KR102324737B1 - 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 - Google Patents

탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 Download PDF

Info

Publication number
KR102324737B1
KR102324737B1 KR1020200039266A KR20200039266A KR102324737B1 KR 102324737 B1 KR102324737 B1 KR 102324737B1 KR 1020200039266 A KR1020200039266 A KR 1020200039266A KR 20200039266 A KR20200039266 A KR 20200039266A KR 102324737 B1 KR102324737 B1 KR 102324737B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon fiber
powder
aluminum
metal
composite
Prior art date
Application number
KR1020200039266A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210122413A (ko
Inventor
박영수
허몽영
한웅
강승범
박규순
Original Assignee
재단법인 한국탄소산업진흥원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 한국탄소산업진흥원 filed Critical 재단법인 한국탄소산업진흥원
Priority to KR1020200039266A priority Critical patent/KR102324737B1/ko
Publication of KR20210122413A publication Critical patent/KR20210122413A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102324737B1 publication Critical patent/KR102324737B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/14—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by powder metallurgy, i.e. by processing mixtures of metal powder and fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C17/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
    • C03C17/22—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with other inorganic material
    • C03C17/23—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재에 관한 것이다.
본 발명은 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하고, 상기 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시킨 후 복합재용 금속 분말을 혼합하는 탄소섬유 강화 금속 복합재를 제조하는 것으로, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응으로 발생되는 고온의 국부 열을 이용하여 종래 탄소섬유와 금속간 복합화에 적용되는 용탕화 온도를 낮춰 제조 가능하고 탄소섬유에 대한 금속의 낮은 젖음성(wet-ability)을 향상시켜 두 소재사이의 계면결합력이 우수한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 제공할 수 있다.

Description

탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재{MANUFACTURING METHOD CARBON FIBER REINFORCED METAL COMPOSITES AND CARBON FIBER REINFORCED ALUMINUM COMPOSITES MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하고, 상기 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시킨 후 복합재용 금속 분말을 혼합하여 제조하되, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응으로 발생되는 고온의 국부 열을 이용하여 종래 탄소섬유와 금속간 복합화에 적용되는 용탕화 온도를 낮춰 제조하고 탄소섬유에 대한 금속의 낮은 젖음성(wet-ability)을 향상시켜 두 소재사이의 계면결합력이 향상되는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재에 관한 것이다.
기계적 강도의 강화 또는 열전도율의 향상 등을 목적으로, 탄소섬유와 매트릭스 금속을 복합화하여 수득되는 여러 가지 탄소-금속 복합재료가 제안되고 있다.
종래 탄소섬유와 매트릭스 금속의 복합화는 탄소섬유로 형성되는 다공성 프리폼에 용융된 금속을 함침시키는 방법(용융 함침법)이 일반적이나, 상기 방법의 경우에는 용융 금속의 온도가 높은 경우, 용융 금속이 탄소섬유와 젖음성이 나빠서 탄소섬유가 쉽게 응집되고, 교반 과정 중에 다량의 기공과 불순물이 유입될 수 있고, 알루미늄과 탄소섬유 계면에서는 바람직하지 못한 생성물이 발생하게 되는 문제점이 있다. 예를 들어, 용융 알루미늄이 탄소섬유와 반응하는 경우, 조해성(潮解性)의 탄화 알루미늄 Al4C3이 생성된다.
대표적인 탄소-금속 복합재료로서 금속 매트릭스로서 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유를 강화재로 균일하게 분산시킨 복합재료인 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 경량이면서 강도와 강성이 높고, 전기전도도와 열전도도가 우수하며, 열팽창계수가 낮고, 내마모성과 고온특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 가지는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 자동차, 항공기 등과 같은 수송기기용 구조재, 기계산업 소재, 토목건축분야 소재, 에너지분야 소재, 레져와 스포츠용 소재, 전기전자재료 등 광범위한 산업 분야에서 관심이 대두되고 있다.
