KR101740883B1 - 교반주조법을 이용한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법 - Google Patents

교반주조법을 이용한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용해 주조 공정 중에 교반주조법 (Stir casting)을 이용하되 액상 알루미늄에 전류를 공급하면서 탄소섬유를 투입함으로써 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각을 감소시켜 액상 알루미늄 내에 탄소섬유가 균일하게 자발적으로 분산되도록 유도함은 물론이고 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서는 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상의 형성을 억제하여 전기적, 열적, 기계적 특성이 우수한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

교반주조법을 이용한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법 {Methods for manufacturing carbon fiber reinforced aluminum composites using stir casting process}
본 발명은 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용해 주조 공정 중에 교반주조법 (Stir casting)을 이용하되 액상 알루미늄에 전류를 공급하면서 탄소섬유를 투입함으로써 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각을 감소시켜 액상 알루미늄 내에 탄소섬유가 균일하게 자발적으로 분산되도록 유도함은 물론이고 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서는 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상의 형성을 억제하여 전기적, 열적, 기계적 특성이 우수한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 (이하 "알루미늄-탄소섬유 복합재"라 함)라 함은, 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유를 강화재로 균일하게 분포시킨 복합재료를 의미한다. 알루미늄-탄소섬유 복합재는 경량이면서 강도와 강성이 높고, 전기전도도와 열전도도가 우수하며, 열팽창계수가 낮고, 내마모성과 고온특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 가지는 알루미늄-탄소섬유 복합재는 자동차, 항공기 등과 같은 수송기기용 구조재, 기계산업 소재, 토목건축분야 소재, 에너지분야 소재, 레져와 스포츠용 소재, 전기전자재료 등 광범위한 산업 분야에서 관심이 대두되고 있다.
알루미늄-탄소섬유 복합재의 열적, 전기적 및 기계적 특성은 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유 강화재의 균일분산기술, 알루미늄과 탄소섬유 계면의 결합강도 향상기술 및 복합재 내부결함의 억제기술 등에 의해 좌우될 수 있다. 또한, 알루미늄-탄소섬유 복합재의 특성은 첨가되는 탄소섬유의 종류, 크기, 형상, 부피분율 및 제조공정 등에 의해 좌우될 수 있다.
알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조공정 기술은 크게, 기지재인 알루미늄을 고체 상태에서 제조하는 고상 제조공정과 액체 상태에서 제조하는 액상 제조공정으로 분류할 수 있다.
상기 고상 제조공정은 알루미늄 기지금속을 용융하지 않고 고상 상태에서 제조하는 방법으로, 대표적으로 분말야금공정, 확산접합공정, 분무성형공정 등이 포함될 수 있다. 고상 제조공정은 액상 제조공정에 대비하여 복합재의 기계적 특성이 우수하다는 장점은 있지만, 제조가격이 비싸고 대량생산이 어렵다는 단점이 있다.
상기 액상 제조공정은 용융 알루미늄을 원료로 사용하는 방법으로, 대표적으로 교반주조법 (Stir casting), 혼합주조법 (Compocasting), 가압주조법 (Squeeze casting), 함침법 (Infiltration) 등이 포함될 수 있다. 상기한 액상 제조공정 중에서도 교반주조법(Stir casting)은 공정 자체가 매우 단순하고, 실형상 성형이 가능하여 대량생산에 가장 적합하다. 그러나, 액상 제조공정 특성상 알루미늄과 탄소섬유의 밀도차가 크고, 용융 알루미늄에 의한 탄소의 젖음성이 나빠서 탄소섬유가 쉽게 응집되고, 교반 과정 중에 다량의 기공과 불순물이 유입될 수 있고, 그리고 알루미늄과 탄소섬유 계면에서는 취약한 Al4C3 상이 쉽게 형성된다는 단점이 있다. 이에 교반주조법은 알루미늄-탄소섬유 복합재 제조에 거의 활용되고 있지 못한 실정이다.
이에, 액상 제조공정에 의해 알루미늄-탄소섬유 복합재를 제조하는 방법으로서 액상 알루미늄에 대한 탄소섬유의 젖음성을 향상시키면서 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상의 형성을 억제하기 위해서 다양한 연구가 진행되어 왔다.
첫 번째 방법은, 강화재인 탄소섬유의 표면에 금속 (Ni, Cu, Ag, Ti, Ta, W 등), 탄화물 (SiC, TiC, Pyrolytic carbon 등), 산화물 (Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 등), 붕화물 (TiB2 등)을 코팅 처리하는 방법이다. 하지만, 복합재 제조 전에 탄소섬유 표면을 코팅처리하기 위한 부가적 공정이 추가되어 비경제적이고, 또한 탄소섬유의 표면에 균일한 코팅층을 형성하기 어려운 단점이 있다.
두 번째 방법은, 액상 알루미늄 용탕에 첨가제 (Mg, Ti, Si, Zr, Cr, Ca, K2ZrF6, K2TiF6 등)를 투입하는 방법이다. 용탕에 투입되는 첨가제에 의해 기지재의 기계적 특성이 변화될 수 있는 단점이 있다.
따라서 알루미늄-탄소섬유 복합재의 상용화를 위해서는 대량생산에 적합한 경제적인 제조공정 개발과 복합재 특성의 규격화 및 신뢰성 확보가 시급한 실정이다.
