KR101849707B1 - 복합재료 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따름 방법은, 중간재료를 형성하기 위해, 플라스틱 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하도록 하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 복합재료를 형성하기 위해 상기 중간재료의 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함한다. 상기 플라스틱 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하기 전에, 혼합물을 형성하기 위해 매트릭스 물질은 희석액과 혼합된다.

Description

복합재료 생산방법{METHOD FOR PRODUCING A COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 일반적으로 복합재료의 생산에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강화섬유(탄소섬유와 같은)로 강화된 경화플라스틱(에폭시와 같은) 매트릭스를 포함하는 복합재료의 생산에 관한 것이다.

비행기, 선박, 보트, 스포츠카, 풍차 및 골프클럽과 같은 여러 제조에 있어서, 높은 강도와 강성을 가지면서도 가벼운 제조물을 얻는 것이 몹시 요구 된다. 보통 그러한 제조물을 위한 물질의 선택은 섬유강화 플라스틱(fiber-reinforced plastics; FRP)과 같은 복합재료와 같은 것이다. FRP 재료는 보통 비교적 높은 중량 대비 강도 비율을 가지며, 피로와 부식에 비교적 강하다.

많은 유형의 플라스틱과 섬유들이 FRP를 형성하기 위해 조합될 수 있으며, 강도 및 탄성과 같은 물성들은 매트릭스와 강화재료의 선택 및 조합에 각각 의존한다.

FRP 재료는 플라스틱이 되는 매트릭스 재료와, 섬유가 되는 강화재료를 포함한다. 강화섬유로 흔히 사용되는 것들로는 유리섬유(glass fibers), 아라미드섬유(aramid fibers) 및 탄소섬유(carbon fibers)가 있다.

유리섬유는 비교적 저렴한 섬유이고, 높은 중량 대비 강도 비율보다 낮은 가격이 보다 더 중요한 FRP 제품(레저보트의 선체와 같은)에서 흔히 발견된다.

탄소섬유는 유리섬유보다 비싸지만 FRP 재료에 이용될 때 보다 높은 중량 대비 강도 비율을 제공한다.

매트릭스 재료와 강화재료의 선택 및 조합은 말할 것도 없이 복합재료의 물성에 영향을 미친다. 뿐만 아니라, 이 분야에서의 경험들은 복합재료의 생산방법(예를 들면, 다른 층에 다른 강화구조의 조합, 및 특별한 몰드, 진공 시스템 및/또는 오토클레이브(autoclaves)의 사용을 포함) 역시 복합재료의 물성에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.

복합재료를 생산할 때, 좋은 물성을 달성하는 것 뿐만 아니라 때로는 좋은 생산경제를 달성하는 것 요구된다.

생산경제에 영향을 미치는 한가지 인자는 처리량(throughput)의 관점에서의 생산 능력이다. 높은 처리량은 고정된 생산비용을 많은 수의 유닛에 분배할 수 있게 한다. 생산경제에 영향을 미치는 또 다른 인자는 고가의 특별한 기계(예를 들면 대형 오븐 또는 오토클레이브)에 대한 비용과 같은 고정된 비용이다. 또한 직간접 재료 비용 및 재료 낭비 또한 전체 생산 비용에 영향을 미친다.

WO 01/41993 A2는 복잡재료 생산방법을 개시한다. 설명된 방법은 재료 내의 보이드를 제거하기 위한 크고 비싼 오토클레이브를 사용하지 않고 복합재료를 얻는 것을 시도하며, 몰드 내에서 적당한 강화재료로부터 프리폼(preform)을 형성(assembling)하는 단계; 몰드 내에서 점착부여제(tackifier)를 이용하여 프리폼에 점착성을 부여하는 단계; 점착부여제 프리폼을 진공제거(vacuum debulking)하는 단계; 백의 이완(bag relaxation)을 조절하고 진공 상태를 개선하기 위해, 제거된 프리폼을 내측 백(inner bag)과 외측 백(outer bag)으로 이중포장(double bagging)하는 단계; 및 진공보조 수지전달 몰딩공정을 이용하여 제거된 프리폼에 수지를 스며들게 하는 단계를 포함한다.

그러나, WO 01/41993 A2에 개시된 방법은 수행하기에 복잡하고, 비교적 낮은 중량 대비 강도 비율을 제공하는 단점을 갖는다.

배경기술로서, 상당히 오래된 미국특허 US-A-4,385,957(1979년에 출원된 독일특허 우선권 주장)도 언급되어야 한다. US-A-4,385,957의 발명자는 특별히 큰 표면을 갖는 구조 요소(예를 들면 헬리콥터의 로터 블레이드 등)의 함침(impregnation), 또는 복잡한 형상을 갖는 구조 요소와 관련하여, 수지(resin) 주입 도중에 수지의 흐름을 적절히 조절하는 것이 어렵다는 사실을 인식하였다. 이 흐름 조절 문제는, US-A-4,385,957의 발명자에 따르면, 어느 특정 위치에서 수지의 온도가 수지의 점도 및 흐름성(flowability)을 결정한다는 사실에 기인한다. 흐름 조절 문제를 해결하는 한 가지 방법은 비싸고 매우 복잡한 가열 몰드를 사용하는 것이다. 흐름 조절 문제를 해결하는 또 다른 방법은 US-A-4,385,957에 개시된 것과 같은 방법을 사용하는 것으로서, 여기서 수지는 하나 또는 여러층의 탄소섬유 웹(carbon fiber web)을 포함할 수 있는 탄소섬유 웨빙(carbon fiber webbing) 내로 주입된다. 수지의 요구되는 흐름성 및 그의 경화는 탄소섬유를 통과하는 전류에 의해 가열되는 탄소섬유 웨빙을 통해 가열 어플리케이션에 의해 직접 달성된다. 따라서, 탄소섬유 웨빙은 구조 요소 내에서 전기적 내부 가열 매트로서 직접 작동한다.

US-A-4,385,957의 또 다른 목적은, 고가의 가열 몰드를 필요로 하지 않으면서 가열 몰드를 이용하는 것과 비교하여 적은 에너지 소비가 적은, 어떠한 크기 및/또는 형상의 섬유합성 요소 또는 구조를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

개시된 방법에 따르면, 수지의 경화 온도를 생성하기 위해, 탄소섬유 웨빙을 통해 전류가 공급된다. USA-4,385,957는 또한 웨빙의 다른 영역에서 다른 값을 갖도록 전류의 강도(strength)를 조절하는 방법을 제안하는데, 그로써 가열의 세기(intensity)가 웨빙의 특정 위치 또는 배열에 조정될 수 있다. FRP 요소의 형상을 규정하기 위해 가열되지 않고 전기 전도성인 몰드가 이용되며, 도전성 몰드로부터 탄소섬유 웨빙을 절연시키는 데에 유리섬유 웨빙이 이용된다.

US-A-4,385,957의 단점들은 반복되는 스트레스와 장기간의 스트레스에 대해 낮은 내구성, 및 비교적 낮은 중량 대비 강도 비율을 갖는 물질을 제공한다는 점이다.

또 다른 배경기술이 EP 1724306 Al와 US-A-4,486,494에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 상술한 타입의 종래기술보다 개선된 섬유강화 플라스틱 복합재료를 생산하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 특별한 목적은 높은 중량 대비 강도 비율과, 반복되는 스트레스 및 장기간의 스트레스에 대해 우수한 내구성을 갖는 개선된 섬유강화 플라스틱 복합재료를 생산하는 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 발명자는 항공 및 자동차 산업과 같은 많은 산업이, 높은 중량 대비 강도 비율과, 반복되는 스트레스 및 장기간의 스트레스에 대해 우수한 내구성을 갖는 우수한 재료를 통해 이익을 얻을 것이라고 믿는다. 예를 들면, 그러한 재료는 효율적으로 낮은 에너지 소비와 낮은 환경에의 영향을 가져오면서 경량 자동차의 양산을 가능하게 할 것이다.

또한, 자동차 산업과 같이 재료 비용이 재료의 선택을 크게 좌우하는 영역에서 복합재료의 사용이 가능하게 하기 위하여, 그러한 재료의 생산을 위해 비용 효율적인 방법이 요구된다고 본 발명의 발명자는 믿는다.

차량 제조에 이용된 물질의 중량 대비 강도 및 내구성의 개선은 자동차의 전반적인 중량의 감소를 가져올 것이라는 점은 이해되어야 한다. 예를 들어 자동차에서, 이는 엔진, 트랜스미션, 브레이크, 배터리 등과 같은 차량의 다양한 요소들의 치수를 줄일 수 있게 하고, 이는 재료 절약, 비용 절약 및 환경 보호의 추가적인 순환으로 이끌면서, 차례로 복합재료 제조의 치수를 더욱 줄일 수 있게 할 것이다.