상기의 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 열적, 전기적 및 기계적 특성은 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유 강화재의 균일분산기술, 알루미늄과 탄소섬유 계면의 결합강도 향상기술 및 복합재 내부결함의 억제기술 등에 의해 좌우될 수 있다. 또한, 첨가되는 탄소섬유의 종류, 크기, 형상, 부피분율 및 제조공정 등에 의해 특성이 좌우될 수 있다.
탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조공정 기술은 크게, 기지재인 알루미늄을 고체 상태에서 제조하는 고상 제조공정과 액체 상태에서 제조하는 액상 제조공정으로 분류할 수 있다.
상기 고상 제조공정은 알루미늄 기지금속을 용융하지 않고 고상 상태에서 제조하는 방법으로, 대표적으로 분말야금공정, 확산접합공정, 분무성형공정 등이 포함될 수 있다. 고상 제조공정은 액상 제조공정에 대비하여 복합재의 기계적 특성이 우수하다는 장점은 있지만, 제조가격이 비싸고 대량생산이 어렵다는 단점이 있다.
상기 액상 제조공정은 용융 알루미늄을 원료로 사용하는 방법으로, 대표적으로 교반주조법 (Stir casting), 혼합주조법 (Compocasting), 가압주조법 (Squeeze casting), 함침법 (Infiltration) 등이 포함될 수 있다. 상기한 액상 제조공정 중에서도 교반주조법(Stir casting)은 공정 자체가 매우 단순하고, 실형상 성형이 가능하여 대량생산에 적합하다고 평가받고 있다.
그러나, 액상 제조공정 특성상 알루미늄과 탄소섬유의 밀도차가 크고, 용융 알루미늄에 의한 탄소의 젖음성이 나빠서 탄소섬유가 쉽게 응집되고, 교반 과정 중에 다량의 기공과 불순물이 유입될 수 있고, 알루미늄과 탄소섬유 계면에서는 취약한 Al4C3 상이 쉽게 형성된다는 단점이 지적되어 왔다.
이에 특허문헌 1은 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 상용화를 위한 대량 생산 방법에 대한 방법으로서, 교반주조법 (Stir casting)을 적용하되, 액상 알루미늄에 전류를 공급하면서 탄소섬유를 투입함으로써 알루미늄에 대한 탄소의 접촉각을 감소시켜 용융 알루미늄 내부에서 탄소의 젖음성이 향상되어 탄소섬유의 자발적 분산이 가능하므로 알루미늄 기지 금속 내부에 탄소섬유가 균일하게 분포된 복합재를 수득할 수 있고, 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물(Al4C3) 상이 형성되지 않으므로 복합재의 기계적 물성을 향상시키는 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 제조방법을 개시하고 있다.
따라서, 액상 제조공정에 의해 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 제조하는 방법으로서 액상 알루미늄에 대한 탄소섬유의 젖음성을 향상시키면서 알루미늄과 탄소섬유의 계면에서 알루미늄 탄화물(Al4C3) 상의 형성을 억제하기 위해서 다양한 연구가 진행되어 왔다.
특허문헌 2는 탄소섬유로 구성되는 예비 성형체에 용탕 단조에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금 용탕을 함침시켜 탄소섬유 강화 알루미늄기 복합 재료를 제조할 때, 알루미나 전구체가 피복된 탄소섬유 개섬사로 구성되는 예비 성형체를 이용함으로써 예비 성형체의 예열 온도를 종래의 3000℃ 전후에서 600∼1200℃까지 낮게 할 수 있고 탄소섬유의 취화가 방지되고 매트릭스 금속의 함침성이 향상되고 높은 기계적 강도를 가지며, 물리적 특성, 절삭 가공성 등도 우수한 탄소섬유 강화 알루미늄기 복합 재료의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나 계면 결합력을 높이기 위하여 여전히 1000℃ 수준의 높은 온도에서 복합재를 제조하고 있으나 공정온도가 높아 작업 위험성이 높다.