이에 본 발명자들은 알루미늄-탄소섬유 복합재의 상용화를 위한 대량 생산 방법에 대해 연구하였던 중, 여러 제조공정들 중에서도 공정이 가장 단순하면서 실형상 성형이 가능한 교반주조법 (Stir casting)을 적용하되, 일반적인 교반주조법에서 지적된 문제점을 해소시킬 수 있는 새로운 액상 제조공정을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
미국등록특허공보 제3,535,093호 "Aluminum composite containing carbon fibers coated with silver" 미국등록특허공보 제3,871,834호 "Carbon-fiber-reinforced aluminum composite material" 미국등록특허공보 제4,737,382호 "Carbide coatings for fabrication of carbon-fiber-reinforced metal matrix composites" 미국등록특허공보 제4,731,298호 "Carbon fiber-reinforced light metal composites"
S. Ciby, B.C. Pai, K.G. Satyanarayana, V.K. Vaidyan, P.K. Rphatgi, "Structure formation during processing short carbon fiber-reinforced aluminum alloy matrix composites", Journal of Materials Engineering and Performance, 2 (1993) 353-357. H. Naji, S.M. Zebarjad, S.A. Sajjadi, "The effects of volume percent and aspect ratio of carbon fiber on fracture toughness of reinforced aluminum matrix composites" Materials Science Engineering, 486A (2008) 413-420. B. Bhav Singh, M. Balasubramanian, "Processing and properties of copper-coated carbon fibre reinforced aluminium alloy composites", Journal of Materials Processing Technology, 209 (2009) 2104-2110. E. Hajjari, M. Divandari, H. Arabi, "Effect of applied pressure and nickel coating on microstructural development in continuous carbon fiber-reinforced aluminum composites fabricated by squeeze casting" Materials and manufacturing processes, 26 (2011) 559-603. J.C. Shi, Y.H. Li, G.C. Yao, P.F. Yan, H. Liu, "Effect of Mg on microstructure and mechanical properties of copper-coated short carbon fiber reinforced Al alloy matrix composite", Advanced Materials Ressearch, 457-458 (2012) 348-353. S.I. Oh, J.Y. Han, Y.C. Kim, J.I. Yoon, G.H. Kim, J.H. Lee, Y.M. Sung, J.H. Han, "Fabrication of carbon nanofiber reinforced aluminum alloy composites by a liquid process", Journal of Alloys and Compounds, 542 (2012) 111-117.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있으며, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에는 기계적 특성을 저하시킬 염려가 있는 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상의 형성을 억제하게 되는 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법으로서, (a) 탄소섬유의 전처리 단계와; (b) 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시키는 용해단계와; (c) 용해된 알루미늄 용탕을 교반하는 단계와; (d) 교반된 알루미늄 용탕에 전류를 공급하는 단계와; (e) 전류공급과 교반이 동시에 진행되고 있는 알루미늄 용탕에 탄소섬유를 투입하는 단계와; (f) 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕을 주조하는 단계; 를 포함하는 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 (g) 상기 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재를 단조, 압연 또는 압출에 의한 추가적인 소성 변형을 통해 가공하는 단계; 가 더 포함되는 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 제공한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a)단계의 탄소섬유의 전처리는 탄소섬유를 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 250 ~ 600 ℃ 온도로 0.5 ~ 5 시간 동안 열처리하는 공정으로 이루어진 건식법으로 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a)단계의 탄소섬유의 전처리는 탄소섬유를 아세톤 및 알콜 중에서 선택된 용매를 사용하여 초음파 세척하는 공정으로 이루어진 습식법으로 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a)단계의 탄소섬유의 전처리는 열처리하는 공정으로 이루어진 건식법과 용매로 초음파 세척하는 공정으로 이루어진 습식법을 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (b)단계에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 유도로, 전기저항로, 가스로, 반사로, 아크로로 이루어진 군으로부터 선택된 용해로에서 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시키는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (c)단계의 교반은 기계적 교반방식, 초음파 교반방식, 원심력 교반방식, 전자기적 교반방식 또는 상기 교반방식으로부터 선택된 두 가지 이상을 혼합한 복합 교반방식에 의해 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (d)단계에서 전류 공급은 직류전류, 교류전류 또는 직류전류와 교류전류를 혼합하여 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (d)단계에서 전류 공급은 전원공급장치 또는 용접기를 이용하여 설정된 전류를 주기적으로 또는 연속적으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e)단계에서 탄소섬유의 투입량이 알루미늄과 탄소섬유로 이루어진 복합재 전체 중량을 기준으로 1 ~ 30 중량%의 함량범위인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a), (b), (c), (d), (e) 또는 (f)단계의 공정이 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a), (b), (c), (d), (e) 또는 (f)단계의 공정을 진공분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 실시한 경우, 제조된 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 Al-C-O 반응층이 생성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a), (b), (c), (d), (e) 또는 (f)단계의 공정을 대기 중에서 공정을 실시한 경우, 제조된 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 비정질 반응층 및 결정질과 비정질의 혼합 반응층이 생성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (a), (b), (c), (d) 및 (e)단계의 공정을 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시한 경우, (e-1) 탄소섬유 투입이 완료된 알루미늄 용탕을 탈가스 처리하는 단계; 가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리는 진공 탈가스법; 활성가스 또는 불활성 가스를 이용한 버블링법; 초음파 진동법; 및 탈가스재 사용법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리에 사용되는 활성가스가 염소가스인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리에 사용되는 불활성 가스가 알곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리에 사용되는 탈가스재가 육클로로에탄 (C2Cl6), 염화아연 (ZnCl2), 염화마그네슘 (MgCl2) 및 염화지르코늄 (ZrCl4) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염화물인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리에 사용되는 탈가스재가 포타슘플루오라이드 (KF) 및 포타슘지르코늄플루오라이드 (K2ZrF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 불화물인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법 중 상기 (e-1) 탈가스 처리에 사용되는 탈가스재가 염화물과 불화물인 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 제조방법으로부터 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 제조방법으로부터 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 생성되지 않는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 제조방법으로부터 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 전류가 공급되지 않는 조건에서 재용해하였을 때 복합재 내부에 존재하는 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예에 따르면, 재용해된 복합재 용탕을 주조시킨 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있으며, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법은 교반주조법을 이용함으로써 액상 제조공정에 포함되는 혼합주조법 (Compocasting) 또는 가압주조법 (Squeeze casting)에 대비하여 제조공정이 단순하여 공정비용이 저렴하다는 장점이 있다. 이로써, 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법은 자동화가 용이하여 연속적으로 복합재 생산이 가능하므로 알루미늄-탄소섬유 복합재의 활용 범위를 확대시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법에 의하면, 용융 알루미늄 내부에서 탄소의 젖음성이 향상되어 탄소섬유의 자발적 분산이 가능하므로 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포된 복합재를 수득하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법에 의하면, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되지 않으므로 복합재의 기계적 물성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 전류가 공급되지 않는 조건에서 재용해하였을 때 복합재 내부에 존재하는 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않으며, 재응고 후에도 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있다. 이로써, 본 발명에 따라 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 재활용이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 단조, 압연 또는 압출에 의한 추가적인 소성 변형을 통해 목적하는 바대로 가공하는 것이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 열중량분석기를 사용하여 대기중에서 800 ℃까지 가열시 탄소 단섬유 무게변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재를 주사전사현미경으로 관찰한 주조조직 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 조직사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재를 사용하여 95% 냉간압연한 후 주사전자현미경으로 관찰한 복합재의 미세조직 사진이다.