이하의 설명을 통해 나타날 이러한 그리고 다른 목적들은 특허청구범위 제1항에 정의된 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다. 상기 방법의 바람직한 측면들은 관련된 종속항에서 제시된다. 이러한 그리고 다른 목적들은 또한 특허청구범위 제28항에 정의된 시스템에 의해 달성되며, 바람직한 측면들은 관련된 종속항에서 제시된다.

본 발명의 일 측면에 따른 방법은, 중간재료(intermediate material)를 형성하기 위해, 매트릭스 물질이 강화섬유구조(reinforcement fiber structure)와 접촉하도록 하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 복합재료를 형성하기 위해 상기 중간재료의 매트릭스 물질을 경화시키는 단계를 포함한다.

상기 중간재료는 완전히 경화되기 전의 복합재료로 해석된다.

상기 플라스틱 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하기 전에, 이는 혼합물을 형성하기 위해 희석액과 혼합된다.

매트릭스 물질을 경화시키는 동안, 희석액은 매트릭스 물질로부터 분리된다. 이러한 방법은, 높은 섬유혼입률 및 높은 중량 대비 강도를 갖는 섬유-복합재료의 생산을 가능하게 하는 것과 같이 종래의 방법보다 많은 장점을 가진다. 또한 매트릭스 물질에 실질적으로 내부 보이드가 발생하지 않는 장점이 있는데, 이는 재료의 파괴 위험을 감소시키는 결과를 가져온다. 또 다른 장점은, 매트릭스 물질이 강화섬유구조를 완전히 적시고, 강화섬유에 매우 잘 접착되어, 전반적으로 높은 재료 강도, 높은 층간 강도(적층체가 생산되는 경우), 및 장기 스트레스 및 반복 스트레스에 대한 높은 내구성으로 이끌 수 있다는 점이다.

일 실시예에 따르면, 매트릭스 물질로부터 희석액의 분리는 중간재료 안으로부터 희석액에 에너지를 가함으로써 수행된다. 이렇게 하면, 분리 공정이 단축될 수 있으며, 그로 인해 짧은 생산 싸이클, 높은 생산률 및 좋은 생산 경제가 가능해 진다. 또한, 이렇게 하여 분리 공정이 잘 제어될 수 있으며, 그 결과 매트릭스 물질이 겔화 되거나 완전히 경화되기 전에 희석액 가스가 매트릭스 물질 밖으로 배출될 수 있고, 경화된 매트릭스 물질 내에서 가스 포켓의 위험을 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 경화 공정은 가속화될 수 있는데, 여기서 생산률이 증가될 수 있고, 오븐 후경화에 대한 필요성은 줄어들거나 완전히 사라질 수 있다. 시간 절약은. 생산지연에 매우 큰 비용손해가 발생하는 자동차-, 항공-, 스포츠 용품- 또는 해양산업과 같이 시간이 중요한 프로젝트(time-critical projects)에 매우 가치 있을 수 있는 짧은 시장진출시기(time-to-market)으로 이어질 수 있다. 또한, 가열이 매트릭스 재료 내로부터 달성되므로, 가열 몰드가 필요치 않아, 몰드 비용을 절감하면서 짧은 생산 싸이클 및 낮은 에너지 소비(큰 몰드에 필요한 가열/냉각이 필요치 않음)를 이룰 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 강화섬유구조는 전기 전도성 섬유를 포함하며, 에너지의 부가가 , 적어도 부분적으로, 상기 전기 전도성 섬유를 통한 전류의 인가에 의해 수행된다. 이 것의 장점은, 생산될 재료의 다양한 두께에 따라 다양한 에너지 부가를 가능하게 하고, 그로써 재료를 통한 희석액 증발의 우수한 제어를 가능하게 하면서, 매트릭스 물질 에너지가 인가되는 곳을 제어하기 쉽다는 점이다. 또 다른 장점은 강화섬유 내에 에너지를 공급하는 데에 이용되는 장비가 비교적 저렴하다는 점과, 에너지가 가해지는 곳에 대한 일관된 제어를 통해 복잡한 형상이 생산될 수 있다는 점이다. 또한, 높은 파워가 매트릭스 물질에 쉽게 부가될 수 있어서, 분리 공정의 속도를 높일 수 있게 된다. 또한, 부가되는 에너지가 매우 높은 에너지 효율을 갖기 때문에, 복합재료 생산에 필요한 전체 에너지 양이 줄어들 수 있다.

일 실시예에서, 에너지의 부가는, 적어도 부분적으로, 중간재료에 마이크로파를 가함으로써 수행된다. 이렇게 하면, 도전성 섬유를 포함하지 않거나 이에 가깝게 위치하지 않는 매트릭스 물질 내에 에너지를 쉽게 부가할 수 있게 된다. 또한, 쉬운 방법으로 국부적으로 집중된 에너지를 부가할 수 있어, 매우 다양한 두께를 갖는 부분들을 쉽게 생산할 수 있게 되는 장점이 있다. 또한 이러한 에너지 부가방법은, 상술한 전기 전도성 섬유의 저항가열을 이용하는 방법과 같이 다양한 타입의 에너지 부가와 쉽게 조합될 수 있다.

마이크로파를 이용하는 또 다른 장점은, 마이크로파를 이용하여 인가되는 에너지가 높은 비율의 희석액을 갖는 중간재료의 일부분에 의해 흡수되는 높은 온도에 도달하며, 부가된 에너지는 경화를 촉진하는 것이 아니라 매트릭스 물질로부터 희석액의 분리를 촉진하도록 행동하는 중간재료의 일부분에 집중된다.

또 다른 실시예에서, 에너지의 부가는, 적어도 부분적으로, 상기 중간재료에 음파를 가함으로써 수행된다. 이렇게 하면, 비교적 저렴한 장비를 이용하여 비교적 쉬운 방법으로 에너지를 부가할 수 있게 된다.

또한, 일 실시예에 따르면, 중간재료는 희석액과 매트릭스 물질의 분리를 위해 몰드 내에 위치하기 전에 생산된다. 이로써 매트릭스 물질이 고가의 몰드 내에서 가치 있는 시간을 소비하는 일 없이 강화섬유구조와 접촉할 수 있게 되는 장점이 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 강화섬유구조는 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하기 전에 몰드 내에 위치한다. 이러한 방법의 장점은 강화섬유가 몰딩 시간까지 매트릭스 물질로부터 분리되어 유지될 수 있으며, 입력 재료의 숙성(aging)에 기인한 재료 낭비의 위험이 줄어들고, 입력 재료의 저장이 고가의 에너지 소비 쿨러 또는 냉각기(freezer)와 같은 특별한 환경을 요구하지 않는다는 점이다.

매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하기 전에 강화섬유구조가 몰드 내에 위치하는 상술한 실시예는, 어떠한 측면에서, 하나 또는 그 이상의 희석액에 에너지를 가하는 앞서 언급된 측면과 조합될 수 있다. 그로써 가열되지 않은 몰드를 사용하는 것이 가능해 지고, 혼합물을 부가하는 동안 및 희석액과 매트릭스 물질를 분리하는 동안에 같은 몰드 내에서 중간재료를 유지함으로써 생산 공정을 단순화하는 것이 가능해질 수 있다.

일 실시예에 따른 방법에서, 플라스틱 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하게 되면, 중간재료 내의 혼합물 내의 희석액의 끓는 온도 이하로 매트릭스 물질의 일부분을 가열하기 위해, 중간재료 안으로부터 에너지가 가해진다. 이 방법의 장점은, 강화섬유구조 내로 희석된 매트릭스 물질을 부가하는 동안 강화섬유구조 내로 인가된 유체의 점도가 낮아지고, 그 결과 매트릭스 물질이 쉽게 섬유구조에 스며들어 적시게 된다는 것이다. 그러나, 희석액의 실질적 증발이 매트릭스 물질이 강화섬유구조 내로 인가되는 동안에는 촉진되지 않으며, 혼합물의 점도를 낮추도록 행동하는 매트릭스 물질의 인가 동안, 대부분의 희석액은 매트릭스 물질 내에 남게 된다. 이러한 방법으로, 생산 공정은 보다 속도를 높일 수 있으며, 강화구조의 젖음 현상(wetting)이 보다 더 촉진될 수 있다.

