KR102504038B1 - 탄소/탄소복합재 스프링 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
(과제) 1000℃를 넘는 고온 환경에서 반복적으로 사용될 수 있는 스프링 소자로서, 큰 하중을 지지할 수 있는 높은 비틀림 강성을 갖고 스프링 와셔로 사용될 수 있는 스프링 소자를 제공한다.
(해결수단) 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자로서, 스프링 소자는 스프링 소자의 축중심 방향으로 적층된 층 구성을 갖는 2차원 탄소/탄소복합재료로부터 이루어진 구성의 나선형의 원환 형상의 스프링 소자로 한다.
(해결수단) 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자로서, 스프링 소자는 스프링 소자의 축중심 방향으로 적층된 층 구성을 갖는 2차원 탄소/탄소복합재료로부터 이루어진 구성의 나선형의 원환 형상의 스프링 소자로 한다.
Description
본 발명은 고온 환경에서 사용됨으로써 특히 그 성능을 발휘할 수 있는 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 소자에 관한 것이다. 상세하게는 고온 환경에서 스프링 와셔(spring washer)로서 사용할 수 있는 스프링 소자와 그 제조 방법에 관한 것이다.
스프링 와셔로서 이용 가능한 스프링 소자는 기계 요소로서 각종 기계, 장치, 기구에 이용되고 있으며, 오늘날에는 가정 용품이나 공업 용품, 기타 분야에서 필수 불가결한 중요한 부품이 되고 있다.
종래, 스프링 와셔는 일반적으로 금속재료로 제조되고 있는 것으로, 스테인리스강, 저합금강, 공구강, 티타늄 합금 등이 주로 사용되고 있다. 그러나 금속재료의 스프링 와셔는 내열성이 떨어져 고온의 사용 환경에서 충분한 스프링 특성을 발휘하지 못한다. 따라서 고온 환경에서는, 금속재료의 스프링 와셔는 사용이 불가능하거나 고온 환경에서의 장기적인 사용이 불가능하다.
예를 들면, 내열성 합금으로 제조된 스프링 와셔라도, 400℃를 넘는 고온 환경에서는, 스프링 와셔의 강도 저하 및 변형이 현저하고, 스프링 와셔의 지지 저항(settling resistance) 또한 급격하게 감소한다. 이에 따라, 내열성 합금으로 제조된 스프링 와셔라도 이러한 고온 환경에서는 스프링 와셔로서 사용할 수 없다.
400℃을 넘는 고온 환경에서 스프링 와셔가 사용되는 경우, 인코넬(Inconel) 합급, 하스텔로이(Hastelloy) 합금 등의 초내열 합금으로 제조된 스프링 와셔가 사용될 수 있다. 그러나, 초내열 합금으로 제조된 스프링 와셔라도, 700℃를 넘는 고온 환경에서는 강도 저하 및 변형이 현저하고, 스프링 와셔의 지지 저항이 급격하게 감소하기 때문에, 이런 고온 환경에서는 스프링으로 사용할 수 없다.
또한, 인코넬 합금 및 하스텔로이 합금 등을 대신하여, 질화 실리콘과 지르코니아 등의 세라믹스를 사용하여 스프링 와셔가 제조될 수 있다. 그러나 세라믹제 스프링 와셔는 원래 인성이 낮고 열 충격에도 약하기 때문에, 고온 환경에서 반복적으로 사용되면 파괴할 가능성이 높다. 또한, 500~1000℃를 넘는 고온 환경에서, 세라믹제의 스프링 와셔의 급격한 강도 저하가 일어나 파손될 수 있다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 탄소/탄소복합재료("C/C복합재"라고도 칭함)로 제조된 스프링 와셔가 개시되어 있다(특허문헌1 참조).
탄소/탄소복합재료("C/C복합재")는 강화 섬유인 탄소 섬유를 그래파이트(graphite) 또는 탄소 매트릭스로 단단하게 함으로써 형성된 섬유 강화 복합재료이다. 탄소/탄소복합재료는, 종래의 탄소 또는 그래파이트 재료보다 몇 배 이상의 강도와 탄성률(modulus)을 가지고 있고, 우수한 내열성, 내마모성 및 인성을 가지고 있어, 우주 왕복선의 노우즈 캡(nose cap) 및 날개의 리딩 에지; 항공기, 레이싱 카, 신간선 차량 및 대형 중량 트럭의 브레이크; 열처리 노(furnace)의 내부 구조재, 트레이 및 히터; 반도체와 태양 전지를 제조하는 노내에 사용되는 제품 핸들링을 위한 포크; 및 금속 가공용 고온 지그와 같은 다양한 부품으로 사용된다.
