KR101590308B1 - 저마찰 고분자 섬유가 스티칭된 미끄럼 베어링용 복합재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 저마찰 열가소성 고분자 섬유가 스티칭된 복합재는 상기 복합재의 스티칭 밀도는 두께 방향을 따라 마찰면으로부터 멀어질수록 점점 낮아지는 형태로 밀도의 구배가 존재하며, 이를 통해 연속섬유강화 복합재료 베어링의 층간 계면전단강도를 향상하고, 베어링 내면에 위치하여 마찰 마모 특성을 향상하게 한다.
본 발명에 따른 미끄럼 베어링용 복합재는 스티칭 밀도 및 스티칭 섬유 굵기와 같이 적정 범위의 스티칭 공정변수에 근거하여 저마찰 열가소성 고분자 섬유를 복합재료의 두께 방향으로 보강함으로써 인장 및 압축 물성의 저하 없이 층간 계면전단강도를 향상시킬 수 있다.

Description

저마찰 고분자 섬유가 스티칭된 미끄럼 베어링용 복합재 및 그 제조 방법{Polymer fiber stitched composite material for sliding bearings and manufacturing methods thereof}

본 발명은 저마찰 고분자 섬유가 스티칭된 미끄럼 베어링용 복합재에 관한 것으로서, 연속된 저마찰 열가소성 고분자 섬유의 일부는 두께 방향을 따른 스티칭을 통해 층간 계면전단강도를 향상시키고, 고분자 섬유의 다른 일부는 베어링 내면에 위치하여 마찰 마모 특성을 향상시키게 하는 기술에 관한 것이다.

저널 베어링(Journal bearing)은 주축(Main shaft)의 자중 뿐만 아니라 주축의 토크(Torque)에 의해 전달되는 전단력을 지지함과 동시에 마찰면에서 발생하는 연삭 입자(Abrasive particles)로부터 주축을 보호해야 한다. 화이트 메탈은 이러한 하중 지지능력과 다른 금속에 비해 상대적으로 낮은 표면 경도(Surface hardness)로 인한 외부입자의 함입성(Embeddability)이 뛰어나기 때문에 저널 베어링에 널리 사용되어 왔다. 그러나, 135~140℃ 정도의 낮은 융점을 가지기 때문에 주축과의 직접적인 마찰이 발생할 경우 베어링 표면에 주축이 융착되는 문제점을 지니고 있다.

이를 극복하기 위해 섬유강화고분자 복합재료가 대체 재료로 많이 연구되어왔다. 그 중에서도 기계적인 강도가 뛰어난 연속섬유강화 복합재료(Continuous fiber reinforced composites)는 전단응력에 의한 층간 박리(Delamination)에 취약하기 때문에 복합재료의 층간 계면전단강도 향상 및 표면 마찰계수를 낮추기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

복합재료의 마찰계수를 낮추기 위해서는 MOS₂, PEEK, Carbon black과 같은 저마찰 나노 입자를 표면에 분산시키는 방법이 있지만, 이러한 방법은 나노 입자의 넓은 비표면적에 따른 정전기적 인력에 의해 응집되는 현상에 따른 분산 문제를 가지고 있다. 또한, 마찰이 일어날 경우 기지재(Matrix)로부터 분리되어 나온 나노 입자가 마모 잔해로 작용하여 연삭 마모(Abrasive wear)를 촉진시킬 수 있다.

이러한 현상은 복합재료의 표면에 요철을 형성하여 마모입자를 수용할 수 있는 공간을 제공함으로써 마찰계수를 낮출 수 있지만 별도의 정밀 가공된 요철 금형이 필요하다.

