KR20070019794A

KR20070019794A - 습기 노출에 대한 강화된 저항성을 가진 카본-카본브레이크 물질들에 관한 항산화 시스템

Info

Publication number: KR20070019794A
Application number: KR1020077001729A
Authority: KR
Inventors: 테렌스 비. 워커; 로리 에이. 북커; 미쉘 엘. 쉬리브; 마뉴엘 쥐. 코우코우타키스
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-02-15

Abstract

카본-카본 복합물 성분(10), 그라파이트 성분(10) 또는 카본 화이버 및/또는 그라파이트(10)을 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 포함하는 코팅된 물품(19)에서의 습기 저항성을 향상시키는 방법. 상기 성분(10)은 바람직하게는 항공기 착륙 시스템 브레이크 디스크로 형성된다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다: (A) 카본-카본 복합물 성분(10), 그라파이트 성분(10) 또는 카본 화이버 및/또는 그라파이트(10)을 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 제공하는 단계; (B) 상기 성분(10)을 약 1~10 mil의 두께를 가진 포스포러스-함유 항산화 언더코팅(11)으로 커버하는 단계; 및 (C) 그 결과로 얻어지는 언더코팅된 성분들(10, 11)을 약 1~10 mil의 두께를 가진 보론-함유 글래스 오버코팅(12)로 커버하는 단계. 상기 오버코팅은 20~50 중량%의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3~25 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하의 보론 나이트라이드 및 5~40 중량%의 엘리멘탈 보론(elemental boron) 및 5~40 중량%의 보론 카바이드 중의 하나 혹은 양쪽 모두를 포함한다. 상기 보론-함유 글래스 오버코팅에는 실질적으로 인산 및 인산염이 들어있지 않다. 또한, 물품들은 상술된 언더코팅/오버코팅의 조합으로 코팅된다.

언더코팅, 오버코팅, 카본 화이버, 그라파이트

Description

습기 노출에 대한 강화된 저항성을 가진 카본-카본 브레이크 물질들에 관한 항산화 시스템{ANTIOXIDANT SYSTEM FOR CARBON-CARBON BRAKE MATERIALS WITH ENHANCED RESISTANCE TO HUMIDITY EXPOSURE}

본 발명은 카본-카본 복합물들 및 그라파이트(graphite)와 같은 다른 카본 물질들에 관한 신규한 산화-저항 코팅 시스템 및 산화적으로 보호되는 복합물들의 조제에 관한 방법들에 대한 것이다. 본 발명은 항공기 브레이크 시스템(aircraft braking system)의 분야에서 특히 유용하다.

예를 들어 비행기 브레이크 시스템에서 유용한 카본 화이버 혹은 C-C 복합물들은 산화 및 결과적인 중량 손실(그것은, 질량의 손실이다)에 직면한다. 그러한 카본 복합물의 산화 질량 손실은 일반적으로 항산화 코팅에 의한 카본 복합물들로 구성된 코팅 물품(article)들에 의해 저지된다.

미국 특허 제6,737,120 B1호는 카본 화이버 혹은 C-C 복합물들에 관한 것으로 그것들은 다양한 적용예에서 유용하다. 이 특허는 유동화-글래스 타입의 혼합물 로 복합물들을 코팅함으로써 그러한 복합물들을 산화에 대해 보호하는 방법을 가르친다. 상기 유동화-그래스 혼합물들은 액체 전구체들로 유지되며 카본 화이버 혹은 C-C 복합물들로 형성된 성분들에 적용된다. 상기 전구체들로 한번 코팅되면, 코팅된 C-C 성분들은 한번 혹은 그 이상의 횟수로 일련의 점진적인 가열 혹은 냉각 단계들을 통해 열-처리 또는 어닐링된다. 이것은 1~10 mil의 두께를 가지는 글래스 코팅을 만든다. 상기 글래스 코팅의 두께는 유동화 글래스 전구체 혼합물들, 적용 사이클의 개수 및/또는 어닐링 파라메터들을 변화시킴으로써 다양화될 것이다.

미국 특허 제6,737,120호는 유동화 글래스 물질들이 붕산염 글래스(보론 옥사이드), 인산염 글래스(포스포러스 옥사이드), 실리케이트 글래스(실리콘 옥사이드) 및 플럼베이트 글래스(리드 옥사이드(lead oxide))와 같은 물질들을 포함할 것이라고 가르친다. 이러한 글래스들은 망간, 니켈, 바나듐, 알루미늄 및 아연(zinc)의 인산염 및/또는 리튬, 소듐(sodium), 포타슘, 루비듐, 마그네슘 및 칼슘과 같은 알칼리 및 알칼리 토금속들과 그것들의 옥사이드들, 그리고 엘리멘탈 보론 및/또는 BN, B₄C, B₂O₃ 및 H₃BO₃와 같은 보론 화합물들을 포함할 것이다. 예로서, 미국 특허 제6,737,120호는 보론-함유 29 중량%의 인산, 2 중량%의 망간 인산염, 3 중량%의 포타슘 하이드로옥사이드, 1 중량%의 보론 나이트라이드, 10 중량%의 보론 및 55 중량%의 물을 포함하는 액체 유동화 글래스 전구체 혼합물을 개시한다.