특허문헌 1에 개시된 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 와셔는 다음과 같은 제조 방법으로 제조된다.
(1) 인장 강도 200kg/mm2(1.96 Gpa) 이상, 인장 탄성률 24000kg/mm2(235.2 Gpa) 이상의 탄소 섬유 다발 또는 슬리브(sleeve) 모양으로 짠 프리프레그(prepreg)를 원통형 지그의 외부 표면에 형성된 나선형 홈에 감고, 가열 공정에 의해 반경화시키고,
(2) 다음으로, 반경화된 코일 형상의 성형체를 원통형 지그에서 제거하고, 더욱 가열하여 완전히 경화시켜 코일 형상 성형체를 얻고,
(3) 다음으로, 코일 형상 성형체는 추가 가열에 의해 탄화되고, 필요에 따라 코일 형상 성형체는 용융 피치(melted pitch)로 함침되고, 열처리에 의해 그래파이트화되어 코일 형상의 성형체를 갖는 탄소/탄소복합재료가 생성되고,
(4) 더욱이, 코일 형상 성형체를 한 턴(single turn)으로 절삭 분리함으로써 CCM(탄소/탄소복합재료)으로 된 스프링 와셔가 완성된다.
특허문헌 1이 개시하는 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 와셔는 상술한 바와 같은 제조 방법에 의해 제조됨에 따라, 장섬유인 탄소 섬유가 코일의 소선(素線)을 따라 연장되거나 코일의 소선을 따라 나선형으로 연장된다. 이에 따라, 탄소/탄소복합재 스프링 와셔는 스프링 와셔로서 사용될 수 있을 정도의 강도와 탄성률을 갖는다. 그러나, 탄소/탄소복합재 스프링 와셔는 큰 하중을 지탱하는 스프링 와셔로서의 비틀림 강성이 낮다(스프링 와셔는 높은 비틀림 강성이 중요하다). 이에 따라, 특허문헌 1에 개시된 탄소/탄소복합재 스프링 와셔는 충분한 능력을 나타낼 수 없다.
또한, 특허문헌 1에 개시된 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 와셔는, 상술한 바와 같은 제조 방법을 채용한 것이기 때문에, 다른 지름을 갖는 각각의 스프링 와셔 별로 나선형 홈을 갖는 다른 지그가 필요하다. 또한, 스프링 와셔는 코일 형상의 성형체로부터 한 턴(single turn)으로 절삭 분리됨에 따라 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 와셔의 대량 생산이 어렵고 제조 비용이 더 높아진다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에 비추어 안출된 것으로서, 1000℃를 넘는 고온 환경에서도 반복 사용할 수 있는 스프링 소자로서, 큰 하중을 지지할 수 있는 높은 비틀림 강성을 갖고, 스프링 와셔로서 사용될 수 있는, 스프링 소자를 제공하는 것을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 제1관점에 따른 발명에서는, 나선형의 원환(圓環) 형상을 가지는 스프링 소자를 포함하고, 상기 스프링 소자는 스프링 소자의 중심축 방향을 향한 상기 스프링 소자의 면에 평행하게 적층된 층 구성을 갖는 2차원 탄소/탄소복합재료로 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 제2관점에 따른 발명에서는, 제1관점에 따른 발명의 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자를 포함하고, 상기 2차원 탄소/탄소복합재료는 탄소 섬유 부직포를 스프링 소자의 중심축 방향을 향한 상기 스프링 소자의 면에 평행하게 적층시킨 층 구성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 제3관점에 따른 발명에서는, 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자의 제조 방법으로서,
탄소 섬유를 일방향(unidirectional)으로 배향한 시트, 탄소 섬유 직포 또는 탄소 섬유 부직포를 적층시켜 형성한 층 구성을 갖는 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트(preform plate)를 형성하는 단계,
상기 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트로부터, 360도 미만의 중심 각도를 갖는 원환 형상의 성형체를 잘라내는 단계,
원환 형상의 성형체를 나선형으로 성형하는 단계, 및
나선형의 원환 형상을 갖는 성형체를 열처리하는 단계로 구성된 나선형의 원환 형상의 스프링 소자 제조 방법으로 한다.
또한, 제4관점에 따른 발명에서는, 제3관점에 따른 발명의 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자의 제조 방법에 있어서, 열처리 온도의 범위는 1000℃~3000℃인 구성의 나선형의 원환 형상의 스프링 소자 제조 방법으로 한다.
또한, 제5관점에 따른 발명에서는, 제3 또는 제4관점에 따른 발명의 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자의 제조 방법에 있어서, 나선형의 원환 형상을 갖는 상기 소자의 열처리 단계에서는, 상기 스프링 소자의 형상을 유지하면서 나선형의 원환 형상을 갖는 상기 소자를 열처리하는 것으로 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 요소임에 따라, 1000℃를 넘는 고온 환경에서도 반복 사용할 수 있는 스프링 소자를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 탄소 섬유 부직포를 스프링 소자의 중심축 방향을 향한 상기 스프링 소자의 면에 평행하게 적층시킨 층 구성을 갖는 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자에서는, 스프링 소자의 비틀림 강성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 큰 하중을 지지할 수 있는 높은 비틀림 강성을 갖는 스프링 소자를 제공하는 것이 가능한다.
또한, 본 발명에 따른 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자의 제조 방법을 사용함으로써, 스프링 소자를 제조하기 위한 고가의 지그를 사용할 필요가 없고 절삭 가공도 용이하기 때문에, 스프링 소자의 대량 생산과 제조 비용의 감소를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조되는 스프링 소자의 대표적인 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조되는 스프링 소자의 대표적인 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조되는 스프링 소자의 대표적인 제조 과정을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 소자에 대해 설명한다.
탄소/탄소복합재료(C/C복합재라고도 부른다)는 강화 섬유인 탄소 섬유를 그래파이트(graphite) 또는 탄소 매트릭스로 단단하게 함으로써 형성된 섬유 강화 복합재료이다. 종래의 탄소 또는 그래파이트 재료와 비교하면, 탄소/탄소복합재료는 몇 배 이상의 강도와 탄성률(modulus)을 가지고 있고, 우수한 내열성, 내마모성, 인성을 가진다. 또한, 탄소/탄소복합재료는 비중이 작고, 강도, 강성(탄성률)이 높다는 것으로부터, 높은 비강력(specific strength) 및 높은 비강성(specific stiffness)을 가진 재료로도 알려져 있다.
종래, 탄소/탄소복합재료는 다양한 방향으로 탄소 섬유가 배열된 것이 제조되었는데, 탄소 섬유를 일방향으로만 배열한 것, 탄소 섬유를 평면적으로 2 방향 또는 여러 방향으로 배열한 것, 탄소 섬유를 입체적으로 3방향으로 배열한 것, 탄소 섬유(단 섬유)를 2차원 또는 3차원에서 랜덤하게 배열한 것 외에 탄소 섬유를 다양한 패턴으로 배열된 것이 지금까지 고안되고 있다.
또한, 탄소/탄소복합재료의 제조 방법에 대해서도, 레진챠(resin-char) 법, CVD 법, 프리폼드 얀(preformed yarns)을 사용하는 방법 등 외에도, 단 섬유 탄소 섬유와 바인더 피치 분말과 코크스 분말과 점결제로 이루어진 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)를 사용하는 방법이 개발되어져 왔다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조되는 스프링 소자(1)의 대표적인 예를 나타낸 것이다. 스프링 소자(1)는 나선형의 원환 형상을 갖는 본체 부분(11), 본체 부분(11)의 일단측(12) 및 본체 부분(11)의 타단측(13)을 포함하고, 나선형의 원환 형상은 도 1에 나타나듯이 본체 부분(11)이 상기 일단측(12)으로부터 상기 타단측(13)으로 나선형으로 연장되고 있는 상태로 정의된다. 또한, 스프링 소자(1)의 일단측(12)으로부터 타단측(13)까지의 원주각은 360도보다 작고, 스프링 소자(1)의 일단측(12)과 타단측(13) 사이는 슬릿(14)을 형성한다.
스프링 소자(1)의 본체 부분(11)의 단면 치수(w, b), 외경(D) 및 높이(H)(각 치수의 표기는 도 1을 참조)는, 스프링 소자(1)에 작용하는 하중 조건과 스프링 소자(1)의 휨량에 따라 정해진다. 또한, 도 1에서는, 스프링 소자(1)의 본체 부분(11)의 단면의 형상이 직사각형 모양으로 제시되어 있지만, 본체 부분(11)의 단면 형상이 직사각형에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 스프링 소자(1)는 2차원(강화 섬유인 탄소 섬유가 2차원으로 배열된) 탄소/탄소복합재료로 구성되어 있고, 스프링 소자(1)의 중심축 방향을 향한 스프링 소자(1)의 면에 평행하게 적층된 층 구성을 가지고 있다.
여기에서, 「스프링 소자(1)의 중심축 방향을 향한 스프링 소자(1)의 면에 평행하게 적층된 층 구성」이란, 도 1에 나타난 스프링 소자(1)의 중심축 방향(도 1의 X 방향)을 향한 면인 "a1" 면(도 1의 정면도에서 상부면)과 "a2" 면(도 1의 정면도에서 하부면)에 평행하게 적층됨으로써 층 구성이 형성된다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 2차원 탄소/탄소복합재료의 각 층에는, 다양한 종류의 탄소 섬유가 사용될 수 있다. 예를 들면, 일방향으로 배향된 탄소 섬유 시트를 배향 방향을 변화시키면서 적층함으로써 형성한 앵글-플라이-적층 시트(angle-ply-laminated sheet), 탄소 섬유 다발을 이용하여 짠 직물, 단섬유 탄소 섬유를 종이와 같은 랜덤한 방식으로 배향시킨 부직포 등이 층을 위해 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 소자(1)의 제조 방법의 일 실시 형태를 설명한다.
여기에서 설명하는 제조 방법은 탄소 섬유 부직포를 사용하는 제조 방법이다. 즉, 상기 제조 방법은 단섬유상 탄소 섬유와, 바인더 피치 분말과, 코크스 분말 및 점결제로부터 이루어진 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)를 사용한다. 그러나, 본 발명의 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 소자(1)의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 형태에서 사용하는 탄소/탄소복합재료로 제조되는 스프링 소자(1)의 제조 방법에서 사용되는 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)는 단섬유상 탄소 섬유, 바인더 피치 분말, 코크스 분말 및 점결제로 구성되어 있다.
본 실시 형태에서는, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유 또는 피치계 탄소 섬유가 탄소 섬유로서 사용될 수 있다. 또한, 내화성을 위한 열처리, 탄화처리 또는 그래파이트화 처리된 모든 형태의 탄소 섬유가 사용될 수 있다. 본 실시 형태에서는 탄소 섬유는 단섬유이고, 1~50mm 길이의 탄소 섬유가 좋고, 1~25mm의 탄소 섬유가 더욱 좋다
또한, 본 실시 형태에서 사용되는 바인더 비치 분말은 연화성을 가진 석유 및/또는 석탄으로부터 추출된 것이고, 60~320℃ 범위의 연화 온도를 갖고, 키놀린(quinoline) 불용해성 물질이 0~80중량%이고 휘발분이 10~60중량%인 석유 및/또는 석유로부터 얻어진 등방성, 잠재적 이방성 또는 이방성을 갖는 바인더 피치 분말일 수 있다.
이 바인더 피치 분말은, 강화 섬유(탄소 섬유)와 후술하는 골재로서 기능하는 코크스 분말을 결합시키기 위해 사용된다. 바인더 피치 분말의 평균 입경은 0.5~60 미크론이 좋고, 평균 입경이 3~20 미크론이면 더욱 좋다.
또한, 본 실시 형태에서 사용되는 코크스 분말은, 연화성을 갖지 않는 석유 및/또는 석탄계 코크스 분말이고, 골재로서 기능하고 연화점을 갖지 않는다. 또한, 코크스의 휘발분은 10중량%보다 작은 것이 좋고, 2중량%보다 작은 것이 더욱 좋다.
이 실시 형태에서 코크스 분말은 석유계 혹은 석탄계의 어느 것이든 사용할 수 있으며, 코크스 파우더의 평균 입경은 0.5~30미크론이 좋고, 평균 입경이 1~20미크론이라면 더욱 좋다.
연화성을 갖는 석유 및/또는 석탄계 바인더 피치 분말과 연화성을 갖지 않는 석유 및/도는 석탄계 코큭스 분말의 배합 비율은 특정한 값으로 한정되지 않으나, [바인더 피치 분말]/[코크스 분말]의 배합 중량비는 90/10~10/90이 좋고, 70/30~30/70이 더욱 좋다.
또한, 본 실시 형태에 사용되는 점결제(binder)는, 바인더 피치 분말과 코크스 분말을 바인딩시키는 동시에 탄소 섬유와 바인더 피치 분말, 코크스 분말 및 점결제로 이루어진 혼합물을 바인딩시키기 위하여 사용된다. 점결제로는, 메틸셀룰로오스 등의 증점 안정제(또는 호료(糊料))로서 공업적으로 사용되고 있는 것을 이용할 수 있다. 또한, 천연유래의 증점 안정제 및 화학적으로 합성된 증점 안정제가 점결제로서 사용될 수 있다.
