KR102176183B1 - Pva 및 peg가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료 - Google Patents

Pva 및 peg가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료에 관한 것이다. 보다 상세하게는 텅스텐 분말, 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리비닐알콜(PVA), 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 텅스텐 섬유에 폴리비닐알콜(PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)가 혼합된 텅스텐 분말이 함침되어 제조된 프리프레그 시트를 포함하고, 텅스텐 분말 및 폴리비닐알콜(PVA) 혼합물 100 중량부 대비 폴리에틸렌글리콜(PEG) 5 중량부인 것인 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 텅스텐 기지 복합재료 시편의 경도 및 굽힘 강도를 향상시켜 기계적 특성이 우수하게 되고, 수축율이 낮아 치수 제어에 매우 유리하게 할 수 있다.

Description

PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료 {TUNGSTEN FIBER REINFORCED TUNGSTEN MATRIX COMPOSITE MATERIAL CONTAINING PVA AND PEG}
본 발명은 PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료에 관한 것이다. 보다 상세하게는 텅스텐 분말, 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리비닐알콜(PVA), 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 텅스텐 섬유에 폴리비닐알콜(PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)가 혼합된 텅스텐 분말이 함침되어 제조된 프리프레그 시트를 포함하고, 텅스텐 분말 및 폴리비닐알콜(PVA) 혼합물 100 중량부 대비 폴리에틸렌글리콜(PEG) 5 중량부인 것인 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 텅스텐 복합재료 시편의 경도 및 굽힘 강도를 향상시켜 기계적 특성이 우수하게 되고, 수축율이 낮아 치수 제어에 매우 유리하게 할 수 있다.
현대사회에서 텅스텐 주성분합금과 복합재료의 사용으로는 가전제품, 전자통신, 우주항공, 의료기기 및 방위산업 등 다양한 산업으로 확산되고 있는 추세이다.
이처럼 다양한 분야에서 사용되고 있는 텅스텐 복합재료는 이용 목적에 따라 알맞은 성능과 작업성 개선을 위해 다양한 수지 및 섬유가 적용되고 있다.
이와 같은 복합재료 중 텅스텐 단일 섬유에 부분적으로 폴리비닐알콜(PVA)가 함침되어 있는 시트 모양의 중간 재료인 프리프레그가 주류를 이루고 있다.
프리프레그는 PVA가 텅스텐 섬유에 함침되어 B-STAGE 상태로 제공되는 형태의 제품이다. 프리프레그는 일반적으로 적당한 폭과 길이의 불연속 모양으로 만들고 임의 방향으로 배열시킨 형태 등 목적에 따라 다양하게 이용할 수 있어 매우 폭 넓은 응용분야에 적용할 수 있다.
프리프레그는 시트 모양뿐만 아니라 테이프 형상, 칩 형상으로도 응용할 수 있고, 다양한 형상으로 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 프리프레그는 목적에 따라 강화 섬유나 수지를 다양하게 적용할 수 있어 매우 폭넓은 분야에 응용할 수 있다. 이러한 이유로 최근 프리프레그에 대한 수요가 확대되고 있다.
그러나, 종래에는 텅스텐 단일 섬유에는 텅스텐 섬유를 잘 잡아주기 위해 촉매역할의 PVA를 함침하여 프리프레그를 제작하게 되는데, 건조하는 과정에서 유연성이 떨어져 표면에 균열(크랙)이 발생되어 다양한 제조 공정의 적용에 있어서 한계가 있다.
따라서, 텅스텐 단일 섬유에 PVA를 함침하여 발생되는 강성 및 경도를 유지함과 동시에, 텅스텐 단일 섬유에 PVA를 함침하여 유연성이 떨어지는 문제를 극복할 수 있는 합성 물질의 개발이 필요한 실정이다.