미국특허 제6,455,159 B1호는 마찬가지로 카본-카본 복합물들 및 그라파이틱 물질들에 관한 것이다. 미국 특허 제6,455,159호는 850℃에 이르는 그리고 초과하도록 상승된 온도에서 카본/카본 복합물 혹은 그라파이트들의 보호 및 보통의 작동 온도에서의 촉매 산화의 감소를 목적으로 가진다. 미국 특허 6,455,159호는 10~80 중량%의 H₂O, 20~70 중량%의 H₃PO₄, 0.1~25 중량%의 알칼리 금속 모노-, 디-, 또는 트리-베이직 인산염 및 2 중량% 이하의 B₂O₃로부터 형성되는 이온들을 포함하는 침투제 염 용액을 사용함으로써 그러한 목적들을 달성한다. 그들의 침투제 염 용액들은 또한 각각 중량%로 25 중량% 이하, 30 중량% 이하 및 10 중량% 이하의 MnHPO₄·1.6H₂O, AlPO₄ 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나를 포함한다.

2002년 8월 20일(H0003342)에 출원된 출원 번호 제10/223,946호 출원은, 물품이 800℃ 혹은 그 이상의 온도에 직면했을 때의 촉매 산화로부터 보호되는 코팅된 물품을 개시한다. 상기 물품은 카본 화이버 혹은 카본-카본 복합물로, 1600~2600℃의 온도 범위에서 어닐링된 성분을 포함한다. 상기 성분은, AlPO₄ 및 MnHPO₄·1.6H₂O 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나가 존재하는 것을 조건으로, 10-80 중량%의 H₂O, 20~70 중량%의 H₃PO₄, 0.1~25 중량%의 알칼리 금속 모노-, 디- 또는 트리-베이직 인산염, 0~2 중량% B₂O₃ 및 0~25 중량%의 MnHPO₄·1.6H₂O, 0~30 중량%의 AlPO₄ 및 0~10 중량%의 Zn₃(PO₄)₂로부터 형성된 이온들을 포함하는 포스포러스-함유 언더코팅에 의해 커버된다. 상기 언더코팅은 보론-함유 글래스 오버코팅에 의해 커버된다. SN 10/223,946의 코팅 시스템들은 고온 및 촉매 산화 조건 모두에서 동시에 높은 레벨의 산화 보호를 제공한다. 그러나, 이들 코팅 시스템들은 장-시간의 습기 노출 이후에는 외관상으로 다소 "질퍽"해질 것이다. 이것이 현장에서 사용하기에 부적합하도록 만든다.

실리케이트 바인더 조성물들은 오랫동안 잘 알려져 왔다. 예를 들어 미국 특허 4,504,314;4,391,642;4,329,177 및 2,995,453을 참고 가능하다. 그러나, 실리케이트 바인더들은 본 발명에서 사용되기 이전에는 컨텍스트(context)에서 사용된 경우가 없다.

상기 코팅 시스템들은 카본 복합물들에 대한 명백한 항산화 보호를 나타낸다. 그러나, 향상된 습기 저항성을 제공해주는 항산화제 코팅 시스템들에 대한 요구들이 남아있다.

본 발명은 카본-카본 복합물 성분, 그라파이트 성분 또는 카본 화이버 및/또는 그라파이트를 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 포함하는 코팅된 물품을 제공한다. 상기 성분의 바람직한 일구현은 항공기 착륙 시스템 브레이크 디스크이다. 상기 성분은 1~10 mil 두께의 포스포러스-함유 언더코팅에 의해 커버된다.

본 발명에서의 언더코팅은 포스포러스-함유 항산화 코팅이다. 상기 언더코팅은, AlPO₄, MnHPO₄·1.6H₂O 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나가 존재한다는 조건하에, 5~80 중량%의 H₂O, 10~70 중량%의 H₃PO₄, 25 중량% 이하의 알칼리 금속 모노-, 디- 또는 트리-베이직 인산염, 2 중량% 이하의 B₂O₃ 및 25 중량% 이하의 MnHPO₄·1.6H₂O, 80 중량% 이하의 AlPO₄ 및 10 중량% 이하의 Zn₃(PO₄)₂를 포함하는 침투제 용액으로 구성될 것이다.

본 발명에 의할 경우, 언더코팅된 성분은 약 1~10 mil의 두께를 가지는 보론-함유 글래스 오버코팅에 의해 커버된다.

