KR102038095B1 - z축 섬유가 보강된 탄소 복합재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 z축 섬유가 보강된 탄소 복합재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 z축 방향에 따라 적층된 단위층; 및 상기 적층된 단위층을 결착시키기 위해 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유;를 포함하고, 상기 단위층은 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 포함하고, 상기 탄소 섬유는 상기 복수의 홀을 관통하여 형성되는 것인, 탄소 복합재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

z축 섬유가 보강된 탄소 복합재료 및 그 제조 방법{CARBON COMPOSITE MATERIAL REINFORCED WITH Z-AXIS FIBER AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 z축 섬유가 보강된 탄소 복합재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
탄소 섬유 등을 보강재로 하는 섬유강화 복합재료는 항공기나 우주구조물, 고급 스포츠용품 등에 적용되고, 최근에는 대량생산이 요구되는 자동차 부품 등으로 그 용도가 확대되고 있다.
이와 같은 섬유강화 복합재료의 특징으로는 일반적으로 비강도, 비강성이 높다는 것을 들 수 있다. 하지만 이들 성능이 발휘되는 것은 섬유강화의 방향으로 한정되고 있다. 섬유가 일 방향이나 2차원으로 배열된 직물을 적층한 복합재료에서는 두께 방향으로 섬유가 배열되지 않기 때문에 층간 전단 강도에 대한 보강이 되어 있지 않아, 그 강도가 섬유 방향에 비해 현저하게 낮다. 이러한 단점을 보완한 강도기재로 2.5 차원 (2.5 Dimensional) 및 3차원 (3 Dimensional) 직물 등이 제안되고 있다.
3차원 직물은 주로 3D 위빙(weaving) 이나 3D 브레이딩(braiding) 기술로 제직되는데, 3D 위빙은 섬유의 배열 방향이 평면뿐만 아니라 두께 방향으로도 배열되는 구조를 갖고, 3D 브레이딩은 둘 이상의 섬유가 3차원 공간에서 서로 꼬여서 일체화되는 구조를 갖는다. 2차원 직물이 시트 형태를 갖는 반면에, 2차원 직물은 두께 방향의 섬유가 있기 때문에, 3D 위빙 기술은 블록 형태를 가지며, 3D 브레이딩 기술은 실린더 형태의 입체 형상을 제조할 수 있다. 따라서 3차원 직물은 섬유가 연속적으로 배열되어 최종 제품의 형상에 가까운 near-net-shape 을 가지므로, 형상이 비교적 복잡한 복합재료의 경우에 3차원 제직 기술을 이용함으로써 부품 제조 공정을 단순화하고, 전체 생산비 절감의 효과도 있다.
그러나 3차원 제직 기술은, 제조 가능한 두께가 현재 기술로는 25mm 이내로 제한되어 있고, 제직 시간이 길며 평면에 배열되는 섬유의 방향이 주로 0° 및 90°로 제한되어 있으며, 제품이 큰 경우에는 제조 장비에 들어가는 비용이 급격하게 증가되는 단점이 있다.
이에, 3차원 제직 기술의 한계를 뛰어넘고 상업적으로 실현 가능한 대안 기술로서 2.5D 제직 기술이 관심을 끌고 있다. 2.5D 제직 기술 중 두꺼운 프리폼을 제조할 수 있는 대표적인 기술로서, 섬유로 이루어진 탄소 섬유 직물과 단섬유로 이루어진 탄소 섬유 웹을 일정중량 비율로 결합하는 니들펀칭 탄소 프리폼 제조 방법과, 탄소 섬유를 rod화 시켜 쌓아 올리는 rod 프리폼 제조 방법이 있다.