KR 10-2016-0112408 A
본 발명의 목적은 텅스텐 복합재료의 성형성을 향상시킬 뿐만 아니라, 경도 및 굽힘 강도를 향상시켜 기계적 특성을 우수하게 하기 위함이다. 이를 위해, 텅스텐 분말, 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리비닐알콜(PVA), 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 텅스텐 섬유에 폴리비닐알콜(PVA) 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)가 혼합된 텅스텐 분말이 함침되어 제조된 프리프레그 시트를 포함하고, 텅스텐 분말 및 폴리비닐알콜(PVA) 혼합물 100 중량부 대비 폴리에틸렌글리콜(PEG) 5 중량부인 것인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료는 텅스텐 분말; 상기 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리비닐알콜(PVA); 상기 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리에틸렌글리콜(PEG); 및 텅스텐 섬유에 상기 폴리비닐알콜(PVA) 및 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)가 혼합된 상기 텅스텐 분말이 함침되어 제조된 프리프레그 시트;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 텅스텐 분말 및 상기 폴리비닐알콜(PVA) 혼합물 100 중량부 대비 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG) 5 중량부인 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 혼합물은 상기 텅스텐 분말 90wt% 및 상기 폴리비닐알콜(PVA) 10wt% 인 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 프리프레그 시트는 복수 개로 금형부 내부에 적층되어 프레스부에 의해 가압되는 것이다.
본 발명에 따르면, 1500℃로 상기 금형부를 가열한다.
본 발명에 따르면, 2시간 동안 상기 금형부를 가압 및 가열한다.
본 발명에 따르면, 아르곤(Ar) 기체를 주입하여 상기 금형부를 가압 및 가열한다.
본 발명에 따르면, 20MPa의 압력으로 상기 금형부를 가압한다.
본 발명의 텅스텐 복합재료 시편에 의하면 PEG(Polyethylene glycol)를 첨가하여 종래의 PVA만을 텅스텐 분말에 혼합하여 건조 시 균열이 발생하였던 점을 극복할 수 있고, 균열 방지는 물론 유연성 부여 및 소결된 텅스텐 복합재료의 성형성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, PEG 5 중량부의 수준만을 첨가하여 기공율을 줄여 핫 프레스 과정에서 적층된 프리프레그 시트 크기를 균일하게 할 수 있어 치밀화된 성형체를 만드는 효과를 발생시킬 수 있다.
또한, 텅스텐 융점의 1/3인 재결정 온도(1500℃)에서 가압소결을 하여 기존의 높은 온도로 소결하여 고온으로 승온해야 하기 때문에 고에너지 및 큰 전기에너지가 요구되는 문제를 해결할 수 있다. 이에 따라 에너지 효율성을 증대시키고, 제조비용이 감소하는 효과가 있다.
도 1은 복합재료 시편의 구성 요소를 나열한 것이다.
도 2는 복합재료 시편 가공 공정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 핫 프레스 소결장치를 이용해 소결하는 공정에 대한 개략도이다.
도 4는 PEG 중량부에 따른 와이블 분포 및 경도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 PEG 중량부에 따른 비커스 경도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 PEG 중량부에 따른 소결 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 PEG 중량부에 따른 상대 밀도 및 기공율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 PEG 중량부에 따른 미세기포를 가지는 텅스텐 복합재료의 현미경 사진이다.
도 9는 PEG 중량부에 따른 굽힘 강도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
프리프레그는 'Preimpregnated Materials'의 약어로 기지재(matrix)를 강화섬유 (Reinforced Fiber)에 미리 함침 시킨 시트(Sheet) 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료이다.
위와 같은 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군으로 형성된다. 또한, 프리프레그를 구성하는 강화섬유 및 기지재의 종류에 따라 그 특성이 다양하며, 특히 기지재에 따라 제조공정 및 설비 사양이 다르게 결정된다.
이와 같은 프리프레그를 이용하여 생산된 복합재료는 타 재료에 비해 비강도, 비강성, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량화 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 되므로 우주항공 산업, 스포츠·레저용품 및 수송기계 분야 등 광범위하게 응용되고 있다.
이하에서 설명되는 슬러리는 텅스텐 분말(200)에 PVA(300) 및 PEG(400)가 첨가된 상태의 고동도의 현탁 물질을 함유한 유동성이 적은 액체 상태의 슬러리(Slurry) 상태를 일컬으며, 이와 같은 슬러리가 텅스텐 섬유(500)에 함침되어 제조되는 것을 프리프레그 시트(600)라고 지칭한다. 또한, 프리프레그 시트(600)가 복수 개씩 적층되어 본 발명의 가공유닛(100)을 거쳐 제조된 형태를 텅스텐 복합재료라고 지칭한다. 여기서, 가공 유닛(100)은 프레스부(110), 펀치부(120) 및 금형부(130)를 포함한다.