도 6은 도 5에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 고배율 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직 사진이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 조직사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그 목적을 달성하는 방법들은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되어 있는 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 교반주조법을 이용한 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법은 (a) 탄소섬유의 전처리 단계와, (b) 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시키는 용해단계와, (c) 용해된 알루미늄 용탕을 교반하는 단계와, (d) 교반된 알루미늄 용탕에 전류를 공급하는 단계와, (e) 전류공급과 교반이 동시에 진행되고 있는 알루미늄 용탕에 탄소섬유를 투입하는 단계와, (f) 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕을 주조하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 (a), (b), (c), (d) 및 (e)단계의 공정이 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시된 경우는, (e-1) 탄소섬유 투입이 완료된 알루미늄 용탕을 탈가스 처리하는 단계; 가 더 포함될 수 있다.
또한, (g) 상기 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재를 단조, 압연 또는 압출에 의한 소성 변형을 통해 가공하는 단계; 가 더 포함될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재의 제조방법을 각 공정별로 구분하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
(a) 탄소섬유의 전처리 단계
본 발명은 용융 알루미늄과 탄소섬유의 혼합체에 전류를 공급함으로써, 액상 알루미늄에 대한 탄소섬유의 접촉각을 감소시켜 액상 알루미늄에서 탄소섬유가 균일하게 자발적으로 분산되도록 하였다. 이러한 본 발명의 목적 달성을 위해서는 강화재로 사용되는 탄소섬유의 표면 특성이 매우 중요하다.
특히, 본 발명에서 사용되는 탄소 단섬유는 대부분이 에폭시로 사이징 처리하는 단계를 거쳐서 제조된다. 이처럼 에폭시 처리된 탄소섬유가 알루미늄 용탕에 투입되면 가스를 발생시켜 알루미늄-탄소섬유 복합재 내부에 기공이 형성되는 원인이 될 수 있고, 그리고 탄소의 계면장력을 증가시켜 액상 알루미늄 내에 탄소섬유가 균일하게 분산되는 것을 방해하는 원인이 될 수 있다. 따라서 탄소섬유는 알루미늄 용탕에 투입되기 전에 에폭시와 같은 불순물을 제거하기 위한 전처리 단계를 수행하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 탄소섬유의 전처리 공정은 크게 건식법과 습식법으로 구분될 수 있다. 상기 건식법은 탄소섬유를 고온 열처리하는 공정으로 진행된다. 구체적으로, 상기 건식법은 탄소섬유를 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 250 ~ 600 ℃ 온도로 0.5 ~ 5 시간 동안 열처리하는 공정으로 진행될 수 있다. 상기 건식법은 탄소섬유에 흡착된 수분, 가스 및 기타 불순물들을 제거하는데 효과적일 수 있다. 그리고, 상기 습식법은 아세톤 및 알콜 중에서 선택된 용매를 사용하여 초음파 세척하는 공정으로 이루어진다. 상기 습식법에 적용되는 용매는 구체적으로 아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 헥산올 등이 포함될 수 있다. 상기 습식법은 탄소섬유 표면에 부착되어 있는 초미립 탄소 분말, 열처리 생성물 및 기타 불순물을 제거하는데 효과적일 수 있다. 본 발명에 따른 탄소섬유의 전처리 공정에서는 더욱 좋기로는 건식법과 습식법을 병행하는 것이다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 탄소섬유는 일본 도레이 (Toray)사의 T700급 탄소 단섬유 제품으로, 직경 7 ㎛, 길이 6 mm인 12K 섬유 다발이다. 상기 탄소 단섬유 제품은 1% 에폭시로 사이징 처리되어 있다. 상기 탄소 단섬유 제품을 고온 열처리에 의해 전처리를 실시함에 있어 적합한 열처리 온도를 결정하기 위하여, 열중량분석 (TGA)을 실시하였다.
도 2는 일본 시마즈 (Shimadzu)사의 열중량분석기 (Thermo Gravimetric Analyzer, TGA-51)를 사용하여 탄소 단섬유를 열중량분석한 결과이다. 대기 중에서 3 ℃/min의 속도로 800 ℃까지 가열하면서 탄소섬유의 무게변화를 측정하였다. 도 2에 의하면, 272 ℃부터 에폭시의 기화에 의해서 무게감소가 발생하기 시작하였으며, 350 ℃ 이상의 온도부터 무게변화가 거의 없다가, 738 ℃ 이상부터는 탄소섬유의 산화에 의해서 급격한 무게감소가 발생하였다. 이에, 탄소섬유를 건식법으로 전처리하는 경우는 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 250 ~ 600 ℃ 온도로 0.5 ~ 5 시간 동안 열처 리하는 공정이 바람직하게 적용될 수 있다.
보다 바람직하기로는, 탄소섬유를 전처리하는 단계에서는 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 250 ~ 600 ℃ 온도로 0.5 ~ 5 시간 동안 열처리하는 건식법을 실시한 후에, 초음파 세척기를 이용하여 아세톤 및 알콜 중에서 선택된 용매로 세척하는 습식법을 실시하는 것이다. 또한, 상기 습식법으로 전처리된 탄소섬유는 100 ~ 150 ℃의 건조기에서 0.5 ~ 5 시간 동안 건조한 후에 알루미늄 용탕에 투입하는 것이 좋다.
(b) 알루미늄 용해단계
본 발명은 알루미늄의 용해 및 주조 공정을 교반주조법 (Stir casting)으로 진행한다.