일 실시예에서, 적어도 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하게 되는 기간 동안, 몰드 내에 부압(underpressure)이 제공된다. 이로써, 매트릭스 물질이 보다 쉽게 강화섬유구조에 스며들어 이를 적실 수 있게 되며, 가스 포켓(gas pockets)과 보이드의 위험 감소로 인해 생산시간 절약 및 물성의 개선을 이끌 수 있게 된다.

또한, 적어도 상기 혼합물이 강화섬유구조와 접촉하게 되는 기간 동안, 몰드 내에는 진공에 가까운 환경이 제공될 수 있다. 이로써 매트릭스 물질이 보다 더 쉽게 강화섬유구조에 스며들어 이를 적실 수 있게 되며, 가스 포켓과 보이드의 위험 감소로 인해 생산시간 절약 및 물성의 개선을 더욱 더 이끌 수 있게 된다.

또 다른 실시예에 따르면, 혼합물은 상기 강화섬유구조 내에 매트릭스 물질을 과압 주입(overpressure injection)함으로써 강화섬유구조와 접촉할 수 있다. 이렇게 하면, 가압된 매트릭스 물질이 압력이 낮은 영역으로 가스를 밀어내기 때문에, 생산 공정의 속도를 더 높일 수 있고, 섬유와 매트릭스 물질 사이의 나은 접착을 촉진할 수 있으며, 가능한 한, 보다 완벽한 스며듦(permeation) 및 섬유의 젖음(wetting)을 촉진할 수 있다.

바람직하게, 매트릭스 물질로부터 희석액을 분리하는 동안, 몰드 내에 부압이 제공된다. 이렇게 하면 증발된 희석액 가스의 배출이 촉진되며, 이로써 복합재료 내에 보이드 및/또는 가스 포켓이 생기는 위험을 줄일 수 있게 된다.

하나 또는 그 이상의 몰드 캐비티의 표면은 실질적으로 단열재료로 만들어지는 것이 바람직하며, 이로 인해, 중간재료 안으로부터 매트릭스 물질에의 상기 에너지 부가를 제어함으로써 몰드 내용물의 온도를 제어하는 것이 용이해진다. 왜냐하면, 열전도성 몰드가 사용되는 것에 비교하여 적은 열이 몰드에 전달되기 때문이다. 또한, 매트릭스 물질에 대한 가열시간(heat up time)을 줄일 수 있으며, 더 높은 생산률(production throughput)을 이끌어낼 수 있다.

또한, 하나 또는 그 이상의 몰드 캐비티의 표면은 전기적 절연재료로 만들어질 수 있으며, 이로 인해, 어느 전기 전도성 몰드 캐비티 표면으로부터 전도성 섬유를 절연시키기 위해 별도의 절연구조(유리섬유 웹과 같은) 없이도 전기 전도성 강화섬유의 저항가열을 이용할 수 있게 된다. 이 것의 장점은, 별도의 절연구조(유리섬유 웹과 같은)가 중간재료와 몰드 캐비티 표면 사이에 사용된 것과 비교하여, 몰딩된 복합재료의 보다 부드럽고 시각적으로 매력적인 표면처리가 얻어질 수 있다는 점이다.

바람직한 실시예에서, 몰드는 실질적으로 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 중 어느 하나 또는 그 이상과 같은 플라스틱으로 만들어진다. 이러한 몰드를 이용하면, 금속 몰드를 생산하는 경우와 비교하여 몰드의 생산을 위해 필요한 시간이 줄어들 수 있다는 장점이 있다. 또한 몰드의 장비비용(tooling cost)이 줄어들 수 있으며, 몰드의 재료비용이 줄어들 수 있다. 또한, 몰드를 위해 플라스틱 재료를 이용하게 되면, 종래의 금속 몰드를 이용하는 경우와 비교하여, 몰드의 기하구조를 쉽게 수정할 수 있게 된다. 언급된 플라스틱 모두 낮은 저항(low friction), 우수한 절삭성(machinability), 우수한 내고열성(high-temperature resistance), 미세한 표면가공(fine surface finish) 및/또는 낮은 가격(low price)과 같은 다양한 장점들을 제공한다. 금속 몰드 대신에 플라스틱 몰드를 이용하는 또 다른 장점은, 몰드로부터 복합재료를 쉽게 분리할 수 있도록 하기 위해 몰드 표면에 몰드 이형제(mold release agent)를 사용할 필요가 없다는 것이다.

바람직한 실시예에서, 희석액은 매트릭스 물질에 실질적으로 비반응적(non-reactive)이다. 이는, 희석액의 대부분이 매트릭스 물질과 반응하지 않고, 그 결과 증발 또는 제거를 위한 다른 방법에 의해 매트릭스 물질로부터 제거될 수 있다는 장점을 가져온다. 반면 다른 실시예에서, 희석액은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 및 헵탄올로 이루어진 그룹에서 선택되는 알콜이며, 매트릭스 물질은 에폭시이다. 이러한 매트릭스 물질과 희석액의 조합은 우수한 내구성을 제공한다. 또한, 증발된 가스가 중간재료를 벗어날 수 있도록 매트릭스 물질의 경화가 너무 빠르지 않은 온도 범위 내에서 희석액 증발의 우수한 제어가 가능해진다. 또한, 희석액은 에폭시에 대해 실질적으로 비반응적이다. 일단 경화되면, 에폭시는 강화섬유들 사이에서 높은 강도의 본드를 제공한다.

일 실시예에서, 혼합물은 1 내지 70% 부피의 희석액을 포함한다. 이러한 양의 희석액을 갖게 되면, 저점도의 혼합물을 생성하는 것이 가능해지며, 이는 섬유에 매트릭스 물질을 부가하는 것을 용이하게 한다. 또한, 실질적으로 강화구조의 어느 부분도 매트릭스 물질이 없는 상황에 놓이지 않도록 하기 위하여, 그리고 매트릭스 물질/혼합물의 수축에 의해 야기되는 겔화 동안/후에 매트릭스 물질 내에서 실질적으로 크랙이 나타나지 않도록 하기 위하여, 증발 동안에 적정한 수축량을 갖는 혼합물을 가능하게 한다.

일 실시예에 따르면, 강화섬유구조는 강화섬유구조의 중량의 적어도 30%의 탄소섬유 내용물을 포함한다. 적어도 이 정도의 탄소섬유 내용물을 갖게 되면, 강화재료의 탄소섬유의 저항가열에 의해, 복합재료 전체에 걸쳐 완벽한 가열이 이루어질 수도 있을 것이다.

상술한 방법은 이론상 가능한 개별 강화섬유구조의 선택과 비교하여 매우 높은 섬유혼입률을 가지면서 높은 품질의 섬유강화 플라스틱 복합재료를 생산하는 데에 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 이용하여 얻어진 결과는 종래기술, 적어도 그 정도로 저렴하고, 유연하고, 시간 효율적인 방법으로는 이전에는 달성하지 못했던 결과를 가져온다.

일 측면에 따르면, 전술한 측면의 어느 하나에 의해 얻어지는 섬유강화 플라스틱 복합재료가 제공된다.

또 다른 측면에 따르면, 섬유강화 플라스틱 복합재료가 제공된다. 상기 재료는 강화섬유구조와 매트릭스 물질을 포함한다. 상기 강화섬유구조는 복수의 강화섬유를 포함하고, 상기 매트릭스 물질은 상기 강화섬유구조의 섬유들 사이에서 본드로 기능하도록 상기 강화섬유구조 내에 분포된다. 또한, 상기 섬유강화 플라스틱 복합재료는 65% 이상의 섬유혼입률(FVF)을 갖는다.

반면 또 다른 측면에 따르면, 섬유강화 플라스틱 복합재료는 80% 이상의 FVF/Tmax 값을 갖는다. 이러한 재료는, 얻어진 복합재료가 매우 우수한 전기 전도체이고, 이는 스텔스-테크놀로지 어플리케이션(stealth-technology applications)에 사용되기에 적합하다는 장점이 있다. 또한 이러한 물질은 우수한 열전도체이어서 국부 가열에 덜 민감하다는 장점이 있는데, 그렇지 않다면 매트릭스 물질에 손상을 가할 것이다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 방법을 수행하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 폐쇄 가능한 몰드, 에너지 공급장치, 매트릭스 물질 용기, 희석액 용기, 경화제 용기, 및 상기 용기들로부터 혼합미터(mix meter)에 유체를 공급하는 하나 또는 그 이상의 펌프를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 몰드 프레스와 진공 시스템을 포함한다. 상기 몰드 프레스는 유압 프레스일 수 있다. 이러한 시스템은 상술한 것과 같은 고품질의 복합재료를 효율적으로 생산할 수 있게 한다.