본 발명에서는 텅스텐 섬유(500)에 함침되는 PVA(300) 및 PEG(400)의 중량부를 한정하는 것을 특징으로 하며, 이러한 특징으로 인해, 최종적으로 제조된 텅스텐 기지 복합재료의 성형성 및 강도 등의 특성을 우수하게 하는 효과가 있다.
또한, 종래의 PVA만을 함침하여 발생되는 텅스텐 복합재료의 크랙을 줄여 불량율을 감소시키고, 성형성, 경도 및 강도를 향상된 텅스텐 기지 복합재료를 제작하기 위해서는 텅스텐 분말(200)을 준비하는 단계(S100), 텅스텐 분말(200)에 PVA(300)를 혼합하는 단계(S200), 혼합된 텅스텐 분말(200)에 5wt%의 PEG(400)를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계(S300), 제조된 슬러리를 일정하게 배열된 텅스텐 섬유(500)에 함침 및 건조시켜 프리프레그 시트(600)를 제작하는 단계(S400) 및 복수 개의 프리프레그 시트(600)를 금형부(130)에 삽입하여 고온으로 가압하는 단계(S500)를 포함한다.
이하에서, 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에서 프리프레그 시트(600)를 제작하기 위해 평균 입경이 3㎛인 텅스텐 분말(200)과 직경 100㎛인 텅스텐 섬유(500)를 이용하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 분말 합성을 위한 물질(기지재)로 텅스텐 염과 폴리비닐알콜(PVA)(300) 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)(400)을 사용하였다. 이하에서, PVA(300) 및 PEG(400)의 명칭으로 설명하도록 한다.
이에 따른 가공 단계는 다음과 같다.
먼저, 텅스텐 분말(200)을 준비하는 단계(S100)이다.
이때, 텅스텐 분말(200)의 평균 입경은 다양한 수준의 나노 입자로 이용될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 3㎛으로 준비된다. 이는, 다음 단계에서 PVA(300)와 혼합하는 다음 단계에서 텅스텐 입자가 균일하게 분산되기 위함이다.
다음으로, 상기 텅스텐 분말(200)에 PVA(300)를 혼합하는 단계(S200)로, 3㎛ 수준의 텅스텐 입자에 PVA(300)(Polyvinyl alcohol)을 혼합하여 이후에 제작될 프리프레그 시트(600)의 형상 유지를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예로, 텅스텐 분말(200)의 중량부는 90이고, PVA(300)의 중량부는 10인 것이 바람직하다.
다음으로, 혼합된 상기 텅스텐 분말(200)에 중량부 5의 PEG(400)를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계(S300)이다.
PEG(400)(Polyethylene glycol)를 첨가하여 종래의 PVA(300)만을 텅스텐 분말(200)에 혼합하여 건조 시 균열이 발생하였던 점을 극복할 수 있고, 균열 방지는 물론 유연성 부여 및 소결된 텅스텐 기지 복합재료의 성형성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이와 관련한 상세한 효과는 다양한 실험의 실시 예를 통하여 후술하도록 한다.
다음으로, 제조된 슬러리를 일정하게 배열된 텅스텐 섬유(500)에 함침 및 건조시켜 프리프레그 시트(600)를 제작하는 단계(S400)이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 텅스텐 섬유(500)의 직경은 100㎛로 형성될 수 있다.
이는, 텅스텐 섬유(500)의 직경이 100㎛로 형성함으로써, 슬러리가 텅스텐 섬유(500)에 함침되는 과정에서 밀착 강도가 높아지져 섬유의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 소결된 텅스텐 복합재료의 중간 재료인 프리프레그 시트(600)에 PVA(300) 10 중량부 및 PEG(400) 5 중량부를 함침시켜 상기 서술한 효과를 볼 수 있다.