따라서 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 상용화를 위해서는 대량생산에 적합한 경제적인 제조공정 개발과 복합재 특성의 규격화 및 신뢰성 확보가 시급한 실정이다.
이에, 본 발명자들은 종래 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하고, 상기 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시킨 후 복합재용 금속 분말을 혼합하여 제조하되, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응으로 발생되는 고온의 국부 열을 이용하여 종래 탄소섬유와 금속간 복합화에 적용되는 용탕화 온도를 낮춰 제조하고 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 우수한 물성을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
대한민국특허 제1740883호 (2017.05.30 공고) 일본공개특허 제2005-29813호 (2005.02.03 공개)
본 발명의 목적은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하는 제1단계,
상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시키는 제2단계,
상기 제2단계에서 부착된 탄소섬유와 복합재용 금속 분말을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제3단계 및
상기 제3단계의 혼합물이 700 내지 850℃ 온도조건에서 반응 및 용탕화되어 금속 매트릭스에 강화된 탄소섬유가 함침되는 제4단계로 이루어진 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법은 상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 실리콘 오일 코팅단계를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제3단계에서 복합재용 금속 분말은 알루미늄 또는 마그네슘에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이다. 이때, 상기 제3단계에서 탄소섬유와 복합재용 금속 분말이 1: 2 내지 1: 50 체적 비율로 혼합된 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제4단계는 제3단계의 혼합물이 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응(Thermite reaction)에 의해 발생된 열이 포함되어 용탕화된 것이고, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말이 1: 2 몰비율로 반응하는 것이다.
상기 테르밋 반응에 의해 상기 실리콘산화물(SiO2)이 환원되어 탄소섬유-Si가 형성되고, 용탕화에 의해 금속 매트릭스에 상기 탄소섬유-Si가 분산된 복합재를 제공할 수 있다.
이에, 본 발명은 상기의 제조방법으로부터 알루미늄 매트릭스에 탄소섬유가 분산되어 있고, 상기 탄소섬유 표면에 Si가 분산 부착된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 제공한다.
본 발명의 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법에 따르면, 종래 탄소섬유와 금속간 복합화를 위해 1000℃ 이상의 높은 작업온도를 낮추면서 물성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명의 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법은 테르밋 반응으로 인한 발생되는 고온의 국부열을 이용하여 종래 탄소섬유와 금속간 복합화에 적용되는 용탕화 온도를 낮춰 수행함에 따라, 탄소섬유와 금속간의 젖음성을 확보하여 복합재의 물성 향상을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법으로부터 두 소재사이의 계면결합력이 향상된 탄소섬유 강화 금속 복합재를 제공할 수 있다.
도 1은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법에 대한 단계별 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법을 제공한다.
도 1은 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법에 대한 단계별 모식도를 나타낸 것으로서 도면을 참고하여 구체적으로 설명하면, 본 발명은
탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하는 제1단계,
상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시키는 제2단계,
상기 제2단계에서 부착된 탄소섬유와 복합재용 금속 분말을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제3단계 및
상기 제3단계의 혼합물이 700 내지 850℃ 온도조건에서 반응 및 용탕화되어 금속 매트릭스에 강화된 탄소섬유가 함침되는 제4단계로 이루어진 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법은 종래 탄소섬유와 금속간의 복합화 작업온도가 660 내지 860℃의 경우는 젖음성(wet-ability)이 전혀 관찰되지 않고, 860℃ 이상의 온도에서는 접촉각이 110도 올라가고 카바이드(일례로, Al4C3)가 발견되며, 1000℃ 이상의 온도에서 95 내지 65로 빠르게 접촉각이 감소하면서 계면에는 두꺼운 카바이드가 생성되게 된다.
이에, 본 발명은 탄소섬유와 금속간의 낮은 젖음성(wet-ability)을 향상시키기 위하여 안출된 것으로, 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응(Thermite reaction 또는 Mgnesiothermic reduction 반응)으로 발생되는 고온의 국부 열을 이용하여 종래 복합화에 적용되는 용탕화 온도 1000℃ 이상의 작업온도를 낮출 수 있다.
