KR20030061795A - 수지이송성형공정을 이용한 고점성 수지 또는 피치에 의한다공체（프리폼）의 신속 고밀도화 - Google Patents

수지이송성형공정을 이용한 고점성 수지 또는 피치에 의한다공체（프리폼）의 신속 고밀도화 Download PDF

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Abstract

섬유상 프리폼 및/또는 강성, 다공질 바디에 고점도 수지 또는 피치를 신속히 채우는 수지이송성형법(RTM, resin transfer molding)이 개시된다.
이 방법은 단일 주형내에 적층된 함침다중 다공질 바디에 적합하다.
이 방법은 요구되는 부품 기하학에 일치하는 주형내에 배치된 섬유상 프리폼 또는 강성 다공질 바디를 이용한다.
수지를 압력 및 온도 하에 주형내에 사출한다.
냉각후, 주형으로부터 침투된 성분을 회수한다.
주형의 최소하나의 주형동공을 이루도록 2개의 절반으로 구성된다.
노즐에 맞는 게이트가 그 2개의 절반중 하나에 설정되어 있으며, 밸브가 그 게이트 부위내로 수지 또는 피치를 받아들인다.
주형에는 통기 또는 진공이 인가될수 있다.
주형은 유압으로 유지되며, 임의로 축압기가 장착된 압출기가 용융수지 또는피치를 주형으로 공급한다.

Description

수지이송성형공정을 이용한 고점성 수지 또는 피치에 의한 다공체（프리폼）의 신속 고밀도화{RAPID DENSIFICATION OF POROUS BODIES (PREFORMS) WITH HIGH VISCOSITY RESINS OR PITCHES USING A RESIN TRANSFER MOLDING PROCESS}
본 발명은 C-C 복합물, 탄소-세라믹 섬유강화모재 및 탄소-세라믹 발포체를 비롯한 고온 재료의 신속 고밀도화를 위한 개선된 공정을 기술한다.
통상, 이들 고온 재료는 수지 및/또는 피치에 의한 액상 침투 또는 탄소 및/또는 세라믹의 화학증기증착/화학증기침투(CVD/CVI: Chemical Vapor Deposition/ Chemical Vapor Infiltration) 및 그 조합을 이용하여 고밀도화된다. CVD/CVI 공정은 고도로 자본 집약적이며, 통상 완료에 몇 주가 소요되는 다수의 고밀도화 사이클을 갖는 긴 사이클 기간이 소요된다.
수지 및 피치로 다공체를 함침시킴은 진공/압력침투(VPI: Vacuum/PressureInfiltration)를 포함한다. VPI 공정에서는, 소정 용적의 수지 또는 피치를 제1 용기에서 용해하며 그 동안 다공성 프리폼을 진공하에 제2 용기에 담아둔다. 제1 용기 내의 용해된 수지 또는 피치를 진공 및 압력의 조합을 이용하여 제2 용기에 담긴 다공성 모재 안으로 이동시킨다. VPI 공정은 점성이 낮은 수지 및 피치 사용에 제한되고 낮은 탄소 수율을 낳는다. 따라서, VPI 공정을 이용하여 액상 수지 및 피치 전구체로 다공성 프리폼을 고밀도화하는 것은 통상 여러 사이클의 함침후 탄화가 필요하며(흔히 7사이클까지) 원하는 최종 밀도를 얻는데 몇 주까지의 긴 사이클 기간이 필요하다.
낮은 탄화수율(char-yield)의 수지 및 피치를 사용하는데 따른 긴 사이클을 피하기 위해, 고압 함침/탄화(PIC: Pressure Impregnation/Carbonization)를 사용하여 피치의 탄소 수율을 증가시킨다. 통상의 고압 탄화 사이클은 5000psi를 초과하며 종종 15000psi를 초과한다. 고압 탄화에 의해 달성되는 결과적인 고탄화수율에 의해 고밀도화 사이클의 수는 동일한 밀도를 얻는데 6-7 사이클에서 3-4 사이클로 감소된다. 하지만, 고압 용기는 자본 집약적이며 치수가 한정되어 있으므로, 하나의 용기에서 고밀도화되는 프리폼의 수는 제한된다. 사용된 고압은 폭발 위험도 역시 증가시키며, 안전 기준을 충족시키기 위해서 특별한 안전 조치가 필요하다.
탄소 고밀도화 공정의 효율을 향상시키기 위한 다른 방법은 (80%를 초과하는) 높은 탄소 수율을 갖는 액상 수지의 사용을 포함한다. 통상의 고탄화수율 수지는 합성 중간결정상 피치(mesophase pitches)(예컨대 촉매 중합된 나프탈렌으로미츠비시 가스 케미컬 컴패니 인크(Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc.)의 AR 중결정상 피치), 열적 또는 화학적으로 처리된 콜타르 및, 석유에서 유도된 피치 및 기타 열가소성 수지를 포함한다. 그러나, 오늘날의 VPI공정에서의 높은 속도 및 보다 높은 공정온도로 인해 이들 높은 탄소수율수지를 이용하는데는 많은 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 전술한 문제에 대한 해결책을 제공하며 사이클 기간이 감소된 보다 높은 밀도의 복합물을 제공하는 방법을 제공한다. 본 발명은 고탄화수율을 갖는 수지이송성형(RTM: Resin Transfer Molding)공법을 이용하여 대략 몇 분 안에 다공성 프리폼을 고밀도화한다.
RTM 공정은 신규한 것은 아니다. 최근 몇 년 동안, 수지이송성형 즉 RTM과 (수지사출성형으로도 불리는) 그 파생 공정들은 항공우주, 자동차 및 군사 산업에서 다공성 프리폼의 고밀도화 수단으로 널리 사용되었다. 실제로, RTM은 1940년대 중반에 처음 도입되었지만 목욕조, 컴퓨터 키보드 및 비료호퍼와 같은 제품 생산에 사용된 1960년대 및 1970년대까지 상업적 성공을 거의 거두지 못했다.
RTM은 중합체계통 복합물의 생산에 통상 사용된다. 원하는 부품 형상에 대응하는 주형 안에 섬유상 프리폼 또는 매트를 넣는다. 통상, 비교적 낮은 점성의 열경화성 수지를 저온(100-300℉, 38-149℃)에서 압력을 이용하거나 진공으로 유도하여 주형 내부의 다공체 안으로 사출한다. 수지는 주형 내에서 경화한 후 주형으로부터 꺼내진다.
RTM은 자동차 산업의 저비용 고용적의 (대략 500 내지 50,000의) 연간 부품요구 및 항공우주 산업의 보다 고성능/보다 적은 용적의 (대략 50 내지 5,000의) 연간 부품 요구를 충족시킬 수 있다고 밝혀졌다. RTM 공정을 변화시키면 기반시설 및 군사적 용도를 위해 거대하고 복잡한 두꺼운 섹션의 구조의 생산에 적절하게 된다.
그 예가 Army Composite Armored Vehicle(군사용 복합체 방탄차, (AV)의 하부차체이다. 자동차 산업에서는 수십연간 RTM을 사용하여 왔다.
미국특허 제5,770,127호는 탄소 또는 흑연강화복합물을 제조하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 경질 탄소 발포 프리폼을 밀봉된 가요성 백 내부에 넣는다. 백 내부에 진공을 형성한다. 입구 밸브를 통해 백 안으로 매트릭스 수지를 넣어 프리폼을 함침시킨다. 이어서, 가열에 의해 프리폼을 경화시킨다. 그 후, 그 결과물인 탄소 또는 흑연 구조를 백에서 꺼낸다.
미국특허 제5,306,448호는 저장용기를 이용하는 수지이송성형을 위한 방법을 개시한다. 이 저장용기는 수지 내에 스펀지 중량의 대략 2 내지 10배에 해당하는 압력 형성 다공성 스펀지를 포함한다. 이러한 수지 저장용기는 다공성 섬유강화복합물과 같은 다공성 프리폼의 원하는 함침을 확보할 수 있는 수지 저장용기를 제공함으로써 수지이송성형을 용이하게 한다.
미국특허 제5,654,059호는 불연속적인 열가소성 피치 섬유를 갖는 두꺼운 삼차원 매트 구조에 대해 개시하며, 이 매트 구조의 적어도 80%에는 니들펀치(needle punch) 구멍이 있다.
미국특허 제4,986,943호는 탄소-탄소 복합물을 위한 피치계 매트릭스의 산화 안정화 방법을 개시한다. 이 방법에서, 탄소 섬유의 격자망(lattice-work)은 피치계 매트릭스 전구체로 침투되고, 피치 연화점 미만 온도의 산소 함유 분위기에서 산화되며, 탄화되어 매트릭스 재료를 코크스로 전환한다.
수지 및 플라스틱의 통상적인 압출 공정에서는, 점성 용융물을 가압하여 연속적인 흐름으로 성형 다이를 통해 강제로 이동시킨다. 공급 원료는 용융 상태로 압출기에 진입할 수 있지만, 보다 일반적으로는 압출기에서 용융, 혼합 및 가압되어야 하는 고체상 입자로 구성된다. 이 고체상 공급물은 펠릿, 분말, 비드, 플레이크 또는 재분쇄된 재료 형태일 수 있다. 이들 성분은 미리 혼합되거나 하나 이상의 공급 포트를 통해 개별적으로 공급될 수 있다.
대부분의 압출기는 진입 포트(유입구)가 일단(공급 단부) 위에 장착되고 성형 다이가 배출단(유량조정 단부)에 장착된 수평의 원통 배럴 내에서 회전하는 단일스크류를 구비한다. 일련의 히터가 상기 배럴의 길이 방향을 따라 배치되어 압출기를 복수의 불연속적인 가열 구역으로 분리한다. 통상의 압출 용례에서는 성형 다이를 사용하여 섬유, 막대 또는 다른 형태로 성형한다. RTM 공정에서는 성형 다이를 다공체 또는 프리폼을 포함하는 주형으로 대체할 수 있다.