마지막으로, 복수 개의 상기 프리프레그 시트(600)를 금형부에 삽입하여 고온으로 가압하는 단계(S500)가 진행된다.
PVA(300) 및 PEG(400)가 함침 및 건조된 프리프레그 시트(600)가 12장으로 적층되어 카본으로 제작된 금형부(130)에 삽입되고, 고온 및 고압의 프레스부(110) 및 펀치부(120)를 이용하여 제조되는 공지의 핫 프레스(Hot press) 공정을 통해 텅스텐 기지 복합재료(100)가 제작될 수 있다.
이와 같은 핫 프레스 소결 장치에 장착되는 금형부(130) 내부에 12장씩 적층된 프리프레그 시트(600)가 삽입되고, 상부에서 하부를 향하는 펀치부(120)로 압력이 가해져 텅스텐 기지 복합재료로 제작되는 공정은 단시간 내 저온에서 고밀도를 얻는데 효과적이다. 여기서, 핫 프레스 공정에서 사용되는 펀치부(120) 및 금형부(130)는 공지 기술로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이때, 프리프레그 시트(600) 제조에 사용된 PVA(300) 와 PEG(400)의 열분해를 위해 800℃에서 30분간 열처리과정을 거친 후, 아르곤(Ar) 기체를 주입하여 가압력 20Mpa, 유지시간 2hr, 소결온도 1500℃에서 소결하는 것이 바람직하다.
주로, 텅스텐(W)은 높은 융점(3422℃)을 지니는데, 이를 가공하기 위해서는 고온으로 승온해야 하기 때문에 제조과정에서 많은 전기에너지가 소모되고, 제조비용이 높아지는 문제가 존재한다.
이에 따라, 텅스텐의 재결정 온도 이하인 1500℃에서 상기와 같은 조건에서 소결함으로써, 입자 간 원활한 확산을 유도하고, 소결 온도가 낮아져 전기에너지 소모가 줄어들어 에너지 효율성을 증대되는 장점이 있다. 이에 따라, 제조 비용을 절약할 수 있다.
이하, 소결된 텅스텐 기지 복합재료(100)의 우수해진 특성을 아르키메데스 원리를 통한 밀도평가 및 3점 굽힘 시험을 통한 강도평가를 통해 첨가된 PEG(400)의 중량부에 따른 영향에 대해 이하의 실험을 통해 증명하도록 한다. 3점 굽힘 시험(3 point bending test)이란, 재료에 굽힘 모멘트가 작용하였을 때의 변형저항이나 강도를 측정하는 시험을 일컫는다.
평가 기법은 SEM, Three point bending test(ASTM C 1161) 및 Vickers hardness test(KS L 1603)이 활용되고, PEG(400)를 각각 1 중량부, 3 중량부 및 5 중량부로 상이하게 첨가하여 슬러리를 제조 후, 제조된 슬러리를 일정하게 배열된 텅스텐 섬유(500)에 함침 및 건조시켜 각각의 조건 당 12장의 예비 프리프레그 시트(600)를 제작하였다.
먼저, 이하 표 1 및 도 4를 참조하여 단일 섬유와 PEG(400)를 첨가 후의 영향을 비교하도록 한다.
PVA(300) PVA(300) + PEG(400) 15 중량부
소결 밀도(Sintered density)(g/cm3) 16.5 14
굽힘 강도(Flexural strength)(MPa) 220 91
도 4는 텅스텐 분말(200)에 PEG(400)가 첨가되지 않고, PVA(300)만이 첨가된 텅스텐 분말(200)과 PEG(400) 15 중량부와 PVA(300)가 첨가된 텅스텐 분말(200)의 소결 밀도 및 굽힘 강도를 비교한 그래프이다. 또한, 표 1은 도 4의 그래프 값을 표로 나타낸 것으로서, PEG(400)가 첨가되지 않은 텅스텐 분말(200)과 PEG(400) 15 중량부가 첨가된 텅스텐 분말(200)의 소결 밀도 및 굽힘 강도를 측정하였다.