또한, 본 발명의 교반주조법을 이용하여 알루미늄-탄소섬유 복합재를 제조하는 전(全) 공정을 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기 또는 대기 조건에서 진행할 수 있으며, 바람직하기로는 전(全) 공정을 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 실시하는 것이다. 본 발명에 따른 알루미늄-탄소섬유 복합재 제조를 위한 전(全) 공정을 대기 조건에서 실시하는 경우, 복합재의 대량생산에 적합한 가장 경제적인 방법이라는 장점이 있다. 하지만, 대기 조건에서 실시하게 되면 탄소섬유의 표면 또는 공극 사이에 존재하는 산소, 수분에 의해서, 또는 알루미늄 용탕 교반 중에 용탕 내부로 흡수되는 대기 중의 산소, 수분에 의해서, 또는 용탕 표면의 불순물에 의해서 알루미늄-탄소섬유 복합재의 특성이 감소될 염려가 있다. 따라서 대기 조건에서 공정을 실시하는 경우는 알루미늄 용탕을 출탕하여 주조하기 이전에 (e-1) 탈가스 처리단계를 충분히 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 알루미늄 용해단계에서는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용해시키기 위하여 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기 또는 대기 조건이 유지될 수 있도록 제작된 반응 챔버를 사용한다. 또한, 상기 반응 챔버에는 강화재로 사용되는 탄소섬유를 공급하기 위한 공급장치를 장착하고, 도가니에는 기지금속으로 사용되는 순수 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 혼합물을 장입한다.
순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용해시키는 용해로는 구체적으로 유도로, 전기저항로, 가스로, 반사로 및 아크로로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 용해단계를 실시하기에 앞서 우선적으로 반응 챔버와 탄소 공급 장치 내부에 존재하는 산소를 배기시키는 것이 좋다. 상기 배기는 불활성 가스 배기법, 진공 배기법, 또는 불활성 가스 배기법과 진공 배기법을 혼합한 방법을 적용할 수 있다.
본 발명에서의 불활성 가스는 알루미늄의 용해 및 주조에 영향을 미치지 않는 가스로서, 예를 들면 알곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 가스 또는 2종 이상의 혼합가스를 사용할 수 있다.
(c) 용융 알루미늄의 교반 단계
알루미늄의 용해가 완료되면 용탕을 충분히 교반한다. 상기 교반은 기계적 교반방식, 초음파 교반방식, 원심력 교반방식, 전자기적 교반방식 등 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 교반하거나, 또는 둘 이상의 교반방식을 혼합한 복합 교반방식을 사용할 수 있다. 또한, 용융 알루미늄보다 밀도가 낮은 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않고 용탕 내부로 유입될 수 있도록 하기 위하여, 소용돌이 (vortex)가 형성될 수 있는 회전속도로 용탕을 교반하는 것이 좋다.
본 발명의 실시예에서는 임펠러를 이용한 기계적 교반방식으로 알루미늄 용탕을 교반한 예를 구체적으로 제시하고 있지만, 본 발명의 교방방식이 이에 한정되는 것은 결코 아니다.
(d) 전류 공급단계
본 발명은 용융 알루미늄에 전류가 공급되는 과정 중에 탄소섬유를 투입함으로써 액상 알루미늄에 대한 탄소의 젖음성을 향상시켜 액상 알루미늄 내에 탄소섬유가 자발적으로 분산되도록 유도한다.
용융 알루미늄에 전류를 공급하기 위해서는, 두 전극봉을 알루미늄 용탕 내부에 장입하는 방법, 용탕 내부에 한 전극봉을 장입하고 도가니를 다른 전극으로 사용하는 방법, 또는 용탕 내부에 한 전극봉을 장입하고 용탕의 기계적 교반을 목적으로 사용되는 임펠러를 다른 전극봉으로 사용하는 방법, 또는 용탕의 기계적 교반을 목적으로 사용되는 임펠러를 한 전극봉으로 사용하고 도가니를 다른 전극으로 사용하는 방법 등이 활용될 수 있다. 이때 두 전극 간의 거리는 1 ~ 30 cm 정도의 간격을 유지하는 것이 바람직하다.
알루미늄 용탕 내부에 공급되는 전류밀도는 용탕에 투입되는 탄소섬유의 표면적당 공급되는 전류량으로 정의할 수 있다. 적정 전류밀도 범위는 강화재로 사용되는 탄소섬유의 종류, 형상, 표면적 등에 따라서 다양하게 변화될 수 있다. 그럼에도 불구하고 용탕에 공급되는 전류를 굳이 한정한다면 탄소섬유의 제곱미터 표면적당 10 ~ 1,000 A 범위가 바람직할 수 있다. 용탕에 공급되는 전류가 너무 높거나 두 전극의 거리가 너무 짧으면 탄소의 용해가 발생하여 강화재로 첨가된 탄소섬유의 치수변화가 발생할 가능성이 높다. 반대로 용탕에 공급되는 전류가 너무 낮거나 두 전극의 거리가 멀면 알루미늄 용탕 내부에서 전류밀도가 낮아서 알루미늄에 의한 탄소의 젖음성 개선효과를 얻을 수 없어, 결국엔 용탕 내부에서 탄소의 자발적 분산이 어려울 수 있다.
전극봉 재료로는 대표적으로 탄소 전극봉을 사용할 수 있다. 탄소 전극봉 이외에도 용융 알루미늄과의 반응성이 낮고 저항값이 낮은 재료라면 모두 전극봉 재료로 적용될 수 있다. 용탕에 공급되는 전류는 직류전류, 교류전류 또는 직류전류와 교류전류를 혼합하여 공급할 수 있다. 또한, 전류공급은 전원공급장치, 용접기 등을 설치하고, 설정된 전류를 일정한 간격으로 주기적으로 공급하던지 또는 연속적으로 공급하는 것이 가능하다.