이에, 본 발명의 제조방법은 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응에 의해 일시적으로 발생되는 고온 열을 이용함으로써, 복합화 작업온도를 850℃ 이하로 수행하면서도 탄소섬유와 금속간의 젖음성 향상을 달성할 수 있다.
이에, 본 발명의 제조방법을 단계별로 설명하면, 제1단계는 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하는 단계이다.
실리콘산화물을 코팅전에 탄소섬유를 산처리로 표면처리 단계를 선행할 수 있다. 제1단계에서 코팅하는 수단으로, 본 발명의 실시예에서는 APTES (aminopropyl triethoxysilane) 및 TEOS(Tetraethoxysilane)를 이용한 졸-겔법을 이용하여 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하나 이에 한정되지는 않고 종래 공지방법에서 제한없이 채용될 수 있을 것이다.
또한, 제1단계에서 사용되는 탄소섬유는 피치계 탄소섬유, 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유, 카본 나노 화이버(carbon nano fiber), 멀티 월 카본 나노튜브(MWCNT, multi walled carbon nano tube), 싱글 월 카본 나노튜브(SWCNT, single walled carbon nano tube), 상기 나노튜브류를 트위스팅(twisting)시킨 카본 나노 얀(carbon nano yarn), 또는 카본 나노 시트(carbon nano sheet)를 이용할 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유는 500um 내지 100mm의 길이를 가지는 피치계 탄소섬유, 500㎛ 내지 100mm의 길이를 가지는 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유, 500nm 내지 2mm의 길이를 가지는 카본 나노 화이버, 500nm 내지 500㎛의 길이를 가지는 멀티 월 카본 나노튜브, 500nm 내지 500㎛의 길이를 가지는 싱글 월 카본 나노튜브, 또는 상기 나노튜브류를 트위스팅시킨 100㎛ 내지 100mm의 길이를 가지는 카본 나노 얀을 사용할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 제1단계 이후 실리콘산화물(SiO2)이 코팅된 탄소섬유를 실리콘 오일 코팅단계를 더 수행할 수 있다.
상기 실리콘 오일 코팅단계는 실리콘산화물(SiO2)이 코팅된 탄소섬유 표면과 동일계 성분으로 코팅하도록 하여, 다음 단계에서 혼합되는 마그네슘(Mg) 분말과의 부착을 돕는 바인더 역할을 수행한다. 특히 마그네슘(Mg) 분말이 물에 닿으면 폭발성이 있으나, 실리콘산화물(SiO2)이 코팅된 탄소섬유 표면을 실리콘 오일로 코팅함으로써, 반응 안정성을 확보할 수 있다.
이후 본 발명의 제2단계는 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시킨다.
이때, 마그네슘(Mg) 금속분말은 산포하여 탄소섬유와 혼합함으로써, 탄소섬유 표면에 부분적으로 부착되도록 한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제3단계는 상기 제2단계에서 마그네슘(Mg) 분말이 부착된 탄소섬유와 복합재용 금속 분말을 혼합하여 혼합물을 수득하는 단계이다. 이때, 상기 복합재용 금속 분말은 알루미늄 또는 마그네슘에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이며, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 일례로 알루미늄을 사용하여 설명한다.
이때, 상기 탄소섬유와 복합재용 금속 분말의 1: 2 내지 50 체적 비율로 혼합된 것이 바람직하며, 상기 복합재용 금속 분말이 2 체적비 미만으로 혼합되면, 탄소섬유 대비 매트릭스 양이 너무 적어 복합재 내 기공이 많이 생겨 바람직하지 않고, 50 체적비를 초과하면, 보강을 위한 탄소섬유 양이 너무 적어 복합재의 강화효과가 낮은 문제가 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 제4단계는 제3단계의 혼합물이 700 내지 850℃ 온도조건에서 반응 및 용탕화되어 금속 매트릭스에 강화된 탄소섬유가 함침되는 것이다.