도 4 및 표 1에서 알 수 있듯이, 텅스텐 분말(200)에 PVA(300) 보다 PVA(300)에 PEG(400) 15 중량부가 추가로 혼합될 경우, 소결 밀도가 낮아 성형성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
즉, PVA(300)가 혼합된 텅스텐 분말(200)에 PEG(400)를 첨가하여 프리프레그의 성형성을 향상시킬 수 있다.
이에, 종래의 텅스텐 단일섬유에 PVA(300)만을 혼합하여 제조되는 프리프레그는 건조 과정에서 크랙이 발생되었던 문제를 본 발명의 PEG(400) 첨가를 통해 극복하여 불량율을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, PVA(300) 보다 PVA(300) + PEG(400) 15 중량부의 소결 밀도에 따른 굽힘 강도가 현저히 떨어지는 것으로, 확연히 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, PEG(400)의 첨가에 따라 소결된 텅스텐 분말(200)의 밀도를 조절하여 성형성을 향상시킬 수 있지만, 첨가되는 PEG(400)의 중량부에 따라 소결된 텅스텐 분말(200)의 강도가 저하되는 단점이 있다.
이로 인해, PVA(300)가 첨가된 텅스텐 분말(200)에 PEG(400)를 얼마만큼의 중량부로 첨가하는지는 한정하는 것은 텅스텐 기지 복합재료의 강도에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
PEG(400)가 첨가되는 텅스텐 기지 복합재료의 우수한 특성을 알아보기 위해, 이하에서 다양한 실시예 및 실험예를 통해 첨가되는 PEG(400) 중량부의 임계적 의의를 상세히 설명하도록 한다.
Sample PEG(400) 중량부 분포 (Weibull percentiles)(%) 경도 (Vicker's hardness)(Hv)
(a) 1 30.73 800
(b) 3 35.41 870
(c) 5 48.89 1000
(d) 10 33.34 940
(e) 15 32.96 920
도 5는 PEG(400)의 중량부에 따른 와이블 분포 및 비커스 경도에 대한 각각의 그래프이다. 또한, 표 2는 PEG(400)를 각각 1 중량부, 3 중량부, 5 중량부, 10 중량부 및 15 중량부로 상이하게 텅스텐 분말(200)에 첨가한 샘플 각각의 (a), (b), (c), (d) 및 (e)의 분포 및 경도의 측정값이다.
도 5의 첫번째 그래프를 참조하면, 비커스 경도(Vicker's hardness)는 와이블 분포(Weibull percentiles) 확률에서 직선으로 표현되고 있으므로 와이블 확률분포를 잘 따르고 있음을 확인할 수 있고, 두번째 그래프에서는 샘플(a) 내지 (e) 중에서 샘플(c)(PEG(400) 5wt%)가 가장 높은 경도를 보유하고 있음을 확인할 수 있다.
즉, PEG(400)의 중량부가 1 중량부, 3 중량부 및 5 중량부로 향할수록 경도가 증가한 것으로 보아 PEG(400) 중량부에 비례하여 경도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면, PEG(400) 10 중량부 이상이 첨가된 텅스텐 기지 복합재료는 경도가 PEG(400) 중량부가 증가함에 따라 경도는 오히려 감소하는 경향을 나타낸다.
다시 말해, 텅스텐 기지 복합재료의 경도는 PEG(400) 중량부에 따라 비례하여 계속 증가하는 것이 아닌, PEG(400) 5 중량부 수준에서 임계적 의의가 있음을 확인할 수 있다.
이하의 실험을 통해 PEG(400) 5 중량부 수준 내에서 소결 밀도의 영향을 확인하도록 한다.
Sample PEG(400) 중량부 소결 밀도(Sinterd density)(g/cm3)
(a) 1 16
(b) 3 17
(c) 5 16.5
(d) 10 14
(e) 15 14.2
도 6은 PEG(400)의 중량부에 따른 소결 밀도(Sinterd density)를 나타낸 그래프이다. 또한, 표 3은 PEG(400)를 각각 1 중량부, 3 중량부, 5 중량부, 10 중량부 및 15 중량부로 상이하게 텅스텐 섬유(500)에 첨가하여 소결 밀도를 측정한 샘플 값이다.