(e) 알루미늄 용탕에 탄소섬유의 투입단계
본 발명에서는 강화재로 사용되는 탄소섬유를 알루미늄 용탕에 투입할 때, 알루미늄 용탕은 소용돌이가 형성될 정도로 교반하면서 동시에 전류를 공급하는 조건에서 탄소섬유를 투입한다. 상기 조건에서 탄소섬유를 투입하게 되면 용융 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각이 감소하게 되어 탄소섬유의 비젖음 (nonwetting) 특성이 젖음 (wetting) 특성으로 변화됨으로써, 용융 알루미늄 내부에서 탄소섬유의 자발적 분산이 유도될 수 있다.
일반적으로 700 ℃에서 용융 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각은 140 ~ 150ㅀ 정도로 높아서 용융 알루미늄에 대한 탄소의 젖음성이 나쁘다. 또한, 탄소섬유는 알루미늄보다 밀도가 낮아서 용탕 표면으로 부상하려는 경향이 있다. 따라서 단순한 교반주조법에 의해서는 탄소섬유를 알루미늄 용탕 내부로 유입하는 것이 용이하지 않아, 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유를 균일하게 분포시키는 것이 어렵다.
그러나 본 발명이 제안하는 바와 같이 용융 알루미늄에 전류를 공급하면 용융 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각이 감소되어, 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않고 용탕 내부로 유입이 가능하므로, 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유를 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 용융 알루미늄과 탄소섬유의 혼합체에 가해진 전기장 효과는 전기장을 제거하여도 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않는다. 이러한 결과로 부터 종래에 발표된 액상 제조공정을 이용한 알루미늄-탄소섬유 복합재 제조기술과 비교하여, 본 발명의 독창성을 확인할 수 있다.
본 발명에서 전류를 공급함으로써 용융 알루미늄에 대한 탄소의 젖음성을 향상시키는 효과는 일반적으로 알려진 '전기습윤 (Electrowetting)' 현상과도 분명한 차이가 있다. 즉, 전기습윤이란 절연체로 코팅된 전극위에 전도성 유체와 비전도성 유체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 전도성 유체에 전압을 인가하게 되면, 절연체의 표면에 전하가 축적되어 젖음성에 영향을 주는 현상을 의미한다. 이러한 전기습윤 현상은 전압을 제거하면 원상태로 회복된다.
그러나 본 발명과 같이 전도성이 우수한 액상 알루미늄과 탄소섬유의 혼합체에 외부에서 전압을 인가하면 전자들이 빠르게 통과하게 되어 알루미늄 용탕과 탄소섬유의 계면에는 전하가 축적 (charge accumulation)되기 어렵다. 즉, 용융 알루미늄과 탄소섬유와 같은 전도성 물질 사이에는 전기습윤 현상이 나타나지 않는다. 또한, 본 발명의 경우 용융 알루미늄과 탄소섬유의 혼합체에 가해진 전류를 제거하여도 탄소섬유가 용탕 표면으로 부상하지 않는다는 점에서, 전기습윤 현상과는 분명한 차이가 있다.
본 발명에서는 강화재로서 탄소섬유를 알루미늄 용탕에 투입한다. 탄소섬유의 투입량은 알루미늄과 탄소섬유로 이루어진 복합재 전체 중량을 기준으로, 1 ~ 30 중량% 범위로 투입되며, 바람직하기로는 1 ~ 20 중량% 범위로 투입할 수 있다. 상기 탄소섬유의 투입량이 복합재 전체 중량을 기준으로 1 중량% 미만이면, 탄소섬유 강화재의 첨가로 얻어지는 강성 및 강도 등의 향상 효과가 불충분할 수 있다. 반대로 탄소섬유의 투입량이 복합재 전체 중량을 기준으로 30 중량%를 초과하면, 용탕의 점도가 높아져 교반과 주조가 어려워지며, 강성 및 강도는 향상될 수 있지만 연신율이 감소되어 알루미늄-탄소섬유 복합재의 가공성이 저하될 가능성이 높다.
(e-1) 탈가스 처리단계
일반적으로 교반주조법에 의하면 주조재의 내부에 기공이 존재할 가능성이 높다는 단점이 있다. 주조재의 내부에 존재하는 기공의 분율, 크기 또는 분포 등은 주조재의 기계적 특성과 내식성을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서 기계적 특성과 내식성이 우수한 알루미늄-탄소섬유 복합재를 제조하기 위해서는, 복합재 내부에 존재하는 기공의 양을 최소화시키는 것이 중요하다.
이에, 본 발명에서는 용탕의 주조단계 이전에 탈가스 처리단계를 필요에 따라 수행할 수도 있다. 특히, 상기 (a), (b), (c), (d) 및 (e)단계의 공정을 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시한 경우는, 탄소섬유가 투입 완료된 후에 알루미늄 용탕을 탈가스 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 반면에, 상기 (a), (b), (c), (d) 및 (e)단계의 공정을 진공분위기에서 실시한 경우는, 용탕의 탈가스 처리단계는 생략할 수도 있다.
본 발명에 따른 탈가스 처리단계에서는 진공 탈가스법; 활성가스 또는 불활성 가스를 이용한 버블링법; 초음파 진동법; 및 탈가스재 사용법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법을 이용할 수 있다. 상기한 탈가스 처리방법 각각은 당해 기술분야에서 가스 제거를 목적으로 사용되는 방법이며, 본 발명은 탈가스 처리방법에 대해 특별한 제한을 두지는 않는다. 또한, 상기한 탈가스 처리방법은 제조된 복합재 내부에 형성된 기공율을 고려하여 다양한 변형과 응용이 가능할 수도 있다.
또한, 주조단계 이전에 실시하게 되는 탈가스 처리방법 이외에도, 가압주조법, 또는 주조 후에 압축, 인발, 또는 압연 등 기공을 압착시키는 후가공 공정처리법 등을 적용하여 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재 내부에 존재하는 기공의 양을 최소화시킬 수도 있다.
상기 진공 탈가스법은 반응 챔버의 압력을 0.1 torr 이하로 감압시키는 공정을 통해 탈가스 처리하는 방법이다. 구체적으로 로터리 진공펌프를 사용하여 반응 챔버의 압력을 0.1 torr 이하로 감압한 상태에서 일정한 속도로 용탕을 교반해주면서 약 10 분 ~ 2시간 동안 유지함으로써 진공 탈가스 처리를 실시할 수 있다.
