KR20000001971A - 고 강성 탄소섬유 및 이를 이용한 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강성 탄소섬유 및 이를 이용한 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄소섬유에 일정농도의 붕산용액을 함침하고, 이 붕산용액이 함침된 탄소섬유를 열풍건조기에서 적당한 온도로 일정시간동안 건조시킨 후, 상기 건조된 탄소섬유를 열처리로에 넣고 일정온도로 열처리하여 고강성 저강도 탄소섬유를 제조하고, 이 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 핏치와 함께 혼합하고, 이 혼합체를 탄소직물과 적층하여 프리폼을 만든 후, 이 프리폼을 몰드에 장입하고나서 프레스로 가압성형하여 그린바디를 제조한 다음. 이 그린바디를 고온에서 열처리한 후 핏치로 함침시킴과 아울러 탄화공정 및 열처리공정을 거쳐 마찰재용 탄소-탄소 복합재를 제조한다.

이와 같은 방법으로 제조된 마찰재는 종래 고온에서 열처리하여 제조된 탄소섬유를 이용하여 만든 마찰재보다 마모량이 적은 등 내마모성이 우수하면서도 제조경비를 줄일 수 있다.

Description

고 강성 탄소섬유 및 이를 이용한 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법(High modulus carbon fiber and method of making a carbon- carbon composites for friction materials with its use)

본 발명은 고강성 탄소섬유 및 그를 이용한 탄소-탄소복합재 제조방법에 관한 것으로, 특히 고강성·저강도를 가진 탄소섬유를 이용하여 항공기나 고속전철 등에 사용되는 마찰재용 탄소-탄소 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄소/탄소 복합재료는 지속적으로 고온 내열성이 요구되는 첨단산업분야의 필수적인 신소재로서 그에 관한 제조 및 응용기술은 일찌기 1960년대 말부터 미 공군과 미국 항공우주국이 공동으로 우주개발용 내열재료로 개발에 착수한 이래 우주, 항공, 및 방위산업계에서 활발한 응용 및 연구가 진행중이다.

특히 이 탄소-탄소 복합재와 같은 신소재는 마찰 및 마모특성과 열충격 저항성이 탁월하여 이미 70년대부터 전투기 및 대형 여객기 등의 탄소 브레이크에 사용되고 있을 뿐아니라, 발사체분야의 로켓트 로켓 노즐, 우주선의 고온 구조물 및, 제트 엔진 부품 등에 널리 응용되고 있는 것이다.

탄소-탄소 복합재료를 이용한 브레이크디스크는 기존의 금속계 브레이크 디스크보다 가볍고, 내산화성, 고온에서의 강도, 내마모성이 우수하여 브레이크 재료로서 가장 중요한 특성인 마찰, 마모특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다.

이와같이 탄소-탄소 복합재료가 브레이크 디스크의 재료로서 사용되기 위해서는 기계적 특성, 내식성,열전도성,내마모성 및 적절한 마찰계수가 필수적으로 요구된다.

그런데 상기 탄소-탄소 복합재의 프리폼은 종래 통상 탄소 프리프레그를 적층하거나 탄소섬유를 잘게 절단하여 적층하거나, 혹은 상기 프리프레그와 탄소섬유를 혼합적층하거나, 탄소섬유나 직물을 직조하여 만든 펠트(felt) 등을 사용하여 제조해왔다.

그러나 상기와 같은 종래의 제조방법으로 제조된 마찰재용 탄소-탄소 복합재 브레이크 디스크에 있어서 마찰/마모특성에 가장 영향을 미치는 요소는 원재료인 탄소섬유의 강성이다. 이 탄소섬유의 강성은 재료에 마찰이 발생하였을 때 마찰재에 부가되는 하중을 견디게 하는 역할을 하며, 마찰에 있어서 가장 중요한 마찰필름(friction film)의 형성을 용이하게 하여 마찰재의 안정성과 제동성능을 향상시키는 역할을 한다.