도 6 및 표 3에서 알 수 있듯이, PEG(400) 중량부의 1 중량부에서 5 중량부 를 향할수록 소결 밀도가 소폭으로 증가함을 알 수 있고, 반면에 PEG(400) 중량부의 5 중량부를 초과하자 소결 밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
즉, PEG(400) 중량부가 1 중량부에서 5 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 밀도는 16~17 g/cm3 내에 머무르는 등 큰 차이를 보이지 않으므로, PEG(400) 1 중량부 내지 5 중량부의 수준 내에서는 PEG(400) 중량부가 텅스텐 기지 복합재료의 밀도에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
또한, PEG(400) 중량부에 따른 기공률 및 미세구조에 변화가 있는지 여부를 알아보기 위해 PEG(400) 중량부에 따른 기공률 및 미세구조 변화 실험을 진행하였다. 하기 표 4, 도 7 및 도 8을 참조하도록 한다.
Sample PEG(400) 중량부 상대 밀도(Relative density)(%) 공극율(Porosity)(%)
(a) 1 80 20
(b) 3 82 16
(c) 5 85 11
표 4 및 도 7을 참조하면, PEG(400) 1 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 상대밀도는 약 80%로, PEG(400) 3 중량부, 5 중량부로 증가할수록 텅스텐 기지 복합재료의 상대밀도가 소폭 증가함을 알 수 있다.
이와 반대로, 전체 체적 중 기공 체적이 차지하는 비율인 기공율은 PEG(400) 중량부의 1 중량부에서 5 중량부를 향할수록 비율이 감소함을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참고하여 상세하게 설명하자면, PEG(400) 5 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 미세 입자들이 고르게 분포되고, 미세 입자들 주위에 분말이 고르게 채워짐으로써 치밀하게 반응 결합되어 있음을 볼 수 있다.
이와 반대로, PEG(400) 10 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 미세 입자들은 등축상의 형태를 나타내면서 인접한 미세 입자들간 neck가 성장하여 서로 합체되고 있는 형상도 관찰할 수 있다. Neck 성장이란, 입자와 입자가 결합하면서 중첩되는 결합부위가 성장하는 것을 말한다.
따라서, PEG(400) 10 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 경우, 미세 입자 과성장과 미세 기공들의 결합으로 인한 큰 기공 형성으로 인해 강도가 저하되는 단점이 있다.
즉, PEG(400)의 중량부가 1 중량부에서 5 중량부를 향할수록 기공율이 감소함을 확인할 수 있는데, 이는 치밀화된 성형체를 만드는데 중요한 역할을 한다.
PEG(400)가 첨가된 프리프레그 시트(600)를 12장씩 적층하고 고압으로 가압하면 결합체가 연화되고 압력을 가함으로써 연화된 결합체가 서로 결합하는 과정에서, 프리프레그 시트(600) 내에 존재하던 미세 기공들이 압력에 의해 소멸되어 수축하면서 치밀화된 성형체가 만들어진다.
다시 말해, 치밀화된 성형체가 만들어지지 않는다는 것은 프리프레그 시트(600)의 변형이 발생한다는 것이고, 시트 크기가 불균일해지며, 소결 시에 수축율 차이가 발생하여 불량이 발생되게 된다.
따라서, 기공율이 가장 적은 PEG(400) 5 중량부 수준이 임계적 의의를 지니게 되어, 핫 프레스 과정에서 적층된 프리프레그 시트(600) 크기를 균일하게 하여 치밀화된 성형체를 만드는 효과를 발생시킬 수 있다.
한편, 위의 표 4, 도 7 및 도 8에서 알 수 있듯이, 표 3에서 나타난 소결 밀도와 유사하게, PEG(400) 중량부의 1 중량부에서 5 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 상대밀도(Relative density) 역시 80% ~ 85% 내에 머무르는 등 큰 차이를 보이지 않으므로, PEG(400) 중량부가 텅스텐 기지 복합재료의 상대 밀도에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
또한, PEG(400) 중량부에 따라 텅스텐 기지 복합재료 시편의 굽힘 강도에 변화가 있는지 여부를 알아보기 위해 텅스텐 기지 복합재료 시편에 첨가되는 PEG(400) 중량부에 따른 굽힘 강도 변화 실험을 하기와 같이 진행하였다. 하기 표 5 및 도 9를 참조하도록 한다.
