KR101539970B1 - 밀도가 균일한 3d 프리폼 및 그 3d 프리폼으로 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법 - Google Patents

밀도가 균일한 3d 프리폼 및 그 3d 프리폼으로 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법은,
서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1단계; 상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제2단계; 상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제3단계; 상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제4단계; 상기 일방향탄소직물을 적층하는 제5단계; 및 상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

밀도가 균일한 3D 프리폼 및 그 3D 프리폼으로 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법{METHOD FOR MAKING 3D PREFORM HAVING UNIFORM DENSITY AND METHOD FOR MAKING AIRCRAFT BRAKE DISC HAVING THE 3D PREFORM}
본 발명은 항공기 브레이크 디스크에 관한 것이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국 등록특허(10-0447840)에 개시되어 있다.
항공기 착륙시, 항공기 브레이크 디스크는, 그 온도가 1000℃ 이상으로 상승한다. 이러한 고온에서 마찰력이나 기계적 강도가 떨어지지 않도록, 항공기 브레이크 디스크는 탄소-탄소 복합재(carbon-carbon composite)로 만들어진다.
항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법은 다음과 같다.
내열성 섬유로 만든 일방향탄소직물을 적층하되, 적층시 일방향탄소직물 사이 사이에 내열성 섬유로 만든 웹탄소직물을 삽입한다.
적층된 일방향탄소직물과 웹탄소직물을 니들펀칭한다. 니들이 웹탄소직물의 내열성 섬유(이하 "스테이플 섬유"라 칭한다)를 Z방향으로 끌고 내려가, 일방향탄소직물들을 Z방향으로 결속시킨다. 그러면, 항공기 브레이크 디스크용 3D 프리폼이 만들어진다. (이하, "3D 프리폼"이라 약칭한다)
화학기상증착방법으로 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시켜, 프리폼의 밀도를 1.7g/㎤까지 끌어올린다. 밀도화가 끝나면, 열처리, 형상가공, 내산화코팅하여 항공기 브레이크 디스크를 완성한다.
한편, 항공기 브레이크 디스크가 우수한 마찰력 및 기계적 강도를 가지려면, 3D 프리폼의 밀도부터 X,Y,Z 방향으로 균일해야 한다. 왜냐하면, 프리폼의 밀도가 X,Y,Z 방향으로 균일하지 않으면, 밀도화시 3D 프리폼에 탄소성분이 X,Y,Z 방향으로 균일하게 증착되지 못해, 항공기 브레이크 디스크의 마찰력이 균일하지 못하게 되고, 기계적 강도가 떨어지기 때문이다.
이렇게 3D 프리폼의 밀도가 X,Y,Z 방향으로 균일하려면, X,Y,Z 방향으로 섬유의 개수가 동일하면 된다.
그러나, 내열성섬유가 무작위로 분포된 웹탄소직물이 일방향탄소직물 사이 사이에 적층된 관계로, X,Y방향으로 섬유의 개수를 동일하게 맞추기 어렵다. 또한, 니들이 일방향탄소직물의 섬유를 지나갈 경우, 스테이플 섬유 뿐만 아니라 일방향탄소직물도 끊어져 Z방향으로 끌려 내려갈 수 있어, 스테이플 섬유의 개수를 조절하는 방식으로써 Z방향 섬유의 개수를 맞추기도 어려웠다.
본 발명의 목적은, 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법 및 이러한 3D 프리폼으로 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법은,
서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1단계;
상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제2단계;
상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제3단계;
상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제4단계;
상기 일방향탄소직물을 적층하는 제5단계; 및
상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1-1단계와, 상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제1-2단계와, 상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제1-3단계와, 상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제1-4단계와, 상기 일방향탄소직물을 적층하는 제1-5단계와, 상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제1-6단계로 구성된 3D 프리폼을 만드는 제1단계;
상기 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시키는 제2단계; 및
상기 탄소성분이 증착된 3D 프리폼을 열처리, 형상가공, 내산화코팅하는 제3단계;를 포함하는 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
본 발명을 사용하면, 3D 프리폼의 밀도가 균일해져, 밀도화시 3D 프리폼에 탄소성분이 균일하게 증착된다. 이로 인해, 항공기 브레이크 디스크의 마찰력이 균일해지고, 기계적 강도가 우수해진다.