트윈스크류 압출기는 단일스크류 압출기에 비해 덜 사용되지만, 어려운 합성 적용처, 탈휘발화 및, 높은 점성과 제한된 열안정성을 갖는 재료의 압출에 널리 사용된다. 트윈스크류는 반대방향으로 회전하거나 동일방향으로 회전하도록 설계될 수 있으며, 나사는 충분히 서로 맞물리거나, 부분적으로 서로 맞물리거나, 또는 맞물리지 않을 수 있다. 당업계에 알려진 압출 기술은 1990년 존 와일리 앤드 선즈(John Wiley & Sons) 발행의 재클린 아이 크로슈위츠(Jaqueline I. Kroschwitz)의 "폴리머 과학 및 공학 사전(Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering)" 363 내지 367 페이지 및 1970년 뉴욕 반 노스트랜드 레인홀드(Van Nostrand Reinhold) 발행의 제트 태드모어(Z. Tadmore) 및 아이 클레인(I. Klein)의 "원리 및 소성 압출(Principles and Plasticating Extrusion)"에서 검토되고 있다.
비록 고탄화수율 수지를 사용하면 최종 밀도를 달성하는데 필요한 고밀도화 사이클 수효를 감소시키고 탄소 수율을 향상시킬 수 있지만, 이러한 수지를 VPI 및 RTM 공정에서 사용하는 것은 성공적이지 못했다. VPI 공정에 고탄화수율 수지를 사용하는 것은 고탄화수율 수지가 고점성이고 함침용 수지 및 피치의 점성을 낮추기 위해 고온이 필요하기 때문에 제한되었다. 고탄화수율 수지의 더욱 높은 공정 온도 및 더욱 높은 점성은 기존의 VPI 및 RTM 공정에 다음의 문제를 초래한다
(1) 수지가 함침되기전에 유지용기내에서 경화되기 시작한다.
(2) 고점성 수지함침을 위하여 보다 높은 압력이 필요하게 된다.
(3) 다공체바디 또는 프리폼내로 수지가 불균일하고 불완전하게 함침됨으로써 프리폼내에서 에어포켓이 캡슐화되어 건조스팟(다공성)으로 된다.
RTM 공정에서 고탄화수율 수지로 성공적으로 사용하면 요구되는 최종밀도를 얻기 위해 함침사이클 수를 감소시킴으로서 현존하는 CVD/CVI 및 VPI 공정과 비교해 볼때 복합재료의 고밀도화 사이클 시간을 현저하게 감소시킬 것이다. 또한 RTM에서 고탄화수율 수지를 사용하면 수지 폐기물의 감소를 이룰 것이다(90% 사용율).
RTM공정에서 고탄화수율 수지를 성공적으로 이용하기 위하여 다음의 여러가지 기술을 필요로 한다.
(1) 프리폼내로 그리고 프리폼을 통해 고점도수지를 효율적이고 균일하게 흐르도록 하는 수단
(2) 프리폼내에서 수지가 불완전하게 함침되고 공기와 휘발성분이 그 내부에 포획되어 건조포켓이 형성되고 이에따라 고밀도화 효율을 떨어 뜨리는 것을 방지하는 수단.
종래의 기술은 고온에서 다공질 프리폼을 고점도 용융수지(예를들어 AR 중간상 피치)을 함침시키는 방법 및 장치에 대한 필요성을 나타내고 있다.
그 결과물인 함침된 프리폼은 바람직하게는 "건조스팟(dry spots)"이 없고 산화안정화, 탄화 및 흑연화 같은 추가 공정을 수행할 능력을 갖는다.
본 발명은 수지이송성형공법을 이용하여 고점성 수지 또는 피치(pitch)로 탄소-탄소("C-C") 복합물 및 다공성 프리폼을 포함한 고온 재료를 신속하게 고밀도화하는 개선된 공정에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 부분적으로, 고점도, 고탄화-수율 수지(예를들어 중간상 피치)를 이용하여 다공질 섬유상 프리폼 또한 강성다공질 바디를 신속하고 불연속 함침시킨다.
본 발명은, 부분적으로 강성바디를 고밀도화 시키기 위해 고점도 중간상 피치(high viscosity mesophase pitch)를 이용하는 장치 및 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 부분적으로 사출매체(고점도수지)를 균일하게 융해 및 혼합 시키는 압출기 또는 이와 유사한 장치를 제공한다. 이 압출기는 단일스크류 또는 트윈스크류 압출기 일수 있다. 가격면에서 단일스크류 압출기가 바람직하다.
또한 본 발명은 부분적으로, 일정체적의 수지를 가압하에 주형으로 사출하기전에 그 융해수지를 보지하기 위해 축압기가 장착될수 있는 압출기를 제공한다.
본 발명의 잇점은 수지폐기물을 제거할수 있는 수지이송 성형법을 제공한다는 것이다.
본 발명은 또한, 부분적으로, 다공질 프리폼 또는 강성 다공질바디를 포함한 주형을 구속하기 위한 유압을 제공한다.
또한 본발명은, 부분적으로, 프리폼을 통해 수지가 효율적으로 균일하게 분배되는 주형을 제공한다.
본 발명은 또한, 부분적으로, 프레스내에서 수평 배열될수 있는 주형을 제공한다. 그 주형절반의 면중심에는 노즐을 갖는 게이트가 배치될수 있다. 상기 주형은 정확한 용융수지 흐름을 촉진시키기 위해 경사진 동공을 가질수있다.
또한 본 발명은, 부분적으로,
다공질 프리폼을 주형내에 배치시키는 단계;
그 주형내에 융해수지 또는 피치를 사출하는 단계;
상기 수지 또는 피치를 융점이하로 냉각 시키는 단계; 및
상기 주형으로 부터 함침된 프리폼을 회수하는 단계; 를
포함하는 수지 이송성형 방법을 포함하며,
상기 주형은 상부절반; 상기 상부절반과 더불어 주형동공을 이루도록 상기 상부절반에 대향된 하부절반;
상기 상부절반 또는 하부절반에 설치된 최소하나의 게이트;
상기 게이트내에 수지를 받아들이는 밸브; 및
상기 주형으로 환기 및/ 또는 진공을 제공하는 배열; 을 포함한다.
상기 다공질바디는 섬유상 프리폼, 탄소 또는 세라믹 섬유프리폼, 부직포 프리폼, 강성화된 섬유상 프리폼, 다공질 탄소 또는 세라믹바디, 혹은 포움 프리폼 또는 강성화 포움 프리폼 일수 있다.
상기 프리폼은 탄화 또는 흑연화 될수 있다.
상기 프리폼은 CVD/CVI를 이용하여 침투될수있다.
상기 프리폼은 먼저 수지 침투될수 있다.
상기 프리폼은 주형내에 배치되기 전이나 후에 약 290~425℃(554~797℉)의 온도까지 가열될수 있다. 상기 프리폼은 상기 수지 또는 피치 융점 이상의 온도로가열될수 있다. 상기 주형은 약 138~310℃(280~590℉) 온도 범위로 가열된다.
상기 수지 또는 피치는 코울타르유도체, 합성피치, 코울타르피치, 석유피치, 중간상피치, 같은 석유 또는 합성피치 전구체, 고탄화 수율 열경화성 수지 또는 이들의 결합일 수 있다.
하나의 주형내에는 여러 부품이 장입될수 있다.
나아가 본 발명에 의하면, 고밀도화후 고밀도화된 부품을 산소 함유 분위기에서 상승된 온도로 처리하여 열가소성 수지를 효과적으로 교차 결합시킬 수 있다. 피치계 탄소섬유의 제조에서 실시된 것과 비슷한 이 공정은 프리폼내에 매트릭스를 고정하고, 후술되는 수지 융점 이상의 온도 가열동안 매트릭스가 연화, 브로우팅 및 방출되는 것을 막아준다. 산소 안정화는 산소의 존재하에 고밀도화된 부품을 수지의 연화점(302~482℉, 150~250℃), 전형적으로 338℉(170℃) 이하온도까지 가열함을 수반할수 있다. 고밀도화된 부품의 추가적인 처리로는 탄화, 흑연화 및 RTM 또는 CVD/CVI를 이용한 재함침등을 포함한다.
본 발명의 목적, 구성 및 잇점은 이하 바람직한 실시예, 특허청구범위 및 첨부도면으로 부터 보다 명확할것이다.
[도면의 간단한 설명]
이하 본 발명은 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
다만 여기에 기재된 내용은 본 발명을 단지 예시하는 것으로서 결코 본 발명을 한정하는 것은 아닌것이다.
도1a 및 1b는 본 발명에 따라 조작될수 있는 섬유상 프리폼의 평면도 및 측면도이다.
도2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 압출수지 성형장치를 보여주는 도면이다.
도2b는 성형장치의 압출기를 자세히 도시한 도면이다.
도3은 프리폼 주위로 그리고 프리폼을 통한 수지흐름을 개략적으로 보여주는 본 발명의 일 실시예에 의한 주형의 단면도이다.
도4는 프리폼 주위로 그리고 프리폼을 통한 수지흐름을 개략적으로 보여주는 본 발명의 일 실시예에 의한 경사 주형 챔버의 단면도이다.
도5는 본 발명에 의한 도3 및 도4의 단면에 상응하는 상부 및 하부 주형 절반을 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명에 의한 주형의 하부절반의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 의한 주형의 측면도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 의한 주형의 하부절반용 다른 분기 배열을 보여주는 개략도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 의한 주형동공내의 2개의 프리폼 배열의 측면도이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층 프리폼을 통한 수지 또는 피치 흐름의 개략도이다.
도11은 AR수지의 점도와 온도사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도12는 피치 함침에 적합한 온도 및 점도범위를 보여주는 그래프이다.
다공질 바디 혹은 피리폼(예를 들어 탄소섬유 보강 프리폼 또는 다공질 강성화 프리폼)을 신속 고밀도화시키는 방법은 고탄소수율, 고점도 수지를 이용하는 단일 또는 다중 침투 및 탄화 단계를 포함한다.
침투매체는 코울타르피치, 석유피치, 중간상피치(mesophase pitch), 고탄화수율열경화성 수지, 혹은 이들의 결합일수있다.
본 발명에 의한 방법의 특징은;
a) 고융점, 고점도 피치 또는 수지의 사용
b) 고탄화수율(high char yield) 피치 또는 수지의 사용
c) 온-라인 융해 및 혼합을 위한 압출기의 사용
d) 비교적 두꺼운 부품의 사용
e) 탄소 포움 프리폼의 사용
f) 강성, 다공질 바디의 사용
g) 부품의 신속 침투(초 순서로)의 달성
h) 신속 침투에 기인한 보다 낮은 주형온도의 이용
i) CVD/CVI, 형성질을 돕고 표면적을 변화시키기 위해 추가적인 표면적을 형성하도록 RTM 동안 피치 또는 수지 함침재를 기포시키는 능력
j) 중간상피치 같은 액체 결정으로 침투시 흐름구조를 부여하는 능력, 및
k) 침투전에 수지용융물내에 다른 재료를 혼합하는 능력,
을 포함한다.