복합재료 층간의 계면전단강도를 향상시키기 위한 방법들로는 복합재료 두께 방향으로 섬유를 보강하여 층들 사이를 물리적으로 결합시키는 브레이딩(Braiding), 위빙(Weaving), 또는 스티칭(Stitching)과 같은 다양한 방법들이 있다. 이는 층들 사이를 물리적으로 결합시킴으로써 층간 계면전단강도(Interlaminar shear strength; ILSS)를 향상시키는 방법이다. 한편, 3차원 직조에 의하여 형성되는 브레이딩 방법이나 위빙 공정은 제조할 수 있는 크기가 제한되고 제조 시간이 매우 길기 때문에 제품 생산성이 매우 낮은 공법이다. 반면, 스티칭 기술은 적층된 여러 장의 복합재료를 두께 방향의 바늘 관통에 의하여 결속시키는 방법으로 복합재료의 크기에 크게 제한받지 않으며, 자동화 시스템으로 인해 생산성이 매우 높은 장점이 있다.

그러나, 종래의 스티칭 기술에는 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유들이 주로 사용되는데, 이들은 매우 높은 강성으로 인해 수축을 거의 하지 않기 때문에, 복합재료 내부에 보강재로 사용된 연속 섬유들과 충분히 압밀(Consolidation)되지 못하고 수지 과다 지역이 형성될 수 있는 빈 공간을 형성한다. 또한, 일방향으로 정렬된 복합재료 내 보강재 섬유들의 배열에 영향을 줌으로써 복합재료 두께 방향 또는 면내 방향 휨 현상을 초래한다. 또한, 스티칭 밀도 및 스티칭 섬유 굵기와 같은 적정 스티칭 공정 변수가 고려되지 않을 경우에는, 수지 과다 지역 및 섬유의 휨 현상이 가중될 수 있고, 이는 복합재료의 물성을 현저히 저하시킬 수 있다. 또한, 마찰이 발생할 경우에, 복합재료로부터 떨어져 나간 높은 강도와 강성을 갖는 스티칭 섬유 조각이 산화되어 마찰면에서의 연삭입자가 될 경우, 복합재료의 마찰 마모 특성을 현저히 저하시킬 수 있다.

프리 프레그를 사용한 3축 보강 복합재료 제조 방법에 관한 기술을 제시하는 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-0630427호(2006.10.02)를 참조할 수 있다. 상기 발명은 임의의 두께로 적층된 프리프레그 테이프들 사이에 형성된 다수의 수직 공간마다 스티칭 섬유를 삽입하는 방식을 통해 두께 방향의 섬유가 관통될 수 있는 프리프레그 적층구조 및 배열된 프리프레그 간의 일정한 간격을 유지하며, 균일한 간격의 두께 방향 섬유를 관통하는 복합재료 제조방법에 관한 기술을 개시하지만, 복합재료 베어링의 층간 계면전단강도의 향상 및 베어링 내면의 마찰 마모 특성 향상을 구성을 제공하는 데에는 한계가 있다.

(특허문헌 1) KR10-0630427 B

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 기존의 스티칭 섬유에 비해 강성이 낮고 준수한 강도를 가지는 연속된 저마찰 열가소성 고분자 섬유 중 일부는 두께 방향을 따른 스티칭을 통하여 연속섬유강화 복합재료 베어링의 층간 계면전단강도를 향상시키고, 다른 일부는 베어링 내면에 위치하여 마찰 마모 특성을 향상시키게 하며, 이를 위해 스티칭으로 인한 인장 및 압축 물성의 저하를 억제할 수 있도록 스티칭 밀도와 스티칭 섬유의 굵기와 같은 스티칭 공정 변수 및 미끄러짐 방향에 대한 스티칭 라인 배열, 스티칭 라인 패턴을 갖는 미끄럼 베어링용 복합재를 제공한다.

또한, 마찰면에 가까울수록 스티칭 밀도를 증가시켜 층간 계면전단강도를 향상시키고 마찰계수를 낮출 수 있으며, 반대로 마찰면으로부터 멀어질수록 스티칭 밀도를 감소시켜 복합재료면 내부 방향으로 물성에 대한 스티칭 섬유의 영향을 최소화할 수 있는 배열을 갖게 하는 두께 방향에 따라 스티칭 밀도 구배를 갖는 복합재료 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 복합재료 프리프레그에 상기 스티칭 조건을 적용하여 핫 프레스 공법 또는 오토클레이브 공법을 통해 미끄럼 베어링을 제조할 수 있고, 복합재료 직물에다 상기와 동일한 조건으로 스티칭하여 수지를 RTM, RIM과 같은 방식으로 함침시켜 미끄럼 베어링을 제조할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따른 저마찰 열가소성 고분자 섬유가 스티칭된 복합재는 상기 복합재의 스티칭 밀도는 두께 방향을 따라 마찰면으로부터 멀어질수록 점점 낮아지는 형태로 밀도의 구배가 존재하며, 이를 통해 연속섬유강화 복합재료 베어링의 층간 계면전단강도를 향상하고, 베어링 내면에 위치하여 마찰 마모 특성을 향상하게 한다.

