KR102203084B1 - 복합 프리폼 및 이를 포함하는 탄소 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 프리폼 및 이를 포함하는 탄소 복합체에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 탄소섬유 프리폼; 및 상기 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 형성되고, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 복합 프리폼을 제공한다.

Description

복합 프리폼 및 이를 포함하는 탄소 복합체{COMPOSITE PREFORM AND CARBON COMPOSITE MATERIAL CONTAINING THE SAME}
본 발명은 복합 프리폼 및 이를 포함하는 탄소 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유 프리폼과 2차원 나노소재를 사용한 복합 프리폼 및 이를 포함하는 탄소 복합체에 관한 것이다.
항공우주 분야용 초고온 소재는 강도, 탄성 계수, 파괴인성, 내산화성, 내삭마성 등 고도의 물리화학적 특성이 요구되는 소재이다. 이에 따라, 다양한 섬유상과 매트릭스(필러)재 간의 복합화를 이용한 초고온 소재의 개발이 이루어지고 있다.
일례로, 극한 환경에서의 신뢰성을 담보하기 위해, 탄소섬유-카바이드계 매트릭스, 탄소섬유-보라이드계 매트릭스 등과 같이 초고온에서도 물성의 열화가 거의 발생하지 않는 탄소섬유 기반의 복합화가 주를 이루고 있다.
그러나, 알려진 바와 같이, 탄소섬유는 산소에 매우 취약한 물질이며 극히 작은 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 탄소섬유와 다른 초고온 세라믹스와의 복합화 시 열팽창률 차이로 인해 초고온 환경에서 열적 크랙(thermal crack)이 형성되고, 이러한 크랙을 통해 산소가 유입되며 내산화성이 크게 감소하는 단점이 있다.
이러한 취약점을 보완하기 위하여, 탄소섬유 기반 복합체에 나노 구조의 SiC를 매트릭스로 함유시키거나, 복합체의 표면에 하프늄 카바이드층을 형성시키는 등 매트릭스나 표면 코팅층의 구조 또는 물질을 특화시킴으로써, 강도 및 내산화성을 향상시키고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 매트릭스나 표면 코팅층의 개선에도 불구하고 복합체의 기본 골격을 제공하는 탄소섬유 프리폼 자체의 열팽창률이 너무 작기 때문에, 여전히 극한 환경에 상업적으로 적용하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 탄소섬유 프리폼 자체의 내산화성 및 내열성이 향상된 복합 프리폼 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 내산화성 및 내열성이 향상된 복합 프리폼과 매트릭스간 우수한 결착력을 가짐으로써, 내산화성 및 내열성과 함께 기계적 물성이 향상된 탄소 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 탄소섬유 프리폼; 및 상기 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 형성되고, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 복합 프리폼을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Mn+ 1Xn
상기 화학식 1에서, M은 앞 전이금속(early transition metal)이고, X는 C, N 또는 CN이고, n은 1 내지 3의 정수이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 앞 전이금속은, Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, Ti2C, (Ti0 . 5,Nb0 . 5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2 및 Mo2Ti2C3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 2차원 나노소재;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재는 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 복합 프리폼을 포함하고, 상기 복합 프리폼의 기공이, 탄소 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 매트릭스로 채워진 것인, 탄소 복합체를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세라믹은, Si, Zr, Ta 및 Hf으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액으로 코팅하여 복합 프리폼을 제조하는 단계; 및 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계;를 포함하고, 상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 탄소 복합체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 1방향(UD), 2방향(2D) 또는 3방향(3D) 이상의 탄소섬유 프리폼일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 직포(Woven Fabric), 부직포(Nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric) 또는 일방향 배열포(Unidirectional fabric) 형태의 섬유층일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 로드(rod)형, 위브(weave)형 또는 직물형일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지 하거나, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 분사하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계는, 화학 기상 침착법(CVI: Chemical Vapour Infiltration) 또는 고분자 담지 열분해법(PIP: polymer infiltration and pyrolysis)을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 고분자 담지 열분해법은, 피치(pitch), 폴리카보실란, 폴리실록산, 실라잔, 보로실란 및 실리카졸로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계; 이후에, 1,400℃ 내지 2,500℃의 온도에서 열처리하여 흑연화하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 복합 프리폼은, 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 2차원 나노소재가 탄소 프리폼에 포함하게 되어, 탄소섬유 프리폼이 보호되어 현저히 향상된 내산화성 및 내열성을 가지며, 우수한 열전도율, 파괴인성 및 강성을 나타내는 효과가 있다.
