KR101907180B1 - 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외면에 니켈 피막이 형성된 탄소섬유번들을 준비하는 단계; 복수개의 상기 탄소섬유번들을 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재로 둘러싸 알루미늄 피복체를 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄 피복체를 열처리하여 상기 탄소섬유번들의 외면에 형성된 니켈 피막을 니켈 및 구리를 함유하는 합금으로 합금화하는 단계;를 포함하는, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법을 제공한다.

Description

알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재 및 그 제조방법{Carbon-fiber cored wire which is coated with aluminium and methods of fabricating the same}
본 발명은 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
송전선이란 수/화력 또는 원자력발전소 등에서 발전된 전기를 도시 근교의 변전소까지 보내기 위해 사용하는 가공선이다. 이선량(sag)및 전기저항을 감소시켜 송전효율을 향상시키기 위해서는 송전선의 경량화와 고장력화를 동시에 구현할 필요가 있으며 고장력 경량 코어를 사용하는 복합재가 개발되고 있다. 최근 개발된 고분자 기지 탄소섬유 복합소재를 통해 고강도 및 경량화 등을 시도하고 있으나 소성변형이 어려워 권취가 곤란하고 화재에 취약한 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 특허공개번호 KR20030032281A호(2003.04.26 공개, 발명의 명칭 : 가공 송전선용 알루미늄 합금 선재의 제조 방법)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고장력, 저열팽창율 및 경량화를 모두 만족하면서도 경제성이 있는 새로운 형태의 탄소섬유코어 알루미늄 선재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재를 제공한다. 상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재는 코어부; 및 상기 코어부를 외측에서 둘러싸 피복하는 피복부;를 구비하되, 상기 코어부는 복수개의 탄소섬유번들; 및 상기 탄소섬유번들 각각의 적어도 일부 영역을 둘러싸 상기 탄소섬유번들간의 경계를 형성하는 경계층;을 포함하고, 상기 피복부는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금을 포함하며, 상기 경계층은 니켈 및 구리를 함유하는 합금을 포함한다.
상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재에서,상기 경계층은 상기 탄소섬유번들과 상기 피복부 간의 영역을 더 충전할 수 있다.
상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재에서, 상기 탄소섬유번들은 복수개의 탄소섬유를 꼬아 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법을 제공한다. 상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법은 외면에 니켈 피막이 형성된 탄소섬유번들을 준비하는 단계; 복수개의 상기 탄소섬유번들을 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재로 둘러싸 알루미늄 피복체를 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄 피복체를 열처리하여 상기 탄소섬유번들의 외면에 형성된 니켈 피막을 니켈 및 구리를 함유하는 합금으로 합금화하는 단계;를 포함한다.
상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법에서, 상기 알루미늄 피복체를 형성하는 단계는 상기 합금 판재를 롤포밍 공정을 이용하여 상기 복수개의 탄소섬유번들을 둘러싸도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법에서, 상기 합금화하는 단계는 상기 복수개의 탄소섬유번들 간의 결합력 및 상기 탄소섬유번들과 상기 합금 판재 간의 결합력을 증대시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고장력, 저열팽창율 및 경량화를 모두 만족하면서도 경제성이 있는 새로운 형태의 탄소섬유코어 알루미늄 선재 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법에서 알루미늄 피복체의 단면 구성을 도해하는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 단면 구성을 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부 단면 조성을 매핑(mapping)한 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부 단면 조성을 매핑(mapping)한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법을 도해하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법에서 알루미늄 피복체의 단면 구성을 도해하는 도면이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 단면 구성을 도해하는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법은 외면에 니켈 피막(20)이 형성된 탄소섬유번들(10)을 준비하는 단계(S100); 복수개의 상기 탄소섬유번들(10)을 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)로 둘러싸 알루미늄 피복체를 형성하는 단계(S200); 및 상기 알루미늄 피복체를 열처리하여 합금 판재를 구성하는 구리가 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)으로 확산하여 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20', 50)으로 합금화하는 단계(S300);를 포함한다.