또한, 본 발명을 사용하면, 적층된 일방향탄소직물들 사이 사이에 웹탄소직물을 적층할 필요가 없어, 3D 프리폼을 만드는 과정이 단순해진다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는, 서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 2에 도시된 섬유덩어리에서 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 서로 끊어진 내열성 섬유가 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 3에 도시된 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 만든 단위실을 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 4에 도시된 단위실로 만든 일방향탄소직물을 나타낸 도면이다.
도 6은, 니들펀칭 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 6(a)는, 일방향탄소직물을 적층한 상태를 나타낸 도면이고, 도 6(b)는, 일방향탄소직물을 니들이 관통하는 상태를 나타낸 도면이고, 도 6(c)는 니들이 관통한 부분의 내열성 섬유가 서로 얽힌 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은, 적층된 일방향탄소직물의 일 부분을 확대한 도면으로, 도 7(a)는 X,Y방향으로 배열된 내열성 섬유를 나타낸 도면이고, 도 7(b)이 니들이 관통한 후, X,Y방향으로 배열된 내열성 섬유가 끌려내려가 Z방향으로 배열된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법을 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법은,
서로 분리된 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1단계(S11);
상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 분리된 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제2단계(S12);
상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제3단계(S13);
상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제4단계(S14);
상기 일방향탄소직물을 적층하는 제5단계(S15); 및
상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제6단계(S16);로 구성된다.
제1단계(S11)를 설명한다.
도 2는, 서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 끊어진 내열성 섬유(CF)를 뭉쳐서 섬유덩어리를 만든다. 내열성 섬유의 종류는 탄소 섬유이다. 내열성 섬유가 서로 끊어진 상태이므로, 단단하고 부러지기 쉬운 탄소 섬유도 니들펀치시 스테이플 섬유로 사용될 수 있다.
제2단계(S12)를 설명한다.
도 3은, 도 2에 도시된 섬유덩어리에서 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 서로 끊어진 내열성 섬유가 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 상태를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 실선화살표는 내열성 섬유를 잡아당기는 상태를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 섬유덩어리에서 어느 하나의 내열성 섬유를 잡고 천천히 잡아당기면, 마치 누에고치에서 실이 뽑히듯이, 서로 끊어진 내열성 섬유가 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑힌다.
여기서, 서로 끊어진 내열성 섬유의 길이는 평균 8~10cm인 것이 바람직하다. 내열성 섬유의 길이가 평균보다 짧거나 길면, 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 끊어진 내열성 섬유를 서로 연결된 상태로 길게 뽑기 어렵기 때문이다.
제3단계(S13)를 설명한다.
도 4는, 도 3에 도시된 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 만든 단위실을 나타낸 도면이다.
마찰력 또는 정전기력으로 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어, 도 4에 도시된 바와 같은 단위실(UT)을 만든다. 내열성 섬유들이 마찰력 또는 정전기력으로 연결되어 있기 때문에 조금만 힘을 주어도 원하는 위치에서 일정한 길이로 끊을 수 있다. 단위실(UT)의 길이는 30~60cm이다. 그 이유는, 항공기 브레이크 디스크의 직경이 30~60cm 이므로, 단위실(UT)의 길이가 이보다 짧으면 항공기 브레이크 디스크용 프리폼을 만들기 어렵고, 단위실(UT)의 길이가 이보다 길면 단위실(UT)의 낭비가 발생하기 때문이다.
제4단계(S14)를 설명한다.
도 5는, 도 4에 도시된 단위실로 만든 일방향탄소직물을 나타낸 도면이다.
단위실(UT)들을 세로방향으로 일정간격을 두고 가로방향으로 놓고 배열한다. 단위실(UF)이 흩어지지 않도록, 내열성 섬유(CF)로 단위실(UT)을 세로방향으로 군데군데 묶어준다. 그러면, 일방향탄소직물(UF)이 만들어진다.
제5단계(S15)를 설명한다.