또한, 바인더 피치 분말, 코크스 분말 및 점결제로 이루어진 혼합물에 첨가되는 분산 용액은, 알코올과 같은 유기 용제 또는 물이 사용될 수 있다. 또한, 중간 재료의 전체 부피에 대한 탄소 섬유의 체적 함유율은 5~70체적%이고, 바람직하게는 20~60체적%이다.
본 실시 형태의 시트 형태의 중간 재료(프리프레그 모양의 중간재료)는 이하와 같은 공정을 거쳐 제조된다.
(1) 바인더 피치 분말, 코크스 분말, 점결제 및 분산 용액을 소정의 배합비로 혼합함으로써 혼합 용액을 형성하는 공정.
(2) 혼합 탱크 내에 소정의 혼합 용액과 단섬유 탄소 섬유를 투입하여혼합함으로써 혼합 용액에 단섬유 탄소 섬유를 고르게 분산시키는 공정.
(3) 단섬유 탄소 섬유가 혼합 분산된 혼합 용액을 혼합 탱크로부터 공지 기술에 속하는 초지(抄紙) 장치로 압송함으로써 초지처리하는 공정.
이상의 공정에 의해 제조된 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)에서, 단섬유 탄소 섬유는 시트 면내에 랜덤하게 배향되어 얽힌 상태로 부직포상으로 배치된다. 더욱이, 단섬유 탄소 섬유와 단섬유 탄소 섬유의 주위에 배치된 바인더 피치 분말, 코크스 분말 및 점결제로 구성되는 연속된 시트 형상의 부직포는, 혼합 용액 내에 혼합된 점결제에 의해 소정의 끈끈함(tackiness)를 갖는다.
다음으로, 이상에서 설명한 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)를 사용하여 스프링 소자(1)를 제조하는 발명을 설명한다.
도 2는 탄소/탄소복합재료로 제조된 스프링 소자(1)를 제조하는 과정의 흐름도를 나타낸 것이다.
시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)를 사용하여 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트를 성형하는 단계(101)에서, 상술한 과정에 의해 생산된 복수의 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)를 적층시키고 핫프레스(hot press) 장치 등을 이용하여 가압 및 가열한다. 적층된 시트를 가압 및 가열할 때, 바인더 피치 분말이 연화될 정도의 온도 이상으로 가열하고, 그리고 바인더 피치의 코킹(coking) 온도 이상으로 가열하는 것이 바람직하다.
적층된 시트를 가압하는 가압하는 압력은, 바인더 피치 분말이 연화되었을 때 시트 모양의 중간 재료로부터 흐르지 않고, 시트 모양의 중간 재료(프리프레그 모양의 시트)가 적층 사이에서 밀착되어 접착하고, 치밀한 성형체를 형성할 수 있도록 적절히 설정된다.
탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트를 성형하는 단계(101)에서, 바인더 피치 분말이 연화될 정도의 온도 이상으로, 그리고 바인더 피치의 코킹(coking) 온도 이상으로 상기 적층된 시트를 가열 처리한 이후, 열처리에 의해 얻어진 플레이트를 탄화처리 및 더 나아가 그래파이트화 처리될 수 있다. 또한, 피치 함침 과정이 상술한 각각의 처리 사이에 추가될 수 있고, 탄화 처리 및 그래파이트화 처리가 몇 번 반복하는 것도 좋다.
탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트를 성형하는 단계(101)에서, 예비 플레이트란, 예를 들면, 레진차(resin-char) 법에 의해 탄소/탄소복합재료의 플레이트를 제조하는 과정을 채용한 경우에 있어서, 매트릭스(matrix)로서의 수지(resin)를 경화시킨 단계의 전구체를 포함하는 성형품(플레이트)을 의미한다.
다음으로, 원환 형상의 성형체를 잘라내는 단계(102)에서는, 단계(101)에서 얻어진 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트를 기계 가공에 의해 절삭하여 도 1에 도시된 원환 형상과 슬릿을 구비하는 성형체가 형성된다.
잘라낸 성형체는 슬릿(14)을 구비함에 따라, 중심 각도가 360도 미만이고 원환 형상을 갖는 성형체가 형성된다.
원환 형상의 성형체의 단면의 형상은 직사각형이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 면취부를 구비하거나 라운드된 코너를 갖는 단면 모양도 사용될 수 있다.
