될 수 있다.
실험적 논의
T300 탄소섬유와 Hexcel F593 에폭시 수지를 포함하는 한 더미의 사전침투된 평평한 직조섬유 위에 254㎛ 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 열가소성 필름 층을 배치함으로써 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열가소성 표면이 있는 열경화성 폴리머 복합재료 패널을 만들었다. 상기 더미를 평평한 도구위에 배치하고 진공백으로 둘러쌓다. 진공백 내의 공기를 빼내었고 상기 더미를 연이어 120분간 177℃와 0.63MPa 외부압력으로 경화시켰다. 경화 후, 열가소성층을 복합재료 기판에 강하게 부착시켰다. 폴리머 블록의 일표면에 수평 및 수직으로 60°각의 삼각형 홈을 가공함으로써 일표면에 초음파 용접을 위해 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 폴리머로 제조된 20×20㎜ 표면 접촉면적의 기능 구성요소를 나타내는 간단한 형태를 만들었다. 그 결과는 높이가 0.5㎜이고 간격이 0.58㎜인 기능 구성요소의 일표면에 일련의 피라미드형 돌기들이다. 가공된 기능 구성요소 표면과 열경화성 복합재료 라미네이트의 열가소성 표면을 함께 가져온 후 계획에 의해 세정하였고 20kHz 주파수로 동작하는 초음파 접합기 아래에 배치하였다. 약 0.2MPa의 압력을 접합기 혼과 이에 따라 기능 구성요소에 가하였다. 압력하에 3초간 초음파 진동을 가하고 냉각한 후, 기능 구성요소는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 강하게 고정되었다. 연이은 잡아당기는 검사에서도 5MPa의 부착강도를 나타내었다.
T300 탄소섬유와 Cycorn 970 에폭시 수지를 포함하는 한 더미의 사전침투된 평평한 직조섬유 위에 254㎛ 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 열가소성 필름 층을 배치함으로써 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열가소성 표면이 있는 제 2 열경화성 폴리머 복합재료 패널을 만들었다. 상기 더미를 평평한 도구위에 배치하고 진공백으로 둘러쌓다. 진공백 내의 공기를 빼내었고 상기 더미를 연이어 120분간 177℃와 0.63MPa 외부압력으로 경화시켰다. 경화 후, 열가소성층을 복합재료 기판에 강하게 부착시켰다. Akzo Nobel Aerodur Barrier Primer 37045 및 Akzo Nobel Aerodur Finish C21/100 폴리우레탄 에나멜(polyurethane enamel)을 이용하여 열가소성 표면을 포함한 패널을 연이어 페인트칠했다. 폴리머 블록의 일표면에 수평 및 수직으로 60°각의 삼각형 홈을 가공함으로써 일표면에 초음파 용접을 위해 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 폴리머로 제조된 20×20㎜ 표면 접촉면적의 기능 구성요소를 나타내는 간단한 형태를 만들었다. 그 결과는 높이가 1.7㎜이고 간격이 2㎜인 기능 구성요소의 일표면에 일련의 피라미드형 돌기들이다. 가공된 기능 구성요소 표면과 열경화성 복합재료 라미네이트의 페인트칠된 열가소성 표면을 함께 가져온 후 20kHz 주파수로 동작하는 초음파 접합기 아래에 배치하였다. 약 1MPa의 압력을 접합기 혼과 이에 따라 기능 구성요소에 가하였다. 압력하에 1초간 초음파 진동을 가하고 냉각한 후, 기능 구성요소는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 직접 부착되었다. 연이은 잡아당기는 검사에서도 3MPa의 부착강도를 나타내었다.
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims (29)

  1. 접합될 표면의 적어도 일부에 열가소성 폴리머 층을 가진 열경화성 폴리머 복합재료를 포함하는 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질의 상호침투 능력을 나타내는 한센 용해도(Hansen solubility) 파라미터를 갖는 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 수지 구성물질과 제 1 열가소성 폴리머를 선택함으로써 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 열가소성층을 형성하는 단계와,
    경화시 상기 복합재료 구성요소의 일표면 중 적어도 일부가 상기 열가소성 폴리머로 구성되도록 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 접촉하게 상기 열가소성 폴리머를 위치시키는 단계와,
    상기 열경화성 폴리머의 경화온도로 상기 열가소성 폴리머와 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소를 가열하는 단계로, 이때 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질과 상기 열가소성 폴리머는 상기 열경화성 폴리머가 경화되기 전에 적어도 부분적으로 상호침투될 수 있는 단계와,
    상기 열가소성 폴리머가 경화된 열경화성 폴리머 구성요소에 강하게 접합되도록 상기 열가소성 폴리머와 경화된 열경화성 폴리머 구성요소를 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    고주파 진동 상대변위 접합 공정에서 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 열가소성 표면과 고강도 접합을 형성하도록 선택된 제 2 열가소성 폴리머를 적어도 접합될 표면상에 가진 기능 구성요소를 선택하는 단계와,
    상기 기능 구성요소의 열가소성 표면과 밀접히 접촉하게 상기 복합재료 구성요소의 열가소성 표면을 위치시키는 단계와,
    상기 복합재료 구성요소의 각각의 열가소성 표면의 적어도 일부가 적어도 부분적으로 용융되고 융합되도록 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소 간에 고주파 진동 상대변위를 가하는 단계와,
    상기 용융된 열가소성 재료 또는 열가소성 재료들이 다시 고체화되고 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소들이 함께 접합되도록 상기 고주파 진동 상대변위를 멈추고, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소를 함께 고정된 관계로 보유하는 단계를 더 포함하는
    열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소 또는 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 중 적어도 하나의 상기 열가소성 표면에 하나 이상의 돌기들이 형성되는 것인 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소상에 상기 열가소성 표면 돌기의 높이는 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소상의 열가소성 재료의 두께보다 작거나 같은 것인 방법.
