KR101406869B1 - 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소프리폼을 형성하는 직물을 3차원 망상구조로 형성하여 직물의 수직방향으로의 결속력을 강화할 수 있는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법에 관한 것이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은, 탄소프리폼을 제조하는 방법으로서, (a) 니들 펀칭에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체와 불연속 탄소섬유 웹을 상호 접합시켜 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계; (b) 니들 펀칭에 의해 복수의 제 1 강화 탄소섬유 직물을 상호 접합시켜 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계; (c) 커팅 장치에 의해 상기 제 2 강화 탄소섬유 직물을 사다리꼴 형상으로 절단하여 제 3 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계; (d) 상기 제 3 강화 탄소섬유 직물 두개를 서로 맞대어 육각형 형상의 제 4 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계; (e) 상기 제 4 강화 탄소섬유 직물을 복수의 갯수 적층시켜 탄소프리폼 모재를 형성하는 단계; 및 (f) 상기 탄소프리폼 모재로부터 원하는 형상의 탄소프리폼을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법을 제공한다.
탄소프리폼, 니들 펀칭, 탄소섬유, 망상 구조
Description
본 발명은 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼의 제조 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 니들펀칭 공법을 이용하여 탄소프리폼을 대량으로 생산할 수 있고, 또한 탄소프리폼을 형성하는 직물을 3차원 망상구조로 형성하여 직물의 수직방향으로의 결속력을 강화할 수 있는 탄소프리폼 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소 복합재(Carbon-Carbon Composites)는 지속적인 고온 내열성이 요구되는 첨단산업 분야의 필수적인 신소재이다. 특히, 이러한 탄소 복합재 소재는 마찰 및 마모 특성과 열 충격 저항성이 탁월하여 이미 1970년 대부터 항공기 산업 분야 등의 브레이크 제조시에 적용되고 있다.
탄소 복합재의 제조 방법은 탄소섬유 강화제인 탄소계 섬유를 이용하여 탄소프리폼을 제조하는 공정과, 프리폼을 밀도화하는 공정으로 크게 나눌 수 있다.
종래의 탄소프리폼을 제조하는 공정에서는, 확포장치 등을 이용하여 토우 형태의 탄소 섬유 다발을 넓게 펼치는 방법 등으로 탄소 섬유 직물을 제조한 후에, 그 탄소 섬유 직물을 소정 두께가 될 때까지 복수의 갯수만큼 적층 및 결합시키는 방법을 사용하였다.
그러나, 상술한 종래의 탄소프리폼 제조 방법에 의할 경우, 적층되는 탄소 섬유 직물들 간의 수직 방향 결속력이 떨어지기 때문에, 각 탄소 섬유 직물간의 접촉면이 쉽게 분리되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 니들펀칭 공법을 이용하여 탄소프리폼을 구성하는 직물을 3차원 망상구조로 형성하여 직물들간의 수직방향으로의 결속력을 강화할 수 있고, 특히 탄소프리폼을 대량으로 생산할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
탄소프리폼을 제조하는 방법으로서,
(a) 니들 펀칭에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체와 불연속 탄소섬유 웹을 상호 접합시켜 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;
(b) 니들 펀칭에 의해 복수의 제 1 강화 탄소섬유 직물을 상호 접합시켜 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;
(c) 커팅 장치에 의해 상기 제 2 강화 탄소섬유 직물을 사다리꼴 형상으로 절단하여 제 3 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;
(d) 상기 제 3 강화 탄소섬유 직물 두개를 서로 맞대어 육각형 형상의 제 4 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;
(e) 상기 제 4 강화 탄소섬유 직물을 복수의 갯수 적층시켜 탄소프리폼 모재를 형성하는 단계; 및