상기 스티칭 밀도는 0.03 ㎟ 이상 0.07 ㎟ 이하이다.

스티칭 피치 거리는 3 mm 이상 10 mm 이하이다.

스티칭 라인 간격은 3 mm 이상 10 mm 이하이다.

상기 복합재는, 미끄러짐 방향에 대해 평행하게 배열된 스티칭 섬유 라인을 가지며, 상기 스티칭 섬유 라인은 교차로 배열된다.

스티칭 섬유의 굵기는 180 데니어 이상 300 데니어 이하이다.

상기 고분자 섬유는 탄소 섬유와 고분자 수지로 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따른 저마찰 열가소성 고분자 섬유가 스티칭된 복합재를 이용한 미끄럼 베어링의 제조방법은, 원형 맨드럴을 준비하는 단계; 상기 맨드럴 원주의 복수배에 해당하는 제1 길이를 갖는 제1 복합재 프리프레그 한쌍을 기설정된 스티칭 피치 거리와 라인 간격으로 스티칭하는 단계; 상기 제1 길이보다 작은 제2 길이를 갖는 제2 복합재 프리프레그 한쌍을 상기 기설정된 스티칭 피치 거리와 라인 간격으로 스티칭하는 단계; 및 상기 다단으로 적층된 복합재 프리프레그를 상기 원형 맨드럴 외면에 감는 단계;를 포함하며, 이를 통해 상기 다단 적층된 복합재 프리프레그는 그 두께 방향을 따라 마찰면으로부터 멀어질수록 점점 낮아지는 형태로 밀도 구배가 형성된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 미끄럼 베어링용 복합재는 스티칭 밀도 및 스티칭 섬유 굵기와 같이 적정 범위의 스티칭 공정변수에 근거하여 저마찰 열가소성 고분자 섬유를 복합재료의 두께 방향으로 보강함으로써 인장 및 압축 물성의 저하 없이 층간 계면전단강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 저마찰 열가소성 고분자 섬유 스티칭 라인을 미끄러짐 방향에 대해 평행하게 배열시킴으로써 복합재료의 마찰 계수를 획기적으로 낮출 수 있다.

또한, 본 발명은 저마찰 열가소성 고분자 섬유 스티칭 라인을 미끄러짐 방향에 대해 평행하게 유지하면서, 교차로 배열시키기 때문에 복합재료를 균일하게 압착시킬 수 있고 또한 마찰계수를 획기적으로 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 두께 방향에 따라 스티칭 밀도 구배가 존재하도록 한층씩 스티칭을 진행하기 때문에, 복합재료의 층간 계면전단강도, 인장 및 압축의 물성을 감소시킬 수 있는 문제점들을 최소화할 수 있다.

도 1은 라미나의 다양한 섬유 직조 형태, 적층 각도 및 적층 두께를 보이고,
도 2는 다양한 스티칭 공법을 보이고,
도 3은 스티칭 피치 거리와 스티칭 라인 간격을 통한 스티칭 밀도를 보이고,
도 4는 응력 집중을 야기하여 복합재료의 물성을 저하하는 예시를 보이고,
도 5는 미끄러짐 방향에 대한 스티칭 라인 배열의 평면도를 도식화하고,
도 6은 스티칭 라인 패턴의 평면도이고,
도 7 내지 도 9는 복합재료의 스티칭 공정을 나타내며,
도 10 내지 도 14는 미끄럼 베어링의 제조방법을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 저마찰 고분자 섬유가 스티칭된 미끄럼 베어링용 복합재는 연속된 저마찰 고분자 섬유 중의 일부는 베어링의 두께 방향으로 스티칭하여 층들 간의 결합력을 강화시키고, 동시에 다른 일부는 베어링 내면에 일정한 스티칭 밀도를 갖고 미끄러짐 방향에 평행하도록 배열시켜 윤활특성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 저마찰 고분자 섬유가 스티칭된 복합재의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명의 스티칭된 복합재는 여러 종류의 섬유와 여러 종류의 고분자 수지로 구성된 복합재료를 사용하여 제작할 수 있다. 고분자 수지로는 열경화성 또는 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소(또는 흑연(Graphite)) 섬유와 고분자 수지(페놀 수지, 에폭시 수지, PEEK, 폴리아미드 등등)로 구성된 탄소섬유 고분자 수지 복합재료, 유리섬유와 에폭시 수지로 구성된 유리섬유/에폭시 복합재료, 유리섬유와 폴리에스터 수지로 구성된 유리섬유 폴리에스터 복합재료 등이 적용될 수 있다.

본 발명은 상기 복합재료 중에서 탄소 섬유와 고분자 수지로 구성된 탄소섬유 고분자 수지 복합재료를 사용하는 것이 가장 바람직할 수 있다. 이러한 탄소섬유 고분자 수지 복합재료는 마찰계수가 낮고 윤활특성이 우수한 탄소섬유를 함유하고 있기 때문에, 큰 전단력이 가해지는 분야에 적용될 경우 뛰어난 마찰 마모 특성을 나타낼 수 있다.

뿐만 아니라, 탄소 섬유는 범용하는 다른 섬유들에 비해 상대적으로 높은 열전도율로 인해 마찰열을 외부로 전달하는 속도가 매우 빠르다. 따라서 복합재료 내 기지재의 열화 및 탄소 섬유의 물성 감소를 최소화할 수 있다.

도 1 에 도시되어 있듯이 본 발명의 복합재는 탄소섬유의 장점을 부각시키고 기지재가 갖는 높은 마찰계수의 단점을 보완하기 위하여, 적용되는 환경에 따라 라미나의 다양한 섬유 직조 형태(평직, 능직, 주자직), 적층 각도(0, ±30°, ±45°, ±60°, 90°) 및 적층 두께를 결정하여 구성된다.

본 발명에 사용될 수 있는 스티칭 공법은 도 2(a)의 락 스티칭(Lock stitching), 도 2(b)의 모디파이드 락 스티칭(Modified lock stitching), 또는 도 2(c)의 체인 스티칭(Chain stitching)을 채용할 수 있다.

하지만, 락 스티칭의 경우 보빈에 감긴 섬유와 바늘에 꿴 섬유를 연결시켜 주는 매듭(Knot)이 복합재료의 중앙에 형성되고, 이러한 매듭 부분에서 응력 집중(Stress concentration)이 발생할 수 있다. 또한, 다른 스티칭 공법에 비해 크게 발생하는 장력은 표면의 복합재료 섬유를 두께 방향으로 과다 압밀시켜, 응력 집중이 발생할 수 있는 수지 과다 지역을 형성시킨다.

체인 스티칭의 경우도 마찬가지로 복합재료 표면에 형성되는 체인 부분에 응력 집중이 발생할 수 있다. 상기 응력 집중은 스티칭된 복합재료의 물성을 크게 저하시킬 수 있다.

반면, 모디파이드 락 스티칭은 표면에 형성되는 매듭의 형태가 다른 스티칭 공법에 비해 단조로워 상기 문제점들을 최소화할 수 있기 때문에 본 발명에서는 모디파이드 락 스티칭이 가장 바람직할 수 있다.

스티칭에 사용되는 섬유로는 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 섬유 또는 PE(Poly Ethylene) 섬유와 같이 다른 재료에 비하여 상대적으로 낮은 마찰 계수를 갖는 열가소성 섬유가 사용될 수 있다. 상기 저마찰 열가소성 섬유는 기존 스티칭에 사용되는 섬유에 비해 낮은 강성을 갖기 때문에 성형 후 복합재료 섬유들과 빈 공간 없이 압밀되어 수지 과다 지역을 형성하지 않는다. 또한, 기존의 스티칭 섬유에 비해 낮은 경도를 갖기 때문에, 마찰 마모 과정 중 생성되는 마모 잔해들을 효과적으로 흡착시킬 수 있다. 따라서, 마모 잔해들로 인한 연삭 마모 발생이 억제되어 복합재료의 마찰 계수를 효과적으로 낮출 수 있다.

스티칭 공정 변수 중 스티칭 밀도(단위 면적 당 스티칭 수)와 스티칭 섬유의 굵기는 복합재료의 물성 향상을 위한 주요 공정 변수들이다.

스티칭 밀도(SD)는 도 3에 도시된 것과 같이 스티칭 피치 거리(Stitching pitch distance,LP)와 스티칭 라인 간격(Stitching line spacing, LS)를 이용하여 SD = 1/(LP x LS) [스티칭 수/㎟]와 같이 계산할 수 있다.

본 발명에서 구현하고자 하는 목적을 충족시키기 위해서는, 0.03~0.07 [㎟]범위로 진행되어야 인장, 압축 등의 물성저하 없이 층간 계면전단강도를 향상시킬 수 있다. 상세하게는, 스티칭 피치 거리와 스티칭 라인 간격이 각각 3~10mm범위로 진행 되어야 한다. 만약, 스티칭 피치 거리와 스티칭 라인 간격이 3 mm보다 작게 되면 단위 면적당 너무 많은 스티칭이 존재하여, 복합재료가 두께 방향으로 과다 압밀될 수 있다.

이로 인해 도 4b와 같이 응력 집중으로 인한 복합재료의 물성저하를 초래할 수 있는 수지 과다 지역이 형성될 수 있다. 또한, 과도한 스티칭으로 인해 도 4c와 같이 복합재료 섬유들의 면외 방향을 따른 휨 및 면 내부 방향으로 휨 현상이 발생할 수 있고, 이는 복합재료의 물성을 현저히 저하시킬 수 있다. 반면, 스티칭 피치 거리와 스티칭 라인 간격이 10 mm보다 크게 되면 단위 면적당 존재하는 스티칭 수가 매우 작기 때문에 복합재료를 두께 방향으로 효과적으로 결합시킬 수 없다.

스티칭 섬유의 굵기는 데니어(Denier)로 표시되는데, 이는 실 9000m의 무게(g)이다. 만약 스티칭 섬유의 굵기가 180 데니어보다 작으면 도 4a 와 같이 크림핑(Crimping)현상이 발생하게 되고, 이는 응력 집중을 야기하여 복합재료의 물성을 저하시킨다. 반면, 스티칭 섬유의 굵기가 300 데니어보다 크게 되면 도 4b, 4c와 같이 표면에 수지 과다 지역이 형성되어 응력 집중으로 인한 복합재료의 물성 저하를 가져올 수 있다. 또한 스티칭 섬유가 두께 방향으로 관통될 때 큰 마찰력을 받게 되어 도 4c와 같이 복합재료 섬유들의 면 외부 방향 휨 현상이 발생하고, 굵은 두께로 인해 복합재료 섬유들이 면 내 방향으로 밀리는 면내 방향 휨 현상을 초래한다. 면 외부 방향 또는 면 내부 방향 휨은 하중 방향에 대해 정렬되어 있는 섬유들을 흐트러뜨리고 이는 급격한 복합재료 물성 저하를 초래한다.

이러한 상기 문제점을 고려하여 본 발명에서 구현하고자 하는 목적을 충족시키기 위해서는, 180~300 데니어의 굵기를 갖는 스티칭 섬유를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 5에는 미끄러짐 방향에 대한 스티칭 라인 배열의 평면도를 도식화하였다. 일반적으로, 저마찰 열가소성 고분자 섬유는 마찰 마모 과정 중 미끄러지는 상대 면(Counterpart surface)에 대해 효율적으로 얇은 고분자 트랜스퍼 필름(Polymer transfer film)을 형성 함으로써 낮은 마찰 계수를 보인다. 만약 미끄러짐 방향에 대해 스티칭 라인이 평행하게 배열되어 있다면, 표면에 노출된 스티칭 섬유의 길이 방향으로 마찰에 의한 전단력이 가해지고, 스티칭 섬유의 횡방향 변형 없이 길이 방향으로 마모되기 때문에 효과적인 고분자 트랜스퍼 필름을 형성할 수 있다.

하지만, 스티칭 라인의 배열이 0°에서 90°로 증가함에 따라 스티칭 섬유에는 전단력보다는 굽힘력이 더 크게 작용하게 된다. 이러한 굽힘력에 의해 스티칭 섬유는 기지재로부터 박리되어 복합재료의 마모를 더욱가속화 시키고, 또한 미끄러짐 방향으로 연신되어 결국 끊어지게 된다. 따라서, 이러한 하중 조건 하에서는 효율적인 트랜스퍼 필름 형성이 어려워지고, 미끄러짐 방향에 대한 스티칭 라인의 배열이 0°에서 90°까지 증가함에 따라 마찰 계수는 급격히 증가하게 된다.

이러한 상기 문제점을 고려하여 본 발명에서 구현하고자 하는 목적을 달성 하기 위해서는, 미끄러짐 방향에 대해 평행하게 스티칭 라인을 배열시키는 것이 바람직하다.

도 6에는 두 가지 경우의 스티칭 라인 패턴의 평면도가 도시되어 있다.

도 6a와 같이 미끄러짐 방향에 대해 평행한 상태를 유지하고, 스티칭 라인이 연속적으로 배열될 경우, 스티칭 섬유의 장력에 의해 복합재료가 스티칭 라인을 따라 국부적으로 압착될 수 있고, 이로 인해 스티칭 라인이 없는 부분에 복합재료 성형 후 내부 공극(Void)과 같은 결점들이 형성될 수 있다. 복합재료 내부에 결점들이 형성되면 응력 집중 현상이 발생하게 되어 층간 계면전단강도 및 인장, 압축의 물성 감소를 초래한다.

반면, 도 6b와 같이 스티칭 라인을 교차시켜 배열하면, 복합재료를 전 부분에 대해 두께 방향으로 균일하게 압착시킬 수 있으므로 인장, 압축의 물성 저하 없이 층간 계면전단강도를 향상시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 목적을 위해서는 스티칭 라인을 교차시켜 배열하는 것이 바람직하다.

상기 스티칭된 복합재료가 저널 베어링에 적용될 경우, 주축의 토크에 의한 전단력은 주축과 직접 접촉하는 마찰면인 베어링의 내면에 집중적으로 전달되고, 상대적으로 마찰면에서 멀어질수록 가해지는 전단력의 크기는 감소한다. 이러한 하중 조건을 고려했을 때, 마찰면에 가까울수록 스티칭 밀도를 증가시켜 복합재료의 층간 계면전단강도를 향상시키고 마찰계수를 낮출 수 있으며, 반대로 마찰면으로부터 멀어질수록 스티칭 밀도를 감소시켜 복합재료 면 내부 방향 물성에 대한 스티칭 섬유의 영향을 최소화할 수 있는 배열이 바람직하다.

도 7 내지 도 9에서는 복합재료의 스티칭 공정을 나타내는 평면도 및 단면도가 도시되어 있다.

첫 단계로서, 도 7과 같이 상위 1번, 2번 층을 적층한 후 적절한 스티칭 피치 거리와 라인 간격을 갖고 스티칭한다.

두 번째로, 도 8과 같이 3번 층에 상기 1,2번 층을 적층한 후 상기와 같은 스티칭 피치 거리와 라인 간격을 갖고 스티칭한다. 이러한 방법으로 도 9와 같이 7번층까지 단계별로 스티칭을 진행하게 되면 두께 방향에 따라 스티칭 밀도 구배를 갖는 복합재료를 제조할 수 있다.

기존 스티칭 공정은 두껍게 적층된 여러장의 복합재료를 스티칭하기 때문에 스티칭 바늘과 보강재로 사용된 연속섬유 사이의 큰 마찰력으로 인해 복합재료의 손상을 초래할 수 있다. 하지만, 상기와 같이 두께 방향에 따라 스티칭 밀도 구배가 존재하도록 복합재료를 제조할 경우 한층씩 스티칭 공정이 진행되기 때문에 발생하는 마찰력이 적어 복합재료의 손상을 억제할 수 있다.

또한, 복합재료의 모든 층에 대해 스티칭이 진행되지 않기 때문에, 상기 언급한 수지 과다 지역 형성 및 섬유의 휨 현상을 최소화할 수 있다.

아래에서는, 두께 방향으로 스티칭 밀도 구배를 갖는 복합재료 프리프레그를 이용한 미끄럼 베어링의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

미끄럼 베어링은 도 10의 원형 맨드럴 Mandrel)에 복합재료 프리프레그를 적층한 후 핫프레스 공법 또는 오토클레이브 공법을 통해 열과 압력을 가하여 제조할 수 있다.

먼저, 도 11에 도시된 것과 같이 맨드럴 원주(2πr)의 4배 길이를 갖는 복합재료 프리프레그 두 장을 적절한 스티칭 피치 거리와 라인 간격을 갖고 스티칭한다.

그런 다음, 도 12와 같이 맨드럴 원주 만큼의 길이 및 맨드럴 원주의 2배 만큼의 길이를 갖는 상기 복합재료 프리프레그를 절단한 후, 도 10에서의 스티칭 피치 거리와 라인 간격으로 스티칭 한다.

상기한 방법으로 8번 층까지 단계별로 스티칭을 진행하게 되면 도 13과 같이 8장 적층된 복합재료 프리프레그는 두께 방향에 따라 스티칭 밀도 구배를 갖는다.

마지막으로 도 14와 같이 상기 복합재료 프리프레그를 원형 맨드럴 외면에 감아 적층하여 미끄럼용 베어링을 제조할 수 있다. 상기 미끄럼용 베어링의 내면은 표면의 저마찰 열가소성 섬유로 인해 뛰어난 마찰 마모 특성을 갖고, 내면에 가까울수록 스티칭 밀도가 증가하여 층간 계면전단강도가 향상될 수 있다.

상기의 두께 방향으로 스티칭 밀도 구배를 갖는 미끄럼 베어링은 복합재료 프리프레그 뿐만 아니라, 직물에 대해서도 상기와 같은 스티칭 과정을 적용한 후 수지를 RTM, RIM과 같은 방식으로 함침시켜 제조할 수 있다.

이상에서 본 발명의 저마찰 열가소성 고분자 섬유가 스티칭된 복합재료에 대한 기술을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

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8. 섬유로 스티칭을 한 복합재를 이용한 미끄럼 베어링의 제조방법에 있어서,
   상기 섬유는 저마찰 열가소성 고분자 섬유이며,
   원형 맨드럴을 준비하는 단계;
   상기 맨드럴 원주의 복수배에 해당하는 제1 길이를 갖는 제1 복합재 프리프레그 한쌍을 기설정된 스티칭 피치 거리와 라인 간격으로 스티칭하는 단계;
   상기 제1 길이보다 작은 제2 길이를 갖는 제2 복합재 프리프레그 한쌍을 상기 기설정된 스티칭 피치 거리와 라인 간격으로 스티칭하는 단계; 및
   상기 다단으로 적층된 복합재 프리프레그를 상기 원형 맨드럴 외면에 감는 단계;를 포함하며,
   상기 복합재 프리프레그에 스티칭된 섬유 라인은 교차로 배열되며,
   이를 통해 상기 다단 적층된 복합재 프리프레그는 그 두께 방향을 따라 마찰면으로부터 멀어질수록 점점 낮아지는 형태로 밀도 구배가 형성되는,
   스티칭된 복합재를 이용한 미끄럼 베어링의 제조방법.

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