KR101804944B1 - 섬유 보강 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유 보강 복합재에 관한 것으로, 섬유 프리폼; 및 상기 섬유 프리폼과 혼합되는 레진 매트릭스(resin matrix)를 포함하고, 상기 섬유 프리폼은, 세라믹 나노입자 또는 2차원 판상 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 복합재 및 이를 제조하는 방법이 개시된다.

Description

섬유 보강 복합재 및 그 제조방법{FIBER REINFORCEMENT COMPOSITE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 기능성을 갖는 섬유 보강 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 항공 기술의 소재 개발 방향은 기존의 금속 재료에 비해 높은 비강성과 비강도를 가지고 있는 복합재를 통한 경량화, 및 성능 향상에 그 기초를 두고 있으며, 초음속 비행체들과 같이 위한 내 충격성, 내 온도성의 향상 등이 요구되는 분야에서는 CVD(Chemical Vapor Deposition), CVI등의 기술 발전을 통한 탄소/탄소 등의 고성능 복합재료의 항공기에의 적용도 매우 가속되고 있다.

그러나, 탄소/탄소 복합재료는 그 성형 공정이 매우 복잡하며, CVD, CVI등의 고가의 장비가 장시간 가동되어야 한다는 문제가 있다.

또한, 마이크로 입자의 함유를 통한 고성능 복합재의 구성방안으로 기존 프리폼에 입자를 함유한 레진을 주입하는 방안이 시도되고 있으나, 프리폼 내 입자의 불균일한 분포, 상층부에의 입자 고임 현상등 공정적인 한계로 구현이 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 기능성 입자에 의해 기능성을 갖는 섬유 보강 복합재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 섬유 프리폼; 및 상기 섬유 프리폼과 혼합되는 레진 매트릭스(resin matrix)를 포함하고, 상기 섬유 프리폼은, 세라믹 나노입자 또는 2차원 판상 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 복합재가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 세라믹 나노 입자는 Si, ZrO2, ZrB2, ZnO2으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 2차원 나노 판상 물질은 그래핀(Graphene), MoS2(Di-surfide Molibden), h-BN (Hexagonal Boron Nitride)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 섬유 프리폼을 제조하는 단계; 상기 섬유 프리폼에 기능성 입자를 분산시키는 단계; 및 상기 섬유 프리폼에 레진 매트릭스를 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 기능성 입자는 용액을 통하여 상기 섬유 프리폼에 삽입되는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 복합재의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기능성 입자를 분산시키는 단계는, 교류 전압 및 고주파를 가하면서 전기영동 또는 유전영동 현상을 통하여 상기 섬유 프리폼에 기능성 입자를 고르게 형성시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 세라믹 입자 및 이차원 판상 물질은 상기 섬유와 화학 결합할 수 있다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기능성 입자를 섬유 프리폼에 삽입함으로써 기능성을 갖는 프리폼 및 섬유 보강 복합재를 제조할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, Zr등을 포함한 복합재는 내열/삭마제로서 매우 극한 상황(ex, 고속 동체, 노즐 부)에 대한 향상된 성질을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 전기전도도, 기계적 강도 등이 향상된 기능성 복합재를 제공할 수 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 일반적인 프리폼을 사용하는 복합재의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 프리폼을 이용한 기능성 복합재의 개념도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 복합재의 제조 공정에 따른 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 복합재의 제조 공정에 따른 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 실시예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 살펴보기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 발명의 일 실시예에서는 기능화(Functionalized) 된 복합재(Composite)의 제작을 위한 기능성 프리폼의 제작에 대한 기술이 제안된다.

본 발명의 일 실시예는 복합재 중 섬유(Fiber) 프리폼(Preform)과 레진(Resin) 매트릭스(Matrix)로 구성되어있는 섬유 보강 복합재(FRP, Fiber Reinforcement Plastics) 및 그 제조방법에 대한 것이다.