(f) 상기 탄소프리폼 모재로부터 원하는 형상의 탄소프리폼을 절단하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 (e) 단계는, (e-1) 상기 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계; 및 (e-2) 상기 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 또 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따라, 상기 (e) 단계는, 상기 (e-2) 단계 후에, (e-3) 원하는 두께의 탄소프리폼 모재가 형성될 때까지 상기 (e-1) 단계 내지 상기 (e-2) 단계를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명에 따른 탄소프리폼 제조 방법은, (a) 니들 펀칭에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체와 불연속 탄소섬유 웹을 상호 접합시켜 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계(S102)와, (b) 니들 펀칭에 의해 복수의 제 1 강화 탄소섬유 직물을 상호 접합시켜 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계(S104)와, (c) 커팅 장치에 의해 제 2 강화 탄소섬유 직물을 사다리꼴 형상으로 절단하여 제 3 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계(S106)와, (d) 제 3 강화 탄소섬유 직물 두개를 서로 맞대어 육각형 형상의 제 4 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계(S108)와, (e) 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계(S110)와, (f) 상기 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 또 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계(S112)와, (g) 상기 (d) 내지 (f) 단계를 복수회 반복하여 소정 두께의 탄소프리폼 모재를 형성하는 단계(S114)와, 및 (h) 상기 모재로부터 원하는 형상의 탄소프리폼을 절단하는 단계(S116)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 적용되는 탄소프리폼 제조 방법의, 상기 (a) 단계에서의 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하기 위한 장치의 개략 구성도이다. 여기서, 제 1 강화 탄소섬유 직물은 연속 탄소섬유 다발의 집합체와 불연속 탄소섬유 웹이 상호 접합된 직물이다. 또한, 연속 탄소섬유 다발의 집합체란 탄소섬유들이 연속의 일방향으로 배열된 다발의 집합체를 지칭하고, 불연속 탄소섬유 웹이란 소정 길이, 예를 들면 7 ~ 8㎝ 의 탄소섬유가 방향성 없이 무작위적으로 배열된 직물을 지칭한다.
도 2를 참조하여, 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 토우(tow) 형태의 연속 탄소섬유 다발(10)이 섬유분리장치(102)에 형성된 각각의 홀(103)을 통과하도록 함으로써 탄소섬유 다발(10)이 서로 엉키지 않고 일방향으로 배열되도록 한다. 바람직한 실시예에 따라, 토우 형태의 연속 탄소섬유 다발(10)은 12K 및 320K의 토우 형태의 폴리아크릴로니트릴(PAN or oxi-PAN)계 탄소섬유를 적용할 수 있다.
다음, 섬유분리장치(102)의 각각의 홀(103)을 통과한 연속 탄소섬유 다발(10)이 돌기(105)가 형성된 압력롤러(104)를 통과하도록 함으로써 탄소섬유 다발(10)이 넓게 퍼지도록 한다. 여기서, 압력롤러(104)의 돌기(105)는 탄소섬유 다발(10)이 일방향으로만 배열되도록 강제하는 역할을 한다. 다음, 돌기(105)가 형성된 압력롤러(104)를 통과한 섬유 다발(10)은 수개의 압착 압력롤러(106)를 연속적으로 통과함에 따라 더욱 넓게 퍼지면서 소정의 얇은 두께를 갖는 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)가 된다.
다음, 별도의 전송 롤러(108)에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)의 상부에 불연속 탄소섬유 웹(30)이 배치되고, 니들 펀칭장치(110)의 니들(120)은 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)와 불연속 탄소섬유 웹(30)을 수직방향으로 상호 결속시킨다. 예를 들면, 도 3a에 나타낸 바와 같이 니들(120)은 여러 개의 미늘(barb)(121)이 하향 경사지도록 돌출되고, 펀칭시에는 불연속 탄소섬유 웹(30) 내의 탄소섬유를 아래층에 위치한 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20) 내로 침투 및 보강시키며, 피드백시에는 탄소섬유 다발의 집합체(20) 또는 웹(30)에 전혀 걸림이 없이 복귀되도록 형성할 수 있다. 이러한 니들(120)의 펀칭동작에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)와 불연속 탄소섬유 웹(30)은 견고하게 결속되며, 이에 따라 도 3b에 나타낸 바와 같은, 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)와 불연속 탄소섬유 웹(30)이 상호 접합된 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)이 형성된다.