상기에서 반응은 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응(Thermite reaction), 더욱 정확하게는 Mgnesiothermic reduction 반응에 의해 고온의 국부 열이 발생되고, 상기 국부 열을 용탕화 단계에 이용함으로써, 전체적인 작업온도를 700 내지 850℃ 범위에서 수행하여, 탄소섬유 강화 금속 복합재를 제조할 수 있다.
일반적으로 테르밋 반응은 금속산화물과 금속 분말을 점화하거나 가열하면 금속 분말과 금속산화물과의 화학결합으로 인해 많은 양의 열을 방출한다. 이때, 금속산화물은 보론(Ⅲ) 산화물, 실리콘(Ⅳ) 산화물, 크롬(Ⅲ) 산화물, 마그네슘(Ⅳ) 산화물, 철(Ⅱ, Ⅲ) 산화물, 구리(Ⅱ) 산화물 및 납(Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ) 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 사용될 수 있다.
또한, 상기 금속 분말은 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 아연, 실리콘 및 보론으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 금속산화물로서 실리콘산화물(SiO2)과 금속 분말로서 마그네슘 분말을 선택한 테르밋 반응에 의해, 상기 실리콘산화물(SiO2)이 환원(Si)되고, 마그 네슘이 산화(MgO)된다. 이때, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말은 1: 2 몰비율로 반응한다.
따라서, 탄소섬유 표면에 부분적으로 부착된 실리콘산화물(SiO2)과 마그네슘 분말의 반응에 의해 표면에는 탄소섬유-Si가 형성된다.
나아가, 본 발명은 상기 제조방법으로부터 알루미늄 매트릭스에 탄소섬유가 분산되어 있고, 상기 탄소섬유 표면에 Si가 분산 부착된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재를 제공한다.
본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 탄소섬유 없이 제조된 경우 또는 테르밋 반응없이 종래방법으로 복합재를 제조된 경우보다 인장강도 값이 현저히 높은 결과를 확인함으로써[표 1], 탄소섬유에 대한 알루미늄의 젖음성(wet-ability) 향상으로 인하여 두 소재사이의 계면결합력이 향상되어 복합재 물성 역시 향상되는 결과를 뒷받침한다.
따라서 본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 고강도 및 경량의 탄소섬유를 알루미늄과 복합화함으로써, 알루미늄의 낮은 인장강도 및 굴곡강도의 물리적 특성이 향상시킨 복합재료로 제공된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
6mm인 탄소섬유 50g을 먼저 500℃에서 30분간 산화처리를 통하여 사이징제를 제거한 후, 6M의 질산 수용액에 이용하여 표면산화를 12시간동안 추가적으로 진행하였다. 이후, 상기 탄소섬유를 에탄올 500㎖와 APTES(aminopropyl triethoxysilane) 10㎖의 혼합용액에 넣고 12시간 동안 반응시킨 후, TEOS(Tetraethoxysilane) 20㎖와 500㎖에 담근 후, 암모니아수 5㎖를 천천히 추가한 후 24시간 반응시켰다. 그 후 탄소섬유를 에탄올 및 물을 이용하여 세척한 후 100℃에서 건조하여 실리콘산화물이 코팅된 탄소섬유를 얻었다.
상기 실리콘산화물이 코팅된 탄소섬유를 헥산으로 30배 희석한 실리콘오일에 넣었다 꺼낸 후, 50㎛의 마그네슘 분말을 뿌려 탄소섬유에 혼합한 후 후드에서 건조하여 탄소섬유 표면 일부에 마그네슘 분말을 부착시켰다.