상기 섬유 보강 복합재를 구성하는 두 가지 요소인 프리폼과 레진 중 프리폼에 세라믹 나노입자(SiO2, ZrO2, ZrB2 등) 및 이차원 나노 판상 물질(Graphene, MoS2 (Di-surfide Molibden), h-BN (Hexagonal Boron Nitride) 등)을 접합시킴으로서 기능성 프리폼을 구현하고, 이러한 프리폼을 기반으로 하여 상용 레진과 접합함으로써 기능성 복합재를 제조하는 것을 그 내용으로 한다.

이때, 본 발명의 일 실시예에서는 프리폼 섬유에 나노 입자가 균일하게 분포되도록 하기 위하여 교류 전압 및 고주파를 가하면서 전기영동, 유전영동 등을 적용하고, 고온, 고압 공정을 통해 결합-반 결합을 생성하여 나노입자의 본래의 성질과 프리폼 내 섬유의 성질이 잘 혼합되게 한다.

상기 세라믹 나노입자나 이차원 판상 나노물질은 개별 물질의 화학적 특성에 따라 기계적, 열적, 삭마적, 전기적인 분야에 특징적인 해결책을 제공해줄 수 있는 물질이다. 이러한 물질을 간단한 전기적, 열처리와 압력 처리를 통하여 프리폼에 분산하고 화학적으로 결합시켜 기능성 프리폼을 제작하는 것은 복합재의 다양한 기능성 부여에 기반이 될 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 프리폼을 사용하는 복합재의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 프리폼을 이용한 기능성 복합재의 개념도로, 섬유 보강 복합재의 개념도를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 프리폼에 세라믹/금속/탄소 입자와 2차원 나노 판상 물질들을 균일하게 삽입하고, 상기 세라믹 입자와 2차원 나노 판상 물질이 프리폼과 화학적 결합시킴으로써 기능성 프리폼을 제조하고, 이를 기반으로 한 복합재를 제조한다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 복합재의 제조 공정에 따른 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 복합재의 제조 공정에 따른 순서도이다.

이하에서는 도 3a 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 복합재의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 기반 프리폼의 모식도인데, 도 3a를 참조하면, 섬유 기반 프리폼을 제조하기 위하여 섬유를 준비(S110)하는데, 이때의 섬유는 다양한 밀도, 다양한 기공률 (일반적으로 60%이상)을 가질 수 있으며, 다양한 공법에 의해 프리폼을 제조(S120)한다. 이때, 상기 섬유로는 일예로, 유리(glass) 또는 카본(carbon)이 사용될 수 있고, 프리폼 제조 공법으로는 일예로, 니들 펀칭(needle punching) 기법이 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 프리폼에 기능성 입자를 삽입함으로써 프리폼이 기능성을 갖도록 한다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 입자를 함유한 용액의 모식도인데, 도 3b를 참조하면, 기능성 입자로 세라믹/금속/탄소 입자와 2차원 나노 물질이 삽입된 것을 알 수 있다.

이와 같이, 기능성 입자의 프리폼 내 삽입을 위해서는 용액의 제조(S170)가 필요한데, 상기 용액에 준비된 기능성 입자(S160)를 용해시켜 상기 프리폼에 삽입되도록 한다. 상기 기능성 입자를 삽입하기 위한 용액은 다음과 같이 제조된다.

먼저, 목표하는 성능에 따른 기능성의 입자 물질을 결정하는데, 일예로 내삭마성을 위한 기능성을 향상시키기 위해서는 ZrB2를 기능성 입자로 결정한다. 이후, 상기 기능성 입자를 물에 용해(S170)시킴으로써 프리폼에 삽입시키므로, 기능성 입자에 대한 성질 즉, 물에 대한 용해도를 분석한다. 즉, 상기 기능성 입자가 친수성(Hydro-philic)인지 소수성(Hydrophobic)인지를 분석하고, 이에 맞는 용매를 설정한다. 이후, 상기 기능성 입자를 용매에 넣고 균등하게 섞일 수 있는 용액을 제조(S170)한다. 이때, 상기 용액 제조(S170) 과정은 용해(solute) 또는 소결(sintering) 공정이 포함될 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 기능성 입자가 용해된 액체를 프리폼과 혼합함으로써 상기 프리폼이 기능성을 갖도록 한다.