먼저, 제 1 단계(S100)를 설명한다. 각각의 탄소섬유번들(10)은 복수개의 탄소섬유를 꼬아 형성된다. 예를 들어, 3,000개, 6,000개, 12,000개 또는 24,000개의 탄소섬유를 꼬아 각각의 탄소섬유번들(10)을 형성할 수 있다.
계속하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재에서 탄소섬유와 기지(matrix) 간의 계면 결합력을 증가시키기 위하여 탄소섬유에 금속을 코팅할 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유번들(bundle)의 표면에 니켈을, 예를 들어, 전해도금법으로 코팅하여, 외면에 니켈 피막(20)이 형성된 탄소섬유번들(10)을 제조한다.
알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재를 구성하는 강화재(reinforcing material)로서의 탄소섬유의 계면 결합력을 증가시키기 위하여 산, 염기성 전해용액을 이용한 전기화학적 산화방법이나 기상산화 방법을 사용하여 탄소섬유를 표면처리할 수 있으나, 이 경우에는 탄소섬유 표면자체가 손상되는 문제점이 있는 바, 본 발명자는 니켈을 코팅한 탄소섬유를 도입하여 탄소섬유와 기지 간의 계면 결합력을 확보하였다.
계속하여, 제 2 단계(S200)를 설명한다. 외면에 니켈 피막(20)이 각각 형성된 복수개의 상기 탄소섬유번들(10)을 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)로 둘러싸 도 2에 도시된 알루미늄 피복체를 형성한다. 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)를 롤포밍 공정을 이용하여 상기 복수개의 탄소섬유번들을 둘러싸도록 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 알루미늄 피복체는 외면에 니켈 피막(20)이 형성된 복수개의 탄소섬유번들(10)이 내부에 충전된 알루미늄 파이프로 이해될 수 있다. 외면에 니켈 피막(20)이 형성된 복수개의 탄소섬유번들(10) 사이는 빈 공간(30)이 형성된다.
계속하여, 제 3 단계(S300)를 설명한다. 도 2에 도시된 상기 알루미늄 피복체를 열처리하여 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)을 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20', 50)으로 합금화할 수 있다. 이 경우, 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)를 구성하는 구리는 확산 또는 용융되어 니켈 피막(20)과 반응하여 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20', 50)으로 합금화되며, 나아가, 복수개의 탄소섬유번들(10) 사이의 빈 공간(30)은 니켈 및 구리를 함유하는 합금(50)으로 충전(fill)될 수 있다. 이러한 합금화는 복수개의 탄소섬유번들(10) 간의 결합력 및 탄소섬유번들(10)과 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40) 간의 결합력을 증대시킬 수 있다.
제 3 단계(S300)는 열처리 공정에 부가하여 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)의 외측에서 중심부로 가압하는 공정을 더 포함할 수 있다.
파이프 형태의 알루미늄 피복체를 열처리하여 번들-번들간 혹은 번들-외피간 확산에 의한 결합력을 증가시킨다. 이 경우, 상기 외피를 구성하는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)의 구리는 알루미늄 보다 먼저 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)으로 확산되어 니켈-구리 합금이 형성됨으로써 취성(brittle)이 높은 니켈-알루미늄 금속간화합물(Al3Ni) 생성을 방지하여 취성 파단(brittle fracture)을 방지할 수 있다.
상술한 제조방법으로 구현된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재(100a, 100b, 100c)는 코어부; 및 상기 코어부를 외측에서 둘러싸 피복하는 피복부;를 구비하되, 상기 코어부는 복수개의 탄소섬유번들(10); 및 상기 탄소섬유번들(10) 각각의 적어도 일부 영역을 둘러싸 상기 탄소섬유번들(10)간의 경계를 형성하는 경계층;을 포함하고, 상기 피복부는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금을 포함하며, 상기 경계층은 니켈 및 구리를 함유하는 합금을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 여기에서, 피복부는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)에 대응되며, 경계층은 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20', 50)에 대응될 수 있다.