도 6은, 니들펀칭 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 6(a)는, 일방향탄소직물을 적층한 상태를 나타낸 도면이고, 도 6(b)는, 일방향탄소직물을 니들이 관통하는 상태를 나타낸 도면이고, 도 6(c)는 니들이 관통한 부분의 내열성 섬유가 서로 얽힌 상태를 나타낸 도면이다. 도 6(b)와 도 6(c)에 도시된 직선화살표는 니들의 이동방향을 나타낸다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 일방향탄소직물(UF)를 적층한다. X,Y 방향으로 밀도가 균일해 지도록, 일방향탄소직물(UF)를 0°±90°로 각도를 주어 적층한다.
제6단계(S16)를 설명한다.
도 6(b),(c)에 도시된 바와 같이, 니들펀칭기(미도시)에 장착된 니들(N)을 상승 또는 하강시키면서 적층된 일방향탄소직물(UF)를 니들펀칭한다. 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 니들(N)이 내려갈 때, 니들(N)의 외주면에 형성된 가시(B)가 내열성 섬유(CF)를 Z방향으로 끌고 내려간다. 끌려 내려간 내열성 섬유(CF)는 적층된 일방향탄소직물(UF)를 Z방향으로 결속시킨다.
도 7은, 적층된 일방향탄소직물의 일 부분을 확대한 도면으로, 도 7(a)는 X,Y방향으로 배열된 내열성 섬유를 나타낸 도면이고, 도 7(b)이 니들이 관통한 후, X,Y방향으로 배열된 내열성 섬유가 끌려내려가 Z방향으로 배열된 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 3D 프리폼의 밀도가 균일해지는 원리를 설명한다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, X방향으로 내열성 섬유(CFx)가 3개 배열되고 가정하고, Y방향으로 내열성 섬유(CFy)가 3개 배열된다고 가정한다.
도 7(a)에 도시된 X방향 내열성 섬유(CFx)와 Y방향 내열성 섬유(CFy)가 교차하는 부분(P)에 니들(N)이 지나간다. 그러면, X방향으로 배열된 내열성 섬유(CFx) 3개 중 1개와, Y방향으로 배열된 내열성 섬유(CFy) 3개 중 1개가 Z방향으로 끌려 내려간다. 내열성 섬유(CFx, CFy)들이 마찰력 또는 정전기력으로 약하게 연결된 상태이므로, 내열성 섬유(CFx) 1개와 내열성 섬유(CFy) 1개는 Z방향으로 쉽게 끌려내려갈 수 있다.
그러면, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, X방향으로 2개의 내열성 섬유(CFx)가 배열되고, Y방향으로 2개의 내열성 섬유(CFy)이 배열된다. 그리고, Z방향으로 X방향으로 배열된 내열성 섬유(CFx)에서 끌려 내려간 내열성 섬유(CFx) 1개와, Y방향으로 배열된 내열성 섬유(CFy)에서 끌려 내려간 내열성 섬유(CFy) 1개가 배열된다.
이로 인해, X,Y,Z 방향으로 내열성 섬유의 개수가 2개씩 동일해 진다. 이렇게, 내열성 섬유의 개수를 동일하게 만드는 방식으로 3D 프리폼의 밀도를 균일하게 맞출 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀도가 균일한 3D 프리폼으로 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법을 상세히 설명한다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1-1단계와, 상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제1-2단계와, 상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제1-3단계와, 상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제1-4단계와, 상기 일방향탄소직물을 적층하는 제1-5단계와, 상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제1-6단계로 구성된 3D 프리폼을 만드는 제1단계(S21);
상기 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시키는 제2단계(S22); 및
상기 탄소성분이 증착된 3D 프리폼을 열처리, 형상가공, 내산화코팅하는 제3단계(S23);로 구성된다.
제1단계(S21)에서 3D 프리폼을 만드는 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따른 균일한 밀도를 가진 프리폼을 만드는 방법과 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
제2단계(S22)를 설명한다.
열구배 화학기상증착방법 또는 액상함침방법 또는 열구배 화학기상증착방법 및 액상함침방법을 혼합하여, 3D 프리폼을 밀도화시킨다.
[열구배 화학기상증착방법]
3D 프리폼의 중심부 구멍에 전극봉을 삽입한다. 전극봉은 흑연으로 만들어진다. 전극봉의 외경은 3D 프리폼의 중심부의 내경보다 O.2∼O.5mm 작다. 전극봉이 3D 프리폼에 열을 가한다. 3D 프리폼의 중심부에서 바깥쪽으로 열이 전달되면, 3D 프리폼에 열구배가 형성된다. 3D 프리폼 중심부의 온도가 700℃ 이상 되면 메탄 또는 프로판 같은 반응가스를 흘려보낸다. 반응가스가 열분해된다. 반응가스의 탄소성분이 3D 프리폼의 중심부에서 바깥쪽으로 증착된다. 반응가스의 농도는 10∼l00%, 반응압력은 10∼1,000torr가 바람직하다. 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시켜 3D 프리폼의 밀도를 X,Y,Z방향으로 균일하게 최종 1.7g/㎤까지 증가시킨다.
[액상함침방법]
액상함침방법은 3D 프리폼에 피치나 페놀 같은 수지를 함침하고 탄화하는 것을 수차례 반복하여 프리폼에 탄소성분을 증착한다. 액상함침방법은 불활성분위기, 대기압 이하의 압력, 700∼1000℃ 에서 이루어진다. 액상함침방법은 고온열처리에 의해 매트릭스를 흑연구조로 용이하게 전환할 수 있다.
3D 프리폼에 탄소성분을 증착시켜 3D 프리폼의 밀도를 X,Y,Z방향으로 균일하게 최종 1.7g/㎤까지 증가시킨다.
[열구배 화학기상증착방법 및 액상함침방법 혼합]
열구배 화학기상증착방법으로 3D 프리폼에 반응가스를 증착시켜 3D 프리폼의 밀도를 X,Y,Z방향으로 균일하게 1.55∼l.65g/㎤로 증가시킨다. 그런 다음, 액상함침방법으로 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시켜 3D 프리폼의 밀도를 X,Y,Z방향으로 균일하게 최종 1.70g/㎤로 증가시킨다.
제3단계(S23)를 설명한다.
밀도화가 완료된 3D 프리폼이 항공기 브레이크 디스크로서 적당한 마찰 특성, 열적 특성 및 기계적 특성을 가지도록, 밀도화가 완료된 3D 프리폼을 l,500℃ ∼ 2,800℃에서 열처리한다.
최종 열처리된 3D 프리폼이 항공기 브레이크 디스크 형상을 가지도록, 최종 열처리된 3D 프리폼을 기계가공한다.
항공기 브레이크 디스크의 내구성 및 산화방지를 위하여, 기계가공된 3D 프리폼의 표면에 내산화 코팅을 수행한다.
내산화코팅액으로, B, BN, H3PO4,(Mn(H3PO4)22H2O), KOH, SiO2, NH3 이 포함된 화합물이 사용된다.

Claims (8)

  1. 서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1단계;
    상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제2단계;
    상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제3단계;
    상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제4단계;
    상기 일방향탄소직물을 적층하는 제5단계; 및
    상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 내열성 섬유는 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 밀도가 균일한 3D 프리폼을 만드는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 서로 끊어진 내열성 섬유들이 뭉쳐진 섬유덩어리를 준비하는 제1-1단계와, 상기 섬유덩어리로부터 어느 하나의 내열성 섬유를 잡아당겨, 상기 서로 끊어진 내열성 섬유들이 상호 마찰력 또는 정전기력에 의해 서로 연결된 상태로 길게 뽑히는 제1-2단계와, 상기 길게 연결된 내열성 섬유들을 일정한 길이로 끊어서 단위실을 만드는 제1-3단계와, 상기 단위실로 일방향탄소직물을 만드는 제1-4단계와, 상기 일방향탄소직물을 적층하는 제1-5단계와, 상기 적층된 일방향탄소직물을 니들펀칭하는 제1-6단계로 구성된 3D 프리폼을 만드는 제1단계;
    상기 3D 프리폼에 탄소성분을 증착시키는 제2단계; 및
    상기 탄소성분이 증착된 3D 프리폼을 열처리, 형상가공, 내산화코팅하는 제3단계;를 포함하며,
    상기 내열성 섬유는 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 항공기 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  8. 삭제
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