이하 실시예는 고점도, 고탄화-수율 수지로서 다공질 바디를 고밀도화시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 관련된 압출, 축압기 및 성형기술에 대하여 기술한다.
이 적용을 위하여, '수지'는 코울타르로 부터 유도된 피치, 석유, 합성, 열처리된 그리고 촉매변환된 피치, 중간상피치 뿐만 아니라, Ceraset®(Commodore Technologies, Inc)같은 프리-세라믹 중합체(pre-ceramic polymers) 뿐만 아니라, 예를 들어 페놀, 퍼퓨릴 같은 열가소성 또는 열경화성 액체 전구체로서 정의된다.
'주형(a mold)'은 다공질바디 또는 전구체가 포함되고 수지침투가 일어나는 용기로서 정의된다.
처음 두가지 실시예에서는, 비행기 브레이크 적용처에 사용되는 것과 같은 소규모 다공질 섬유상 프리폼을 고탄화-수율 수지로 고밀도화 하였다.
도1a와 1b 는 이들 실시예에 사용된 섬유상 프리폼의 평면도와 측면도을 보여준다.
프리폼 1은 직경 5인치 일수있다.
프리폼 1의 중앙에는 직경이 0.5인치(1.27㎝)에서 수인치 일수 있는 구멍 2가 있다.
프리폼 1은 두께가 1인치(2.54㎝)일수 있다.
초기 실험은 함침동안 포획공기와 프리폼으로부터 나온 휘발성분을 배출시킬수 있도록 작은 환기 개구부, 예를들어 0.031인치(0.79㎜)다이 오리피스를 갖는 알루미늄 주행이 장착된 압출기, 예를들어 Killion 압출기, 를 이용하여 수행되었다.
이 오리피스는 압출기의 주어진 rpm 에서 주형상에 후압을 유지하도록 설계 되어있기 때문에 주형을 가압하고 수지로 다공질 프리폼을 균일하게 침투할수 있게 되어있다.
피치파우더 혹은 펠릿을 단일스크류 압출기내에 공급하였다.
압출기에 배럴을 따라 가열구역을 설치하였다. 수지 (AR피치)를 그 가열된 주형내에 직접 압출하기 전에 압출기내에서 융해시켰다.
(실시예 1)
상기 바렐을 따라 5개의 가열 영역을 갖는 길이 대 직경의 비가 35:1인 압출기를 가열된 알루미늄 주형에 직접 연결하였다. 이 압출기의 온도 분포는 다음과 같다.
공급부 = 240℃(464℉) 영역 1
278℃(532℉) 영역 2
310℃(590℉) 영역 3
305℃(581℉) 영역 4
300℃(572℉) 영역 5
305℃(581℉) 다이영역
300℃(572℉) 주형
침투에 앞서 내부온도 285℃(545℉)에 도달할때까지 2시간동안 주형내에서 상기 섬유상 프리폼을 예비가열하였다. 압출기 스크류는 초기에는 20rpm으로 작동하다가 운행중에는 15rpm으로 감소되었다. 상기 AR 피치수지을 호퍼를 통하여 도입하였으며 800~900psi(5.52~6.21MPa) 용융압력에서 2시간에 걸쳐 상기 다공성 섬유상 프리폼을 압출하였다. 실제적인 수지의 용융온도는 용융스트림내에 위치된 열전대를 사용하여 측정하였다. 상기 침투동안 용융온도는 318~321℃(604~610℉)였으며, 이는 상기 압출기의 스크류에 의해 상기 용탕상에 부과되는 추가적인 변형에너지 때문에 상기 압출기의 셋포인트(set-point) 온도보다도 높았다. 상기 압출기 스크류는 상기 2시간의 운전에 걸쳐 800~900psi(5.52~6.21MPa)의 용융압력을 유지하도록 회전되고 정지되었다. 대개 10~15분이후, 수지가 상기 주형의 측면에 위치한 1/32'(0.79mm) 벤트 포트(vent port)로 배출되는 것이 관찰되었다.
2시간후, 상기 주형은 냉각되었으며 그 열원을 차단시켰다. 약 30분동안 상기 열을 차단한후, 상기 주형을 분리시키고 부품(part)을 제거하였다. 제거후 상기 부품을 반으로 절단하여 시각적으로 조사하였다. 상기 부품은 거의 수지로 충분히 충진되었으나, 작은 건조영역을 함유하였으며 섬유층사이에 약간의 박리를 나타내었다.
고점도의 수지를 상기 다공성 프리폼으로 침투는 성공적인 반면에 아래의 개선을 요하는 다수의 영역이 있다.
1)감소된 침투시간
2)건조영역 크기를 감소
3)상기 부품이 박리하려는 경향을 제거
CVD 경화처리된 다공성 섬유상 프리폼을 고밀도화하기 위한 RTM 고밀도화공정이 도 2에 나타나 있다. 상기 프리폼의 CVD 경화는 상기 다공성 프리폼을 강화시키고 상기 섬유상 프리폼이 박리되려는 경향을 감소시키기 위해 수행되었다.
(실시예 2)
상기 부품을 수지로 침투되기 전에 경화시키기 위해, 무직포 다공성 프리폼을 탄화처리하여 1 사이클의 CVD 고밀도화에 노출시켰다.
실시예 1에 제시된 바와 같은 킬론 압출기/주형 시스템이 사용되었다. 그 내부에 0.5인치(1.27cm)로 가공된 홀을 가진 직경 5인치(1.27cm)와 두께 1인치(2.54cm)의 CVD 경화된 섬유상 프리폼을, 충분한 크기의 항공기 브레이크 디스크 프리폼으로부터 절단하였다(도 1 및 2 참조). 상기 알루미늄 주형은 직경 6인치(15.24cm)와 두께 1인치(2.54cm)를 가졌으며 0.052인치(1.32mm)의 밴트구멍 (vent opening)이 구비되어 있다. 보다 큰 밴트 구멍은 상기 압출기가 전체 침투공정을 통하여 작동하게 유지하는 동안 상기 주형로 부터 수지(AR피치)의 벤팅을 개선함에 이용되었다. 그 목적은 상기 스크류를 회전시키고, 일정한 압력을 유지하고, 상기 스크류를 따라 용융씰(melt seal)을 제공하며, 그리고 전체 운전시간을 2시간에서 부터 15분으로 감소시키는 것이다.
공급부 = 240℃(464℉) 영역 1
278℃(532℉) 영역 2
310℃(590℉) 영역 3
310℃(590℉) 영역 4
305℃(581℉) 영역 5
305℃(581℉) 다이
305℃(581℉) 다이(여분의 다이제어기 부가)
305℃(581℉) 주형
침투되어질 부품이 상기 압출기를 개시함에 앞서 상기 주형내에서 2시간동안 다시한번 가열되었다. 상기 수지(AR 메조페이스 피치)가 호퍼로 부터 상기 압출기에 공급되었다. 상기 수지는 밴트포트로부터 배출되는 것이 관찰될때까지 15분동안 압출되었다. 상기 주형은 그리고 20분동안 냉각되었다. 이러한 침투동안, 상기 주형내의 플랜지 가스켓 리크(flange gasket leak)때문에 압력이 850psi(5.86MPa)에서 260psi(1.79MPa)로 떨어졌다.
상기 프리폼은 침투전 초기 무게 0.815파운드(369.7g)를 가졌으며, 0.172파운드(77.9g)을 얻어 최종무게가 0.987파운드(447.6g)이 되었다. 초기밀도는 0.048lb/in3(1.34g/cc)였으며 최종밀도는 0.059lb/in3(1.63g/cc)였다. 상기 침투된프리폼이 반으로 절단되었으며, 하나의 작은 건조영역을 제외하고는 완전하게 충진되었다. 상기 건조영역은 상기 주형 가스켓 리크에 의해 의해 유발되는 것으로 침투압력의 강하를 초래한다. 그러나 고점도의 수지(AR 메조페이스 피치)로 고밀도화된 CVD 경화된 프리폼에 있어서 박리에 대한 어떠한 증거도 없었다.
상기 초기 수지이송시도(resin transfer trial)로 부터의 결과는 고점도, 높은 차-일드(char-yield) 수지(AR 메조페이스 수지)를 갖는 섬유상 프리폼의 침투가 수지성형 공정을 이용하여 얻어질 수 있음을 나타내고 있다. 아래의 설명과 후속하는 실시예는, 본 발명의 공정과 장치를 사용하여 정형적으로 항공기 브레이크 적용에 사용되는 큰 프리폼의 침투를 설명한다.
도 2a는 본 발명의 수지이송 성형장치를 나타낸다. 도 2b는 상기 압출기를 보다 상세히 나타내고 있다. 원재료, 미츠비시 가스캐미컬(주)에서 판매하고 있는 정형적으로 AR 메조페이스 피치수지가 압출기(4)에 부착된 호퍼(3)내로 장입된다. 상기 압출기는 싱글 스크류 압출기, 트윈스크류 압출기, 밴티드 트윈스크류 압출기 또는 교호스크류 압출기일 수 있다. 압출기 스크류(5)는 또는 싱글 스크류 또는 더블스크류일 수 있으며, 경제적인 이유에서 싱글 스크류 압출기가 바람직하다. 상기 압출기 스크류(5)는 공급목(feeding throat:70)을 통하여 수지를 공급하고, 상기 수지는 베렐(6)의 길이를 따라 운반되면서 점차적으로 가열된다. 매독혼합기(maddock mixer:71)은 상기 수지에 기계적인 가공을 부가함으로써 보다 균질한 용융을 담보할 수 있게 도와준다. 매독혼합기는 수지 플로우패턴을 분쇄하고, 또한 상기재료에 변형을 가함으로써 싱글스크류 압출기에서 첨가제의 혼합을개선시킨다. 정적 혼합기(72)는 정적 혼합 부재들을 포함한다. 스테인레스 스틸 바가 함께 용접되어, 상기 용융된 수지(및 다른 첨가제)들을 상기 베렐의 중심에서 상기 베렐의 벽까지 및 다시 그 반대로 이송시키는 플로우 채널로써 작용한다. 각 혼합 부재는 인접하는 부재에 대하여 수도의 각도로 회전하고 있다. 상기 압출기 스크류 단부에서 상기 매독 혼합기와 정적 혼합기 부재들은 상기 수지용융의 혼합을 개선하고 온도변화를 감소시킴으로써 싱글 스크류 압출기의 사용을 가능하게 한다. 그리고 상기 수지는 축압기(8)로 운반된다. 상기 축압기(8)은 피스톤 축압기일 수 있다. 이 축압기는 또한 유압식으로 움직이는 피스톤 축압기일 수 있다. 상기 압출기에 의해 발생하는 수지용융압력은 상기 축압기 내부의 피스톤(7)을 원하는 위치로 되돌리게 한다. 본 발명은 또한 상기 축압기(8)와 피스톤(7)의 사용없이 상기 용탕의 직접적인 사출(injection)에 의해서도 실현될 수 있다. 원하는 부피의 수지가 축압되기만 하면, 상기 축압기 피스콘(7)은 앞으로 이동하며, 상기 이송파이프(9)를 통하여 제어된 부피의 수지가 상기 주형캐비티내로 이동하게 한다. (도시되지 않은) 밸브의 배열이 각각 상기 수지의 플로우(flow)와 벡플로우(back flow)를 제어하기 위해 상기 이송파이프와 관련하여 제공되어 있다. 침투될 부품은 상기 주형(10)내에 포함되어 있다. 주형온도는 열교환기가 구비된 오일 순환기를 이용하여 제어된다. 상기 압출기 온도는 일련의 수냉각주조 알루미늄 가열기(11)들과 일련의 (도시되지 않은) 온도 제어기들을에 의해 유지된다.
침투될 부품은 오븐이나 주형 캐비티내에서 상기 수지용융온도 또는 그 이상의 온도로 예비가열된다. 상기 주형은 프레스(12)내에 포함되거나 위치된다. 상기프레스(12)는 유압프레스일 수 있다. 비록 도 2에는 수직으로 작동하는 프레스가 제시되어 있지만, 수평으로 작동하는 프레스도 또한 사용할 수 있다. 또한 상기 주형은 전체적으로 상기 프레스(12)내에 위치할 필요가 없다. 사용되는 부품의 크기에 의존하는(인용된 실시예들에서는 500톤 프레스가 사용되었음) 상기 프레스(12)의 클램핑력(clamping force)은 상기 주형 캐비티내로 가해지고 있는 수지압력에 대향한다. 상기 주형(10)은 또한 가열된다. 상기 수지가 그 용융점이하로 냉각될때까지 상기 침투된 부품은 상기 주형(10)내에 잔류하며, 이후 상기 부품은 제거된다.
공정조업의 일방법에서는 침투전 및/또는 침투중 상기 주형을 진공화하는 것을 포함한다. 그러나 진공의 사용은 추가적인 복잡함 및 비용을 요구한다. 바람직한 방법에서는 도 3,4 및 5에 나타낸 주형디자인을 포함한다. 이러한 디자인은 상기 수지가 그 ID, 상기 다공성 프리폼 내지 디스크를 따라서 자유롭게 흐를 수 있음에 기초한 것이다. 상기 주형(20 및 21)의 OD에서의 링은, 상기 부품내의 초기 유입된 공기와 휘발성물질이 수지를 커밍오프(coming off)함과 함께, 상기 수지가 상기 부품을 통하여 상기 절반이 분리된 주형을 메움으로써 형성되는 상기 부품의 OD에서의 밴트 22 및 23쪽으로 효과적으로 이동하게 한다. 만일 상기 주형이 밀폐되고 진공이 부과되지 않으면, 상기 수지는 충분하게 상기 부품을 둘러싸서 모든 측면에서부터 침투된다. 상기 부품내 초기유입된 공기와 상기 수지로부터의 휘발성물질은, 수지가 상기 부품을 충진하고 상기 주형챔버내에 압력이 증가함에 따라 점점 보다 작은 부피로 압착되어 진다. 이는 마침내 상기 수지에 의해 함침되지 않은작은 다공성 영역 "건조영역"으로 이어진다. 탭(tabs)을 갖는 주형디자인은 상기 주형챔버상에서 진공을 부여할 필요없이 상기 부품내 건조영역 문제를 제거하는 것을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 주형의 단면도를 나타낸다. 환상의 링 프리폼(18)이 환상의 챔버(19)내에 위치되어 있다. 상기 환상의 주형챔버(19)는 게이트(13)를 통하여 중심부로 공급되고, 상부 게이트(14)와 하부 게이트(15)에 의해 제어된다. 상기 하부 게이트(15)는 차단로드(17)를 갖는 노즐(16)들이 맞추어져 있다. 상기 환상의 챔버(19)가 두개의 OD링(20 및 21)에 의해 각각 맞추어져 있다. 상기 각 OD링은 대략 1/4~1/2인치(6.35~12.7mm) 상기 프리폼에 겹쳐 있다. 상기 프리폼과 상기 OD링과의 보다 작은 틈새는, 상기 OD링 (20 및 21)을 갖는 각 단부로부터 상기 ID 유입구(게이트)까지 상기 주형내 유동저항차이(flow-resistance differential)를 유발함으로써 용융된 수지흐름의 차단을 촉진시킨다. 상기 차이는 상기 OD링 단부에서 보다 큰 유동저항을 가지며 상기 프리폼을 따라 보다 낮은 유동저항을 가지므로 고점성의 수지가 효과적으로 상기 프리폼을 침투할 수 있다. 상기 밴트(22)는 포획된 공기, 휘발성가스 및 과잉 수지를 제거한다. 비록 상기 공정은 진공을 이용하거나 이용하지 않고 수행될 수 있지만, 본 공정에서는 진공이 요구되지 않는 것이 아주 효과적이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼진 챔버(tapered chamber)를 갖는 주형의 단면을 나타낸다. 환상의 주형챔버(29)는 게이트(23)을 통하여 중심으로 공급되고, 상부게이트(24)와 하부게이트(25)에 의해 제어된다. 상기 하부 게이트(25)는차단로드(27)를 갖는 노즐(26)에 맞추어져 있다. 환상의 프리폼(28)이 상기 주형 케비티의 챔버(29)내에 위치되어 있다. 상기 챔버(29)는 테이퍼진 벽(30 및 31)에 의해 각각 맞추어져 있다. 상부벽과 하부벽의 테이퍼 방향은 상기 챔버가 상기 주형 캐비티(mold cavity)의 주변에 도달함에 따라 상기 챔버의 중심이 된다. 상기 테이퍼진 영역과 상기 주형의 OD에서 프리폼의 바깥 에지사이의 틈이 작을수록 상기 흐름을 제한하고, 고점도의 수지가 도 3의 실시예가 유동저항차이를 확보한 것과 유사한 방법으로 상기 프리폼을 효과적으로 침투하는 것을 가능하게 하여준다. 주형밴트(32)는 포획된 공기, 휘발성가스 및 과잉의 수지를 제거한다. 비록 상기 공정은 진공을 이용하거나 이용하지 않고 수행될 수 있으나, 본 공정에서는 진공이 요구되지 않는 것이 아주 효과적이다.
도 3과 도 4는 단지 하나의 챔버를 갖는 주형을 나타내고 있다.
또다르게는, 상기 주형챔버는 다수의 다공성 바디를 갖도록 디지인될 수 있다. 상기 캐비티(또는 챔버)는 각 적용별 변할 수 있는 상대적인 우선권들, 다양한 경합하는 디자인들을 고려하여 이들의 타협을 나타낸다.
또한 밴팅(venting)은 상기 주형표면을 통하여 수행된다. 도 5는 본 발명 실시예의 단일 챔버, 환상의 주형의 상부와 하부 절반을 나타내는 그림이다. 상기 주형의 하부 절반은 상기 주형의 상,하부 절반들의 정렬을 용이하게 하기 위해 가이드핀(33a,33b,33c 및 33d)를 가지고 있다. 중심 주형캐비티(35)는 상기 피치 내지 수지의 사출을 위해 게이트(36)을 가진다. 상기 가이드핀(33a,33b,33c 및 33d)과 주형챔버(43) 사이에는 상기 주형 캐비티로부터 심지어 대기나 휘발물질을 벤팅하게 하는 심스톡(shim stock: 34a, 34b, 34c 및 34d)이 위치되어 있다. 상기 심스톡은 0.005~0.200"(0.13~5.1mm)의 두께를 가질 수 있다. 또다르게는, 상기 주형내에 영구 스페이서(permanent spacer) 내지 가공된 홈이 벤팅을 위하여 제공될 수 있다.
벤팅(venting)은 상기 주형내로 수지의 사출중에 수행된다. 또다르게는, 수지 사출전에 진공이 상기 주형에 제공될 수 있다. 또한 진공은 수지사출중 상기 주형에 제공될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 주형의 하부 절반에 대한 평면도이다. 벤트링(39)가 4개의 벤트포트(38a. 38b, 38c 및 38d)에 끼워져 있다. 상기 게이트(15)는 상기 주형챔버(29)내에 배치되어 있다. 상기 벤트포트(38a. 38b, 38c 및 38d)는 예컨데, 0.062인치(1.6mm) 구멍을 갖는 외부 벤트포트(39)에 채널되어 있다. 가열밴드(49)는 벤트포트(48)을 둘러싸고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주형의 측면도이다. 상기 주형의 하부 절반(41)은, 실린더형 챔버를 갖는 완전한 주형조립체를 형성하기 위하여 주형의 상부 절반(42)에 함께 맞추어져 있다. 상기 벤트포트(39)는 상기 주형의 하부절반(41)내에 위치되어 있다. 상기 벤트포트(39)는 예컨데, 0.062인치(1.6mm) 또는 0.125인치(3.2mm)직경을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 주형을 하부절반의 다른 벤팅형상에 대한 평면도이다. 벤트포트(43a, 43b, 43c 및 43d)가 외부 벤트포트(44)에 채널(channel)되어 잇다. 이 실시예에 있어서, 상기 벤트포터(44)는 연속적인 벤팅을 위하여 예컨데, 0.062인치(1.6mm) 또는 0.125인치(3.2mm)의 드릴가공된 볼트(45)로 부설된다. 내부 벤트(46)는 상기 벤트포트(44)에 배가스를 공급한다.
도 8에 나타난 바와 같이, 상기 주형챔버 압력을 침투공정을 통하여 균일하게 유지하고 용융된 피치가 상기 벤트포트로 들어가는 것을 방지함에 도움이 되도록 추가적인 개조가 이루어졌다. 이러한 추가적인 특징은 벤트포트(벤트링 46내의 도입구) 43a, 43b, 43c 및 43d를 나사결합하고 압력강하를 형성하도록 작은 오리피스(orifice)를 삽입하는 것을 포함한다. 이는 캐비티압력(사출중 일정한)을 제어함에 도움을 주며, 용융된 피치를 (상기 벤트포트 43a, 43b, 43c 및 43d가 열싱크로서 둘러싼 주형을 가짐에 따라) 고화시켜 상기 내부 벤트내로 흘러가지 않도록 하여준다.
본 발명은 피치의 압출과 사출에 의해 용융피치에 의한 프리폼 고밀도화를 확보한다. 그러나 일정한 압력을 제공하는 상기 사출유니트를 사용하여 피치를 상기 주형와 프리폼으로 압출 및 사출하는 것이 아주 빠른 공정임을 고려할때 추가적인 이익이 실현될 수 있다. 프리폼의 사출은, 그 프리폼 크기에 따라 1분~수초미만으로 빠르게 일어난다. 상기 사출공정은 심지어 수지용융온도 이하의 많이 냉각된 주형온도를 확보함에 충분할 정도로 빠르다. 그러나 상기 다공성 프리폼은, 압력하에서 상기 용융된 수지를 상기 프롬내로 유동시키기 위해 상기 피치연화온도 이상의 온도로 예비가열할 필요가 있다. 산업적인 효율성견지에서 이러한 공정은 빠르게 완료될 것이 요구된다. 적절한 압력발생의 제어는 상기 침투공정을 가속시킨다.
압력을 적절히 제어함으로써, 함침공정중 상기 프레스가 열리도록 하는 상기주형 캐비티내 극단의 힘을 발생함이 없이 프리폼이 보다 빠르게 함침될 수 있다. 상기 주형챔버 내부의 힘이 상기 주형챔버의 면적과 부과된 톤수(예를들면 500톤)을 고려한 상기 클램프의 부과된 톤수보다 클때 상기 주형은 열린다. 이러한 함침공정중 용융압력은 항공기 브레이트 디스크 프리폼을 위한 주형내에서 예컨데 3000psi보다는 낮을 수 있다. 이러한 압력은 도 6~8에 나타난 바와 같이, 유압시스템과 주형벤팅을 통하여 제어된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 주형챔버내의 두개의 프리폼 형상을 나타낸다. 하부 프리폼(47)과 상부 프리폼(48)이 하부 주형표면(49)과 상부 주형표면(50)사이에 적층되어 있다. 주형 표면스페이서(51,52 및 53)이 상기 프리폼 (47, 48)과 이들 각각에 대응하는 주형표면(49,50)사이에 놓여 있다. 적층 스페이서(52)들이 상기 프리폼들 사이에 놓여있다. 상기 주형 표면스페이서(51,53)는 0.125인치(3.2mm)두께일 수 있으며, 상기 적층 스페이서는 0.062인치(1.6mm)두께일 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 상기 적층된 프리폼을 통한 수지 내지 피치의 유동을 나타낸다. 수지는 상기 게이트(54)로 부터 주형에 들어가고, 상기 프리폼(55,56)을 통하여 그리고 그에 따라 균일하게 유동함으로써 상기 프리폼들의 일정한 함침을 가능하게 한다. 상기 피치는 상기 프리폼으로 부터 상기 벤트링(도시되지 않은)쪽으로 선형적으로 유동된다.
다른, 예컨데 CVD 고밀도화방법을 뛰어넘는 RTM 고밀도화의 이점들은, 빠른 침투, 두께를 통한 보다 일정한 고밀도화, 큰 내부공공을 충진할수 있는(고밀도화)할 수 있는 능력, 그리고 높은 최종 고밀도화의 확보를 포함한다. 본 발명의 장치와 방법은 고점도의 메조페이스 피치로서 효과적인 프리폼의 고밀도화를 얻을 수 있다.
AR 메조페이스 피치는 (함침온도 290℃ 및 그 이하의 온도에서) 종래 상업적으로 구입가능한 피치함침제, 예컨데 A240보다 보다 높은 점성을 가지고 있다(도 11참조). 비록 그 점도는 A240에 비하여 상대적으로 높지만, 본 발명을 이용하여 예비가열된 프리폼내부에 완전하게 침투하게 함에 충분할 정도(>1.5pas)로 여전히 낮다. 상대적으로 고점도의 AR를 첨가하는 이익은 상기 피치가 <290℃이하의 온도로 냉각시 급속하게 고화된다는데 있다. 이는 RTM 공정을 통한 부품의 처리율을 증가시킨다. AR에 대한 온도와 점도 곡선은 White and Gopalakrishan(J.L. White and M.K. Gopalakrishan, Extended Abstracts of 20th Bienial Conference on Carbon, 1991, 184)에 의해 제시된 바와 같은 "공정창(processing window)'내에 들어간다(도 12참조). 그 고점도에 추가하여, AR피치는 산화적으로 안정화될때 높은 카본수율(다시 말하면, >85중량%)를 가진다. 이는 다른 피치 함침제로부터 AR피치를 구별짖는 물성들의 조합이며, 본 발명(다시 말하면 RTM)은 효과적으로 이러한 유일한 물성의 조합을 이용한다.
수많은 성분들이 예컨데 인, 보론 및 실리콘 기초 화합물이 상기 수지 내지 피치에 첨가될 수 있다. 이러한 성분들은 발포제, 카본, 그라파이트, 세라믹, 산화방지제, 교차결합제(crosslinking agent), 점토 및 실리케이트를 포함할 수 있다. 질소가스는 정형적인 발포제이며, 다른 발포제도 또한 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서의 장치와 방법은 메조페이스와 같은 고점도의 열가소성 수지를 갖는 부품을 침투시킬 수 있는 능력을 보유한다. 종래기술에서는, 낮은 점도의 열경화성 수지가 정형적으로 사용되었다. 상기 프리폼은 20~70%의 다공성을 가질 수 있다. 본 발명의 일실시예의 방법은 주형내에 다공성 프리폼을 적치시키고, 후속하여 사출전에 상기 주형을 진공으로 하는 것을 포함한다. 진공이 또한 사출중에 상기 주형에 부과될 수도 있다. 또다르게는, 진공이 사용되지 않을 수도 있다. 상기 프리폼은 상기 주형내에서 예비가열되거나 가열될 수 있다. 용융피치는 이어, 상기 주형내에 사출되어 상기 프리폼으로 고밀도화된다. 상기 수지는 상기 주형내에서 냉각되도록 한다. 그리고 함침된 프리폼은 상기 주형으로 부터 제거된다.
상기 주형에는 그 고밀도화된 프리폼의 제거를 촉진하기 위해 해방제(release agent)가 처리될 수 있다. 효과적인 해방제는 휴론 테커날러지 인스로부터 구입가능한 Release Coating 854이다. 다른 상업적으로 구입가능한 해방제도 또한 효과적일 수 있다.
(실시예 3)
도 2에 나타낸 사출주형장치가 사용되었다. 유압프레스는 500톤 클램핑 능력을 가졌다. 축압기는 847 입방인치(13,880cm3)의 이론적 부피를 가지며, 수지를 이용하여 측정된 부피는 약 830입방인치(13,601cm3)이다. AR피치 수지로 완전하게 충진될때, 상기 축압기는 대략 수지 37lb.(16.8kg)을 포함한다. 상기 압출기내의 온도는 상기 압출기 베렐, 압출기 헤드, 플루 어뎁터, 축업기 헤드, 축압기, 덤프밸브, 덤프 파이퍼, 용융파이퍼, 노즐블락, 노즐 익서텐션 및 노즐 목내의 6개 위치에서 측정될 수 있다. 전기히터에 의해 상기 압출기에 열이 공급되고 상기 주형은 뜨거운 오일의 순환에 의해 가열된다. 상기 압출기 스크류는 상기 수지용탕내에 압력을 발생시키고, 그 압력은 상기 축압기내에 유지된다.
부품은 오븐내에서 707℉(350℃)로 예비가열되었으며, 침투전에 주형 케비티내로 이송되었다. 사출동안 상기 부품을 그 용융점 이상으로 하면 피치가 상기 프리폼을 통하여 흐르도록 하여준다. 이는 또한 수분동안 유지되어야 할 압력을 요구하며, 이는 피치로 하여금 작은 구멍으로 침투되도록 하여준다. 본 실시예에서, 킬론 압출기를 사용하여 수행된 보다 작은 스케일의 실험을 모사하기 위해, 상기 용융수지를 사출하기 위하여 축압기를 사용하기 보다는 상기 피치를 직접 상기 주형내로 압출하였다.
AR 메조페이스 피치의 침투는 이전에 200시간의 CVD 고밀도화에 있던 다공성 무직포 프리폼상에서 수행되었다. 초기 프리폼 치수 및 무게는 아래와 같다.
두께=0.875인치(2.2cm), ID = 10.9인치(27.7cm), OD = 18.6인치(47.2cm), 무게 = 7.04lb.(3193g), 밀도 = 0.046lb/in3.
온도 프로파일 -Wilmington Structural Injection Molding Machine
공급 End.=
460℉(238℃) 베렐 580℉(304℃) 압출기 헤드 572℉(300℃) 덤프밸브
530℉(277℃) 베렐 580℉(304℃) 플로우 어뎁터 572℉(300℃) 덤프파이프
550℉(288℃) 베렐 580℉(304℃) 축압기 헤드 572℉(300℃) 용융파이프
572℉(300℃) 베렐 580℉(304℃) 축압기 572℉(300℃) 노즐블락
572℉(300℃) 베렐 560℉(293℃) 노즐익스텐션
580℉(304℃) 베렐 120℉(49℃) 공급목(feed throat)
수지가 직접적으로 예비가열된 부품으로 압출되었다. 상기 축압기상의 벡프레셔(backpressure)는 침투동안 주형 캐비티 압력을 유지함에 사용되었다. 스크류는 30rpm으로 회전하였으며, 초기 침투압력 1900psi(13.1MPa)를 낳았으며, 15분 침투기간의 끝에 1680psi(MPa)로 감소하였다. 0.125인치(3.2mm) 직경의 벤트포트가 상기 주형상에 사용되었다. 뜨거운 오일순환기는 580℉(304℃)로 세트되었다. 상기 프리폼의 최종 무게는 9.25lb.(4196g)이었다. AR피치로 함침된 상기 프리폼의 최종 밀도는 0.061lb./in3(1.69g/cc)였다.
(실시예 4)
도 2및 실시예 3에 제시된 장치를 사용하였다.
AR 메조페이스 피치를 한 사이클의 CVD 고밀도화 처리를 미리 행한 다공질부직포 섬유 프리폼 내로 침투시켰다.
상기 다공질 프리폼은 전형적으로 항공기 브레이크 디스크에 사용되는 전형적인 것이며, 그 크기는 다음과 같다.
19.90인치(50.55cm) OD, 12.32 인치(31.29cm)ID 및 0.875인치(2.22cm) 두께를 갖는다. 압출기의 온도 프로파일은 다음과 같다.
온도 프로파일
공급부(feef section)=
460℉(238℃) 바렐 576℉(302℃) 축압기 헤드
530℉(277℃) 바렐 576℉(302℃) 축압기
565℉(296℃)바렐 572℉(300℃)덤프 밸브 (dump valve)
572℉(300℃)바렐 572℉(300℃)덤프 밸브 (dump valve)
572℉(300℃)비렐 572℉(300℃)멜트 파이프(melt pipe)
576℉(302℃)바렐 545℉(285℃)노즐 블록
576℉(302℃)압출기 헤드 545℉(285℃) 노즐 익스텐션
576℉(302℃)플로루 아덥터 120℉(49℃) 피드 쓰로트(feed throat)
주형온도는 560℉(293℃)이었고, 그리고 프리폼은 716℉(380℃)로 예열되었다. 압출기 스크류는 30rpm으로 회전되었고, 그리고 830 in3(13,604cc) 축압기는 47% 충진되었다. 축압기는 18-20초내에 배출되고, 그리고 주형 및 프리폼을 충진시켰다. 2400psi(16.6Mpa)의 최대압력이 축압기 배출의 말기 무렵에 도달되었다.
0.06인치(1.6mm) 벤트 포트는 도 6에 나타난 바와 같이, 주형의 측면에 위치된다. 초기 휘발물질이 벤트 포트로부터 배출된 다음, 용융 피치가 배출되었다.
침투 후에, 부품이 수지를 응고시키기 위하여 10분동안 냉각되고 그리고 주형으로부터 제거되었다. 프리폼은 8.77파운드(lb)(3986g)의 초기 중량 및 0.050 lb/in3(1.39g/cc)의 초기밀도를 나타내었다.
침투후에, 프리폼의 중량은 10.40파운드(4727g)이고, 그리고 밀도는 0.062 lb/in3(1.72g/cc)이었다. 침투 프리폼은 반으로 절단되었다.
상기 프리폼은 프리폼 중심 근처의 작은 비침투 영역을 제외하고는 충분히 충진된 것으로 나타났다,
(실시예 5)
다수의 프리폼의 함침에 대하여 도 2 및 실시예 3에 제시된 장치를 사용하여 설명한다.
한 사이클의 CVD 처리된 두개의 부직포 프리폼은 AR 피치를 사용하여 침투되었다. 두개의 프리폼이 서로의 상부에 적층되었으며, 이 때 고온가스켓 재료의 작은 조각들(pieces)[1인치(2.54cm) 원(circle)]이 도 9 및 10에 나타난 바와 같이, 수지가 프리폼들의 둘레로 흐르도록 허용하기 위하여 부품들을 분리시킨다. 0.125인치(3.2mm)두께의 가스켓 조각이 프리폼과 주형사이에 사용되고, 그리고 0.062인치(1.6mm)두께의 가스켓 조각이 두개의 프리폼사이에 사용되었다. 압출 스크류는30rpm으로 회전되었고, 그리고 축압기는 90% 충진되었다.
축압기는 대략 40초 이내에 배출되고, 침투 말기에 2750psi(18.96Mpa)의 최대압력을 달성하였다. 침투 프리폼들은 수지를 응고시키기 위하여 주형내에서 10분동안 냉각되었다.
침투전,후의 중량 및 밀도는 다음과 같았다.
프리폼 1 프리폼 2
초기 중량 6.93파운드(3143g) 7.11파운드(3225g)
초기 밀도 0.045 lb/in3(1.24 g/cc) 0.046 lb/in3(1.27g/cc)
최종 중량 9.29파운드(4214g) 9.33 파운드(4232g)
최종 밀도 0.060 lb/in3(1.65 g/cc) 0.060 lb/in3(1.65 g/cc)
(실시예 6)
미국특허(hybrid foam patent)에 기술되어 있는 것과 같은 카본 폼(carbon foam)의 함침에 대하여 도 2 및 실시예 3에 제시되어 있는 장치를 사용하여 설명한다. 폼 프리폼은 프리폼을 포함하는 주형으로부터 직접 용융 피치 수지를 압출함으로써 침투되었다.
폼 프리폼의 벌크 밀도는 침투전에는 0.032lb/in3(0.89 g/cc)이었고, 그리고 침투후에는 0.057 lb/in3(1.57g/cc)이었다.
(실시예 7)
미국특허(air-blown patent)에 기술된 것과 같은 측 PAN-기초 카본섬유(chopped PAN-based carbon fiber) 및 탄화 메조페이스 피치(carbonized mesophase pitch)를 포함하는 프리폼의 함침에 대하여 도 2 및 실시예 3에 제시되어 있는 장치를 사용하여 설명한다.
압출작업 조건은 다음과 같았다.
460℉(238℃) 바렐 580℉(304℃) 축압기 헤드
530℉(277℃) 바렐 580℉(304℃) 축압기
560℉(293℃)바렐 572℉(300℃)덤프 밸브
572℉(300℃)바렐 576℉(302℃)덤프 밸브
576℉(302℃)비렐 580℉(304℃)멜트 파이프
580℉(304℃)바렐 580℉(304℃)노즐 블록
580℉(304℃)압출기 헤드 565℉(296℃) 노즐 익스텐션
580℉(304℃)플로루 아덥터 120℉(49℃) 피드 쓰로트
압출전에, AR 피치 수지가 Conair 수지 로딩/건조 시스템 내에서 190℉(88℃)에서 대략 4시간동안 건조되었다. 압출기 스크류는 30rpm으로 회전되었고, 그리고 축압기는 54% 채워졌다. 축압기는 20-22초내에 배출되고, 침투의 말기에 1800psi(12.41Mpa)의 사출압력에 도달되었다. 프리폼의 크기는 18.42인치(46.79cm) OD, 9.79 인치(24.87cm)ID 및 1.21인치(3.07cm) 두께이었다.
초기 중량 및 밀도는 각각 9.49파운드(lb)(4305g) 및 0.041 lb/in3(1.14g/cc)이었다. RTM 침투후의 중량 및 밀도는 각각12.28파운드(lb)(6023g) 및 0.057 lb/in3(1.59g/cc)이었다.
(실시예 8)
앞의 모든 실시예에 있어서, RTM 침투후의 프리폼의 조사에 의하면, 환형 링 퍼펌의 중심근처에 작은, 비침투 영역[드라이 스폿(dry spot)]이 나타났다. 이 드라이 스폿은 주형이 수지가 모든 측면상의 폼을 에웨싸서 중심을 향해 외부표면으로부터 침투되도록 허용하기 때문에 일어나는 것으로 생각된다. 고 점성 피치는 프리폼내에 원래 함유된 공기가 부품의 외부로 수지를 통해 흘러나오도록 허용하지 않는다.
다음의 예들은 도 3에 제시된 구조를 갖는 주형의 사용하여 프리펌의 둘레 및 프리펌을 통한 수지의 흐름을 제어함으로써 드라이 스폿을 제거하는 것에 대하여 설명한다. 도 2 및 실시예 3에 제시된 장치를 사용하였다.
압출온도 프로파일은 다음과 같았다.
공급부 =
460℉(238℃) 바렐 580℉(304℃) 축압기 헤드
530℉(277℃) 바렐 580℉(304℃) 축압기
565℉(296℃)바렐 565℉(298℃)덤프 밸브
572℉(300℃)바렐 580℉(304℃)덤프 밸브
576℉(302℃)비렐 580℉(304℃)멜트 파이프
580℉(304℃)바렐 580℉(304℃)노즐 블록
580℉(304℃)압출기 헤드 565℉(296℃) 노즐 익스텐션
580℉(304℃)플로루 아덥터 120℉(49℃) 피드 쓰로트
압출기 스크류는 20rpm으로 회전되었다. 주형은 450℉(230℃)로 가열되었다. 침투전에, 프리폼은 공기-순환 오븐내에서 752 ℉(400℃)로 예열되었다.
주형표면은 주형 OD에서 공기 및 휘발물질의 렌팅(renting)을 허용하기 위하여 0.040 인치(1.2mm)의 개공(open)을 시밍처리하였다. 축압기는 25%채워진 다음, 함침효과를 얻기 위하여 대략 20-25초내에서 몰드 캐비티내로 흘러들어갔다.
다음에, 침투 프리폼은 수지를 냉각시키기 위하여 주형내에서 15분동안 냉각되고 그리고 제거되었다. 한 사이클의 CVD 처리된 3개의 부직포 프리폼은 이들 조건하에서 침투되었다. 디스크 ID는 12.3 인치(31.20cm)이었고, OD는 19.90 인치이었다. 침투 전 및 후의 데이타들이 아래에 나타나 있다.
Serial No. Pre RTM 중량 Pre RTM 밀도 Post RTM 중량 Post RTM 밀도
98-918-10 9.78 lb(4438g) 0.041 lb/in3(1.14g/cc) 14.14lb(6415g) 0.060 lb/in3(1.64g/cc)
98-918-11 9.91 lb(4496g) 0.042 lb/in3(1.15g/cc) 14.16lb(6425g) 0.060 lb/in3(1.64g/cc)
98-918-12 10.32 lb(4683g) 0.044 lb/in3(1.20g/cc) 14.38lb(6525g) 0.061 lb/in3(1.67g/cc)
Nos. 1, 2 및 3에 대한 주형충진동안에 얻어진 수지압력은 각각 대략 1800psi. 1400psi, 및 1900psi이었다. 각각의 부품은 침투후에 16개의 거의 동일한세그먼트로 절단되었다. 비침투 영역은 전혀 발견되지 않았다.
통상적인 고밀도화 기술(예를들면, CVD)에 대하여 RTM 침투를 사용하는 주요한 이점은 부품의 개방 기공 내부가 CVD의 얇은 층에 의해서 코팅되었다기 보다는 오히려 모두 수지로 충진되어 있다는 것이다. 탄소/탄소 복합체 및 생산품을 제조할 때, 수지는 어떠한 비-탄소 함유 성분을 제거하기 위하여 열분해되어야 한다.
AR 피치와 같은 열가소성, 고탄소 수율 수지가 침투를 위하여 사용되면, 두가지 선택이 열분해를 위하여 사용될 수 있다. 팀투 부품이 단순히 열분해 온도로 가열되면, 수지는 다시 용융되고, 그리고 부품으로부터 스며나오게 된다.
하나의 선택은 고온등압축(Hot Isostatic Pressurization)(HIP)을 사용하여 열분해하는 것이다.
이 방법에서는 부품이 콘테이너에 위치되어야 하고, 그리고 본질저으로 비싸고 그라고 많은 안정성 고려를 요구한다.
다른 선택은 수지연화점이하의 온도로, 전형적으로, 302℉(150℃)와 464℉(240℃)의 사이에서, 산소함유분위기내에 수지 침투 부품을 가열하는 것을 포함한다.
산소는 수지와 반응하는. 근본적으로는 수지를 가교시킨다.
산소와 수기가 반응함에 따라, 산소가 재료내로 흡수되고, 그리고 그 중량이 증가하게 된다. 수지가 적절한 산소량을 흡수하면, 침투 부품은 수지의 용융없이, 그리고 부품의 내부로 부터 어떠항 수지의 스며나옴이 없이 열분해온도로 상승될수 있다. 다음은 RTM 침투 디스크를 성공적으로 안정화 및 탄화처리한 실시예들이다.
(실시예 9)
6개의 부직포 항공기 브레이크 디스크 프리폼들이 한 사이클의 CVD 고밀도화 처리되었고, 다음에, 실시예 7 및 8에서와 같이 RTM 처리를 행하였다.
Serial No. Pre RTM 밀도 Post RTM 밀도
K93-252-411 0.049 lb/in3(1.35g/cc) 0.062 lb/in3(1.72g/cc)
K93-252-412 0.049 lb/in3(1.35g/cc) 0.062 lb/in3(1.72g/cc)
K93-252-419 0.049 lb/in3(1.37g/cc) 0.062 lb/in3(1.72g/cc)
K93-252-420 0.049 lb/in3(1.36g/cc) 0.062 lb/in3(1.72g/cc)
K93-252-427 0.049 lb/in3(1.35g/cc) 0.062 lb/in3(1.71g/cc)
K93-252-428 0.049 lb/in3(1.35g/cc) 0.062 lb/in3(1.72g/cc)
수지침투다음에, 디스크가 338℉(170℃)에서 18일 기간동안 공기- 순환 오븐내에 위치되었다. 안정화도(degree)는 하기 관계식과 같이 부품내의 수지양에 대한 중량 증가(weight gain)의 퍼센트를 결정함으로써 측정되었다.
[관계식]
%OMG ={(S-R)/(R-P)}*100
(여기서, P= RTM 침투전의 디스크 중량
R= RTM 침투후의 디스크 중량
S= 산소안정화후의 디스크 중량)
안정화 후, 디스크는 질소분위기내에서 1652℉(900℃)의 온도로 탄화(열분해)처리되었다.
안정화 및 탄화처리 결과는 다음과 같다.
Serial No. Post RTM 밀도 %OMG Post 탄화밀도 탄소 수율(%)
K93-252-411 0.062 lb/in3(1.72g/cc) 10.02 0.060 lb/in3(1.66g/cc) 85.75
K93-252-412 0.062 lb/in3(1.72g/cc) 9.12 0.060 lb/in3(1.66g/cc) 85.12
K93-252-419 0.062 lb/in3(1.72g/cc) 9.59 0.060 lb/in3(1.67g/cc) 85.69
K93-252-420 0.062 lb/in3(1.72g/cc) 9.95 0.060 lb/in3(1.67g/cc) 85.89
K93-252-427 0.062 lb/in3(1.71g/cc) 10.37 0.060 lb/in3(1.66g/cc) 85.60
K93-252-428 0.062 lb/in3(1.72g/cc) 10.28 0.060 lb/in3(1.66g/cc) 85.55
1652℉(900℃)의 온도로 탄화처리된 후, 디스크는 가열공정동안에 디스크 내부로부터 스며나오는 수지의 어떠한 가시적인 표시도 나타나지 않았다. 샘플들이 디스크들로부터 채취된 다음, 편광현미경법을 이용하여 관찰하였다. 전디스크 두께를 통한 미세조직은 이기술을 사용하여 특징화될 수 있다. 또, 피치용융의 어떠한 표시도 현미경 관찰을 통한 결과에서도 나타나지 않았다.
(실시예 10)
하나는 CVD, 하나는 RTM, 산화 안정화 및 탄화 사이클을 거친 2개의 디스크는 RTM을 사용하여 두번 침투되었다. 주형 셋업, 온도 및 사출인자들은 숏 크기(shot size)가 17%인 것을 제외하고는실시예 9에서의 것덩과 동일하였다. 2개의 디스크는 다음과 같은 기하학적인 크기 즉, 12.37인치(31.42cm)ID,19.85인치(50.42cm)OD, 및 1.22인치(3.10cm) 두께를 갖는다.
이들 두 부품에 대한 결과치가 표 5에 나타나 있다.
2번째 사이클 사출 RTM 성형에 대한 결과치
Serial No. Pre RTM 중량 Pre RTM 밀도 Post RTM 중량 Post RTM 밀도
98-928-6 14.16 lb(6422g) 0.062 lb/in3(1.71g/cc) 15. 45lb(7010g) 0.068 lb/in3(1.89g/cc)
98-928-25 14.27lb(6474g) 0.061 lb/in3(1.70g/cc) 15.75lb(7145g) 0.067 lb/in3(1.86g/cc)
탄소/탄소 복합체, 예를 들면, 항공기 브레이크 디스크 생산품을 제조하는 경우에는 고밀도화공정이 CVD 또는 몇개월에 걸친 수지침투를 사용하는 3-5 침투사이클이 전형적으로 요구된다. 반복되는 CVD 침투사이클을 사용하는 고밀도화의 단점은 열분해 탄소가 유용한 개방 기공의 표면상에 층으로써 증착된다는 것이다. 침투 사이클 동안에, 표면기동은 폐쇄되려는 경향이 있다.
결과적으로, 디스크는 CVD로로부터 제거되고 그리고 그 표면은 내부기공을 개방화시키기 위하여 기계가공된다. 중간의 기계가공단계의 유효성은 CVD 침투의 수가 증가됨에 따라 감소된다.
(실시예 11)
11개의 부직포 프리폼들이 CVD 고밀도화의 한 사이클, RTM 침투의 한 사이클 및 실시예 9에 제시된 탄화처리 통한 다음, 추가적인 CVD 고밀도화 사이클를 통하여 처리되었다. RTM 전, 탄화 후, 및 최종 CVD 사이클후의 디스크 밀도가 표 6에 나타나 있다.
Serial No. Pre RTM 밀도 탄화후 밀도 2번째 CVD 후의 밀도
97-918-413 0.047lb/in3(1.30g/cc) 0.060lb/in3(1.65g/cc) 0.065lb/in3(1.79g/cc)
97-919-143 0.045lb/in3(1.25g/cc) 0.059lb/in3(1.62g/cc) 0.064lb/in3(1.78g/cc)
97-919-414 0.045lb/in3(1.24g/cc) 0.059lb/in3(1.62g/cc) 0.065lb/in3(1.79g/cc)
97-919-415 0.045lb/in3(1.24g/cc) 0.059lb/in3(1.62g/cc) 0.064lb/in3(1.77g/cc)
97-918-701 0.044lb/in3(1.22g/cc) 0.057lb/in3(1.59g/cc) 0.065lb/in3(1.79g/cc)
97-918-901 0.045lb/in3(1.24g/cc) 0.057lb/in3(1.59g/cc) 0.066lb/in3(1.82g/cc)
98-928-20 0.053lb/in3(1.47g/cc) 0.062lb/in3(1.72g/cc) 0.066lb/in3(1.84g/cc)
98-928-21 0.053lb/in3(1.47g/cc) 0.062lb/in3(1.72g/cc) 0.066lb/in3(1.84g/cc)
98-928-22 0.053lb/in3(1.46g/cc) 0.062lb/in3(1.71g/cc) 0.066lb/in3(1.84g/cc)
98-928-23 0.052lb/in3(1.44g/cc) 0.062lb/in3(1.72g/cc) 0.066lb/in3(1.83g/cc)
98-928-24 0.053lb/in3(1.46g/cc) 0.062lb/in3(1.72g/cc) 0.066lb/in3(1.84g/cc)
부직포 프리폼의 제조동안에, 섬유 세그먼트들은 정형적인 섬유처리기술을 사용하여 함께 니들 펀칭(needle punch)된다. 니들 펀칭 공정은 프리폼을 통한 큰 기공, 100-200㎛ 폭 및 수 백 ㎛깊이를 갖는 기공을 형성하게 된다. 항공기 브레이크 응용을 위한 이들 부직포 프리폼을 고밀도화하기 위하여 사용되는 전형적인 공정은 CVD 이다.
CVD의 각각의 사이클은 모두 유용한 개방기공의 표면상에 2-10㎛두께사이의 열분해 탄소층을 증착시킨다. 섬유층내의 섬유는 함께 매우 근접해 있고(1-15㎛ 떨어짐), 그리고 이들 영역은 초기 CVD 사이클 동안에 매우 효율적으로 고밀도화 된다. 그러나, 니들 펀칭에 의하여 생성된 큰 기공은 효율적으로 고밀도화시키지 않는다. 고밀도화전의 섬유상 부직포 프리폼의 밀도는 전형적으로 0.018lb/in3(0.50g/cc)이다.
표 7에 나타난 데이타는 표 6에 제시된 것과 동일한 크기를 갖는 디스크에 대한 1, 2, 3, 및 4사이클후에 측정된 전형적인 밀도를 나타낸다.