본 발명은 상술한 타입의 종래기술보다 개선된 섬유강화 플라스틱 복합재료를 생산하는 새로운 방법을 제공한다.

본 발명은 높은 중량 대비 강도 비율과, 반복되는 스트레스 및 장기간의 스트레스에 대해 우수한 내구성을 갖는 개선된 섬유강화 플라스틱 복합재료를 생산하는 비용 효율적인 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 2는 일방향성 섬유의 강화 수지 구조의 일부의 단면을 나타낸다.

본 발명에 따른 방법은, 다른 데에 사용될 수도 있지만, 높은 성능의 탄소섬유 복합재료를 생산하는 데에 사용되는 것을 주된 대상으로 한다. 그러한 재료는 특히, 높은 강도(strength)와 강성(stiffness)을 가지면서 가벼운 제조물을 얻는 것이 몹시 요구되는, 요구사항이 많은 어플리케이션(우주선, 위성, 비행기, 선박, 보트, 스포츠카, 풍차 및 골프클럽 등과 같은)에 유용하다. 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 그러한 방법이 설명될 것이다.

기본적인 방법( General method)

요약하면, 본 발명의 일 측면에 따른 방법은,

혼합물을 형성하기 위해 매트릭스 물질과 희석액을 혼합하는 단계;

상기 혼합물이 강화섬유구조와 접촉하도록 하는 단계;

섬유강화 혼합재료를 형성하기 위해 매트릭스 물질을 경화시키는 동안 매트릭스 물질로부터 희석액을 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법에서, 플라스틱 매트릭스 물질은(에폭시 또는 폴리에스트 수지와 같은) 혼합물을 형성하기 위해 적당한 희석액(에탄올과 같은)과 혼합된다. 그리고 나서, 중간재료를 형성하기 위해 이 혼합물은 탄소섬유 웨빙과 같은 강화섬유구조와 접촉하게 된다. 그 후에, 매트릭스 물질이 섬유강화 플라스틱 복합재료를 형성하도록 경화되는 동안, 희석액은(예를 들면, 희석액의 증발에 의해) 매트릭스 물질로부터 분리된다.

여기서, 매트릭스 물질이라는 용어는 그 재료의 상태를 독립적으로 의미한다. 예를 들면, 에폭시가 매트릭스 물질로 언급되는 경우, 이 것은(다른 것이 명시적으로 언급된 경우가 아니라면) 문맥에 따라 매트릭스 물질이라는 용어가 완전 경화된 레진 뿐만 아니라 미경화 레진과 반경화 레진을 나타내는 데에 이용될 수도 있다는 것을 의미한다.

또한, '중간재료'라는 단어가 '프리프레그(pre-preg)'와 혼동되어서는 안된다. 본 설명의 문맥 내에서, '중간재료'라는 단어는 수지가 완전히 경화되기 전의 수지, 희석액 및 강화섬유 조성물을 의미하는 것으로 사용된다. 수지가 완전히 경화된 후, 수지와 강화섬유 조성물은 '섬유강화 플라스틱 복합재료' 또는 단순히 '섬유강화 플라스틱 생성물'을 나타낸다.

만일 희석액이 너무 많이 사용되면, 강화섬유구조의 일부분에 매트릭스 물질이 희박하게 되는 위험이 증가한다. 만일 너무 적은 희석액이 사용되면 혼합물이 도달할 수 없는 강화섬유구조 부분이 발생할 위험이 상승하며, 이 곳은 완전히 매트릭스 물질이 없는 상태로 남게 된다.

본 발명에서, 섬유구조 내의 매트릭스 물질의 분포는, 혼합물 형성을 위해 매트릭스 물질을 희석액에 희석시키고 나서 이 혼합물을 강화섬유구조 내에 분포시킴으로써 가능해진다.

혼합물은 매트릭스 물질이 단독으로 존재하는 경우보다 강화섬유구조 내에서 분포되기 쉽다. 그래서, 매트릭스 물질은 강화섬유구조 내의 실질적으로 모든 섬유 표면들과 심지어 섬유들 사이에 형성된 작은 공간에도 쉽게 부가될 수 있다.

강화섬유구조의 섬유들 사이의 강하고 내구성 있는 본드를 얻기 위해 필요한 매트릭스 물질의 양은 강화섬유구조의 섬유들이 얼마나 서로 가깝게 위치할 수 있느냐에 의존하며, 이는 결국 섬유들 사이의 갭(gap)을 연결하고 섬유의 표면에 잘 부착되는 데에 필요한 매트릭스 물질의 양을 결정한다.

강화섬유구조 내의 섬유들의 지름과 배치는, 강화섬유들이 서로 얼마나 가까울 수 있는지, 이들이 얼마나 구부러질 수 있는지, 및 강화섬유구조가 얼마나 조밀할 수 있는지를 궁극적으로 결정한다. 예를 들면, 도 2와 같이, 임의로 매치된 섬유 매트의 섬유들은 서로 가깝게 놓일 수 없는 반면, 평행한 섬유의 강화구조는 서로 매우 가깝게 놓일 수 있다.

특히 여러 층의 빽빽하게 짜인 강화섬유직물(densely woven reinforcement fiber fabric)이 강화섬유구조에 사용될 때, 적어도 합리적인 시간 내에 수지가 종래 방법을 이용하는 섬유구조에 전체적으로 스며들게 하는 것은 거의 불가능하기 때문에, 강화섬유구조에 수지를 적용하는 유용하지 않을 것이다.

매트릭스 물질의 준비( Preparation of matrix substance )

매트릭스 물질의 경화를 촉발시키기 위해 경화제가 사용되면, 경화제는 혼합물이 강화구조 내에 유입되기 전에 매트릭스 물질과 적절히 혼합되어야 한다.

이에 대한 한 가지 이유는, 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하게 되기 전에 매트릭스 내에 경화제를 고르게 분포시키고 혼합하기가 쉽다는 사실에 기인한다. 더해질 경화제의 양은 매트릭스 물질의 제조자에 의해 일반적으로 주어지는 사양에 의해 결정된다.

매트릭스 물질과 경화제의 완전하고 고른 혼합은, 매트릭스 물질의 모든 부분이 완벽한 경화를 위한 정확한 양의 경화제를 가지게 될 것이고, 매트릭스 물질의 어느 부분도 너무 많거나 너무 적은 경화제를 가지지 않을 것이므로, 매트릭스 물질의 모든 부분의 성공적인 경화를 촉진한다. 만일 너무 많은 경화제가 매트릭스 물질에 존재하면, 초과된 경화제는 반응하지 않을 것이고, 따라서 매트릭스 물질 내에 액체로 남아 복합재료의 강도 및/또는 내구성을 저하시킬 수 있을 것이다. 또한, 매트릭스 물질의 일부분이 너무 적은 양의 경화제를 가지면, 이 부분은 적절히 경화되지 않을 것이고, 그 결과 아마도 복합재료의 강도 및/또는 내구성을 저하시킬 것이다.

완전하고 고른 혼합은 또한 매트릭스 물질의 고른 경화를 촉진한다. 이는 결국, 혼합물 내의 매트릭스 물질의 점도가 실질적으로 혼합물 전체에서 고르기 때문에, 매트릭스 물질이 강화섬유와 접촉하도록 하는 공정을 조절하는 것을 용이하게 한다.

강화섬유구조 내의 혼합물의 분포는 매트릭스 물질의 겔화가 시작하기 전에 완료되는 것이 바람직하다. 겔화 공정이 더 길게 진행될수록, 매트릭스 물질은 더 두꺼워지고 매트릭스 물질 내에서 크랙이 발생할 위험이 더 높아질 것이다. 바람직하게, 겔화는 혼합물이 강화섬유구조 전체에 걸쳐 분포된 후에만 일어난다.

매트릭스 물질의 경화 속도는 매우 다양하며, 만일 특정 온도 이하를 유지한다면 일부 매트릭스 물질은 매우 느리게 경화될 수 있고 전혀 그렇지 않을 수도 있을 것이다. 보통, 혼합물은 2~15%의 부피를 갖는 희석액을 포함하는데, 적어도 70%까지의 양이 가능하고, 혼합물의 점도를 낮추는 데에 도움이 된다. 혼합물 내에 많은 양의 희석액이 제공되면 희석액의 증발 도중에 많은 가스가 생성되고, 그래서 증발된 가스를 다루기 위해 적절히 설계된 배기 시스템이 구비되어야만 한다. 혼합물의 점도가 섬유구조의 적당한 습윤(wetting)이 가능하도록 충분히 낮은 한, 희석액의 양은(예를 들면 희석액의 낭비를 방지하고 배기의 불필요한 요구를 방지하기 위해) 낮게 유지되어야 한다.