니들펀칭 탄소 프리폼 제조 방법은 바늘을 펀칭하여 평면으로 배열된 섬유들을 강제적으로 두께 방향으로 배열시켜서 아래층과 위층의 층간 결속시키는 방법이다. 사용되는 바늘은 주로 미늘(barb) 형태를 가지며 펀칭하는 방향으로 미늘이 형성되어서, 아래로 펀칭하면 바늘이 섬유를 끌어내리고, 바늘이 위로 움직일 때는 섬유가 빠지지 않게 된다. 니들 펀칭은, 적층을 계속하여 새로운 층과 그 아래층을 계속 결속을 시킬 수 있기 때문에 두꺼운 프리폼을 두께 제한 없이 경제적으로 제조 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 계속적인 펀칭으로 인하여 면 내 섬유의 손상이 심하고, 프리폼내 저밀도의 웹층이 존재하며, 사용할 수 있는 직물 형태도 층간 결속용 직물은 주로 펠트처럼 불연속 섬유를 사용한 직물을 사용해야 하고, 층간 결속하는 두께 방향의 섬유량도 제한되기 때문에 제조된 프리폼의 기계적 특성이 떨어지고, 고밀도 탄소 프리폼을 제작하기에 어려움이 있다.
rod 프리폼 제조 방법은 탄소 섬유에 수지를 함침시켜 rod를 제조하고, 이를 이용하여 프리폼을 제작하는 방법으로 비율이 일정한 다축의 프리폼을 제작하기에 적합하다. 노즐 및 첨두 등의 용도로 프리폼을 사용할 수 있지만, 고밀도의 탄소 섬유 프리폼을 제작하는데 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 종래 프리폼으로 적용하기 힘든 고속, 고압, 고열 등의 극한의 조건에서 버틸 수 있는 고밀도(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피% 이상) 탄소 프리폼용 탄소 복합재료 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료는, z축 방향에 따라 적층된 단위층; 및 상기 적층된 단위층을 결착시키기 위해 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유;를 포함하고, 상기 단위층은 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 포함하고, 상기 탄소 섬유는 상기 복수의 홀을 관통하여 형성되는 것이다.
일 측면에 따르면, 상기 단위층은, 주자직을 포함하는 위브(weave) 직물, 단섬유 매트, 장섬유 매트, 브레이드 직물, 다축 경편 및 논 크림프 패브릭(non-crimp fabric)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하며, 일정 두께의 평판형으로 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 제조방법은, 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물을 제조하는 단계; 홀가공을 통해 상기 탄소 직물에 복수의 홀을 형성하는 단계; 상기 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 적층하는 단계; 및 상기 적층된 탄소 직물의 복수의 홀을 통해 z축 방향으로 탄소 섬유를 관통시켜 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계;를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물을 제조하는 단계에서 제조된 탄소 직물의 밀도는 100 g/m2 내지 1000 g/m2이고, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계 이후의 상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계에서, 상기 z축 방향으로 형성되는 탄소 섬유 간의 간격 및 밀도를 조절하여, 최종적으로 제조되는 탄소 복합재료의 밀도를 조절하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계 이후, 상기 결속된 탄소 직물을 z축 방향으로 압축하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄소 복합재료의 제조방법에 따르면, 탄소 섬유 보존력을 높여 최적의 고밀도(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피%) 탄소 프리폼을 구현할 수 있다. 또한, 고가인 단섬유로 이루어진 탄소 섬유 웹 없이 탄소 직물을 z축 으로 결속하여, z축 강도가 니들펀칭 프리폼에 비해 탁월하고, 이로 인해 탄소 프리폼 제작비용의 절감효과를 볼 수 있다.
또한, 수지 등 별도의 추가적인 함침 없이 장섬유의 탄소 섬유를 배열함으로써 고밀도 탄소 프리폼을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 실제 제조 과정을 나타낸 이미지이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 탄소 복합재료에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료를 도시한 도면이다. 더욱 자세하게 도 1 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 모식도이고, 도 1 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 실제 이미지이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료는, z축 방향에 따라 적층된 단위층; 및 상기 적층된 단위층을 결착시키기 위해 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유(120);를 포함하고, 상기 단위층은 복수의 홀(110)이 형성된 탄소 직물(100)을 포함하고, 상기 탄소 섬유(120)는 상기 복수의 홀(110)을 관통하여 형성되는 것이다.
이러한 구성을 통해 고가인 단섬유로 이루어진 탄소 섬유 웹 없이 탄소 직물을 z축으로 결속하여, z축 강도가 니들펀칭 프리폼에 비해 탁월한 탄소 프리폼을 구현할 수 있으며, 제작비용을 효과적으로 절감할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 단위층은, 주자직을 포함하는 위브(weave) 직물, 단섬유 매트, 장섬유 매트, 브레이드 직물, 다축 경편 및 논 크림프 패브릭(non-crimp fabric)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하며, 일정 두께의 평판형으로 형성되는 것일 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 탄소 프리폼을 형성할 수 있는 탄소 직물이라면 제한 없이 적용할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유 간의 간격은, 탄소 직물의 두께, 탄소 직물의 평면 넓이, 요구 물성 및 탄소 복합재료의 용도 등에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 바람직하게는, 적층된 탄소 직물의 중량비율과 이를 z축으로 결속하는 탄소 섬유의 중량비율의 합이, 목표밀도의 중량비율 100%에 맞게 z축 탄소 섬유의 간격을 조절하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것일 수 있다.
일반적인 니들펀칭 탄소 프리폼 및 rod 프리폼의 경우, 제작방식의 한계로 인해 300000 g/m3 내지 500000 g/m3 (섬유분율: 15~28 부피%) 정도의 프리폼 밀도밖에 구현할 수 없는데 비해, 본 발명은 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유 간의 간격을 조절하여 종래 프리폼으로 적용하기 힘든 고속, 고압, 고열 등의 극한의 조건에서 버틸 수 있는 고밀도(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피% 이상)의 FWPF(Fine Weave Pierced Fabric) 탄소 프리폼을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 실제 제조 과정을 나타낸 이미지이다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 복합재료의 제조방법은, 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물(110)을 제조하는 단계; 홀가공을 통해 상기 탄소 직물(110)에 복수의 홀(110)을 형성하는 단계; 상기 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 적층하는 단계(도 2의 왼쪽 단계); 및 상기 적층된 탄소 직물의 복수의 홀을 통해 z축 방향으로 탄소 섬유를 관통시켜 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계(도 2의 오른쪽 단계);를 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물을 제조하는 단계에서 제조된 탄소 직물의 밀도는 100 g/m2 내지 1000 g/m2이고, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계 이후의 상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제조된 탄소 직물의 x축과 y축의 비율은 1 : 0.8 내지 1.2인 것일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 추후 직물을 압축할 때 사용되는 아크릴 등의 치구의 모양에 맞춰 탄소 직물을 제조하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 홀가공을 통해 상기 탄소 직물에 복수의 홀을 형성하는 단계는, 탄소 직물의 두께, 탄소 직물의 평면 넓이, 요구 물성 및 탄소 복합재료의 용도 등에 따라 다양한 각격으로 상기 탄소 직물에 복수의 홀을 형성하는 것일 수 있다. 홀 간의 간격과 밀도를 조절하여 탄소 직물의 전체 밀도를 조절할 수 있으며, 추후 보강되는 z축 섬유 간의 간격 및 밀도를 조절할 수 있다. 바람직하게는, 적층된 탄소 직물의 중량비율과 이를 z축으로 결속하는 탄소 섬유의 중량비율의 합이, 목표밀도의 중량비율 100%에 맞게 z축 탄소 섬유의 간격을 조절하는 것일 수도 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 적층하는 단계는, 제직된 직물을 목표밀도 중량비율(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피% 이상)의 60% 내지 95% 비율로 적층하는 것일 수 있다. 또한, 적층된 직물을 목표밀도로 압축시 이탈방지를 위하여 측면을 아크릴, 흑연 등의 치구를 이용하는 것일 수 있다.