CVD 사이클 밀도
0 0.018 lb/in3(0.50g/cc)
1 0.043 lb/in3(1.20g/cc)
2 0.053lb/in3(1.48g/cc)
3 0.060lb/in3(1.66g/cc)
4 0.062lb/in3(1.72g/cc)
표 7에 나타난 바와 같이, 밀도 증가는 각각의 연속적인 CVD사이클과 함께 보다 적게 됨을 알 수 있다. 이것은 CVD로 충분히 충진된 섬유영역, 그리고 보다 큰 기공이 CVD층으로 코팅되지만, 완전히 충진되지 않는 것에 기인하는 것이다. RTM 처리는 니들펀칭에 의하여 생성된 큰 기공을 포함하여, 모든 이용가능한 개방 기공을 탄소 전구체 수지로 완전히 충진시킨다.
수지가 탄화되는 경우에는 코크스의 밀도(탄화 피치)는 증가하고 그리고 휘발분은 방출되고 상응하는 중량 손실을 가져오게 된다.(실시예 9에 나타난 바와 같이 대략 85% 탄소수율)
밀도의 증가 및 중량의 손실은 부피에 있어서 전체 감소를 가져오게 되어 부품내에 내부기공을 생성하게 된다. 탄화 피치가 니들 펀칭에 의하여 생성된 큰 기공을 완전히 충진시키지 못하지만, 다음의 CVD 증착에 대한 추가적인 내부 표면적을 형성시키는 동안 전체 개방 기공 부피를 감소시킨다.
표 6의 데이타에 의하여 알 수 있는 바와 같이, 매우 높은 최종밀도가 모든 CVD 고밀도화에 대한 RTM 와 CVD 의 조합으로 이들 부직포 프리폼을 고밀도화함으로써 달성될 수 있다. 프리폼이 메조페이스 피치수지로 침투된 후에, 이들은 탄소/탄소 복합재료내에서 탄소 매트릭스의 일부를 형성하는 탄소로 유기수지를 전환하기 위한 처리를 행할 수 있다. 침투 디스크는 산화 안정화라고 하는 공정을 거치게 된다. 이 피치는 열가소성이고, 그리고 재료를 탄화시키기에 충분한 온도로 가열함에 따라, 수지가 재용융되고, 부풀고, 그리고 기포화된다. 이 부품들은 150과 240℃의 사이, 전형적으로는 170℃의 온도에서 공기-순환 오븐내에 위치된다.
산소는 피치와 반응하고 그리고 수지를 가교시키는, 근본적으로 열경화성 물질로 전환시킨다. 이 공정은 피치기초탄소섬유의 제조에 사용된다. 이 공정의 완전성은 매스 증가(mass gain)에 의하여 측정되는데, 이는 산소가 피치와 반응하고, 흡수되어 전체 중량을 증가시키기 때문이다. 피치만의 중량 증가가 측정되는 경우(post part weight -pre part weight), 8.5%의 산소 매스 증가 수준은 충분하다. 8%와 12%사이의 OMG(oxygen mass gain) 수준을 갖는 부품은 성공적으로 탄화가 된것이다.
안정화 후에, 부품은 불활성 분위기 로내에서 650℃(1202℉)이상의 온도로 가열됨으로써 탄화될 수 있다. 탄화는 전형적으로 900℃(1652℉)에서 수행된다. 탄화후에, 부품은 추가 처리전에 열처리(흑연화)될 수 있지만, 이 단계는 반드시 요구되는 것은 아니다. 전형적인 열처리온도는 1600-2500℃(2912-4532℉)의 범위내이고, 바람직하게는 1800℃(3272℉)이다.
다음에, 부품은 상기 실시예들에 나타난 바와 같이 고 챠(char) 수율의 고점도 수지의 RTM 또는 CVD 를 사용하여 고밀도화될 수 있다. 상기한 내용 및 여기에나타난 특정 실시예들은 단지 본 발명의 최상의 모드 및 원리를 예시한 것에 불과하고, 그리고 변형 및 부가가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 장치 및 방법에 대하여 용이하게 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (23)

  1. 수지 또는 피치를 융해 및 이송시키는 수단(4);
    상기 수지 또는 피치가 상기 융해 및 이송수단(4)로부터 주형(10)으로 이송되도록 배열되어 있는 주형(10), (단 주형(10)은 그 내부영역에서 외부영역을 향해 수지 또는 피치가 흐르게 하고 압력 구배를 이루게 하는 돌출수단(20, 21, 30, 31)을 포함한다); 및
    상기 수지 또는 피치를 상기 주형(10)내에 사출하는 동안 상기 주형을 구속시키는 수단(12);를 포함하는 신속 수지 또는 피치 이송성형장치
  2. 제 1항에 있어서, 나아가 상기 융해 및 이송수단(4)와 상기 주형(10) 사이에 설치된 축압기(accumulator)(8)을 포함함을 특징으로 하는 장치
  3. 제 2항에 있어서, 상기 축압기(8)은 유압으로 작용되는 피스톤 축압기 임을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 융해 및 이송수단(4)는 단일스크류 압출기, 트윈스크류 압출기, 통기(vented)트윈스크류압출기 및 왕복스크류 압출기중 하나임을 특징으로 하는 장치
  5. 제 1항에 있어서, 상기 주형(10)은,
    상부절반(top half)(42);
    상기 상부절반과 함께 성형동공(35)를 이루도록 상기 상부절반(42)에 대향 배치된 하부절반(41);
    상기 상부절반(42) 혹은 상기 하부절반(41)에 배치된 최소 하나의 게이트(36);
    상기 상부절반(42) 혹은 상기 하부절반(41) 내의 게이트(36)로 수지 또는 피치를 받아들일 수 있는 밸브; 및
    상기 주형(10)에 통기 및 진공을 제공하는 배열(39, 44);
    를 포함함을 특징으로 하는 장치
  6. 제 1항에 있어서, 상기 돌출수단(20, 21, 30, 31)은 주형동공(19)의 외부에 방사상 방향으로 신장하는 돌기(20, 21)과 함께 경사진 (30, 31) 주형동공(29)와 주형동공(19)중 하나를 포함함을 특징으로 하는 장치
  7. 제 6항에 있어서, 상기 돌출수단(20, 21, 30, 31)은 통기포트(vent port)(38a, 38b, 38c, 38d; 43a, 44b, 44c, 44d) 및 진공부중 최소하나를 가짐을 특징으로 하는 장치
  8. 제 6항에 있어서, 상기 주형은 나아가 돌출수단(20, 21, 30, 31)과 연결된통기포트(38a, 38b, 38c, 38d; 43a, 44b, 44c, 44d)에 트인 외부 통기포트(39, 44)를 포함함을 특징으로하는 장치
  9. 다공질 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)을 주형(10)내에 배치하는 단계,(상기 프리폼은 그 프리폼 내로 이송되는 수지 또는 피치의 융점이상의 온도이며, 상기 주형(10)을 구속하는수단(12)는 주형을 유지한다.);
    주형(10)내에 압력구배를 통해 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)이 균일하게 함침되도록 고융점 높은점도의 융해 수지 또는 피치를 사출하는 단계;
    상기 수지가 융점이하로 냉각되는 단계; 및
    함침된 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)을 주형(10)으로부터 회수하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 신속 수지 또는 피치 이송성형방법
  10. 제 9항에 있어서, 상기 주형(10)은,
    상부절반(42);
    상부절반(42)와 함께 주형동공(35)를 이루도록 상기 상부절반(42)에 대향되게 위치한 하부절반(41);
    상기 상부절반(42) 혹은 상기 하부절반(41) 내에 있는 최소하나의 게이트(36);
    게이트(36) 내로 수지 또는 피치를 받아들이는 밸브; 및
    상기 주형(10)에 통기 및/또는 진공을 제공하는 배열(39, 44);
    을 포함함을 특징으로 하는 방법
  11. 제 9항에 있어서, 상기 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)은 섬유상 프리폼, 탄소섬유 프리폼, 부직포 프리폼, 바인더를 갖는 랜덤 섬유 프리폼, 강성 프리폼 및 포움 프리폼 중 하나임을 특징으로 하는 방법
  12. 제 9항에 있어서, 상기 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)은 다공질 탄소바디임을 특징으로 하는 방법
  13. 제 9항에 있어서, 상기 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)은 200~425℃ 온도로 가열됨을 특징으로 하는 방법
  14. 제 9항에 있어서, 상기 주형(10)은 138~310℃ 온도로 가열됨을 특징으로 하는 방법
  15. 제 9항에 있어서, 상기 수지 또는 피치는 합성 피치, 코울타르피치, 석유피치, 중간상(mesophase)피치, 고탄화수율 열경화성수지 또는 그 결합인 것을 특징으로 하는 방법
  16. 제 9항에 있어서, 다중 프리폼(47, 48; 55, 56)이 단일주형(10)내에 배치됨을 특징으로 하는 방법
  17. 나아가, 약 150~240℃ 온도에서 산소함유 기체의 존재하에 함침된 프리폼을 가열함으로서 상기 함침된 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)을 안정화 시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법
  18. 제 17항에 있어서, 나아가 상기 산화된 함침 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)을 탄화시킴을 포함함을 특징으로 하는 방법
  19. 제 33항에 있어서, 나아가 상기 탄화된 함침 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)을 흑연화 시키기 위해 약 1600~2500℃ 온도까지 가열시킴을 포함함을 특징으로 하는 방법
  20. 제 19항에 있어서, 상기 흑연화된 프리폼(1, 18, 28, 47, 48, 55, 56)은 나아가 화학증착(CVD)/화학증기침투(CVI) 혹은 수지 이송 성형중 어느것을 이용하여 고밀도화 시킴을 포함함을 특징으로 하는 방법
  21. 제 9항에 있어서, 상기 융해 수지 또는 피치를 사출하기전에 상기 주형(10)에 진공을 제공함을 특징으로 하는 방법
  22. 제 9항에 있어서, 상기 주형(10)은 경사진 상부벽(31)과 경사진 하부벽(30)을 갖는 동공(29)를 포함하며, 상기 상부벽(31)과 상기 하부벽(30)의 경사방향은 은 동공이 주형의 주변부에 접근함에 따라 동공내로 내측방향임을 특징으로 하는 방법
  23. 제 9항에 있어서, 상기 주형(10)은 상기 압력구배를 만드는데 충분히 경사져 있거나(30, 31) 상기 압력구배를 만들기 위해 상기 주형동공(29, 19)내로 돌기(20, 21)과 함께 배열되어 있음을 특징으로 하는 방법
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