상기 버블링법 (Gas bubbling)에 적용되는 가스는 불활성 가스는 물론이고 활성가스 또는 불활성가스와 활성가스의 혼합가스가 포함될 수 있다. 불활성 가스는 알곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 상기 활성가스는 염소가스 등이 포함될 수 있다.
상기 탈가스재 사용법에 적용되는 탈가스재는 금속염화물, 금속불화물 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 금속염화물은 육클로로에탄 (C2Cl6), 염화아연 (ZnCl2), 염화마그네슘 (MgCl2) 및 염화지르코늄 (ZrCl4) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다. 상기 금속불화물은 포타슘플루오라이드 (KF) 및 포타슘지르코늄플루오라이드 (K2ZrF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다.
f) 용탕의 주조단계
강화재로서 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕을 출탕한 후 냉각하여 알루미늄-탄소섬유 복합재를 제조한다. 상기 출탕은 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕을 금형에 붓는 방식, 또는 복합재 판재 생산에 적합한 연속주조 방식이 적용될 수 있다. 상기 연속주조 방식은 구체적으로 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕이 저장된 용기의 한쪽 측면에 개구부를 형성한 후, 상기 개구부를 통하여 용탕을 출탕시키는 방식으로 실시할 수 있다. 상기 연속주조 방식은 복합재의 대량 생산이 가능하다는 장점도 있다. 상기 냉각은 자연냉각, 강제냉각 등 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명의 출탕 및 냉각 방식에 대해 특별히 제한을 두지 않는다.
g) 복합재의 가공단계
본 발명에서는 상기 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재를 소성 변형시켜 가공하는 단계를 추가로 수행할 수도 있다. 상기 가공 공정은 단조 (Forging), 압연 (Rolling) 또는 압출 (Extrusion) 등의 당 분야에서 통상적으로 실시하는 가공법에 의해 이루어질 수 있다.
하기 실시예 3에서 보여주듯이 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재를 단조, 압연 또는 압출에 의해 상온에서 95% 정도의 추가적인 소성 변형을 실시하여 가공재를 제조하더라도, 알루미늄과 탄소섬유의 계면은 박리되지 않는다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 상온 가공성이 우수한 장점이 있다.
현재까지 보고된 알루미늄-탄소섬유 복합재의 경우 알루미늄/탄소섬유 계면에서 취약한 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되거나, 또는 탄소섬유 표면에 Ni, Cu 등을 코팅처리할 경우 Ni3Al, Ni2Al3, CuAl2 등과 같은 취약한 금속간화합물 층이 형성되어 복합재의 기계적 특성을 저하시키는 원인이 되었다,
또한, 본 발명이 제안하는 공정을 통해 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 주사전자현미경으로 주조조직을 관찰한 결과, 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 투과전자현미경으로 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 확인하였다. 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재의 경우는, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에는 Al-C-O 반응층이 형성되었다. 또한, 대기 중에서 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재의 경우는, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에는 비정질 반응층 그리고 결정질과 비정질의 혼합 반응층의 두 반응층이 형성되었다.
또한, 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 조건에 관계없이 본 발명에 따라 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에는 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되지 않았다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 재활용되어서는 신품과 거의 동일한 물성을 유지할 수 있었다. 구체적으로 알루미늄-탄소섬유 복합재를 전류가 공급되지 않는 조건에서 재용해 하였음에도 불구하고 용탕 표면으로 탄소섬유는 부상하지 않았다. 또한, 알루미늄-탄소섬유 복합재를 재용해시킨 용탕을 출탕 및 응고시켜 다시 주조하였을 때, 재주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 신품 (新品)과 마찬가지로 알루미늄 기지 조직 내부에 탄소섬유가 여전히 균일하게 분산되어 있으며, 알루미늄과 탄소섬유의 계면 상태도 큰 변화가 없었다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 주요 내용 및 특징을 보다 명확하게 설명될 것이며, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않고 청구범위 내에서 다양한 변형과 응용이 가능할 것이다.
[실시예]
실시예 1. 진공 분위기에서 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 제조
진공 분위기 유지가 가능하도록 제작된 인코넬 601 챔버에는 흑연 도가니와 강화재 공급 장치를 고정시켰다. 상기 흑연 도가니 내부에 4.75 kg의 순수 알루미늄 (99.99%)을 장입하고, 로터리 진공펌프를 사용하여 5 x 10-3 torr까지 진공 배기한 후, 고순도 알곤 (99.9999%)을 2 L/min의 유속으로 공급하여 챔버와 강화재 공급 장치 내부에 존재하는 산소를 제거하였다. 상기 진공 배기 과정은 3회 이상 실시하였다.
챔버와 강화재 공급 장치에 알곤 가스를 2 L/min의 유속으로 공급하면서 전기저항로를 이용하여 720 ℃까지 가열하여 알루미늄을 용해시켰다. 알루미늄 용탕의 온도가 안정화되면 흑연 임펠러와 흑연 전극봉을 용탕 내부로 장입하였다. 로터리 진공펌프를 사용하여 챔버의 압력을 0.1 torr로 일정하게 유지시킨 후 전기 모터를 사용하여 용탕 표면에 소용돌이가 형성될 수 있도록 용탕을 교반하였다.
용탕 표면에서 소용돌이가 형성되면 전원 공급장치를 사용하여 용탕 내부에 장입된 흑연 전극봉을 통해 300 A의 직류 전류를 주기적으로 공급하면서, 강화재 공급 장치로부터 일정한 속도로 250 g의 탄소섬유를 소용돌이 주위에 직접 투입하였다. 이때, 탄소섬유의 투입속도는 10 g/min 정도이었다. 용융 알루미늄과 탄소섬유의 혼합체에 전류가 흐를 수 있도록 용탕 내부에 두 개의 흑연 전극봉을 9 cm 간격으로 배열하였다.