혼합물의 준비( Preparation of mixture )

희석액을 선택할 때, 혼합물이 매트릭스 물질이 최초에 가졌던 것보다 낮은 점도를 갖도록 매트릭스 물질보다 낮은 점도를 갖는 것을 선택한다. 또한, 매트릭스 물질과 실질적으로 반응하지 않는 희석액을 선택하는 것이 바람직한데, 그 결과 가능한 많은 희석액이 매트릭스 물질이 완전히 경화되기 전에 매트릭스 물질로부터 분리될 수 있다.

그러나, 반응성 희석액이 비교적 느리게 반응하고, 상당한 양의 희석액이 매트릭스 물질 또는 다른 첨가제(경화제, 필러, 다이, 피그먼트 등과 같은)와 반응할 시간을 갖기 전에 매트릭스 물질로부터 분리되기만 하면, 반응성 희석액도 사용될 수 있을 것이다.

희석액과 매트릭스 물질의 혼합물은 희석되지 않은 매트릭스 물질과 비교하여 비교적 낮은 표면장력(surface tension)을 갖는다. 그래서, 혼합물과 각각의 강화섬유 사이의 접촉각은 희석되지 않은 매트릭스 물질과 비교하여 낮아진다. 이는, 혼합물이 섬유구조의 복잡한 기하학적 구조에 비교적 쉽게 적응하여, 강화섬유구조 내에서 혼합물의 분포 동안 매트릭스 물질에 의해 섬유들이 완전히 젖게 되는 장점을 가져온다.

강화섬유구조에 혼합물을 부가( Adding mixture to reinforcement fiber structure )

혼합물이 강화섬유구조와 접촉하도록 하는 많은 방법들이 존재하며, 예를 들면 강화구조 내의 혼합물의 보다 완벽한 분포를 달성하기 위해, 이들 중 일부는 조합될 수 있다. 완벽한 분포란, 강화구조의 실질적으로 모든 부분이 혼합물로 젖게 되는 것을 의미하고, 또한 섬유들 사이의 도달하기 어려운 작은 공간이 혼합물로, 그 결과 매트릭스 물질로 채워지는 것을 의미한다. (만약 강화섬유구조 내의 혼합물의 분포 동안, 매트릭스 물질이 혼합물 내에 고르게 분포된다면)

일 실시예에 따르면, 혼합물은 브러쉬를 이용하거나 강화섬유구조 상에 단순히 혼합물을 붓는 방법 등과 같은 수동으로 강화섬유구조에 부가될 수 있다. 이러한 수동 적용 방법은 주로 몰드 등을 사용하지 않고 수행된다. 만일 적용 동안 강화섬유구조를 홀딩하기 위해 몰드 등이 사용된다면, 그러한 몰드는 개방형 몰드(open mold)인 것이 바람직하며, 그 결과 강화섬유구조가 몰드 내에 위치한 상태에서 수동 적용이 수행될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 혼합물은 섬유들의 모세관 활동(capillary action)을 이용하여 강화섬유구조와 접촉하게 된다. 보통 섬유구조는 수천 또는 수백만의 섬유 필라멘트를 갖는데, 이들은 모세관 활동에 의해 섬유들과 접촉하는 저점도 유체의 이동을 촉진하도록 함께 작용한다. 혼합물이 강화섬유구조에 공급되면, 모세관 활동은 강화섬유구조를 통해 혼합물을 더더욱 빨아들이며, 강화섬유구조에의 완벽한 스며듦이 달성될 수 있다. 모세관 활동의 영향은 매트릭스 물질이 단독으로 존재하는 경우 보다 본 발명에 따른 혼합물에서 더 강력하다.

또 다른 실시예에 따르면, 강화섬유구조가 폐쇄 가능한 몰드 내에 위치하며, 혼합물이 과압(overpressure)을 이용하여 몰드 내에 주입된다.

여기서, 폐쇄 가능한 몰드(closable mold)는 폐쇄가 가능해서 몰드 캐비티 내의 압력이 조절 가능한 몰드이다. 폐쇄 가능한 몰드는 유입구(inlet ports)와 배출구(outlet ports)를 구비할 수 있으며, 여전히 폐쇄 가능한 것으로 여겨지는 것으로 이해되어야 한다. 유입구는 예를 들면, 수지 주입구일 수 있으며, 이를 통해 수지 또는 다른 매트릭스 물질이 몰드 내로 유도될 수 있다. 배출구는 예를 들면, 몰드 내에 부압(underpressure) 또는 진공을 생성하기 위해 진공 펌프 또는 진공 시스템이 연결되는 포트일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 진공 펌프 또는 부압을 생성할 수 있는 다른 어떤 펌프가 폐쇄 가능한 몰드의 배출구에 연결되며, 그 결과 몰드 내의 강화섬유 주위에 부압이 제공될 수 있다. 이렇게 함으로써 강화섬유구조 주위로부터 가스가 제거되며, 그 결과 혼합물이 상기 구조를 쉽게 적실 수 있다. 부압이 몰드 내에 제공되면, 공급된 혼합물과 강화섬유구조 내로 더 분포된 혼합물 사이의 압력차는 증가하며, 혼합물은 보다 쉽게 강화섬유구조 내에 분포되고 섬유를 보다 잘 적신다.

일 실시예에서, 젖음을 더욱 개선하고 섬유들을 완벽하게 적시는 데에 필요한 시간을 줄이기 위하여, 혼합물의 과압주입은 몰드 내측의 부압 생성과 함께 사용된다.

희석액과 매트릭스 물질의 분리(Separation of diluent and matrix substance)

일단 섬유구조에 완벽히 스며들기에 충분한 혼합물이 강화섬유구조 내에 분포되면, 희석액과 매트릭스 물질의 분리가 (예를 들면 중간재료 안으로부터 희석액에 에너지를 가함으로써) 활발하게 촉진될 수 있다.

희석액을 제거하는 다른 수단(다른 물질 또는 가스와 반응시킨 뒤 결과물질 또는 가스를 제거하는 방법 등과 같은)이 이용될 수도 있으나, 희석액이 증발에 의해 매트릭스 물질로부터 분리되는 것이 바람직하다.

희석액과 매트릭스 물질의 분리에 따른 장점은, 희석액이 중간재료로부터 분리되어 제거될 때, 혼합물이 수축하기 때문에, 강화섬유구조가 조밀해진다는(compacted) 점이다. 이는 높은 섬유혼입률을 가지면서 조밀한 복합재료를 얻는 매우 효율적인 방법이다.

희석액이 증발되면, 그것은 액상 매트릭스 물질을 통한, 또는 중간재료의 복잡한 내부 구조 내의 미세한 보이드 또는 가스 포켓을 통한 출구를 찾는다.

만일 액상 매트릭스 물질에 비해 많은 양의 겔화 매트릭스 물질이 존재하면, 증발된 희석액은 중간재료의 밖으로 나가는 도중에 겔화 매트릭스 물질을 통과해야만 할 수도 있으며, 겔화 메트릭스 물질 내에 크랙이 발생할 위험이 증가된다. 이러한 크랙은 완성된 복합재료 내에 남을 수 있기 때문에, 매트릭스 물질 겔 또는 경화물을 둘러싸기 전에 가능한 많은 희석액을 증발시킴으로써 이들을 회피하는 것이 요구된다.

희석액(또는 희석액의 적어도 일부)을 증발시키기 위해, 상기 부분에는 상기 부분의 현재 주변 압력에서 증발이 시작할 수 있는 온도에 도달하기에 충분한 에너지가 주어지는 것이 바람직하다. 낮은 주변 압력은 증발을 위해 필요한 온도를 낮추며, 그 반대도 마찬가지이다. 이 후, 희석액의 상기 부분이 증발되기 위해 추가적인 에너지가 부가되어야 한다.

혼합물 전체에 걸쳐 동시에 모든 희석액이 증발되는 것은 아니며, 증발 프로세스가 점진적인 프로세스라는 것은 이해되어야 한다.

따라서, 희석액의 적어도 일부의 온도가 현재 주변 압력에서 증발이 시작할 수 있는 온도에 도달하면, 희석액은 주변 가스, 액체 또는 고체 재료(주변 가스, 강화 섬유 도는 매트릭스 물질과 같은)로부터의 에너지를 이용하여 증발하게 될 수 있다.

또한, 희석액의 증발 중에 희석액과 그 주변 물질의 급격한 온도 상승을 효과적으로 방지하는, 희석액의 부분과 그 주변 유체 또는 고체 사이의 에너지 밸런스가 존재한다는 사실은 이해되어야 한다. 여기서, 만일 강화섬유구조가 탄소섬유와 같은 좋은 열전도체인 섬유를 포함하면, 이러한 섬유는 중간재료의 전반에 걸쳐 열 분산을 도울 것이며, 그에 따라 액상과 가스 상태 사이의 상태의 변화 동안 희석액이 가져오는 에너지 밸런싱 효과를 보다 더 연장하게 될 것이다. 이러한 에너지 밸런싱 효과는 희석액의 증발 동안 혼합물 내 온도를 고르게 유지하는 데에 도움을 주며, 그 후, 희석액에 의해 더 이상 둘러싸이지 않는 매트릭스 물질의 일부분은 쉽게 온도를 얻게 되고, 그래서 복합재료를 형성하기 위해 쉽고 빠르게 겔화 및 경화될 수 있다.

희석액의 증발 속도를 향상시키기 위하여, 희석액의 일부에 에너지가 직접 부가될 수도 있으며, 주변 물질을 통해(주변 섬유 또는 매트릭스 물질을 통하는 것과 같은) 간접적으로 부가될 수도 있다.

몰드 캐비티 표면에 가까운 희석액은, 먼저 증발하여 몰드-캐비티 표면으로부터 억지로 멀어지게 되어 액상- 또는 겔 형의 혼합물 내로 유도되며, 많은 경우 나중에 경화된 플라스틱 내에 잔존하게 되는 거품 형성 및 가스 포켓을 일으키는 가스부피(gas volumes)을 형성하기 때문에, 종래의 가열식 몰드(heated molds)는 희석액에 에너지를 부가하는 수단으로 적절하지 않다. 또한 뜨거운 몰드 캐비티 표면으로부터의 열은, 몰드 캐비티 표면에 가까운 매트릭스 물질의 경화 공정의 속도를 높이고, 중간재료에 겔형 또는 고체 매트릭스 물질의 최외곽층(또는 껍데기)가 생기게 되며, 그 결과 희석액은 복합재료 내에 갇히게 되고, 추가적인 에너지가 부가되면 복합재료 내에 추가적인 가스 포켓이 형성된다. 최악의 경우, 그렇게 갇힌 희석액은 복합재료가 가열되면 내부응력(internal stress)을 유발할 것이고, 크랙과 재료파괴에 이를 것이다. 그러한 문제는 본 발명에 따른 방법을 사용하면 회피된다.

일 실시예에 다르면 희석액과 매트릭스 물질의 분리는 중간재료의 안으로부터 에너지를 부가함으로 인해 촉진된다.

이는, 외측 매트릭스 물질이 고점도 겔을 형성하기 전, 그리고 매트릭스 물질이 고체 재료를 형성하기 위해 경화되기 전에 중간재료 내의 희석액이 증발될 것이라는 장점을 갖는다. 본 실시예에 따르면, 증발된 희석액 가스는 보이드 또는 주변의 액상 또는 가스 형태의 물질을 통해 비교적 쉽게 배출될 수 있을 것이다.

희석액이 증발되면, 대체로 이는 중간재료의 최외측 주변부에 결국 도달한다. 만일 몰드가 사용되지 않으면, 증발된 희석액 가스는 주변 공기 중으로 배기된다. 그러나 만일 폐쇄된 몰드가 사용되면, 증발된 희석액은 몰드의 캐비티 표면 내의 가스 전달 채널에 의해 최대한 도움을 받는 부압 시스템(진공 시스템과 같은)을 통해 바람직하게 제거된다.

압력 차이(Pressure differences)

혼합물이 강화구조 내에서 자유롭게 이동할 수 없기 때문에, 혼합물 내에 그리고 액상 또는 겔화된 매트릭스 물질 내에서 압력차가 발생할 수 있다. 예를 들면, 몰드 내에 부압과 함께 혼합물의 과압주입(overpressure injection)이 이용되면, 매트릭스 물질의 압력은 몰드의 유입구 가까이에서, 몰드 내에서 강화구조 내로 보다 더 이동한 혼합물의 압력보다 더 높다.

혼합물이 높은 비율의 희석액을 포함하면, 강화섬유구조 내의 혼합물 내에서의 압력차는 보다 쉽게 안정된다. 또한, 희석액이 혼합물로부터 증발하면, 혼합물은 보다 높은 점도를 가지게 되고, 그리하여 강화섬유구조로 전처럼 쉽게 스며들 수는 없다.

경화 공정의 중간 상태로서, 초기 액체 상태와 최종 경화된 고체 상태 사이에, 매트릭스 물질은 고점도 겔을 형성하는 겔 상태를 겪게 된다. 일단 겔화 매트릭스 물질이 고체화 되면, 겔화 동안 물질 내에 여전히 남은 어떠한 압력차들이 빌트인 스트레스의 형태로 매트릭스 물질 내에 보존되는데, 이는 복합재료의 내구성을 저하시키기 때문에, 분명히 바람직하지 않다.

빌트인 스트레스를 회피하기 위하여, 매트릭스 물질이 겔을 형성한 후 중간재료에서 실질적으로 가스가 전혀 생성되지 않을 수 있도록 하고, 혼합물의 수축이 실질적으로 매트릭스 물질이 고점도 겔을 형성하기 전에 완료되도록, 매트릭스 물질이 겔을 형성하기 전에 매트릭스 물질로부터 희석액의 주요 부분, 바람직하게는 실질적으로 희석액 모두를 분리하는 것이 좋다. 그렇게 하면 발생한 매트릭스 물질에서 크랙의 위험을 낮출 수 있다.

희석액에 에너지를 부가하는 방법(Methods of adding energy to diluent)

각자의 고유의 장점들을 가지면서, 어떤 것들은 함께 사용하기에 적합한, 에너지를 가하는 많은 방법들이 존재한다.

일 실시예에 따르면, 강화섬유구조는 전기 전도성 섬유를 포함하며, 에너지 부가는, 적어도 부분적으로, 상기 전기 전도성 섬유에 전류를 인가함으로써 수행된다.

일 실시예에서, 전류가 이동하는 지점을 제어하기 위해서, 전극들은 강화섬유구조 상의 선택된 위치에 연결된다. 전극들의 위치는 생산될 복합구조/재료의 기하학적 구조에 의존한다. 복합구조의 두께가 다양할 수 있으므로, 상기 구조의 어느 부분도 너무 많거나 너무 적은 에너지를 얻지 않도록 하기 위해, 강화구조의 다양한 부분에 인가되는 에너지의 양을 조절할 필요가 있을 수 있다. 인가되는 에너지의 양은 전극의 탈부착 및/또는 전극들 사이의 전압을 조정함으로써 다양해질 수 있다. 섬유구조에 전극을 연결할 위치를 제공하기 위해, 최종적으로 복합재료구조의 일부가 될 것보다 더 큰 섬유구조가 제공될 수 있다. 여분의 부분 또는 섬유구조는 나중에 더 이상 필요가 없게 되면 제거될 수 있다.

섬유를 통해 에너지가 부가되면, 부가된 에너지는 섬유 주위의 혼합물을 가열하고, 그 결과 매트릭스 물질로부터의 희석액의 분리가 섬유 가까이에서 시작되며, 결국 섬유 가까이에서 매트릭스 물질의 경화 촉진으로 이어진다. 증발된 희석액 가스는 경화되지 않은 수지를 통해 외측으로 유도되며, 중간재료 내측에 갇히게 되는 현상 없이 증발될 수 있다.

일 실시예에서, 에너지의 부가는, 적어도 부분적으로, 중간재료에 마이크로파를 조사함으로써 수행된다. 이 방법은 전도성 섬유 필요 없이 이루어진다. 예를 들면, 이 방법은 유리섬유를 주로 포함하는 강화섬유구조의 일부분, 또는 빠른 희석액의 증발 및/또는 빠른 경화를 달성하기 위해 추가적인 에너지가 요구되는 두꺼운 부분에 유리할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 에너지의 부가는, 적어도 부분적으로, 강화섬유구조의 유도 가열(induction heating)을 통해 수행된다. 이를 위해서, 강화섬유구조는 전기 전도성 섬유를 포함하여야 한다. 이 것의 장점은 강화섬유구조의 일부(두꺼운 부분과 같은)에 대한 부분적 가열이 가열된 몰드 없이도, 그리고 강화섬유와의 직접적인 전기적 접촉 없이도 수행될 수 있다는 것이다.

강화섬유구조( The reinforcement fiber structure )

강화섬유구조는 웹(web), 매트(mat), 밴드(band) 또는 다른 섬유구조(fiber-structure), 또는 그러한 구조들의 조합일 수 있다. 강도, 온도저항, 전도성 등과 같은 물성에 따라 다른 섬유들이 적절할 수도 있으나, 강화섬유로 사용되기에 적절한 전형적인 섬유는 탄소-, 유리-, 아라미드- 및 케블러(Kevlar) 섬유이다.

매트릭스 물질의 경화( Curing of matrix substance )

앞서 언급한 바와 같이, 경화제가 사용되면, 매트릭스 물질이 강화섬유구조와 접촉하게 되기 전에 매트릭스 물질의 경화가 시작되는 것이 바람직하다. 그러한 경우, 경화공정은 매트릭스 물질(에폭시 또는 폴리에스터와 같은)과 경화제 사이의 화학적 공정이다. 이러한 경화공정은 때로 보통의 가열량(amount of heating)에 의해 약간 가속화될 수도 있다. 또한, 경화공정은 보통 발열반응(exothermic reaction)이고, 경화공정 그 자체의 화학적 반응에 의해 아마도 보다 더 빠른 경화공정으로 이끄는 열이 발생하며, 만일 온도가 너무 높아지면 재료 손상의 위험이 존재하게 된다는 점은 언급되어야 한다.

따라서, 중간재료의 경화는 기다리는 것에 의해 수행될 수 있으며, 열의 추가적인 부가에 의해 다소 가속될 수도 있다.

희석액과 매트릭스 물질의 선택( Choice of diluent and matrix substance )

희석액의 선택은 매트릭스 물질의 선택에 크게 의존하며, 이는 매트릭스 재료의 원하는 특성(높은 강도, 낮은 가격, 강화섬유재료에의 우수한 접착성, 우수한 내부식성, 낮은 독성 등과 같은)에 의존한다.

희석액은 매트릭스 재료를 희석시킬 수 있는 능력을 가져야 한다. 또한, 혼합물이 강화섬유구조와 접촉하게 된 후까지 증발이 시작하지 않을 정도로 충분히 높으면서, 외부 주변 매트릭스 물질이 겔을 형성할 시간을 갖지 못하도록 희석액의 충분한 증발을 가능케 할 정도로 충분히 낮은 정상 끓는 온도(normal boiling temperature)를 가지는 것이 바람직하다.

다른 매트릭스 재료는 다른 추천 경화 온도(recommended curing temperatures)를 갖는다. 다른 것들은 완전히 경화되기 위해 더 높은 온도를 필요로 하는 반면, 어떤 매트릭스 재료는 상온(room temperature)에서 경화시키기에 적합하다. 추천되는 경화제의 양은 매트릭스 재료 제조자에 의해 구체화된다.

일반적인 매트릭스 물질은, 강화섬유구조(reinforcement fiber structures)에 널리 사용되는 에폭시 수지 또는 강화섬유구조(reinforcing fiber structures)에 널리 사용되는 폴리에스터 수지와 같은 수지이다.

일 실시예에 따르면, 희석액은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 및 헵탄올로 이루어진 그룹에서 선택되는 알콜이며, 매트릭스 물질은 에폭시 수지이다.

몰드( Molds )

몰드는 생산될 복합재료의 형상을 규정하기 위해, 그리고/또는 혼합물이 강화섬유구조와 접촉하도록 하는 프로세스에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 설사 몰드가 복합재료의 외형을 규정하기 위한 목적으로 사용되지 않는다 하더라도, 몰드는 중간재료를 형성하기 위해 혼합물이 강화섬유구조와 접촉하도록 하는 공정에 영향을 미칠 수 있는 폐쇄가능한 부피(closable volume)로 사용될 수 있으며, 그 후에 중간재료는 몰드로부터 제거될 수 있고, 그리고 나서 더욱 취급되고 경화될 수 있다. 따라서, 몰드는 오로지 생산될 복합재료의 형상을 규정하기 위해 사용될 수 있으며, 그 경우 중간재료는 몰드 외부에서 생산되어 몰드 내에 위치할 수 있다.

몰드의 외형과 디자인은 생산될 복합재료 부분의 디자인에 크게 의존한다. 앞서 언급한 바와 같이, 몰드는 개방형 또는 폐쇄형 중 어느 하나일 수 있다. 폐쇄형 몰드는, 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 배출구와 이격된 하나 또는 그 이상의 유입구를 갖는 양면 몰드(double side mold)일 수 있다. 배출구는 진공 시스템과 연결될 수 있다. 또한, 몰드는 몰드 캐비티 내에 하나 또는 그 이상의 채널을 구비할 수 있는데, 그 내부로 증발된 희석액이 탈출할 수 있으며, 배출구가 개방된 경우 채널을 통해 증발된 희석액이 몰드의 하나 또는 그 이상의 배출구를 향해 유도될 수 있다. 그래서, 희석액과 매트릭스 물질이 분리되는 동안 배출구가 개방되지 않더라도, 증발된 희석액은 액상 또는 고체 물질로 가득 차 있지 않은 몰드 캐비티 내로 탈출할 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 사용되는 몰드는 플라스틱 몰드(폴리프로필렌으로 만들어진 몰드와 같은)이다. 금속 몰드 대신에 플라스틱 몰드를 이용하면, 도전성 섬유를 통해 전류가 흐르는 지점을 제어하기 용이해지고, 금속 몰드와 같은 전기 전도성 몰드와 비교하여 전기가 우연히 강화섬유구조로부터 방향을 바꾸는 일이 없도록 보장할 수 있다. 또한 금속 몰드 대신에 플라스틱 몰드를 이용하면, 몰드 생산을 위한 재료와 장비 비용을 줄일 수 있다. 몰드가 뜨겁게 될 필요가 없기 때문에, 가열식 몰드를 사용하는 경우와 비교하여 생산 사이클을 줄이고 에너지 소비를 줄일 수 있다. 금속 몰드 대신에 플라스틱 몰드를 사용하는 것의 또 다른 장점은, 몰드로부터 복합재료를 쉽게 분리할 수 있도록 하기 위해 몰드 표면에 몰드 이형제(mold release agent)를 사용할 필요가 없다는 것이다.

생산 시스템( Production system )

본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 시스템(S)이 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 이 시스템(S)는 세 개의 유체 용기를 포함한다. 첫번째(1)는 매트릭스 물질(A)을 저장하기 위한 것이고, 두번째(2)는 희석액(B)를 저장하기 위한 것이며, 세번째(3)는 경화제(C)를 저장하기 위한 것이다.

각각의 용기는 혼합미터(7)를 통해 몰드(8) 내에 액체를 공급하기 위하여 펌프(3, 4, 5)에 유체연결된다. 혼합미터(7)는 매트릭스 물질, 희석액 및 경화제를 공급받아 혼합물을 형성하기 위해 이들을 혼합한 후, 이 혼합물을 상기 펌프(3, 4, 5)의 도움으로 몰드(8) 내에 공급한다. 혼합미터(7)는 몰드(8)의 유입구(9)와의 연결을 위한 일회용 혼합유닛을 포함한다.

만일 매트릭스 물질이 일회용 혼합유닛 내에서 경화되면, 후속 생산운전을 위해 시스템의 흐름 경로가 보다 쉽게 깨끗하게 유지되도록 하기 위하여, 이 유닛은 새것으로 쉽게 교체될 수 있다. 몰드(8)는 일반적으로 유입구(9) 및 배출구(10)와 유체연결되는 몰드 캐비티를 함께 규정하게 되는 복수의 몰드부(mold parts)를 포함한다. 또한, 몰드(8)는 선택적으로 몰드(8)에 강한 압력을 가하는 유압프레스(11)에 설치된다. 또한 몰드 캐비티가 유입구들과 배출구들을 제외하고는 폐쇄되고, 이렇게 유입구와 배출구와의 유체연결이 이루어지고, 몰드 캐비티 내측의 압력이 몰드의 유입구와 배출구를 통한 유체의 펌핑과 빨아들임을 통해 조절될 수 있도록 하기 위해, 몰드(8)는 가스켓(12, 13, 14)을 구비한다. 진공펌프를 포함하는 진공시스템(15)은 몰드(8)의 배출구(9)에 연결된다.