상기 마그네슘 분말이 부착된 탄소섬유 10g과 알루미늄 분말 100g을 아르곤 분위기에서 서서히 분말상으로 혼합하였다. 이후, 상기 혼합물 110g을 전기금속 용해로에 넣고 아르곤 분위기에서 승온속도 10℃/분으로 750℃까지 가열하여 용해되도록 용탕화하여 매트릭스에 강화된 탄소섬유를 함침되도록 하였다. 이후 500℃로 가열된 인장시편 틀에 부은 후, 서서히 식혀 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 시험편을 제조하였다. 인장시험은 시험편을 가공 후 실시하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서 제조된, 마그네슘 분말이 부착된 탄소섬유 20g과 알루미늄 분말 100g을 아르곤 분위기에서 서서히 분말 혼합한 후, 상기 혼합물 120g을 전기금속 용해로에 넣고 아르곤 분위기에서 승온속도 10℃/분으로 750℃까지 가열하여 용해되도록 용탕화하여 매트릭스에 강화된 탄소섬유를 함침되도록 하였다. 이후, 500℃로 가열된 인장시편 틀에 부은 후, 서서히 식혀 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 시험편을 제조하였다.
<비교예 1>
탄소섬유를 넣지 않은 순수한 알루미늄 분말 120g을 전기금속 용해로에 넣고 아르곤 분위기에서 승온속도 10℃/분으로 750℃까지 가열하여 용해시키고, 이후 500℃로 가열된 인장시편 틀에 부은 후, 서서히 식혀 시험편을 제조하였다.
<비교예 2>
탄소섬유 10g과 알루미늄 분말 100g을 아르곤 분위기에서 서서히 분말 혼합한 후, 상기 혼합물 110g을 전기금속 용해로에 넣고 아르곤 분위기에서 승온속도 10℃/분으로 750℃까지 가열하여 용해시키고, 이후 500℃로 가열된 인장시편 틀에 부은 후, 서서히 식혀 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 시험편을 제조하였다.
<비교예 3>
탄소섬유 20g과 알루미늄 분말 100g을 아르곤 분위기에서 서서히 분말 혼합한 후, 상기 혼합물 120g을 전기금속 용해로에 넣고 아르곤 분위기에서 승온속도 10℃/분으로 750℃까지 가열하여 용해시키고, 이후 500℃로 가열된 인장시편 틀에 부은 후, 서서히 식혀 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 시험편을 제조하였다.
<실험예 1> 물성평가
상기 실시예 1∼2 및 비교예 1∼3에서 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 시험편의 인장강도에 대한 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
Figure 112020033696160-pat00001
상기 표 1의 결과로부터, 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응을 이용하고 750℃ 용탕화 온도에서 제조된 실시예 1 및 2의 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 탄소섬유를 포함하지 않는 비교예 1의 인장강도를 기준으로, 54 내지 86% 증가된 인장강도 값을 보였다.
반면에, 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응없이 수행하여 제조된 비교예 1 및 2의 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재는 탄소섬유를 포함하지 않는 비교예 1의 인장강도보다 52 내지 80% 감소된 인장강도 값을 보였다. 즉, 비교예 1 및 2의 경우 탄소섬유에 대한 알루미늄의 낮은 젖음성(wet-ability)으로 인하여, 두 소재사이의 계면결합력이 낮아 복합재화하더라도 낮은 물성값을 보이는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1: 탄소섬유
2: 실리콘산화물
21: 실리콘오일
3: 마그네슘 분말
4: 알루미늄 분말
11: 강화된 탄소섬유
41: 알루미늄 매트릭스

Claims (8)

  1. 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하는 제1단계,
    상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시키는 제2단계,
    상기 제2단계에서 부착된 탄소섬유와 복합재용 금속 분말인 알루미늄을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제3단계 및
    상기 제3단계의 혼합물이 700 내지 850℃ 온도조건에서 반응 및 용탕화되어 금속 매트릭스에 강화된 탄소섬유가 함침되는 제4단계를 포함하고,
    상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 실리콘 오일 코팅단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서 탄소섬유와 복합재용 금속 분말이 1: 2 내지 1: 50 체적 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법.
