KR102185178B1 - 다중 재료 복합재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 재료 복합재(4)를 제조하는 방법 및 다중 재료 복합재(4)에 관한 것이다.
상이한 재료, 특히 금속 재료와 폴리머 재료 사이의 계면에서 재료 특성의 계단식 변화로 인해, 종종 다중 재료 복합재에서 균열이 발생하여 수명이 단축된다.
본 발명에 따른 방법은 계면에서 다중 재료 복합재(4)의 재료의 재료 특성의 점진적인 적응에 기초한다. 복합재는 적어도 하나의 금속층(1), 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층(2), 및 제1 폴리머층(2)의 폴리머와 나노 입자로 형성된 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제2 폴리머층(3)으로부터 형성되고, 상기 제2 폴리머층은 고온 또는 고온 및 고압의 영향하에서 금속층(1)과 제1 폴리머층(2) 사이에 적어도 부분적으로 배치되며, 나노 입자 농도가 제1 폴리머층(2)의 방향으로 감소하는 구배층(5)이 형성되도록 제2 폴리머층(3)의 나노 입자가 제1 폴리머층(2) 내로 확산된다.
본 발명(4)에 따른 방법에 의해 제조된 다중 재료 복합재는 특히 긴 수명을 가지며, 예를 들어 항공기, 자동차 또는 선박 산업용 구동축에 사용될 수 있다.

Description

다중 재료 복합재 및 그 제조 방법
본 발명은 금속층 및 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층을 포함하는 다중 재료 복합재의 제조 방법, 및 관련된 다중 재료 복합재(multi-material composite)에 관한 것이다.
예를 들어 금속성 부하 도입 요소를 갖는 섬유-플라스틱 복합재 구성요소의 형태로 금속과 플라스틱 사이에 계면을 갖는 혼합된 다중 재료 복합재는, 특히 감소한 이동 중량 및 향상된 강도 또는 강성 뿐만 아니라 높은 충격 강도와 경도 및 높은 연성이 요구되는 다양한 응용 분야에서 사용된다. 하나의 예만을 들자면, 항공기, 자동차 또는 선박 산업을 위한 구동축을 언급할 수 있다.
경량 구조물로서 다중 재료 복합재를 사용하기 위한 과제는 파워를 전달하기 위하여 금속 요소를 플라스틱 요소에 연결하는 것이다. 연결은 예를 들어 접착에 의한 결합에 의해서 이루어질 수 있다. 접착제를 사용하지 않고, 재료는 예를 들어 프레싱, 침윤 및/또는 사출 성형에 의해 결합될 수 있다. 열경화성 플라스틱을 위한 DE 102016202012 B3 및 열가소성 수지를 위한 DE 102014004158 A1에 설명된 것과 같은 방법들에서, 금속성 부하 도입 요소에 FKV 요소의 확실한 연결이 접착제를 사용하지 않고 이루어진다.
다중 재료 복합재의 비혼화성 재료는 상이한 재료 특성, 예를 들어 파괴 인성, 경도 및 강도를 갖는다. 특히, 접착제를 사용하지 않는 다중 재료 복합재를 제조하기 위한 연결 또는 결합 방법에서, 재료들 사이의 계면에서 강도 또는 균열/파괴 인성의 급격한 변화로 인해 응력 하중의 전달에서 재료들의 연한 부분에서 균열이 형성되고 전파될 수 있다. 이는 다중 재료 복합재의 파괴로 이어질 수 있다.
예를 들어 Ma, P.-C., et al의 "폴리머 기반 나노복합재용 탄소 나노 튜브의 분산 및 기능화 : 검토", Compos. Part. A : Appl. Sci. Manuf., 41(2010), pp. 1345-1367로부터, 나노 입자를 갖는 폴리머 재료의 개질(modification)은 파괴 인성, 강도 및 강성을 증가시킬 수 있다는 것이 알려져 있고, 증가의 정도는 특히 재료 내의 나노 입자의 농도에 의존한다. 폴리머 재료를 탄소계 나노 입자, 특히 탄소 나노 튜브(CNT)로 개질함으로써 특히 바람직한 재료 특성이 달성될 수 있다. 나노 입자로 폴리머를 완전히, 전체적으로 개질시키면 폴리머의 매크로 특성에서의 변화를 유발한다. 특히, 폴리머가 더욱 취성이 될 수 있으며, 이는 특정 적용에서 재료 파괴를 초래할 수 있다.