적층된 직물을 압축 시 이탈하는 것을 방지하기 위하여 제작된 치구의 실제 이미지를 도시한 도 3을 참조하면, 홀이 형성된 아크릴을 이용하여 탄소 직물의 이탈을 방지하고, 상기 아크릴에 형성된 홀을 통해 적층된 직물과 탄소 섬유를 결속시키는 것을 확인할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계에서, 상기 z축 방향으로 형성되는 탄소 섬유 간의 간격 및 밀도를 조절하여, 최종적으로 제조되는 탄소 복합재료의 밀도를 조절하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 적층된 탄소 직물의 중량비율과 이를 z축으로 결속하는 탄소 섬유의 중량비율의 합이, 목표밀도의 중량비율 100%에 맞게 z축 탄소 섬유의 간격을 조절하는 것일 수 있다. 또한, z축 탄소 섬유의 간격을 일정하게 하여 섬유를 균일성을 향상 시킬 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계 이후, 상기 결속된 탄소 직물을 z축 방향으로 압축하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 탄소 섬유를 통해 결속된 탄소 직물을 z축 방향으로 압축하여 고밀도(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피% 이상)의 FWPF(Fine Weave Pierced Fabric) 탄소 프리폼을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄소 복합재료의 제조방법에 따르면, 탄소 섬유 보존력을 높여 최적의 고밀도(500000 g/m3 이상, 섬유분율: 28 부피%) 탄소 프리폼을 구현할 수 있다. 또한, 고가인 단섬유로 이루어진 탄소 섬유 웹 없이 탄소 직물을 z축 으로 결속하여, z축 강도가 니들펀칭 프리폼에 비해 탁월하고, 이로 인해 탄소 프리폼 제작비용의 절감효과를 볼 수 있다.
또한, 수지 등 별도의 추가적인 함침 없이 장섬유의 탄소 섬유를 배열함으로써 고밀도 탄소 프리폼을 제작할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 탄소 직물
110: 복수의 홀
120: z축 탄소 섬유

Claims (7)

  1. z축 방향에 따라 적층된 단위층; 및
    상기 적층된 단위층을 결착시키기 위해 z축으로 형성되는 복수의 탄소 섬유;를 포함하고,
    상기 단위층은 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 포함하고,
    상기 복수의 홀은 홀가공을 통해 일정한 간격으로 형성된 것이며,
    상기 단위층은 주자직을 포함하는 위브(weave) 직물, 단섬유 매트, 장섬유 매트, 브레이드 직물, 다축 경편 및 논 크림프 패브릭(non-crimp fabric)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하며, 일정 두께의 평판형으로 형성되는 것이고,
    상기 탄소 섬유는 상기 복수의 홀을 관통하여 형성되는 것이고,
    상기 탄소 섬유는 일정한 간격으로 형성된 것이며,
    상기 탄소 직물의 밀도는 100 g/m2 내지 1000 g/m2이고,
    상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것인,
    탄소 복합재료.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물을 제조하는 단계;
    홀가공을 통해 상기 탄소 직물에 복수의 홀을 형성하는 단계;
    상기 복수의 홀이 형성된 탄소 직물을 적층하는 단계;
    상기 적층된 탄소 직물의 복수의 홀을 통해 z축 방향으로 탄소 섬유를 관통시켜 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계; 및
    상기 결속된 탄소 직물을 z축 방향으로 압축하는 단계;를 포함하고,
    상기 복수의 홀은 일정한 간격으로 형성된 것이고,
    상기 탄소 섬유는 일정한 간격으로 형성된 것이며,
    상기 탄소 섬유를 이용하여 탄소 직물을 제조하는 단계에서 제조된 탄소 직물의 밀도는 100 g/m2 내지 1000 g/m2이고,
    상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계 이후의 상기 탄소 복합재료의 밀도는 500000 g/m3 이상인 것인,
    탄소 복합재료의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 적층된 탄소 직물을 결속하는 단계에서,
    상기 z축 방향으로 형성되는 탄소 섬유 간의 간격 및 밀도를 조절하여, 최종적으로 제조되는 탄소 복합재료의 밀도를 조절하는 것인,
    탄소 복합재료의 제조방법.
  7. 삭제
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