다음으로, 원환 형상을 갖는 성형체를 나선형으로 성형하는 단계(103)에서, 단계(102)에서 얻어진 원환 형상을 갖는 성형체를 지그에 의해 지지하여, 일단측(12)과 타단측(13)의 단면이 스프링 소자(1)의 중심축 방향(도 1의 X 방향)으로 분리되도록 외력을 가하여 변형시키고, 성형체의 변형을 유지한다. 단계(103)의 과정에 의해, 원환 형상의 성형체가 도 1에 도시된 바와 같은 나선형으로 성형된다.
다음으로, 나선형의 원환 형상을 갖도록 성형된 성형체를 열처리하는 단계(104)에서는, 단계(103)에서 나선형으로 성형된 원환 형상을 갖는 성형체는 열처리된다. 성형체를 열처리하는 하는 바람직한 온도는 스프링 소자(1)가 사용되는 환경 온도 이상의 온도이다. 1000℃~3000℃의 온도에서 성형체를 열처리하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 성형된 나선형의 원환 형상을 갖는 성형체를 열처리하는 단계(104)에서는, 성형체의 적절한 나선형의 원환 형상을 형성하기 위하여, 성형체를 지그에 의해 지지한 상태에서 성형체를 열처리하는 것이 바람직하다.
여기에서 설명한 부직포를 이용한 시트 모양의 중간재료(프리프레그 모양의 시트)를 사용한 제조 과정에 의해 제조된 스프링 소자(1)의 비틀림 강성과 전단 강도는 다음과 같다.
비틀림 강성 4560 N·cm2
전단 강도 54.6 MPa
이상에서 설명한 동일한 제조 과정에 의해 제조되고, 층 구성을 갖는 2차원 탄소/탄소복합재료를 사용하고, 일방향으로 강화된 프리폼드 얀(preformed yarns)을 사용하여 0도와 90도로 교대로 적층시킨, 스프링 소자(1)의 비트림 강성과 전단 강도는 다음과 같다.
비틀림 강성 997 N·cm2
전단 강도 13.7 MPa
이들 값은 5번의 테스트 데이터의 평균치를 나타낸 것이고, 비틀림 강성은 다음의 수학식에 의해 정의된다.
비틀림 강성= 비틀림 탄성률 × 단면의 극이차모멘트
또한, 여기에 나타내는 전단 강도는 와셔 형상의 시험편에 전단 하중을 부하하여 얻어진 값을 나타낸 것이다.
1 : 스프링 소자
11 : 본체 부분
12 : 일단측
13 : 타단측
14 : 슬릿
11 : 본체 부분
12 : 일단측
13 : 타단측
14 : 슬릿
Claims (5)
- 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자로서,
상기 스프링 소자는, 상기 스프링 소자의 중심축 방향을 향한 상기 스프링 소자의 면에 평행하게 적층된 층 구성을 갖는 2차원 탄소/탄소복합재료로 되고,
상기 2차원 탄소/탄소복합재료는, 탄소 섬유 부직포를 상기 스프링 소자의 중심축 방향을 향한 상기 스프링 소자의 면에 평행하게 적층시킨 층 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 나선 원환 형상의 스프링 소자. - 삭제
- 나선형의 원환 형상을 갖는 스프링 소자의 제조 방법으로서,
탄소 섬유를 일방향(unidirectional)으로 배향한 시트, 탄소 섬유 직포 또는 탄소 섬유 부직포를 적층시켜 형성한 층 구성을 갖는 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트를 형성하는 단계;
상기 탄소/탄소복합재료의 플레이트 또는 상기 탄소/탄소복합재료의 예비 플레이트로부터, 360도 미만의 중심 각도를 갖는 원환 형상의 성형체를 잘라내는 단계;
원환 형상의 상기 성형체를 나선형으로 성형하는 단계; 및
나선형의 원환 형상을 갖는 상기 성형체를 열처리하는 단계;
를 포함하는 나선 원환 형상의 스프링 소자 제조 방법 - 제 3 항에 있어서,
상기 열처리 온도의 범위는 1000℃~3000℃인 것을 특징으로 하는 나선 원환 형상의 스프링 소자 제조 방법. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 나선형의 원환 형상을 갖는 상기 성형체를 열처리하는 단계는, 상기 스프링 소자의 형상을 유지하면서 상기 원환 형상의 스프링 소자를 열처리하는 것을 특징으로 하는 나선 원환 형상의 스프링 소자 제조 방법.
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