상기한 바와 같이, 탄소-탄소 복합재료의 원료로 사용되는 탄소섬유의 강성이 마찰계수 및 마모량에 미치는 영향을 그래프로 도시하면 도 3 에 도시한 바와 같다.

도 3 에 도시한 바와 같이, 탄소섬유의 강성이 증가할수록 그 탄소섬유로 만들어진 마찰재의 마찰계수 및 마모량은 감소함을 알 수 있다. 특히 마모량은 사용되는 부분의 수명을 결정하는 중요한 요소이다.

이와 같이 탄소섬유의 강성이 마찰재의 성능을 좌우하는 중요한 요소이므로 종래에는 도 4 에 도시한 바와 같이. 탄소섬유의 강성을 높이기 위하여 단순히 열처리온도만을 높이는 방법을 고려해왔다. 그러나 이 경우 열처리온도를 높일 수 있는 고온열처리로가 필요하며, 많은 시간과 비용이 소요된다. 뿐만아니라 종래의 방법에 따라 열처리온도만을 높여서 탄소섬유의 강성을 높이면 그 탄소섬유의 강성(modulus)은 증가하지만, 비례하여 강도(strength)도 증가하게 되므로 탄소섬유를 일정길이로 절단하여 사용하는 경우에 고강도의 특성 때문에 그 가공이 어려운 단점이 있었다.

또한 고강도의 탄소섬유를 이용하여 제작된 탄소-탄소 브레이크 디스크는 마찰계수 및 마모량도 증가하여 마찰재의 수명을 단축시키는 치명적인 단점을 갖고 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같이 종래 고강성·고강도의 탄소섬유로 마찰재를 만드는 방법이 가진 문제점을 해소하기 위해 고안된 것으로, 고강성·저강도의 탄소섬유를 사용하여 마찰성능이 우수한 마찰재용 탄소-탄소 복합재를 제조하는 방법 및 그 탄소섬유를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유는 탄소섬유에 일정농도의 붕산용액을 함침하고, 이 붕산용액이 함침된 탄소섬유를 열풍건조기에서 적당한 온도로 일정시간동안 건조시킨 후, 상기 건조된 탄소섬유를 열처리로에 넣고 일정온도로 가열하여 열처리함으로서 제조된다.

또한 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합재는 상기 단계를 거쳐 제조된 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 핏치와 함께 혼합하고, 이 혼합체를 탄소직물과 적층하여 프리폼을 만든 후, 이 프리폼을 몰드에 장입하고나서 프레스로 가압성형하여 그린바디를 제조한 다음. 이 그린바디를 고온에서 열처리한 후 핏치로 함침시킴과 아울러 탄화공정을 거쳐 제작된다.

상기한 본 발명에 따르면 붕산으로 탄소섬유를 강화처리한 후 열처리하게 되어 있어 고온으로 열처리하는 종래에 비하여 낮은 온도로 고강성의 탄소섬유를 제작할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 고강성 탄소섬유의 제조공정 순서도,

도 2 는 본 발명에 따른 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법의 순서도,

도 3 은 탄소섬유의 강성 변화에 따른 마찰재 마찰성능을 도시한 그래프,

도 4 는 종래 탄소섬유의 제조공정 순서도이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 제조공정을 도시한 순서도이다. 본 발명에 따른 탄소섬유는, 도 1 에 도시한 바와 같이, 5~30중량％의 농도를 가진 붕산수용액을 30~60℃유지시키고, 그 안에 탄소섬유를 24시간 내지 36시간동안 담궈서 함침시키는 단계와, 함침된 탄소섬유를 열풍건조기에 넣고 80~150℃의 온도로 20~30시간동안 건조열풍시켜 함침된 탄소섬유에서 수분을 완전히 제거하는 열풍건조단계와, 상기 건조단계에서 건조된 탄소섬유를 열처리로에 넣고 아르곤 분위기에서 1500~2800℃온도로 1시간이상 유지시켜 열처리하는 단계를 거쳐 제조된다.