US 8388795 B2 및 EP 2926987 A1은 두 층의 섬유 재료가 서로에 대해 층을 배치한 후에 섬유 층들을 매트릭스 재료로 함침시킴으로써 나노 입자 함유층에 의해 결합되는 복합 재료를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 기술된 방법은 금속-폴리머 계면을 갖는 다중 재료 복합재와 관련이 없으며, 그러한 계면에서 균열 경향에 어떻게 대응할 수 있는지에 대한 해결책이 전혀 제시되어 있지 않다.
US 2013/0108800 A1은 기판 상에 나노 입자를 함유하는 층을 갖는 보호 코팅을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 액체, 용질 및/또는 기체가 기판 내로 확산하는 것이 억제 및 지연되도록 보호 코팅은 배리어 특성을 개선한다. 보호 코팅은 폴리머 조성물을 갖는 바인더 층 및 나노 필러 층, 또는 복수의 교호하는 바인더 층 및 나노 필러 층으로 구성될 수 있다. 또한, 나노 필러의 구배(gradient)가 보호 코팅 내에 존재할 수 있다.
DE 19613645 A1은 구배 구조를 갖는 광학 구성요소를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 액체의 경화성 매트릭스에 분산된 나노 스케일 입자는 전위차로 인해 매트릭스 내에서 이동하며 따라서 물질 구배, 예를 들어 광학 렌즈에서의 굴절률 구배를 형성한다.
US 020100227141 A1은 산업용 공구를 위한 보호층, 예를 들어 매트릭스 및 보호층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 보호층은 제1 보호층 및 하나 이상의 추가 보호층을 가지며, 여기서 제1 보호층은 마커 입자를 함유하고 추가 층은 마커 입자를 함유하지 않을 수 있다. 따라서 보호층에서의 마모를 시각적으로 인식할 수 있어 보호층이 적시에 갱신될 수 있다.
WO 2008071312 A1은 금속층 및/또는 폴리머층이 하나 이상의 CNT 층과 함께 교대로 적층된 필름, 리본 또는 시트 형태 직물을 개시하고 있다. 직물의 제조는 롤링 방법에 의해 수행된다. 또한, 재료들 사이의 계면에서 균열 경향에 어떻게 대응할 수 있는지에 대한 해결책은 전혀 제시되어 있지 않다.
다중 재료 복합재에서 균열 경향을 감소시키는 하나의 접근법은 상이한 재료들 사이의 계면에서 재료 특성의 갑작스러운 변화를 부드럽게 하고 계면에서 층의 재료 특성을 점진적으로 변화시키는 것일 수 있다.
CN 1510069 A는 폴리머 구배 재료, 예를 들어 PA-6을 갖는 폴리프로필렌 또는 탈크를 사용한 폴리프로필렌으로 만들어진 재료의 제조 방법을 개시하고 있는데, 구배 재료는 국소적으로 점진적으로 층화된 재료의 농도를 특징으로 한다. 이 재료는 원하는 점진적으로 층화된 농도로 출발 재료를 압출기에 충전함으로써 압출에 의해 생성된다. WO 2011039009 A2는 브러시 도금에 의해 구배층을 제조하는 방법을 기술하고 있는데, 여기에서 매우 얇은 층의 나노 입자 함유 재료가 출발 재료에 적용되고 나노 입자의 농도는 층마다 점진적으로 변화된다. 이들 두 방법은 모두 매우 비용이 많이 소요된다.