특히, 본 발명에서는 탄소 프리폼에 코팅층이 형성될 수 있으며, 코팅층의 두께가 수 나노미터에서 경우에 따라서는 수십 마이크로미터로 극히 얇아, 중량대비 내산화성 및 내열성이 우수한 효과가 있으며, 간단한 공정으로 제조될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소 복합체는, 복합 프리폼과 복합 프리폼의 기공 내 채워진 매트릭스 간의 우수한 결착력을 가져, 내산화성 및 내열성과 함께 기계적 물성이 향상된 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소 복합체의 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 복합 프리폼, 이를 포함하는 탄소 복합체 및 이의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면은, 탄소섬유 프리폼; 및 상기 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 형성되고, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 복합 프리폼을 제공한다.
본 발명에 따른 복합 프리폼은, 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 유연성을 갖는 2차원 나소소재를 포함하는 코팅층을 형성할 수 있어, 탄소섬유 프리폼을 보호하여 내산화성 및 내열성을 향상시킬 수 있다. 또한, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층은 두께가 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로로 극히 얇게 형성될 수 있어, 무게가 가볍고 중량대비 내산화성 및 내열성 기능이 현저히 향상될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층의 두께는 5 nm 내지 50 ㎛ 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 탄소섬유가 일정 형태로 형상화된 것을 의미할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 1방향(UD), 2방향(2D) 또는 3방향(3D) 이상의 탄소섬유 프리폼일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 직포(Woven Fabric), 부직포(Nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric) 또는 일방향 배열포(Unidirectional fabric) 형태의 섬유층일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 로드(rod)형, 위브(weave)형 또는 직물형일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유는 PAN(polyacrylonitrile)계, 피치계, 레이온(rayon)계 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 PAN계를 사용할 수 있다. 일례로, PAN계의 탄소섬유는 상대적으로 저렴하면서 고강도 및 고탄성의 성질을 가지고 있어 항공우주 분야 소재로 사용되기에 적합한 특징이 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, 2차원의 층상 구조를 갖는 나노크기의 물질을 의미할 수 있고, 2차원 구조를 갖는 나노입자, 나노결정, 나노복합체 또는 나노구조물을 모두 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 프리폼에 있어서, 상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Mn+ 1Xn
상기 화학식 1에서, M은 앞 전이금속(early transition metal)이고, X는 C, N 또는 CN이고, n은 1 내지 3의 정수이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 앞 전이금속은, Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, Ti2C, (Ti0 . 5,Nb0 . 5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2 및 Mo2Ti2C3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 2차원 나노소재는, 가볍고 낮은 밀도로 인해 유연성을 가져 코팅층 형성에 용이하며, 코팅층의 두께를 수 나노미터에서 경우에 따라서는 수십 마이크로미터로 극히 얇게 형성시킬 수 있어, 무게가 가벼우면서도 내산화성 및 내열성이 향상된 복합 프리폼을 제조할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 2차원 나노소재;를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 2차원 나노소재는, 2차원의 층상 구조를 갖는 나노크기의 물질을 의미할 수 있고, 2차원 구조를 갖는 나노입자, 나노결정, 나노복합체 또는 나노구조물을 모두 포함할 수 있다.
상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 복합 프리폼은, 2차원 나노소재와 혼합하거나, 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지시켜 1차적인 코팅막일 형성된 것을 사용할 수 있다. 이 때, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층이 조밀하게 형성되어 기계적 강도가 향상될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼은 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재는 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
만일, 상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재가 0.01 중량부 미만으로 포함될 경우, 코팅층이 충분히 형성되지 않아 내산화성 및 내열성 향상효과가 저하될 수 있고, 10 중량부를 초과하여 포함될 경우, 코팅층이 두꺼워져 중량대비 내산화성 및 내열성 향상효과가 저하되거나, 밀도화 진행이 어려워 탄소 복합체 제조 시 기계적 물성의 향상효과가 저하될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼은, 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액으로 코팅하여 제조될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지 하거나, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 분사하여 수행되는 것일 수 있다.
일례로, 탄소 섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지하여 코팅할 경우, 2차원 나노소재의 함량 및 용액의 pH를 조절하여 복합 프리폼의 물성을 조절할 수 있다.