그리고나서 상기한 과정을 거쳐 제조된 탄소섬유를, 도 2 에 도시한 바와 같이, 일정한 길이로 절단하고, 이 절단된 탄소섬유를 핏치와 함께 혼합하고 이 혼합물과 탄소직물을 교대로 적층하여 프리폼을 만든 후, 이 프리폼을 몰드에 장입하고 프레스로 가압하여 그린바디를 성형한 다음, 이 그린바디를 열처리 및 밀도화공정을 거쳐 탄소-탄소 복합재 브레이크 디스크를 제조한다.

< 실시예>

순도 99％ 이상의 붕소분말과 증류수를 각각 5~30중량％와 70~95중량％로 혼합하여 붕산용액을 만들었다. 이 붕산용액을 30~60℃로 유지하면서 그 안에 탄소섬유를 24 ~ 36시간 동안 담궈서 초음파 함침시켰다.

상기 과정을 거쳐 붕산이 함침된 탄소섬유를 꺼내어 열풍건조기에 넣고 80~150℃온도로 20~30시간동안 열풍건조시켜 탄소섬유에 포함된 수분을 제거하였다.

상기 단계에서 건조된 탄소섬유를 열처리로에 넣어 1500~2500℃온도로 가열하여 열처리를 하였다.

이와 같이 열처리한 탄소섬유에 핏치를 습식으로 혼합한 후, 절단기에 넣어 절단하였다, 이렇게 절단된 탄소섬유를 균일하게 혼합하여 탄소직물과 교대로 적층하여 1차 성형체를 성형하였다.

이 1차 성형체를 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 그린바디를 제조한 후, 이 그린바디를 1000℃의 온도에서 열처리한 후 핏치를 섞어서 함침·탄화 공정을 거쳐 고밀도의 탄소-탄소 브레이크 디스크를 제조하였다.

상기 실시예에 따라 제작된 탄소-탄소 브레이크 디스크와, 붕산처리하지 않고 종래 고온열처리장비로 열처리한 탄소섬유를 사용하여 제작된 브레이크 디스크의 특성을 비교하여 아래 표 1 에 도시하였다.

구분	밀도(g/cc)	마찰계수	마모량(㎛/s)
본발명의 실시예	1.85	0.18	0.1~0.3
종래 제품	1.85	0.35	0.6

상기 표 1 에서 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄소-탄소 복합재 브레이크 디스크는 종래 고온열처리한 탄소섬유를 사용한 브레이크디스크의 경우보다 마찰계수 및 마모량이 2~3배 정도 적음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유는 고온열처리없이 붕산으로 열처리함으로써 종래 고온 열처리를 거쳐 제조된 탄소섬유에 비하여 강성은 유지하면서 강도는 낮으므로, 이를 이용하여 제조된 탄소-탄소 마찰재는 마모량이 줄어드는 효과가 있고, 열처리장비와 같은 고가의 설비가 필요하지 않아 제조원가가 절감된다.

또한 본 발명에 따르면 열처리시간이 줄어들게 되므로 생산능률이 향상되는 장점이 있는 것이다.

Claims (3)

1. 붕소분말과 증류수를 혼합하여 만든 붕산용액을 교반시키면서 30∼60℃온도로 유지하여 탄소섬유를 담궈서 함침시키고, 이 과정을 거쳐 붕산이 함침된 탄소섬유를 건조시켜 탄소섬유에 포함된 수분을 제거한 다음, 이 탄소섬유를 열처리로에 넣어 1500~2500℃온도로 가열하여 제조된 것을 특징으로 하는 탄소섬유.
2. 제 1 항의 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 핏치와 함께 혼합한 다음, 이 탄소섬유 혼합체를 탄소직물과 교대로 적층하여 프리폼을 만들고, 이 프리폼을 몰드에 넣어 프레스로 가압하여 성형체를 제작한 후, 함침/탄화 공정을 반복하여 마찰재를 제조하는 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소섬유는 pitch,rayon,PAN 및 Oxi-PAN계 탄소섬유 또는 PAN felt중 한가지 인 것을 특징으로 하는 마찰재용 탄소-탄소 복합재 제조방법.