본 발명의 목적은 종래 기술로부터 출발하여, 종래 기술의 단점을 극복하고 다중 재료 복합재에서 상이한 재료 특성으로 인한 균열 및 균열 전파를 방지하는 다중 재료 복합재의 제조 방법 및 다중 재료 복합재를 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 특징을 갖는 방법 및 청구항 9에 따른 특징을 갖는 다중 재료 복합재에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예들은 종속항에 명시되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 재료들의 매크로 특성을 유지하면서 다중 재료 복합재의 재료들 사이의 계면에서 하나의 재료의 재료 특성을 다른 재료의 재료 특성에 점진적으로 적응시키는 것에 기초한다.
본 발명에 따른 방법은 적어도 하나의 금속층 및 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층을 갖는 다중 재료 복합재의 제조에 관한 것이다. 섬유 강화 버전의 폴리머층의 경우, 폴리머는 섬유가 매립되는 매트릭스로서 작용한다.
나노 입자를 함유하는 섬유 강화 또는 비강화 제2 폴리머층이 적어도 금속층과 제1 폴리머층 사이의 영역에 배열된다. 나노 입자로 인하여, 제2 폴리머층은 나노 입자가 없는 제1 폴리머층의 재료 특성보다 금속층과 더욱더 유사한 재료 특성을 갖는다.
높은 온도 또는 높은 압력 및 높은 온도의 영향하에서, 복합재가 3개의 층으로 형성되고, 여기서 제2 폴리머층의 나노 입자는 제1 폴리머층으로 확산되어, 나노 입자 농도가 제1 폴리머층을 향하여 점차 감소하는 구배층(gradient layer)이 형성된다. 여기에서 "높은"이란 표준 조건(101325 Pa, 20℃)과 관련된 것이다. 그러나, 압력 및/또는 온도의 파라미터의 적용은 결합 영역에서 폴리머 재료의 점도가 폴리머의 분해없이 영향을 받도록 하는 것임은 당업자에게 명백한 것이다.
따라서, 제1 폴리머층과의 계면보다 금속층과의 구배층의 계면에서 구배층에 더 높은 나노 입자 농도가 존재한다. 제1 폴리머층과 구배층 사이의 계면, 즉 구배층의 시작부는 나노 입자가 처음으로 존재하게 되는 영역이다. 구배층과 금속층의 계면에서, 나노 입자 농도는 복합재를 형성하기 위한 압력 및/또는 온도의 적용 이전에 제2 폴리머층의 나노 입자 농도보다 약간 작거나 같다.
"제1 폴리머층"은 나노 입자가 없는 폴리머층을 의미한다. 이와 관련하여, 구배층이 제2 폴리머층 및 나노 입자가 제2 폴리머로부터 제1 폴리머층으로 확산되는 제2 폴리머층에 인접한 제1 폴리머층의 영역에서 형성되기 때문에, 방법은 제2 폴리머층에 인접한 제1 폴리머층의 영역을 소모한다.
"나노 입자"는 나노스케일 필러를 의미하는 것으로 이해된다. 제2 폴리머층의 폴리머의 재료 특성을 금속의 재료 특성에 적응시키기 위한 나노 입자는 예를 들어 강도를 증가시킴으로써 방법을 위해 적합하다.
구배층에서 재료 특성은 제1 폴리머층의 방향으로 금속 유사에서 폴리머 유사로 점차 변화하기 때문에 본 발명에 따른 방법은 제1 폴리머층과 금속층 사이의 계면에서 상이한 재료 특성의 단계적 과정을 매끄럽게 한다. 유리하게는, 이는 계면에서 균열 형성 및 균열 전파의 경향을 감소시킨다. 다중 재료 복합재의 수명은 증가한다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 방법에 의해 적어도 영역에서, 금속 재료 특성으로 폴리머 재료 특성의 점진적인 적응은 연결 영역에서 폴리머 재료의 국부적인 나노 조절(nanomodification)에 의해서 적어도 하나의 금속층 및 적어도 하나의 폴리머층을 포함하는 다중 재료 복합재의 연결 영역에서 일어난다. 폴리머 재료 특성의 전체적인 변화, 즉 제1 폴리머층의 연장된, 특히 전체 부피 범위에 걸친 변화는 본 발명에 따라 발생하지 않는다. 폴리머 재료의 나노 조절은 금속층과 폴리머 재료 사이의 연결에서 나노 입자의 확산 영역으로 공간적으로 제한되고 따라서 구배층의 범위로 제한된다.
구배층의 정도는 폴리머 재료에서 나노 입자의 확산 특성 및 압력 및/또는 온도의 파라미터의 적용 강도 및 지속 시간에 의해 결정되며, 여기서 적용의 지속 시간은 바람직하게는 수 분과 1 - 2 시간 사이이다. 공지된 폴리머 재료에 대해, 당업자는 폴리머가 분해되는 일없이 결합 영역에서 폴리머 재료의 (동적) 점도의 필요한 감소를 야기하기 위해 압력 및/또는 온도의 파라미터의 적용이 어떻게 이루어져야 하는지를 쉽게 결정할 수 있다. 점도의 감소는 확산 계수의 증가를 야기한다. 이는 나노 입자가 제2 폴리머층에서 제1 폴리머층으로 확산되게 한다. 구배층의 크기는 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1 mm, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 가장 바람직하게는 100 ㎛ 내지 300 ㎛이다.
온도 또는 온도 및 압력의 함수로서 형성되는 나노 입자 농도의 구배는 예를 들어 4점 프로브 기술을 사용하는 저항 측정에 의해 고화된 재료에서 반복적으로 결정될 수 있다. 구배층의 충분한 평가가 이루어질 수 있도록 측정 장치가 선택되어야 한다. 구배층의 크기가 100 ㎛인 경우, 이는 예를 들어 측면 최소 해상도 30 ㎛에 해당한다. 저항의 변화는 나노 입자 함량의 함수이다. 평가를 위해, 알려진 나노 입자 농도를 갖는 평면 FKV 모델 시스템이 측정되는데, 이로부터 저항-나노 입자 농도 곡선을 결정할 수 있다. 구배층에서 측정된 저항을 저항-나노 입자 농도 곡선과 연관시킴으로써, 국부적인 나노 입자 농도와 따라서 눈금 전방의 진행 및 국부적인 구배를 결정할 수 있다.
나노 입자 농도의 구배는 복합재의 최종 경화에 의한 냉각 및/또는 고화에 의해 안정화된다. 구배층이 안정화되는 방식은 구배층의 폴리머 재료의 유형에 의해 결정되며, 어떤 방법이 선택되어야 하는지 당업자에게 명백하다.
폴리머층은 섬유 강화 또는 비강화될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 제1 폴리머층은 섬유 강화, 보다 바람직하게는 탄소 섬유 강화된다.
원칙적으로, 모든 적합한 섬유 및 섬유 반제품, 예를 들어 로빙, 부직포, 매트, 비권축 직물, 직물, 브레이드는 나노 입자의 자유 확산 경로가 구배층을 형성하기에 충분히 긴 것인한 본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있다. 최대 60%의 섬유 체적 함량이 충분한 확산 경로를 확실히 보장한다고 가정할 수 있다. 본 방법은 원칙적으로 모든 적합한 강화 섬유 유형, 특히 탄소 섬유와 함께 사용하기에 적합하다.
이 방법은 다중 재료 복합재에 사용하기에 적합한 모든 금속 및 금속 합금, 예를 들어 강, 알루미늄, 티타늄에 적용될 수 있다. 금속층의 용융 온도는 구배층 및 복합재를 형성하는데 사용되는 온도 및 폴리머 재료의 경화 온도보다 높아야 한다.
이 방법은 특히 간단한 응용으로 특징지어 진다. 금속층 및 제1 폴리머층의 제조 공정에 변화가 전혀 없다. 이들 층을 포함하는 각각의 구성요소인 금속층의 제조 및 이들 층을 포함하는 각각의 구성요소인 제1 폴리머층의 제조는 별개로 수행될 수 있다. 제2 나노 입자 함유 폴리머층의 적용, 복합재의 형성 및 구배층의 생성은 온도 증가 또는 압력 및 온도 증가에 의한 열적 또는 기계적 열적 접합 공정에 의해 후속적으로 일어난다 .
예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 다음 단계들을 포함할 수 있다.
a. 금속층을 포함하는 구성요소를 제공하는 단계;
b. 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층을 포함하는 구성요소를 제공하는 단계;
c. 금속층 상에 및/또는 제1 폴리머층 상에 제2 폴리머층의 부분적인 또는 완전한 적용 단계;
d. 제2 폴리머층이 금속층과 제1 폴리머층 사이에 적어도 부분적으로 배열되도록 구성요소들을 서로에 대해 배치하는 단계;
e. 적어도 제2 폴리머층이 금속층과 제1 폴리머층 사이에 배열되어 복합재를 형성하는 영역에서 가열 도구 또는 가열 및 가압 도구에 가열 또는 가열 및 압력을 가하는 단계, 여기에서 나노 입자 농도가 제1 폴리머층을 향하여 감소하는 구배층이 형성되도록 제2 폴리머층의 나노 입자는 제1 폴리머층 내로 확산하며;
f. 옵션으로, 단계 e에서 사용된 가열 또는 가열 및 가압 도구로부터 복합재을 최종 경화, 냉각 및 제거하는 단계.
가열 및 압력의 적용은 바람직하게는 제2 폴리머층이 금속층과 제1 폴리머층 사이에 배열되는 연결 영역에 국부적으로 제한되어 일어난다.
복합재에 압력을 적용하는 것은 예를 들어 외부의 가열 가능한 도구에 의해, 또는 내재적으로 폴리머의 열적으로 유도된 체적 변화에 의해, 또는 두 옵션의 조합에 의해 수행될 수 있다.
연결 영역의 가열은 금속층의 국부 가열을 통해서 일어나거나 또는 제1 폴리머층이 열전도성 강화 섬유를 함유하는 경우 제1 폴리머층의 국부 가열을 통해 일어날 수 있고, 또는 복합재의 외부 전체 가열이 수행될 수 있다.
제1 및 제2 층의 폴리머로서, 열가소성 폴리머 또는 특수 열경화성 폴리머가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 제1 및 제2 폴리머층의 폴리머는 열가소성 폴리머이다. 열가소성 폴리머들은 저점도이고 각각의 용융 유리 전이 온도와 분해 온도 사이의 특정 온도 범위에서 쉽게 변형될 수 있으며, 이 상태는 재료의 열분해가 과열로 설정되지 않는 한 냉각 및 재가열에 의해 원하는 만큼 반복적으로 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 이러한 실시예를 수행하기 위해, 연결 영역에서 제1 및 제2 폴리머층은 각각의 용융 유리 전이 온도 초과 및 분해 온도 미만의 온도로 가열된다. 결과적으로, 열가소성 물질은 저점도 상태로 전환된다. 본 발명의 의미에서 "저점도"는 제2 폴리머층으로부터 제1 폴리머층으로 나노 입자의 확산에 의해 구배층을 형성하기에 점도가 충분히 낮다는 것을 의미한다. 나노 입자는 제2 폴리머층으로부터 제1 폴리머층으로 확산되고, 구배층을 포함하는 복합재가 형성된다. 나노 입자 분포의 구배의 안정화 및 복합재의 고화는 각각의 열가소성 폴리머의 용융 유리 전이 온도 아래에서 복합재를 냉각시킴으로써 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 제1 및 제2 폴리머층의 폴리머는 열경화성 폴리머이다. 일반적으로, 완전히 경화된 상태에서 열경화성 폴리머는 더 이상 온도의 작용에 의해 용융될 수 없다. 많은 열경화성 폴리머는 다단계 고화 기능(예를 들어, A-상태, B-상태, C-상태)을 가지고 있다. 이들 열경화성 폴리머를 사용하면, 최종의 비가역 경화 단계(C-상태)까지 온도 및 압력 하에서 적어도 1회의 저점도 재료 상태를 달성할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 특히 적합한 것은, 먼저 최종 경화가 매우 빠르게 수행될 수 있는 스냅 경화(snapcure) 시스템이다. 또한, 수지의 연화 온도가 가교 온도, 즉 경화 반응이 시작되는 온도보다 낮도록 첨가제를 첨가함으로써 개질되는 에폭시 수지가 특히 적합하다. 이들 열경화성 수지 시스템은 용융성이며 따라서 열가소성 폴리머와 유사한 가공 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해, 제1 및 제2 폴리머층의 열경화성 폴리머의 상태는 고온 또는 고온 및 고압의 적용에 의해 유도되고, 유도된 상태는 출발 상태보다 낮은 점도를 갖는다. 나노 입자는 제2 폴리머층으로부터 제1 폴리머층으로 확산되고, 구배층을 포함하는 복합재가 형성된다. 나노 입자 분포의 구배의 안정화 및 복합재의 경화는 추가의 온도 또는 온도 및 압력 증가에 의한 열경화성 폴리머의 최종 강화에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 나노 입자는 그래핀, 그래핀 유도체, 탄소 나노 튜브(CNT), 이들의 유도체, 탄소 나노 섬유(CNF) 또는 이들의 조합과 같은 탄소계이다. CNT 및/또는 그래핀을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 유리하게는, 탄소계 나노 입자에 의한 개질은 개질되지 않은 폴리머 재료에 비해 더 높은 인장 및 굽힘 강도, 증가된 압축 안정성 및/또는 향상된 강성을 나타낸다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 다중 재료 복합재의 제조 전에, 적어도 제2 폴리머층이 금속층과 제1 폴리머층 사이에 배열되는 영역에서 금속층의 표면의 전처리가 수행되고, 이에 의해 금속층에는 예를 들어 미세 구조화 또는 코팅 형태의 하나 이상의 접착력 향상 표면 기능이 제공된다. 이는 금속층과 제2 폴리머층 사이의 접착력을 향상시키기 위한 목적으로 수행된다. 접착력을 향상시키기 위한 옵션은 예를 들어 금속층의 기계적 또는 화학적 전처리, 예를 들어 블라스팅 또는 레이저 스트럭처링에 의해 또는 결합 영역에서 접합제로 금속층을 코팅하는 것에 의해 가능하다. 결합 영역에서 금속층의 국부적 변형은 유리하게는 특히 내구성 있는 다중 재료 복합재를 초래한다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 제2 폴리머층은 금속층 또는 제1 폴리머층에 액체 또는 고체 상태로 적용된다. 제2 폴리머층의 적용은 사전 제작된 재료로서 및 다중 재료 복합재의 접합 영역에서 국부적으로 수행된다. 제2 폴리머층이 적용될 때, 나노 입자는 폴리머 재료에 무작위로 분포된다. 나노 입자 농도의 구배는 압력 및/또는 온도의 파라미터의 영향 하에 방법의 추가 단계들에서 시작된다. 제2 폴리머층의 제조 동안 나노 입자 농도의 구배를 생성하기 위한 정교한 공정 단계들은 본 발명에 따라 필요하지 않다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 제2 폴리머층은 분무 또는 침지 또는 코팅 또는 도장(painting) 또는 삽입(inserting) 또는 이들 방법의 둘 이상의 조합에 의해 적용된다.
삽입은 멤브레인 형태로 제2 폴리머층의 적용을 지칭한다. 나노 입자는 예를 들어 이들 멤브레인의 폴리머 매트릭스에 입자 필러로서 존재한다. 전형적으로, 멤브레인은 100 ㎛ 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 복합재의 형성은 열간 프레싱에 의해 수행된다. 구배층은 또한 유리하게는 열간 프레싱 공정 동안에 형성된다.
본 발명의 목적은 적어도 금속층, 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층 및 금속층과 제1 폴리머층 사이에 적어도 부분적으로 배열된 구배층을 포함하는 다중 재료 복합재에 의해 추가로 해결된다. 구배층은 제1 폴리머층의 폴리머 및 나노 입자를 포함한다. 구배층에서, 나노 입자 농도는 금속층에서 제1 폴리머층으로 공간적으로 점차 감소한다. 따라서, 본 발명에 따른 다중 재료 복합재의 구배층에서, 나노 입자 농도의 구배가 존재하는데, 구배층과 금속층의 계면에서의 나노 입자 농도는 제1 폴리머층의 계면에서의 나노 입자 농도보다 높다. 구배층의 시작인 각각의 제1 폴리머층과 구배층 사이의 계면은 나노 입자가 처음으로 존재하는 영역이다.
유리하게는, 본 발명에 따른 다중 재료 복합재는 금속 재료와 폴리머 재료 사이의 계면에서 균열의 형성 및 전파에 대해 훨씬 덜 민감하고 따라서 특히 내구성이 있다.
본 발명에 따른 다중 재료 복합재의 일 실시예에서, 제1 폴리머층 및 구배층의 폴리머는 열가소성 폴리머이다.
본 발명에 따른 다중 재료 복합재의 다른 실시예에서, 제1 폴리머층 및 구배층의 폴리머는 열경화성 폴리머이다.
본 발명에 따른 다중 재료 복합재의 추가 실시예에서, 구배층에 포함된 나노 입자는 탄소계이다. 바람직하게는, 나노 입자는 그래핀, 그래핀 유도체, 탄소 나노 튜브(CNT), 그의 유도체, 탄소 나노 섬유(CNF) 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 탄소 나노 튜브 및/또는 그래핀을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 유리하게는, 탄소계 나노 입자에 의한 개질은 개질되지 않은 폴리머 재료에 비해 예를 들어 증가된 인장 및 굽힘 강도, 증가된 압축 안정성 및/또는 향상된 강성을 나타낸다.
본 발명에 따른 다중 재료 복합재의 추가 실시예에서, 금속층은 적어도 구배층이 금속층과 제1 폴리머층 사이에 배열되는 영역에 접착력 향상 표면을 갖는다. 표면은 예를 들어 미세 구조화 또는 접착 촉진 코팅을 가질 수 있다. 유리하게는, 결합 영역에서 금속 표면의 접착 강화 개질은 특히 내구성 있는 다중 재료 복합재를 초래한다.
본 발명은 도시되고 설명된 실시예들로 제한되지 않으며, 본 발명의 목적을 위한 동일한 효과를 갖는 모든 실시예를 포함한다. 또한, 본 발명은 구체적으로 설명된 특징 조합들로 제한되지 않으며, 개별 특징들이 상호 배타적이지 않거나 또는 개별 기능의 특정 조합이 명시적으로 제외되지 않는다면 전체로서 개시된 개별 특징들 중 특정한 특징의 임의의 다른 조합에 의해서도 정의될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 도면들에 제한되지 않고 실제 비율이 아닌 개략적인 도면들을 참조하여, 예시적인 실시예들에 의해 설명될 것이다.
도 1은 회전 대칭 다중 재료 복합재를 제조하기 위한 구성요소들의 배열을 X-X 라인을 따라 취한 정면도 및 측면도의 2개의 단면도를 도시하고,
도 2는 도 1의 배열로부터 생성될 수 있는 회전 대칭 다중 재료 복합재의 Y-Y 라인을 따라 취한 정면도 및 측면도의 2개의 단면도를 도시한다.
도 1에는 본 발명에 따른 방법의 출발점으로의 역할을 하는 회전 대칭 다중 재료 복합재를 생성하기 위한 구성요소들의 배열의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 회전 대칭 금속 구성요소(1)과 섬유 강화 플라스틱으로 구성된 회전 대칭 구성요소(2) 사이에서, 층(3)은 두 구성요소(1, 2)의 연결 영역에 배열되고, 층은 구성요소(2)와 동일한 플라스틱을 포함하며, 상기 층(3)의 플라스틱은 나노 입자로 강화된다. 구성요소(1, 2 및 3)은 각각 별도로 제조된다. 층(3)은 멤브레인 형태로 존재할 수 있고 예를 들어 도 1에 도시된 배열에서 구성요소(2)가 구성요소(1) 및 층(3)에 대해 배치되기 전에 금속 구성요소(1)의 표면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 구배층(도시되지 않음)의 형성은 층(3)이 구성요소(1)과 구성요소(2) 사이에 배치되는 배열의 영역에서 열간 프레싱에 의해 일어난다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 재료 복합재(4)의 예시적인 실시예를 도시하며, 상기 복합재는 예를 들어 도 1에 도시된 것과 같은 배열로부터 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있다. 구배층(5)은 금속 구성요소(1)와 섬유 강화 플라스틱으로 만들어진 구성요소(2) 사이에 배열된다. 다중 재료 복합재(4)와 구배층(5)의 형성에서, 구배층의 방사상 크기가 도 1에 도시된 층(3)의 방사상 크기보다 크게 되도록 나노 입자는 구성요소(2)의 플라스틱 내로 확산된다. 구배층에서, 나노 입자의 농도는 방사상 바깥쪽으로, 즉 구성요소(2) 쪽으로 감소한다.
본 발명은 회전 대칭 배열로 제한되지 않으며, 다중 재료 복합재를 결합하기에 적합한 임의의 기하학적 구조에 적용될 수 있다.
1 : 금속으로 만들어진 구성요소
2 : 섬유 강화 플라스틱으로 만들어진 구성요소
3 : 나노 입자 강화된 플라스틱 층
4 : 다중 재료 복합재
5 : 구배층

Claims (13)

  1. 다중 재료 복합재(4) 제조 방법에 있어서,
    복합재는 적어도 하나의 금속층(1), 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층(2), 및 제1 폴리머층의 폴리머와 나노 입자로부터 형성되는 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제2 폴리머층(3)으로 형성되고,
    상기 제2 폴리머층은 고온 또는, 고온 및 고압의 영향하에서 금속층(1)과 제1 폴리머층(2) 사이에 적어도 부분적으로 배열되고,
    나노 입자 농도가 제1 폴리머층(2) 쪽으로 감소하는 구배층(5)이 형성되도록 제2 폴리머층(3)의 나노 입자가 제1 폴리머층(2) 내로 확산되는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 폴리머층(2) 및 제2 폴리머층(3)의 폴리머는 열가소성 폴리머인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 폴리머층(2) 및 제2 폴리머층(3)의 폴리머는 다단계 고화 기능을 갖는 열경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 폴리머층(3)의 나노 입자는 탄소계인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 제2 폴리머층(3)이 금속층(1)과 제1 폴리머층(2) 사이에 배치되는 영역에서, 금속층(1)의 전처리가 수행됨으로써 금속층(1)에 적어도 하나의 접착 향상 표면 기능이 제공되는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제2 폴리머층(3)은 금속층(1) 또는 제1 폴리머층(2)에 액체 또는 고체 상태로 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    제2 폴리머층(3)은 분무 또는 침지 또는 코팅 또는 도장 또는 삽입, 또는 이들 방법 중 둘 이상의 조합에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    복합재의 형성은 열간 프레싱에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재 제조 방법.
  9. 적어도 하나의 금속층(1) 및 적어도 하나의 섬유 강화 또는 비강화 제1 폴리머층(2)을 포함하는 다중 재료 복합재(4)에 있어서,
    제1 폴리머층(2)의 폴리머 및 나노 입자를 포함하는 구배층(5)이 금속층(1)과 제1 폴리머층(2) 사이에 적어도 부분적으로 배열되며, 나노 입자 농도는 상기 구배층에서 금속층(1)으로부터 제1 폴리머층(2)으로 공간적으로 점차 감소하는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재(4).
  10. 제9항에 있어서,
    폴리머는 열가소성 폴리머인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재(4).
  11. 제9항에 있어서,
    폴리머는 열경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재(4).
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노 입자는 탄소계인 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재(4).
  13. 제9항에 있어서,
    금속층(1)은 적어도 구배층(5)이 금속층(1)과 제1 폴리머층(2) 사이에 배열되는 영역에 접착 향상 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 재료 복합재(4).
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