본 실시예 1에서는 탄소섬유로서 일본 도레이 (Toray)사의 T700급 탄소 단섬유 제품 (직경 7 ㎛, 길이 6 mm인 12K 섬유 다발)을 사용하였다. 강화재 공급 장치에 장입되는 탄소섬유는 전처리를 실시하여 탄소 단섬유 제품의 표면에 존재하는 에폭시 및 기타 불순물을 제거하였다. 상기 탄소섬유의 전처리는 5 x 10-3 torr의 진공 분위기에서 500 ℃ 온도로 3 시간 동안 열처리한 후에, 아세톤과 알콜로 초음파 세척하는 공정으로 실시하였다.
알루미늄 용탕에 탄소섬유의 투입이 완료되면 전류 공급을 차단하고, 알곤 가스를 사용하여 챔버 내부를 대기압으로 상승시킨 후 알루미늄 용탕을 대기 중에서 200 ℃로 예열된 철 몰드에 출탕하고 상온에서 응고시켜 '알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재'를 제조하였다. 탄소섬유의 투입 종료 후 전류 공급을 차단하더라도 용탕 표면으로 탄소섬유는 부상되지 않았다.
도 3은 상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직을 주사전자현미경으로 100배 확대하여 관찰한 결과이다. 도 3에 의하면 알루미늄 기지금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다. 취약한 Al4C3 상이 형성되어 있지 않았다. 또한, 에너지 분광 (EDS; energy dispersive spectroscopy) 분석법으로 원소 분석한 결과, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에는 58.5%Al-38.6%C-2.9%O (원자비) 조성을 이루는 반응층이 형성되었음을 확인하였다.
도 5는 상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재를 95% 냉간압연한 후에 복합재의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 도 5에 의하면 알루미늄 기지조직 내부에 존재하는 탄소섬유는 압연방향으로 배열되고, 30 ~ 50 ㎛ 길이로 비교적 균일하게 파단되어 있음을 알 수 있다.
알루미늄-탄소섬유 복합재의 강도증가는 알루미늄 기지조직에서 탄소섬유쪽으로 응력전달에 좌우된다. 알루미늄-탄소섬유 계면에서 취약한 Al4C3 상이 형성된 복합재의 경우 하중이 가해지면 탄소섬유가 파단되기 이전에 취약한 Al4C3 상이 깨져서 크랙이 생성되고, 복합재의 파단이 일어나기 전에 탄소섬유와 알루미늄의 계면을 따라 전파되어 결국 기지조직에서 탄소섬유쪽으로 응력전달이 불가능하기 때문에 복합재의 파단이 발생한다.
도 6은 도 5에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면 미세조직을 고배율 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 도 6에 의하면 복합재는 95% 냉간압연하여도 알루미늄과 탄소섬유의 계면은 박리되지 않고 결합되어 있음을 알 수 있다.
실시예 2. 대기 중에서 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 제조
310 스테인레스 챔버에 흑연 도가니와 강화재 공급 장치를 고정시켰다. 상기 흑연 도가니 내부에 4.75 kg의 순수 알루미늄 (99.99%)을 장입하고, 전기저항로를 이용하여 대기 중에서 720 ℃까지 가열하여 알루미늄을 용해시켰다. 용탕의 온도가 안정화되면 흑연 임펠러와 전극봉을 용탕 내부로 장입하고, 전기 모터를 사용하여 용탕 표면에 소용돌이가 형성될 수 있도록 용탕을 교반하였다.
용탕 표면에서 소용돌이가 형성되면, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 250 g의 탄소섬유를 소용돌이 주위에 직접 투입하였다.
알루미늄 용탕에 탄소섬유의 투입이 완료되면 전류 공급을 차단하였다. 그리고, 회전하는 임펠러 봉의 중앙을 통해 알곤을 3 L/min의 유속으로 용탕 내부에 공급하면서 30분 동안 탈가스 처리하였다. 탈가스 처리된 알루미늄 용탕을 대기 중에서 200 ℃로 예열된 철 몰드에 출탕하고 상온에서 응고시켜 '알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재'를 제조하였다.
도 7은 상기 실시예 2에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직에서 알루미늄과 탄소섬유의 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다. 취약한 Al4C3 상이 형성되어 있지 않음을 알 수 있다. 또한, Al-C-O 조성의 비정질 반응층 및 결정질과 비정질의 혼합 반응층의 두 반응층이 형성되었음을 확인하였다.
실시예 3. 알루미늄-탄소섬유 복합재의 재활용
310 스테인레스 챔버에 흑연 도가니를 고정시키고, 도가니 내부에는 상기 실시예 1에서 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재를 5 kg 장입하였다. 전기저항로를 이용하여 대기 중에서 720 ℃까지 가열하여 복합재를 용해하고 5시간 동안 유지하였다. 상기 용해과정에서는 전류를 공급하지 않는 조건에서 복합재를 재용해하였다. 재용해된 복합재를 200 ℃로 예열된 철 몰드에 출탕하고 상온에서 응고시켜 '알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재'를 제조하였다.