경계층(50)의 조성은 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)의 니켈과 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)의 구리가 반응하여 합금화된 니켈-구리 합금을 포함할 수 있다. 물론, 경계층(50)의 조성은 외면에 형성된 니켈 피막(20)의 니켈을 포함할 수 있으며, 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)로부터 기인된 구리를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재(100a)에서 니켈 및 구리를 함유하는 합금(50)은 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)를 구성하는 구리와 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)의 니켈이 반응하여 구현되며, 탄소섬유번들(10) 간의 공간을 충전(fill)한다. 이에 따르면, 탄소섬유번들을 먼저 배치하고 탄소섬유번들을 감싸는 합금 판재를 파이프 형태로 가공한 후에 가압 열처리하여 합금 판재의 일부(구리)가 확산 또는 용융되어 탄소섬유번들 내부의 빈 공간으로 침투되어 기지를 형성할 수 있다. 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)를 구성하는 구리가 탄소섬유 사이의 공간에 침투할 수 있는 구동력은 외부에서 인가되는 가압력을 포함할 수 있으며, 또는, 탄소섬유 사이의 미세한 공간을 채우는 모세관력을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재(100b)에서 니켈 및 구리를 함유하는 합금(50)은 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)를 구성하는 구리와 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)의 니켈이 반응하여 구현되며, 탄소섬유번들(10) 간의 공간을 충전한다. 한편, 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)은 확산된 구리와 반응하여 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20')으로 합금화될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재(100c)에서 니켈 및 구리를 함유하는 합금(20')은 탄소섬유번들(10)의 외면에 형성된 니켈 피막(20)이 확산된 구리와 반응하여 구현될 수 있다. 이 경우, 탄소섬유번들(10) 간의 빈 공간(30)은 잔류할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재의 구성은 도 3 내지 도 5에 도시된 알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재(100a, 100b, 100c) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 구성이거나 이들의 조합된 혼합 구성일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부 단면 조성을 매핑(mapping)한 사진이다.
도 6을 참조하면, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부에는 알루미늄 성분 보다는 구리 성분이 훨씬 더 많이 검출됨을 확인할 수 있다. 이는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40)의 구리가 확산 또는 용융되어 탄소섬유번들(10) 사이의 공간에 침투되었다는 것을 의미한다. 또한, 탄소섬유번들(10)이 내부에 분산되어 있는 기지는 상술한 경계층(50)이며, 니켈과 구리를 함유하고 있음을 확인할 수 있다. 경계층(50)이 니켈과 구리를 함유하고 있다는 것은 취성(brittle)이 높은 니켈-알루미늄 금속간화합물(Al3Ni) 생성되지 않았다는 것을 의미한다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부 단면 조성을 매핑(mapping)한 도면이다. 본 발명의 비교예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재는 상술한 제조방법에서 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재(40) 대신에 구리를 함유하지 않는 알루미늄 판재를 적용하여 구현하였다.
도 7을 참조하면, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 중앙부에 알루미늄 성분이 검출됨을 확인할 수 있다. 이는 알루미늄 판재의 일부(알루미늄)이 확산 또는 용융되어 탄소섬유번들 사이의 공간에 침투되었다는 것을 의미한다. 또한, 탄소섬유번들이 내부에 분산되어 있는 기지는 상술한 경계층이며, 알루미늄과 니켈을 함유하고 있음을 확인할 수 있다. 경계층이 알루미늄과 니켈을 함유하고 있다는 것은 취성(brittle)이 높은 니켈-알루미늄 금속간화합물(Al3Ni) 생성되었다는 것을 간접적으로 추정할 수 있다.
지금까지 설명한 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재는 다양한 분야에 적용될 수 있는 바, 예를 들어, 고전압 송전선으로 적용될 수 있다. 송전선의 경량화와 고장력화를 동시에 구현하기 위하여 탄소섬유를 코어에 도입함에 있어서 고분자 기지에 탄소섬유를 분산시키는 경우 소성변형이 어려워 권취가 곤란하고 화재에 취약하다는 단점이 있다.