도 4a는 본 발명에 적용되는 탄소프리폼 제조 방법의, 상기 (b) 단계에서의 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하기 위한 장치의 개략 구성도이다. 여기서, 제 2 강화 탄소섬유 직물은 니들 펀칭에 의해 두개의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)을 상호 접합시켜 불연속 탄소섬유 웹(30)이 제 2 강화 탄소섬유 직물의 양쪽 표면을 형성하도록 형성한 것이다.
도 4a를 참조하여, 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 (a) 단계에서 제조된 제 1 강화 탄소섬유 직물(40) 두개를 각각의 전송롤러(202)를 통해 전송하여 돌기(205)가 형성된 압력롤러(204)를 통과하도록 한다. 이 때, 두 개의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)은 각각의 연속 탄소섬유 다발의 집합체(20)가 서로 대향하는 상태가 되도록 배치함으로써, 압력롤러(204)를 통과한 후에는 도 4b와 같은 구조의 직물이 형성된다. 여기서, 압력롤러(204)의 돌기(205)는 각각의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)이 장치의 벨트를 일탈하지 않고 일방향으로만 배열되도록 강제하는 역할을 한다. 다음, 돌기(205)가 형성된 압력롤러(204)를 통과한 서로 적층된 두개의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)은 압착 압력롤러(206)를 통과함에 따라 더욱 넓게 퍼지면서 소정의 두께를 갖게 되고, 최종적으로 니들 펀칭장치(208)의 니들 펀칭 동작에 의해 두 개의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)은 견고하게 결속되며, 이에 따라 도 4b에 나타낸 바와 같은, 불연속 탄소섬유 웹(30)이 양쪽 표면을 형성하고, 두개의 제 1 강화 탄소섬유 직물(40)이 상호 접합된 제 2 강화 탄소섬유 직물(50)이 형성된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 적용되는 탄소프리폼 제조 방법의, 상기 (c) 단계에서의 제 3 강화 탄소섬유 직물과 상기 (d) 단계에서의 제 4 강화 탄소섬 유 직물을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명에 적용되는 탄소프리폼 제조 방법의 상기 (e) 단계 내지 (g) 단계에 의해 탄소프리폼 모재를 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 제 3 강화 탄소섬유 직물(60)을 형성하기 위해, 공지의 커팅 장치를 이용하여 제 2 강화 탄소섬유 직물(50)을 사다리꼴 형상으로 절단한다.
다음, 도 5b를 참조하면, 두개의 제 3 강화 탄소섬유 직물(60)의 각 장변을 서로 맞대어 육각형 형상의 제 4 강화 탄소섬유 직물(70)을 형성한다.
다음, 도 6을 참조하면, 제 4 강화 탄소섬유 직물(70)의 상부에, 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계와 동일한 과정에 의해 형성한 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물(71)을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시킨다. 마찬가지로, 제 4 강화 탄소섬유 직물(71)의 상부에, 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계와 동일한 과정에 의해 형성한 또 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물(72)을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시켜, 최종적으로 탄소프리폼 모재(80)를 형성한다. 상술한 바와 같이, 본 발명인 탄소프리폼 제조 방법에서는 탄소프리폼 모재(80)를 구성하는 각각의 제 4 강화 탄소섬유 직물(70, 71, 72)이 각각 60°만큼 엇갈린 상태로 적층되므로, 탄소섬유 다발의 집합체가 일방향으로만 배열된 경우와 비교하여, 기계적 강도가 더욱 높아진다.