도 3b에서와 같이, 기능성 입자가 프리폼 내에 삽입된 상태에서 균일하게 혼합되어야 한다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에서는 전기영동 또는 유전영동 현상을 이용하였다.

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리폼에 RF 신호를 가하면서 유전영동 현상을 발생시키면서 상기 기능성 입자들이 균일하게 분산(S130)되도록 한 것을 도시한 것이다. 즉, 제조된 용액 내에 프리폼이 완전히 잠기도록 담근 뒤, 전기영동 또는 유전영동 등의 현상을 이용하여 프리폼의 내에 이차원 나노물질을 잘 분산(S130)되도록 한다.

이후, 약간의 압력을 가하면서 모든 방향에서 균등한(Isotropic) 건조(S140)가 이루어지게 하여 용매가 자연 건조되는 것을 유도한다. 이때, 건조 시에 주의할 점은 모든 프리폼에 균일하게 삽입 입자가 분포해야 하는 것이다.

이후에는 저온 열처리를 실시(S140)한다. 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리를 통한 기능성 프리폼의 모식도인데, 도 3d에 도시된 바와 같이, 저온의 열처리는 용매의 증발을 활발하게 하는 것을 목표로 한다. 매우 활발하게 증발(Evaporate)되는 용매(예를 들면, 에탄올)의 경우에는 상기 저온 열처리 공정이 생략될 수 있다.

또한, 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 고열처리 및 압력 성형 공정으로 형성된 화학 결합/코팅 생성을 통해 프리폼이 기능성화된 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 3e를 참조하면, 고열처리 및 압력 성형 공정은 기존 원사와(예를 들면, 유리 또는 카본) 삽입 입자들이 혼합되되, 화학적 결합/반 결합 및 코팅이 되는 것을 그 목적으로 한다. 이와 같은 결합을 통하여 그능성을 갖는 프리폼이 제조(S150)되는 것이다. 이를 위해 레진 매트릭스를 준비(S180)하고, 준비된 레진 매트릭스를 진공 처리하거나 몰딩(Molding)처리하여 프리폼과의 혼합이 잘 이루어지도록 레진을 성형(S190)한다.

이때의 고열처리는 기능성 입자와 섬유 물질(ex, Glass, Carbon) 간의 결합 에너지를 고려하여 열처리를 진행한다.

도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 레진 형성을 이용한 기능성 복합재가 생성된 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 3f를 참조하면, 도 3e에서와 같이 생성된 프리폼은 함유하는 나노입자 및 나노 판상 물질과의 화학적인 결합을 통하여 기능성이 부여되어 있으며, 이후 레진을 통한 성형(RTM/ Vacuum 공정 등)을 통하여 해당 물질의 물리적 특이성에 의한 기능성을 가지는 복합재가 제조(S200)된다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (9)

1. 섬유 프리폼; 및
   상기 섬유 프리폼과 혼합되는 레진 매트릭스(resin matrix)를 포함하고,
   상기 섬유 프리폼은,
   세라믹 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 세라믹 나노 입자는 ZrB2 및 ZnO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
   상기 세라믹 나노 입자가 상기 섬유 프리폼에 코팅을 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 복합재.
2. 삭제
3. 삭제
4. 섬유 프리폼을 제조하는 단계;
   기능성 입자가 상기 섬유 프리폼에 코팅을 형성하도록, 상기 섬유 프리폼에 상기 기능성 입자를 분산시키는 단계; 및
   상기 섬유 프리폼에 레진 매트릭스를 혼합하는 단계를 포함하고,
   상기 기능성 입자는 용액을 통하여 상기 섬유 프리폼에 삽입되는 것을 특징으로 하고,
   상기 기능성 입자는 ZrB2 및 ZnO2 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
   상기 섬유 프리폼에 상기 기능성 입자를 분산시키는 단계는,
   고주파를 가하면서 유전영동 현상을 통하여 상기 섬유 프리폼에 상기 기능성 입자를 고르게 형성시키는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 복합재의 제조방법.
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