또한, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 스프레이 등으로 분사하여 코팅할 수 있고, 이 경우 역시 2차원 나노소재의 함량 용액의 pH를 조절하여 복합 프리폼의 물성을 조절할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 붓는 방식으로 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼은 코팅 단계 이후, 건조하는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 프리폼은, 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층으로 인해 프리폼의 형태가 유지될 수 있어, 제조 시 프리폼의 형태를 유지하기 위한 고정화 공정이나 치구가 요구되지 않아, 생산 비용이 절감되며 생산성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 복합 프리폼을 포함하고, 상기 복합 프리폼의 기공이, 탄소 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 매트릭스(필러)로 채워진 것인, 탄소 복합체를 제공한다.
본 발명에 따른 탄소 복합체는, 내산화성 및 내열성이 향상된 복합 프리폼을 포함하고, 복합 프리폼에 형성된 미세 기공의 내부를 탄소, 세라믹 또는 이들의 혼합물을 포함하는 매트릭스(필러)로 채움으로써, 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세라믹은, Si, Zr, Ta 및 Hf으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드를 포함하는 것일 수 있다.
일례로, 상기 세라믹은, 실리콘 카바이드(SiC), 지르코늄 카바이드(ZrC), 탄탈륨 카바이드(TaC), 하프늄 카바이드(HfC) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액으로 코팅하여 복합 프리폼을 제조하는 단계; 및 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계;를 포함하고,
상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 탄소 복합체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Mn+ 1Xn
상기 화학식 1에서, M은 앞 전이금속(early transition metal)이고, X는 C, N 또는 CN이고, n은 1 내지 3의 정수이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 앞 전이금속은, Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차원 나노소재는, Ti2C, (Ti0 . 5,Nb0 . 5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2 및 Mo2Ti2C3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 1방향(UD), 2방향(2D) 또는 3방향(3D) 이상의 탄소섬유 프리폼일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 직포(Woven Fabric), 부직포(Nonwoven fabric), 편직포(knitted fabric) 또는 일방향 배열포(Unidirectional fabric) 형태의 섬유층일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼은, 로드(rod)형, 위브(weave)형 또는 직물형일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유는 PAN(polyacrylonitrile)계, 피치계, 레이온(rayon)계 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 PAN계를 사용할 수 있다.
상기 복합 프리폼을 제조하는 단계에 있어서, 상기 코팅은 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액과 접촉시키는 모든 방식으로 수행될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재는 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
만일, 상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재가 0.01 중량부 미만으로 포함될 경우, 코팅층이 충분히 형성되지 않아 내산화성 및 내열성 향상효과가 저하될 수 있고, 10 중량부를 초과하여 포함될 경우, 코팅층이 두꺼워져 중량대비 내산화성 및 내열성 향상효과가 저하되거나, 밀도화 진행이 어려워 탄소 복합체 제조 시 기계적 물성의 향상효과가 저하될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지 하거나, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 분사하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 붓는 방식으로 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계는, 화학 기상 침착법(CVI: Chemical Vapour Infiltration) 또는 고분자 담지 열분해법(PIP: polymer infiltration and pyrolysis)을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.
일례로, 상기 화학기상 침착법을 사용할 경우, 제조된 복합 프리폼에 탄소 또는 세라믹 성분이 포함된 가스를 증착시켜, 복합 프리폼의 기공이 탄소, 세라믹 또는 이들이 혼합되어 포함된 매트릭스(필러)로 충진될 수 있다.
또한, 상기 고분자 담지 열분해법을 사용할 경우, 제조된 복합 프리폼에 세라믹 전구체와 같은 물질이 포함된 슬러리를 함침시켜 열분해하는 공정을 통해 밀도화가 이루어지며, 침투 및 열분해 공정은 반복되어 수행될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 고분자 담지 열분해법은, 피치(pitch), 폴리카보실란, 폴리실록산, 실라잔, 보로실란 및 실리카졸로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하여 수행되는 것일 수 있다.
일례로, 피치(pitch)를 사용할 경우 복합 프리폼의 기공 내 탄소를 포함하는 매트릭스가 충진되고, 폴리카보실란을 사용할 경우 실리카 카바이드를 포함하는 매트릭스가 충진되며, 이들을 혼합하여 사용할 경우 기공내 탄소, 실리카 카바이드가 혼합된 매트릭스가 충진되어 복합 프리폼의 밀도화가 이루어진다.