  4. 결합될 표면의 적어도 일부에 열가소성 폴리머층 및 열가소성 폴리머층을 덮는 폴리머 코팅을 가진 열경화성 폴리머 복합재료를 포함하는 코팅된 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 열가소성 폴리머와 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질의 상호침투 능력을 나타내는 한센 용해도 파라미터를 갖는 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 수지 구성물질과 제 1 열가소성 폴리머를 선택함으로써 코팅된 열경화성 폴리머 복합재료를 형성하는 단계와,
    경화시 상기 복합재료 구성요소의 일표면 중 적어도 일부가 상기 열가소성 폴리머로 구성되도록 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 접촉하게 상기 열가소성 폴리머를 위치시키는 단계와,
    상기 열경화성 폴리머의 경화온도로 상기 열가소성 폴리머와 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소를 가열하는 단계로, 이때 상기 경화되지 않은 열경화성 폴리머 수지 구성물질과 상기 열가소성 폴리머는 상기 열경화성 폴리머가 경화되기 전에 적어도 부분적으로 상호침투될 수 있는 단계와,
    상기 열가소성 폴리머가 경화된 열경화성 폴리머 구성요소에 강하게 접합되도록 상기 열가소성 폴리머와 경화된 열경화성 폴리머 구성요소를 냉각시키는 단계와,
    상기 열가소성 표면을 포함하는 상기 열경화성 폴리머 구성요소를 폴리머 재료층으로 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    고주파 진동 상대변위 접합 공정에서 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소의 폴리머 코팅 아래의 열가소성 표면과 고강도 접합을 형성하도록 선택된 제 2 열가소성 폴리머를 적어도 접합될 표면상에 가진 기능 구성요소를 선택하는 단계와,
    상기 기능 구성요소의 상기 코팅된 열가소성 표면과 밀접히 접촉하게 상기 복합재료 구성요소의 열가소성 표면을 위치시키는 단계와,
    상기 열가소성 표면 위에 상기 폴리머 재료 코팅의 적어도 일부가 변위되고 상기 복합재료 구성요소의 각각의 열가소성 표면의 적어도 일부가 접촉하여 용융되고 융합되도록 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소 간에 고주파 진동 상대변위를 가하는 단계와,
    상기 용융된 열가소성 재료 또는 열가소성 재료들이 다시 고체화되고 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소들이 함께 접합되도록 상기 고주파 진동 상대변위를 멈추고, 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 상기 기능 구성요소를 함께 고정된 관계로 보유하는 단계를 더 포함하는
    코팅된 열경화성 복합재료 구성요소에 기능 구성요소를 접합하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소상의 상기 열가소성 표면에 하나 이상의 돌기들이 형성되는 것인 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소상의 상기 열가소성 표면 돌기들은 상기 열경화성 복합재료 구성요소의 표면상에 열가소성층을 덮는 폴리머 재료 코팅의 두께보다 더 큰 높이를 갖는 것인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소상의 상기 열가소성 표면 돌기들은 높이가 적어도 0.5㎜인 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소의 열가소성 폴리머 또는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 표면은 열가소성 폴리머, 코폴리머 또는 폴리머 혼합물의 그룹에서 선택되는 것인 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 복합재료 구성요소상의 열가소성층은 두께가 적어도 20마이크론이며 5㎜미만인 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    고주파 진동 상대변위를 가하기 전에 상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소와 기능 구성요소 간에 열가소성 폴리머를 구비한 추가층이 포함되는 것인 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소에 하나 이상의 기능 구성요소가 접합되는 것인 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 기능 구성요소 또는 열경화성 폴리머 복합재료 구성요소 표면의 상기 열가소성 폴리머는 반결정 또는 아모포스 폴리머(armorphous polymer)로서 분류되는 것인 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 열경화성 복합재료 구성요소상의 제 1 표면 열가소성 폴리머는 상기 기능 구성요소상의 제 2 열가소성 폴리머와는 다른 열가소성 폴리머인 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 열경화성 복합재료 구성요소 또는 상기 기능 구성요소 또는 둘 다에서 상기 열가소성 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)인 방법.
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