Sample PEG(400) 중량부 굽힘 강도(Flexural strength)(MPa)
(a) 1 200
(b) 3 325
(c) 5 350
(d) 10 120
(e) 15 100
표 5는 상기 표 3과 같은 조건으로, PEG(400) 중량부에 따른 굽힘 강도(Flexural strength)를 측정하였다. 도 5 및 도 9에서 알 수 있듯이, PEG(400) 5의 중량부가 첨가된 텅스텐 기지 복합재료가 350 MPa의 가장 높은 굽힘 강도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
즉, PEG(400) 1 중량부에서 PEG(400) 5 중량부를 향할수록 굽힘 강도가 증가한 것으로 보아 PEG(400) 중량부에 비례하여 굽힘 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
반면에 PEG(400) 10 중량부 이상이 첨가된 텅스텐 기지 복합재료의 굽힘 강도는 오히려 PEG(400) 1 중량부의 수준 보다 감소하는 경향을 나타낸다.
따라서, PEG(400) 중량부에 따른 텅스텐 기지 복합재료의 굽힘 강도는 PEG(400) 5 중량부의 수준에서 임계적 의의가 있음을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 효과를 정리하면 다음과 같다.
본 발명의 방법으로 제조된 텅스텐 기지 복합재료는 치밀한 성형체로 형성될 수 있고, 경도 및 굽힘 강도가 높아 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 수축률이 낮아 치수 제어에 매우 유리한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 단계 S300은 혼합된 상기 분말에 5 중량부의 PEG(400)를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계이다. 서술한 바와 같이, 본 발명에서는 텅스텐 섬유(500)에 PEG(400) 5 중량부 정도만을 함침하여 슬러지를 제조함으로써 상기 서술된 실시예 및 실험예에서 확인할 수 있는 효과를 볼 수 있다. 서술한 바 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 단계 S500은 복수 개의 상기 프리프레그 시트(600)를 금형부에 삽입하여 고온으로 가압하는 단계에서 1,500℃의 온도에서 2시간 동안 진행되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명에 따른 소결 과정은 종래의 소결 방법과 비교하여 소결 온도가 낮으며, 소결 시간이 단축되는 장점이 있다. 소결 온도가 1,300℃ 미만일 경우, 치밀화 에너지가 충분하지 않아 소결이 충분히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 1,600℃를 초과하는 경우, 밀도 향상에 대한 효과가 거의 없음에 비해 에너지 소모가 큰 문제점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 가공유닛,
110 : 프레스부,
120 : 펀치부,
130 : 금형부,
200 : 텅스텐 분말,
300 : PVA,
400 : PEG,
500 : 텅스텐 섬유,
600 : 프리프레그 시트.

Claims (8)

  1. 텅스텐 분말;
    상기 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리비닐알콜(PVA);
    상기 텅스텐 분말에 혼합되는 폴리에틸렌글리콜(PEG); 및
    텅스텐 섬유에 상기 폴리비닐알콜(PVA) 및 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)가 혼합된 상기 텅스텐 분말이 함침되어 제조된 프리프레그 시트;를 포함하는
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐 분말 및 상기 폴리비닐알콜(PVA) 혼합물 100 중량부 대비 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG) 5 중량부인 것인
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합물은 상기 텅스텐 분말 90wt% 및 상기 폴리비닐알콜(PVA) 10wt% 인 것인
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프리프레그 시트는 복수 개로 금형부 내부에 적층되어 프레스부에 의해 가압되는 것인
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  5. 제4항에 있어서,
    1500℃로 상기 금형부를 가열하는
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  6. 제5항에 있어서,
    2시간 동안 상기 금형부를 가압 및 가열하는
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  7. 제6항에 있어서,
    아르곤(Ar) 기체를 주입하여 상기 금형부를 가압 및 가열하는
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
  8. 제7항에 있어서,
    20MPa의 압력으로 상기 금형부를 가압하는
    PVA 및 PEG가 함유된 텅스텐 섬유강화 텅스텐 기지 복합재료.
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