상기 재용해된 복합재 용탕은 전류를 공급하지 않는 조건에서 5시간 동안 유지하였지만 탄소섬유가 용탕표면으로 부상하지 않았다. 또한, 재용해시켜 제조된 알루미늄-5wt%탄소섬유 복합재의 주조조직을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 알루미늄 기지금속 내부에 탄소섬유는 균일하게 분포되어 있으며 신품 (新品)과 비교하여 큰 차이는 없었다. 이로써 본 발명이 제공하는 알루미늄-탄소섬유 복합재는 재활용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims (22)

  1. (a) 탄소섬유의 전처리 단계;
    (b) 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시키는 용해단계;
    (c) 용해된 알루미늄 용탕을 교반하는 단계;
    (d) 교반된 알루미늄 용탕에 전류를 공급하는 단계;
    (e) 전류공급과 교반이 동시에 진행되고 있는 알루미늄 용탕에 탄소섬유를 투입하는 단계; 및
    (f) 탄소섬유가 투입된 알루미늄 용탕을 주조하는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (g) 상기 주조된 알루미늄-탄소섬유 복합재를 단조, 압연 또는 압출에 의한 소성 변형을 통해 가공하는 단계; 가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)단계의 전처리는 탄소섬유를 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 250 ~ 600 ℃ 온도로 0.5 ~ 5 시간 동안 열처리하는 공정으로 이루어진 건식법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)단계의 전처리는 탄소섬유를 아세톤 및 알콜 중에서 선택된 용매를 사용하여 초음파 세척하는 공정으로 이루어진 습식법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계의 교반은 기계적 교반방식, 초음파 교반방식, 원심력 교반방식, 전자기적 교반방식 또는 상기 교반방식으로부터 선택된 두 가지 이상의 혼합한 복합 교반방식에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 직류전류, 교류전류 또는 직류전류와 교류전류를 혼합하여 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 전류 공급은 설정된 전류를 전원공급장치 또는 용접기를 이용하여 주기적으로 또는 연속적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e)단계에서 탄소섬유는 알루미늄과 탄소섬유로 이루어진 복합재 전체 중량을 기준으로 1 ~ 30 중량%의 함량범위로 투입하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a), (b), (c), (d), (e) 또는 (f)단계의 공정이 진공 분위기, 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 진공분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 공정을 실시하여 제조된 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 Al-C-O 반응층이 생성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 대기 중에서 공정을 실시하여 제조된 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 비정질 반응층 및 결정질과 비정질의 혼합 반응층이 생성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 (a), (b), (c), (d) 및 (e)단계의 공정이 불활성 가스 분위기 또는 대기 중에서 실시된 경우는, (e-1) 탄소섬유 투입이 완료된 알루미늄 용탕을 탈가스 처리하는 단계; 가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (e-1) 탈가스 처리단계에서는 진공 탈가스법; 활성가스 또는 불활성 가스를 이용한 버블링법; 초음파 진동법; 및 탈가스재 사용법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법을 이용하여 탈가스 처리하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성가스로는 염소가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 알곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈가스재로는 육클로로에탄 (C2Cl6), 염화아연 (ZnCl2), 염화마그네슘 (MgCl2) 및 염화지르코늄 (ZrCl4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈가스재로는 포타슘플루오라이드 (KF) 및 포타슘지르코늄플루오라이드 (K2ZrF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 불화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈가스재로는 육클로로에탄 (C2Cl6), 염화아연 (ZnCl2), 염화마그네슘 (MgCl2) 및 염화지르코늄 (ZrCl4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염화물과, 포타슘플루오라이드 (KF) 및 포타슘지르코늄플루오라이드 (K2ZrF6)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 불화물을 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    제조된 알루미늄-탄소섬유 복합재는 전류가 공급되지 않는 상태에서 재용해시켰을 때 용탕 표면으로 탄소섬유가 부상하지 않는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    재용해된 복합재 용탕을 주조시킨 알루미늄-탄소섬유 복합재는 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포되어 있으며, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물 (Al4C3) 상이 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101977858B1 (ko) 2018-11-06 2019-05-13 주식회사 디알액시온 초음파 에너지를 이용한 금속복합소재 제조장치 및 제조방법
KR20210122413A (ko) 2020-03-31 2021-10-12 재단법인 한국탄소산업진흥원 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109837474B (zh) * 2017-11-28 2020-10-16 中国科学院金属研究所 SiC纤维增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法
CN110527932B (zh) * 2018-05-24 2021-03-26 中国科学院金属研究所 一种SiC先驱体增强TiAl基复合材料的液态吸铸制备方法
CN109207873B (zh) * 2018-11-19 2020-06-19 沈阳工业大学 一种预分散处理搅拌制备短碳纤维铝基复合材料的方法
CN111235436B (zh) * 2020-01-16 2021-02-02 上海交通大学 一种原位合成碳化铝增强铝基复合材料及其制备方法
CN112176262B (zh) * 2020-09-09 2021-08-10 上海航天精密机械研究所 一种高体分多相混杂增强镁基复合材料及其制备方法
CN113789455B (zh) * 2021-08-31 2022-05-20 南昌大学 一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法
EE05859B1 (et) * 2021-09-08 2023-10-16 Meelis Puusild Süsinikkiududega tugevdatud fiiberalumiiniumi valmistamismeetod ja selle meetodiga saadud fiiberalumiinium, mis sisaldab kuni 40 massiprotsenti süsinikkiudu

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100907334B1 (ko) 2008-01-04 2009-07-13 성균관대학교산학협력단 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3535093A (en) 1968-05-09 1970-10-20 Union Carbide Corp Aluminum composite containing carbon fibers coated with silver
JPS4918891B1 (ko) 1970-12-25 1974-05-14
JPS6169448A (ja) 1984-09-14 1986-04-10 工業技術院長 炭素繊維強化金属とその製造法
US4737382A (en) 1984-10-24 1988-04-12 The Aerospace Corporation Carbide coatings for fabrication of carbon-fiber-reinforced metal matrix composites
US6774457B2 (en) * 2001-09-13 2004-08-10 Texas Instruments Incorporated Rectangular contact used as a low voltage fuse element
US8516724B2 (en) * 2010-05-13 2013-08-27 Nike, Inc. Device for displaying image on apparel
BE1019891A5 (nl) * 2011-03-28 2013-02-05 Unilin Bvba Samengesteld element en rugwandconstructie hierbij toegepast.
CN102277505B (zh) * 2011-08-08 2013-04-17 新疆众和股份有限公司 定向凝固提纯高纯铝的方法及其熔炼炉
KR101491216B1 (ko) * 2012-12-13 2015-02-11 현대자동차주식회사 고탄성 알루미늄합금 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100907334B1 (ko) 2008-01-04 2009-07-13 성균관대학교산학협력단 알루미늄과 탄소재료 간의 공유결합을 형성하는 방법, 알루미늄과 탄소재료 복합체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 알루미늄과 탄소재료 복합체

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101977858B1 (ko) 2018-11-06 2019-05-13 주식회사 디알액시온 초음파 에너지를 이용한 금속복합소재 제조장치 및 제조방법
KR20210122413A (ko) 2020-03-31 2021-10-12 재단법인 한국탄소산업진흥원 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재

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