일 실시형태에 따르면, 상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계; 이후에, 1,400℃ 내지 2,500℃의 온도에서 열처리하여 흑연화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 흑연화하는 단계는, 불활성 가스(질소, 아르곤) 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 흑연화 단계는, 탄소 복합체의 강도와 탄성률을 향상시켜 고강도, 고탄성률의 탄소 복합체를 형성시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
(1) 복합 프리폼의 제조
로드형의 탄소섬유 프리폼을 Ti2C 나노입자가 분산된 용액에 담지하여 코팅하고, 이를 건조하여 복합 프리폼을 제조하였다.
(2) 탄소 복합체의 제조
상기 제조된 복합 프리폼을 폴리카보실란을 사용하여 고분자 담지 열분해법으로 밀도화하여, 기공 내 실란카바이드 매트릭스가 충진된 탄소 복합체를 제조하였다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소 복합체의 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 프리폼은, 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액으로 코팅하는 단계만으로 간단히 제조될 수 있으며, 이를 밀도화하여 탄소 복합체를 제조할 수 있다.
이를 통해 제조된 복합 프리폼은 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층으로 인하여 내산화성 및 내열성이 향상되고, 이를 밀도화하여 제조된 탄소 복합체는 내산화성 및 내열성과 함께 기계적 물성이 향상되는 효과가 있다.
특히, 본 발명에 따른 복합 프리폼은, 2차원 나노소재를 활용하여 얇은 코팅층을 형성함으로써, 무게가 가벼우면서 중량 대비 우수한 내산화성 및 내열성을 가질 수 있는 특징이 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 복합 프리폼을 포함하고,
    상기 복합 프리폼의 기공이, 탄소 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 매트릭스로 채워진 탄소 복합체로서,
    상기 복합 프리폼은, 탄소섬유 프리폼; 및 상기 탄소섬유 프리폼의 표면, 내부 또는 이 둘 모두에 형성되는 2차원 나노소재를 포함하는 코팅층;을 포함하고,
    상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고,
    상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재는 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것이고,
    상기 세라믹은, Si, Zr, Ta 및 Hf으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드를 포함하는 것인,
    탄소 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 나노소재는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인,
    탄소 복합체:
    [화학식 1]
    Mn+1Xn
    (상기 화학식 1에서,
    M은 앞 전이금속(early transition metal)이고,
    X는 C, N 또는 CN이고,
    n은 1 내지 3의 정수이다.)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 앞 전이금속은, Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
    탄소 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 나노소재는,
    Ti2C, (Ti0.5,Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2 및 Mo2Ti2C3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
    탄소 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복합 프리폼은, 2차원 나노소재;를 더 포함하는 것인,
    탄소 복합체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 탄소섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액으로 코팅하여 복합 프리폼을 제조하는 단계; 및
    상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계;를 포함하고,
    상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계; 이후에, 1,400 ℃ 내지 2,500 ℃의 온도에서 열처리하여 흑연화하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 2차원 나노소재는, 그래핀, 전이금속 카바이드, 전이금속 나이트라이드 및 전이금속 카보나이트라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이고,
    상기 탄소섬유 프리폼 100 중량부에 대하여, 상기 2차원 나노소재는 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것이고,
    상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계를 통해 상기 복합 프리폼의 기공이, 탄소 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 매트릭스로 채워지는 것이고,
    상기 세라믹은, Si, Zr, Ta 및 Hf으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드를 포함하는 것인,
    탄소 복합체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소섬유 프리폼은, 1방향(UD), 2방향(2D) 또는 3방향(3D) 이상의 탄소섬유 프리폼인 것인,
    탄소 복합체의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 코팅은, 탄소 섬유 프리폼을 2차원 나노소재가 분산된 용액에 담지 하거나, 탄소 섬유 프리폼에 2차원 나노소재가 분산된 용액을 분사하여 수행되는 것인,
    탄소 복합체의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복합 프리폼을 밀도화하는 단계는,
    화학 기상 침착법(CVI: Chemical Vapour Infiltration) 또는 고분자 담지 열분해법(PIP: polymer infiltration and pyrolysis)을 사용하여 수행되는 것인,
    탄소 복합체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 담지 열분해법은, 피치(pitch), 폴리카보실란, 폴리실록산, 실라잔, 보로실란 및 실리카졸로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하여 수행되는 것인,
    탄소 복합체의 제조 방법.
  14. 삭제
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