또한 도 6에서는, 설명의 편의를 위해 탄소프리폼 모재(80)가 세개의 제 4 강화 탄소섬유 직물(70, 71, 72)의 적층 및 결합에 의해 구성되는 것으로 나타내었 지만, 실제의 생산에 있어서는, 도 6에 나타낸 탄소프리폼 모재(80)를 수개 적층한 후 니들 펀칭하는 방법에 의해, 프리폼이 요구하는 수치만큼 탄소프리폼 모재(80)의 두께를 증가시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 적용되는 탄소프리폼 제조 방법의, 상기 (h) 단계에서의 탄소프리폼을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이 공지의 커팅 장치(미도시)를 통해 탄소프리폼 모재(80)를 절단하는 방법으로 원하는 형상의 탄소프리폼(90)을 얻을 수 있다.
탄소프리폼(90)은 탄소복합재의 제조를 위한 필수 구성요소로서, 여러 가지 형상을 채택할 수 있다. 본 실시예에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이 탄소프리폼(90)이 도너츠 형상으로 구성되는 것으로 나타내었지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 발명에 의해 제조되는 탄소프리폼이 반드시 이러한 형상만으로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명에 적용되는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법의, 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하기 위한 장치의 개략 구성도.
도 3a은 도 2의 상기 장치에 적용되는 니들의 구성을 나타낸 측면도.
도 3b는 제 1 강화 탄소섬유 직물의 구성을 나타낸 측면도.
도 4a는 본 발명에 적용되는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법의, 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하기 위한 장치의 개략 구성도.
도 4b는 제 2 강화 탄소섬유 직물을 구성을 나타낸 측면도.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 적용되는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법의, 제 3 강화 탄소섬유 직물과 제 4 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법의, 탄소프리폼 모재를 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법의, 탄소프리폼을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 섬유 다발 20: 연속 탄소섬유 다발의 집합체
30: 불연속 탄소섬유 웹 40: 제 1 강화 탄소섬유 직물
50: 제 2 강화 탄소섬유 직물 60: 제 3 강화 탄소섬유 직물
70: 제 4 강화 탄소섬유 직물 80: 탄소프리폼 모재
90: 탄소프리폼 102: 섬유분리장치
104: 돌기 압력롤러 106: 압착 압력롤러
108: 전송 롤러 110: 니들펀칭장치
120: 니들 202: 전송 롤러
204: 돌기 압력롤러 206: 압착 압력롤러
208: 니들펀칭장치
Claims (3)
- 탄소프리폼을 제조하는 방법으로서,(a) 니들 펀칭에 의해 연속 탄소섬유 다발의 집합체와 불연속 탄소섬유 웹을 상호 접합시켜 제 1 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;(b) 니들 펀칭에 의해 복수의 제 1 강화 탄소섬유 직물을 상호 접합시켜 제 2 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;(c) 커팅 장치에 의해 상기 제 2 강화 탄소섬유 직물을 사다리꼴 형상으로 절단하여 제 3 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;(d) 상기 제 3 강화 탄소섬유 직물 두개를 서로 맞대어 육각형 형상의 제 4 강화 탄소섬유 직물을 형성하는 단계;(e) 상기 제 4 강화 탄소섬유 직물을 복수의 갯수 적층시켜 탄소프리폼 모재를 형성하는 단계; 및(f) 상기 탄소프리폼 모재로부터 원하는 형상의 탄소프리폼을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (e) 단계는,(e-1) 상기 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계; 및(e-2) 상기 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물의 상부에, 또 다른 제 4 강화 탄소섬유 직물을 60°엇갈린 각도로 배치하고 니들 펀칭에 의해 접합시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 (e) 단계는, 상기 (e-2) 단계 후에,(e-3) 원하는 두께의 탄소프리폼 모재가 형성될 때까지 상기 (e-1) 단계 내지 상기 (e-2) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니들펀칭 공법을 이용한 탄소프리폼 제조 방법.
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