  5. 탄소섬유에 실리콘산화물(SiO2)을 코팅하는 제1단계,
    상기 제1단계에서 코팅된 탄소섬유에 마그네슘(Mg) 분말을 부착시키는 제2단계,
    상기 제2단계에서 부착된 탄소섬유와 복합재용 금속 분말인 알루미늄을 혼합하여 혼합물을 준비하는 제3단계 및
    상기 제3단계의 혼합물이 700 내지 850℃ 온도조건에서 반응 및 용탕화되어 금속 매트릭스에 강화된 탄소섬유가 함침되는 제4단계를 포함하고,
    상기 제4단계가 제3단계의 혼합물이 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말의 테르밋 반응(Thermite reaction)에 의해 발생된 열이 포함되어 용탕화된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 실리콘산화물(SiO2) 및 마그네슘(Mg) 분말이 1:2 몰비율로 반응된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 테르밋 반응에 의해 상기 실리콘산화물(SiO2)이 환원되어 탄소섬유-Si가 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법.
  8. 제1항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법으로부터 알루미늄 매트릭스에 탄소섬유가 분산되고, 상기 탄소섬유 표면에 Si가 분산 부착된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재.
KR1020200039266A 2020-03-31 2020-03-31 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재 KR102324737B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200039266A KR102324737B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200039266A KR102324737B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210122413A KR20210122413A (ko) 2021-10-12
KR102324737B1 true KR102324737B1 (ko) 2021-11-10

Family

ID=78078591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200039266A KR102324737B1 (ko) 2020-03-31 2020-03-31 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102324737B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4340485B2 (ja) 2003-07-07 2009-10-07 サカイオーベックス株式会社 炭素繊維強化アルミニウム基複合材料の製造法
KR101583916B1 (ko) * 2014-04-14 2016-01-11 현대자동차주식회사 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법
KR101740883B1 (ko) 2016-03-04 2017-05-30 한국과학기술연구원 교반주조법을 이용한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210122413A (ko) 2021-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5254978B2 (ja) カーボンナノチューブを活用した複合焼結材料及びその製造方法。
KR101242529B1 (ko) 나노 실리콘카바이드 코팅을 이용한 탄소재료 계면강화 방법
JP4409872B2 (ja) 高強度高電気伝導度アルミニウム合金基複合材料およびその製造方法
CN106399880B (zh) 一种涂覆氧化铝晶须碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法
CN1325681C (zh) 陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
US10124402B2 (en) Methods for manufacturing carbon fiber reinforced aluminum composites using stir casting process
CN112111665B (zh) 一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法
CN112176262B (zh) 一种高体分多相混杂增强镁基复合材料及其制备方法
CN102181753A (zh) 一种硅与碳化硅混杂增强的铝基复合材料及其制备方法
JP7044092B2 (ja) アルミニウム／窒化ホウ素ナノチューブ複合体の製造方法
US11667996B2 (en) Aluminum-fiber composites containing intermetallic phase at the matrix-fiber interface
KR102324737B1 (ko) 탄소섬유 강화 금속 복합재의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재
US5286560A (en) Method for increasing the wettability of aluminum metal to alumina containing fibers
CN110295298B (zh) 一种石墨烯铝复合材料的制备方法
CN111676384B (zh) 一种增强镁基复合材料及其制备方法
JP2007016286A (ja) 金属基複合材及びその製造方法
JP2010043297A (ja) セラミックス粒子強化アルミニウム複合材料の製造方法
CN112301298A (zh) 一种轻质耐热高刚度多元增强铝基复合材料及其制备方法
JP2010121178A (ja) カーボンナノ複合マグネシウム合金素材の製造方法
KR101431585B1 (ko) 금속산화막이 형성된 탄소 입자를 이용한 금속-탄소 복합재 제조 방법
AU2021107368A4 (en) A Method For Fabricating Nanomaterial Reinforced Aluminum Based Hybrid Nanocomposite
Almadhoni et al. Particle Size Dependence of MnO Reduction for Fabrication of Composite vir Stir Casting
KR101694260B1 (ko) 알루미늄 기지 복합재료의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 기지 복합재료
JP2016151031A (ja) 繊維強化複合材料
JPS63297277A (ja) ＳｉＣウイスカ−強化金属複合材とその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant