KR101876375B1 - 탄소복합재 프리폼 제조방법 - Google Patents

탄소복합재 프리폼 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 탄소복합재 프리폼 제조방법은,
탄소섬유들을 길이방향으로 평행하게 배치하고, 그 위에 웹 탄소섬유유닛을 올려놓고 니들펀칭하여, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들이 분리되지 않게, 상기 웹 탄소섬유유닛의 탄소섬유로, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들을 횡방향으로 묶어, 혼합 탄소섬유유닛을 만드는 제1단계;
상기 혼합 탄소섬유유닛들을 설정된 개수만큼 서로 적층하여 니들펀칭하여, 상기 혼합 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유 자체로, 상기 혼합탄소유닛들을 층간 결합시키는 제2단계; 및
상기 층간 결합된 혼합 탄소섬유유닛들을 흑연화시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소복합재 프리폼 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON COMPOSITE PREFORM}
본 발명은 탄소복합재 프리폼 제조방법에 관한 것이다.
탄소복합재는 경량이며, 고온에서 우수한 기계적 강도를 유지하며, 열·화학적 침식 환경에서 우수한 내식성, 내열성을 가지며, 우수한 마찰·마모 특성을 가진다.
이러한 특성으로 인해, 탄소복합재는 항공기와 육상용 운송수단의 브레이크 디스크 또는 로켓 노즐등에 주로 사용된다.
탄소복합재는 탄소복합재 프리폼에 흑연화수소가스가 침투되어, 흑연화수소가스에서 생성된 열분해 탄소로, 탄소복합재 프리폼이 밀도화되어 만들어진다.
탄소복합재 프리폼은 서로 적층된 일방향 탄소섬유유닛들과 그 사이사이에 삽입된 웹 탄소섬유유닛이 적층 방향(수직방향)으로 니들펀칭(Needle Punching)되어 만들어진다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 종래 탄소복합재 프리폼 제조방법을 설명한다.
일방향 탄소섬유유닛(110)을 준비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일방향 탄소섬유유닛(110)은, 탄소섬유(111)들이 길이방향으로 평행하게 배치되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(111)들이 흩어지지 않게, 탄소섬유(111)들이 횡방향으로 실(112)들로 묶여져 만들어진다.
실(112)은 폴리카보네이트(polycarbonate), ABS수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 스티렌 수지(Styrene resin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 아크릴 수지(Acrylic resin) 등으로 만들어진다.
웹 탄소섬유유닛(120)을 준비한다.
도 3에 도시된 바와 같은, 웹 탄소섬유유닛(120)은 길이가 짧은 탄소섬유(121)들이 서로 얽혀져 만들어진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일방향 탄소섬유유닛(110)과 웹 탄소섬유유닛(120)을 번갈아가며 적층한다. 도 4에 도시된 직선화살표는 니들의 상하 이동 방향을 나타낸다. 니들펀칭기는 본 발명의 요지가 아니므로 자세하게 도시하지 않았다.
니들펀칭기로 니들펀칭한다. 웹 탄소섬유유닛(120)의 탄소섬유(121)가 니들(N)에 의해 수직방향으로 끌려 내려와, 일방향 탄소섬유유닛(110)들을 층간 결합시킨다.
탄소섬유(121)로 층간 결합된 일방향 탄소섬유유닛(110)을 흑연화시킨다.
탄소복합재 프리폼(10)이 완성된다.
탄소복합재 프리폼(10)을 밀도화시켜 탄소복합재로 만든다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(111)들을 묶어주는 실(112)들로 인해, 실(112) 주위에는 틈(S1)이 생길 수밖에 없다. 이러한 틈(S1)으로 인해, 일방향 탄소섬유유닛(110)의 밀도가 불균일해진다. 이는, 탄소복합재 프리폼의 밀도의 불균일로 이어진다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(111)들을 묶어주는 많은 개수의 실(112)들은, 흑연화 과정에서 타서, 많은 불순물(R)을 남긴다. 이러한 불순물(R)로 인해 탄소복합재 프리폼(10)의 품질이 현저히 떨어진다.
또한, 불순물(R)로 인해 틈(S2)이 생겨, 탄소복합재 프리폼의 밀도가 불균일해진다.
한국공개특허(10-2004-0060017)
본 발명의 목적은, 품질이 우수하고 밀도가 균일한 탄소복합재 프리폼을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소복합재 프리폼 제조방법은,
탄소섬유들을 길이방향으로 평행하게 배치하고, 그 위에 웹 탄소섬유유닛을 올려놓고 니들펀칭하여, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들이 분리되지 않게, 상기 웹 탄소섬유유닛의 탄소섬유로, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들을 횡방향으로 묶어, 혼합 탄소섬유유닛을 만드는 제1단계;
상기 혼합 탄소섬유유닛들을 설정된 개수만큼 서로 적층하여 니들펀칭하여, 상기 혼합 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유 자체로, 상기 혼합탄소유닛들을 층간 결합시키는 제2단계; 및
상기 층간 결합된 혼합 탄소섬유유닛들을 흑연화시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합재 프리폼 제조방법.
본 발명은, 일방향 탄소섬유유닛을 만들기 위해, 탄소섬유들을 횡방향으로 묶어주는 실들을 사용할 필요가 전혀 없다. 따라서, 탄소섬유들을 묶어주는 실 주위에 틈이 생기지 않아, 탄소복합재 프리폼의 밀도가 균일하다. 또한, 평행하게 배치된 탄소섬유들의 개수만 조절하면, 탄소복합재 프리폼의 밀도를 쉽게 조절할 수 있다.
본 발명은, 흑연화 과정에서 타서 많은 불순물을 남기는, 탄소섬유들을 횡방향으로 묶어주는 많은 개수의 실들을 사용할 필요가 전혀 없다. 이로 인해, 흑연화 과정에서 불순물이 생기지 않고, 불순물로 인한 틈도 생기지 않아, 탄소복합재 프리폼의 품질이 우수해지고 밀도가 균일해진다.
도 1은 탄소섬유들이 길이방향으로 평행하게 배치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄소섬유들이 횡방향으로 실로 묶여진 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 웹 탄소섬유유닛을 나타낸 도면이다.
도 4는 일방향 탄소섬유유닛과 웹 탄소섬유유닛이 번갈아 적층된 후, 니들펀칭되어 층간 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 탄소복합재 프리폼 제조방법으로 만들어진, 탄소복합재 프리폼을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재 프리폼을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 탄소섬유들을 길이방향으로 평행하게 배치하고, 그 위에 웹 탄소섬유유닛을 올려놓고 니들펀칭하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 혼합 탄소섬유유닛을 나타낸 도면이다.
도 9는 혼합 탄소섬유유닛의 실제 사진이다.
도 10은 혼합 탄소섬유유닛들을 설정된 개수만큼 서로 적층하고 니들펀칭하여, 혼합 탄소섬유유닛들을 층간 결합시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 탄소복합재 프리폼 제조방법으로 만들어진, 탄소복합재 프리폼을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재 프리폼 제조방법을 상세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재 프리폼 제조방법은,
탄소섬유들을 길이방향으로 평행하게 배치하고, 그 위에 웹 탄소섬유유닛을 올려놓고 니들펀칭하여, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들이 분리되지 않게, 상기 웹 탄소섬유유닛의 탄소섬유로, 상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유들을 횡방향으로 묶어, 혼합 탄소섬유유닛을 만드는 제1단계(S11);
상기 혼합 탄소섬유유닛들을 설정된 개수만큼 서로 적층하여 니들펀칭하여, 상기 혼합 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유 자체로, 상기 혼합탄소유닛들을 층간 결합시키는 제2단계(S12); 및
상기 층간 결합된 혼합 탄소섬유유닛들을 흑연화시키는 제3단계(S13);로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(211)들을 길이방향으로 평행하게 배치한다. 여기서, 탄소섬유(211)의 개수를 조절하여, 탄소복합재 프리폼의 면밀도를 쉽게 조절할 수 있다.
평행하게 배치된 탄소섬유(211)들 위에 웹 탄소섬유유닛(220)을 올려놓는다.
웹 탄소섬유유닛(220)은 길이가 짧은 탄소섬유(221)가 얽혀져 만들어진다.
니들펀칭기로 니들펀칭한다. 직선화살표는 니들의 상하 이동 방향을 나타낸다. 니들펀칭기는 본 발명의 요지가 아니므로 자세하게 도시하지 않았다.
웹 탄소섬유유닛(220)의 탄소섬유(221)가 니들(N)에 의해 수직방향으로 끌려 내려와, 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(211)들을 횡방향으로 서로 묶어준다.
여기서, 웹 탄소섬유유닛(220)을 구성하는 탄소섬유(221)의 길이는, 웹 탄소섬유유닛(220)을 만들기 적합한 짧은 길이, 5~200mm 범위 내에 있어야 된다.
다만, 탄소섬유(221)의 길이는 30~100mm 인 것이 더 바람직하다.
그 이유는, 탄소섬유(221)의 길이가 30mm 보다 짧으면, 이웃하는 탄소섬유(211)들을 횡방향으로 묶어주기 어렵고, 또한, 서로 적층된 혼합 탄소섬유유닛(200)을 층간 결합시키기 어렵기 때문이다.
반대로, 탄소섬유(221)의 길이가 100mm 보다 길면, 탄소섬유(211)가 니들(N)에 의해 제대로 끌려 내려오지 않거나, 끌려 내려오는 저항이 커져 니들펀칭 작업이 쉽지 않아지기 때문이다.
길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(211)들이 웹 탄소섬유유닛(220)의 탄소섬유(221)에 의해 횡방향으로 묶이면, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은, 혼합 탄소섬유유닛(200)이 만들어진다.
혼합 탄소섬유유닛(200)에는 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(211)들을 묶어주는 실이 전혀 없다.
이로 인해, 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유(211)들을 묶어주는 실로 인해 발생하는, 탄소복합재 프리폼의 품질 저하 및 밀도의 불균일 문제가 한꺼번에 해결된다.
이렇게 묶어주는 실이 없이 혼합 탄소섬유유닛(200)을 만드는 기술은, 본 발명만의 핵심적인 기술이 된다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 혼합 탄소섬유유닛(200)들을 설정된 개수만큼 서로 적층하여 니들펀칭기로 니들펀칭한다. 직선화살표는 니들의 상하 이동 방향을 나타낸다. 니들펀칭기는 본 발명의 요지가 아니므로 자세하게 도시하지 않았다.
혼합 탄소섬유유닛(200)들의 설정된 개수는 탄소복합재 프리폼(20)의 두께에 의해 조절된다. 즉, 탄소복합재 프리폼(20)의 두께가 더 두꺼우면, 더 많은 혼합 탄소섬유유닛(200)이 필요할 것이다.
혼합 탄소섬유유닛(200)을 구성하는 탄소섬유(221) 자체로, 혼합 탄소섬유유닛(200)들을 층간 결합시킨다.
따라서, 본 발명을 사용하면, 일방향 탄소섬유유닛들을 층간 결합시키기 위해, 탄소섬유를 제공하는 웹 탄소섬유유닛을, 일방향 탄소섬유유닛들 사이사이에 넣는 과정을 생략할 수 있다. 따라서, 탄소복합재 프리폼을 제조하는 시간을 단축시킬 수 있다. 이 또한, 본 발명만의 핵심적인 기술이 된다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
층간 결합된 혼합 탄소섬유유닛(200)을 흑연화시킨다.
제1단계(S11) 내지 제3단계(S13)를 거쳐 품질이 우수하고 밀도가 균일한 도 11에 도시된 탄소복합재 프리폼(20)이 제조된다.
10, 20: 탄소복합재 프리폼 110: 일방향 탄소섬유유닛
120, 220: 웹 탄소섬유유닛 200: 혼합 탄소섬유유닛
111, 121, 211, 221: 탄소섬유

Claims (4)

  1. 탄소섬유들이 흑연화 과정에서 불순물을 남기는 집속제로 집속된 상태로 길이방향으로 평행하게 배치되거나, 탄소섬유들이 흑연화 과정에서 불순물을 남기는 실로 묶인 상태로 길이방향으로 평행하게 배치되는 방식이 아닌,
    탄소섬유들이 전혀 결합되지 않은 개별적인 상태로, 하나하나가 길이방향으로 평행하게 배치된 후, 그 위에 웹 탄소섬유유닛을 올린 상태에서 니들펀칭되어, 상기 니들펀칭에 의해 끌려 내려오는 상기 웹 탄소섬유유닛에 포함된 탄소섬유로, 상기 길이방향으로 평행하게 개별적으로 배치된 탄소섬유들이 비로소 횡방향으로 묶여, 혼합 탄소섬유유닛으로 만들어지는 제1단계;
    상기 혼합 탄소섬유유닛들을 설정된 개수만큼 서로 적층하여 니들펀칭하여, 추가적인 별도의 탄소섬유 웹 없이, 상기 혼합 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유 자체로, 상기 혼합탄소유닛들이 층간 결합되는 제2단계; 및
    상기 층간 결합된 혼합 탄소섬유유닛들을 흑연화시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 및 육상용 운송수단의 브레이크 디스크 또는 로켓 노즐용 탄소복합재 프리폼 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 길이방향으로 평행하게 배치된 탄소섬유의 개수를 조절하여, 탄소복합재 프리폼의 밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소복합재 프리폼 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 웹 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유의 길이는 5~200mm 인 것을 특징으로 하는 탄소복합재 프리폼 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 웹 탄소섬유유닛을 구성하는 탄소섬유의 길이는 30~100mm 인 것을 특징으로 하는 탄소복합재 프리폼 제조방법.
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