또한, 몰드에 위치하고 강화섬유구조(F)의 전도성 섬유와 전기적으로 연결되는 와이어(16a, 16b) 및 연결블록/스트립(16c, 16d) 통해, 몰드(8)에 위치한 강화섬유구조(F)에 선택적으로 전력을 제공하기 에너지 공급장치(16)가 제공된다. 또한, 코어(C)가 강화섬유구조(F)를 지지하기 위해 몰드 캐비티 내에 위치할 수 있다.

유압프레스는 몰드에 직간접적으로 작용하는 복수의 스크류와 같이, 몰드부를 가압할 수 있는 다른 수단으로 변경될 수도 있다.

시스템의 사용방법(A method of using the system )

먼저 세 용기들(1, 2, 3)은 에폭시 베이스(A), 에탄올(B) 및 에폭시 경화제(C)로 각각 채워진다. 그리고 나서, 몰드가 개방되고, 복수의 층 또는 탄소섬유 웹을 포함하는 강화섬유구조(F)가 적당한 사이즈로 잘려져 코어(D) 주변의 몰드 캐비티 내에 위치한다. 이 후에 몰드(8)는 폐쇄되고 유압 프레스(11)에 의해 가압된다.

진공시스템(15)과 혼합미터(7)는 몰드에 연결되고, 진공시스템(15)은 몰드 캐비티와 모든 호스 및 몰드 캐비티와 유체연결되는 다른 공간에 진공과 유사한 환경을 제공하기 위해 작동된다.

진공과 같은 환경이 작동되면, 펌프(4, 5, 6) 및 혼합미터(7)는 고압 하에서 몰드 캐비티 내에 혼합물을 공급하기 위해 작동되고, 그 결과 강화섬유구조(F)는 중간재료를 형성하기 위한 혼합물에 의해 완벽히 침투된다.

몰드 캐비티가 혼합물로 가득 차면, 에너지 공급 장치는 강화섬유구조(F) 내의 탄소섬유에 전기적으로 연결된 곳을 저항 가열하기 위해 작동되고, 그 결과 에탄올(B)는 중간재료 안으로부터 혼합된 에폭시(A+C)로부터 분리된다.

증발된 에탄올(B)는 진공시스템(15)을 이용하는 몰드(8)의 배출구(10)를 통해 몰드 캐비티로부터 방출된다. 실질적으로 모든 에탄올(B)이 혼합된 에폭시(A+C)로부터 분리되어 방출되면, 과열 없이 혼합된 에폭시(A+C)의 빠른 경화를 촉진하기 위해 , 저항가열(resistive heating)은 적절한 레벨로 조정된다.

종래 재료와 비교한 물성

		본 발명에 따른 방법에 의해 보통 얻어지는 재료		종래방법에 의해 얻어진 최고의 재료
강화섬유구조 타입	Tmax*	복합재료에서의 실제 FVF**	Tmax에 대한 실제 FVF***	복합재료에서의 실제 FVF**	Tmax에 대한 실제 FVF***
일방향성 섬유	91%	≥80%	≥88%	55%	72%
능직섬유	73%	≥65%	≥89%	55%	75%

*T_max = 강화섬유구조의 이론상 최대 섬유혼입률

**FVF = 섬유혼입률(Fiber Volume Fraction)

***T_max에 대한 실제 FVF = FVF/T_max

표 1은 본 발명에 따른 방법을 통해 일반적으로 얻을 수 있는 물질의 물성을, 가장 잘 알려진 종래기술에 따라 생산된 섬유강화 플라스틱 복합재료의 물성과 비교하여 보여준다.

앞서 언급한 바와 같이, 어느 특정한 강화섬유구조에 있어서, 섬유의 방향성 및 구조 내에서의 섬유의 상대적인 위치에 따라 얼마나 많은 섬유들이 구조의 경계(Y)에 들어 맞을 수 있는가에 대한 이론상 최대치가 존재한다. 어느 강화섬유구조의 이론상 최대 섬유혼입률(T_max)는 수학적 계산에 의해 근사화 될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 일방향성 섬유의 T_max는 섬유의 단면을 계산하고, 그 영역을 강화섬유구조의 단면의 전체 영역으로 나눔으로써 근사화 될 수 있다. 많은 섬유를 갖는 일방향성 섬유구조에서, 이 영역은 도 2에서 박스(X)로 표시된 반복영역의 T_max를 계산함으로써 근사화될 수 있다.

표 1에 나타난 바와 같이, 일방향성 섬유의 T_max는 대략 91%이고, 능직강화섬유구조(twill-woven reinforcement fiber structure)의 T_m은 대략 73%이다.

본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 플라스틱 강화 능직섬유(twill woven fibers)를 포함하는 재료의 부분에서 실제 측정된 섬유혼입률(FVF)는 대략 65%이고, 더 높을 수도 있다.

이론상 최대 섬유혼입률과 비교한 실제 섬유혼입률은 FVF/T_max로 계산될 수 있다.

앞서 표 1에 나타난 것보다 더욱 높은 섬유혼입률(예를 들면, 능직섬유의 경우 약 71%, 일방향성 섬유의 경우 약 82%)이 본 발명의 방법을 이용하여 얻어졌으며, 이는 각각 97%와 90% 이상의 FVF/T_max 값으로 변환된다.

표 1에 나타난 바와 같이, 종래기술을 이용하여 플라스틱강화 일방향성 섬유를 포함하는 복합재료에서 얻어진 가장 높은 FVF는 약 65%이고, 가장 잘 알려진 방법으로 능직섬유에 대한 대응되는 값은 55%이며, 이는 일방향성 섬유에 대해서는 72%, 능직섬유에 대해서는 75%의 FVF/T_max 값을 보여준다.

이 기술분야에서 원하는 물성을 주는 높은 FVF는 알려져 있으며, 그래서 달성되는 것이 요구된다.

명백히, 단일반향 섬유는 덜 정돈된 섬유구조(능직과 같은, 또는 임의로 지향된 섬유를 갖는 매트와 같은)보다는 어느 정도 조밀하게 구조화하기에는 용이하다. 그래서, 능직섬유로 만들어진 것보다 일방향성 섬유로 만들어진 복합재료가 높은 FVF를 얻기 쉽다. 물론 얻어진 FVF는 항상 주어진 강화섬유구조의 T_max 이하이다.

본 발명은 여기서 설명된 실시예에 한정되어서는 안되며, 첨부된 청구항에 정의된 발명의 범위 내에서 여러 변형이 가능하다. 예를 들면, 마이크로파 또는 음파가, 매트릭스 물질의 일부분을 상기 중간재료 내의 혼합물 내의 희석액의 끓는 온도 이하로 가열하기 위해, 중간재료의 안으로부터 에너지를 가하기 위해 사용될 수 있다.

1: 매트릭스 물질 용기
2: 희석액 용기
3: 경화제 용기
4, 5, 6: 펌프
7: 혼합미터
8: 몰드
11: 몰드 프레스
16: 에너지 공급 장치

Claims (29)

1. (a) 중간재료(intermediate material)를 형성하기 위해, 매트릭스 물질이 강화섬유구조(reinforcement fiber structure)와 접촉하도록 하는 단계; 및
   (b) 복합재료를 형성하기 위해 상기 중간재료의 매트릭스 물질을 경화시키는(curing) 단계를 포함하되,
   (c) 혼합물을 형성하기 위해, 상기 단계 (a) 이전에 상기 매트릭스 물질과 희석액(diluent)을 혼합하는 단계; 및
   (d) 상기 중간재료 안으로부터 희석액에 에너지를 가함으로써, 상기 단계 (b) 동안 희석액과 매트릭스 물질을 분리하는 단계를 포함하고,
   상기 강화섬유구조는 상기 단계 (a)의 수행의 적어도 일부 동안 몰드 내에 위치하고,
   상기 단계 (a)의 수행 중에, 상기 중간재료 내의 혼합물 내의 희석액의 끓는 온도 이하로 상기 매트릭스 물질의 일부분을 가열하기 위해, 상기 중간재료 안으로부터 에너지가 가해지는 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱 복합재료 생산방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 강화섬유구조는 전기 전도성 섬유를 포함하고,
   상기 단계 (d)는, 적어도 부분적으로, 상기 전기 전도성 섬유를 통해 전류를 인가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱 복합재료 생산방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 단계 (d)는, 적어도 부분적으로, 상기 중간재료에 마이크로파 및/또는 음파를 가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱 복합재료 생산방법.
   
5. 삭제
6. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중간재료는, 상기 단계 (d)의 수행을 위해 몰드 내에 위치하기 전에 생산되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 플라스틱 복합재료 생산방법.
   
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