이를 극복하기 위하여 알루미늄 기지 내에 탄소섬유를 분산시키는 구성이 대안으로 가능하지만 탄소재료와 알루미늄과의 복합체를 제조하기 위해서는 해결되어야 하는 몇 가지 난제들이 있다. 일례로, 탄소재료는 반데르발스(van der Waals) 힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기가 어려우며, 탄소재료와 알루미늄 사이에는 표면장력 차이로 인하여 탄소 재료와 알루미늄이 잘 섞이지 않는 문제점이 있다.
이를 극복하기 위하여 탄소섬유의 외면에 니켈을 코팅하여 젖음성(wettability)을 개선할 수 있으나, 취성(brittle)이 높은 니켈-알루미늄 금속간화합물(Al3Ni)이 생성되는 문제점이 있다.
본 발명에서는, 이러한 문제점을 극복하고자, 탄소섬유번들을 먼저 배치하고 탄소섬유번들을 감싸는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재를 파이프 형태로 가공한 후에 가압 열처리하여 합금 판재의 일부(구리)가 확산 또는 용융되어 탄소섬유번들의 외면에 형성된 니켈 피막과 반응하는 제조방법을 개시하였다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법을 설명하였다. 이에 따르면, 손쉽게 구할 수 있는 합금 판재를 이용하여 금속 기지에 탄소섬유가 강화재로 분산된 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재를 신속하고 경제적으로 제조할 수 있다.
이에 반하여, 금속 기지에 탄소섬유가 강화재로 분산된 알루미늄??탄소 복합재료를 제조하는 방법으로서 탄소섬유번들을 알루미늄 용탕에 침지하거나, 탄소섬유번들 사이에 알루미늄 분말을 채우고 소결하는 제조방법들을 고려해 볼 수 있으나, 이러한 방법들은 상대적으로 비용이 높고 취성(brittle)이 높은 니켈-알루미늄 금속간화합물(Al3Ni)이 생성된다는 점에서 본 발명이 상대적으로 유리하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 코어부; 및 상기 코어부를 외측에서 둘러싸 피복하는 피복부;를 구비하되,
    상기 코어부는 복수개의 탄소섬유번들; 및 상기 탄소섬유번들 각각의 적어도 일부 영역을 둘러싸 상기 탄소섬유번들간의 경계를 형성하는 경계층;을 포함하고,
    상기 피복부는 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금을 포함하며,
    상기 경계층은, 상기 피복부를 구성하는 일부의 구리가 상기 탄소섬유번들로 확산하여 상기 탄소섬유번들의 외면에 형성된 니켈 피막과 반응하여 합금화된, 니켈 및 구리를 함유하는 합금을 포함하는,
    알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경계층은 상기 탄소섬유번들과 상기 피복부 간의 영역을 더 충전하는, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소섬유번들은 복수개의 탄소섬유를 꼬아 형성된, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재.
  4. 외면에 니켈 피막이 형성된 탄소섬유번들을 준비하는 단계;
    복수개의 상기 탄소섬유번들을 알루미늄 및 구리를 함유하는 합금 판재로 둘러싸 알루미늄 피복체를 형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄 피복체를 가압 열처리하여 상기 피복체를 구성하는 일부의 구리가 상기 탄소섬유번들로 확산하여 상기 탄소섬유번들의 외면에 형성된 니켈 피막과 반응함으로써 상기 탄소섬유번들의 외면에 니켈 및 구리를 함유하는 합금으로 합금화하는 단계;
    를 포함하는,
    알루미늄 피복 탄소섬유코아 선재의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 피복체를 형성하는 단계는 상기 합금 판재를 롤포밍 공정을 이용하여 상기 복수개의 탄소섬유번들을 둘러싸도록 형성하는 단계를 포함하는, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 합금화하는 단계는 상기 복수개의 탄소섬유번들 간의 결합력 및 상기 탄소섬유번들과 상기 합금 판재 간의 결합력을 증대시키는 단계를 포함하는, 알루미늄 피복 탄소섬유코어 선재의 제조방법.


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