본 발명의 오버코팅은, 고체 성분으로, 20~50 중량%(바람직하게는 35~50 중량%)의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3~25 중량%(바람직하게는 4~20 중량%)의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하(바람직하게는 1~6 중량%)의 보론 나이트라이드 및 5~40 중량%의 엘리멘탈 보론과 5~40 중량%의 보론 카바이드(바람직하게는 25~40 중량%의 엘리멘탈 보론) 중 하나 혹은 양쪽 모두를 포함한다. 본 발명에 의할 경우, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅은 실질적으로 인산 및 인산염이 들어있지 않다.

본 발명의 물품 측면에서의 특히 바람직한 구현에 있어서, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅은 40 중량%의 알칼리 금속 실리케이트, 19 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 3 중량% 보론 나이트라이드 및 38 중량%의 엘리멘탈 보론을 포함한다.

본 발명의 다른 구현은 코팅된 물품에서 습기 저항성을 향상시키는 방법이다. 상기 코팅된 물품은 카본-카본 복합물 성분, 그라파이트 성분 혹은 카본 화이버 및/또는 그라파이트를 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 포함할 것이다. 상기 방법은, 상기 성분을 약 1~10 mil의 두께를 가진 포스포러스-함유 언더코팅으로 커버하는 것을 포함하고, 상기 언더코팅은 MnHPO₄·1.6H₂O, AlPO₄ 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나가 존재한다는 조건하에, 5~80 중량%의 H₂O, 10~70 중량%의 H₃PO₄, 25 중량% 이하의 알칼리 금속 모노-, 디- 또는 트리-베이직 인산염, 2 중량% 이하의 B₂O₃ 및 25 중량% 이하의 MnHPO₄·1.6H₂O, 80 중량% 이하의 AlPO₄ 및 10 중량% 이하의 Zn₃(PO₄)₂를 포함한다. 그리고나서, 그 결과로 얻어지는 언더코팅된 성분을 약 1~10 mil의 두께를 가진 보론-함유 글래스 오버코팅으로 커버하는데, 상기 오버코팅은 20~50 중량%의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3~25 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하의 보론 나이트라이드 및 5~40 중량%의 엘리멘탈 보론과 5~40 중량%의 보론 카바이드 중의 하나 혹은 양쪽 모두를 포함하며, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅은 실질적으로 인산 및 인산염이 들어있지 않다는 것으로 이해된다. 이러한 방법에서, 상기 언더코팅은 250~900℃의 온도에서 어닐링되어 카본 복합물이 되며, 상기 글래스 오버코팅은 적어도 1시간동안 상온(ambient temperature)로 상기 언더코팅 위에서 건조될 것이다.

본 발명은, 2-레이어 항-산화제 시스템으로 코팅된 카본 화이버 혹은 C-C 복합물 컴퍼넌트에 의하여 구체화된다. 더 나은 이해를 위하여, 코팅된 카본 화이버 혹은 C-C 물품 성분이 19에 일반적으로 표시되어 있는 도1에 주목한다. 성분 10은 보호 언더코팅 11(포스포러스-함유 글래스)에 의해 덮여지고 상기 언더코팅 11은 보호 오버코팅(보론, 실리케이트 및 하이드로옥사이드를 함유하는 글래스)에 의해 덮여진다.

성분(Component) 10

첫번째 유동화 글래스 포뮬레이션(formulation)화가 C-C 복합물 컴퍼넌트에 적용되기 전에, 상기 성분은 원하여지는 거의 모든 형태로 만들어질 것이다. 본 발명은 항공기 랜딩 시스템 브레이크 디스크인 C-C 복합물 컴퍼넌트에 특히 유용하다.

카본-카본 복합물들은 일반적으로 카본 프리폼(preforms)들로부터 조제된다. 카본 프리폼들은, 예를 들어 기-산화된(pre-oxidized) 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)의 화이버들로부터 형성된, 탄소 화이버들로 구성된다. 이들 화이버들은 서로 층상으로 쌓아올려져 마찰 브레이크 디스크와 같은 형태를 형성할 수 있는데, 그리고나서 그 형태들은 가열되고 메탄 혹은 다른 열분해가 가능한 카본 소스가 스며들어 C-C 복합물을 형성한다. 카본-카본 복합물들은 일반적으로 1.6 g/cm³에서 2.0 g/cm³의 범위의 밀도를 갖는 본 발명에 있어서 유용하다. C-C 복합물들을 제조하는 방법들은 본 발명의 기술분야에 잘 알려져 있다. 이 분야에서 좋은 참고자료는: Buckley et al., Carbon-Carbon Materials and Composites, Noyes Publications, 1993 이다. 상기 저서의 전체 컨텐츠들은 이로써 참고자료에 의해 명백히 구현되었다.

오직 일러스트레이션의 목적에서, 상기 C-C 복합물 컴퍼넌트 10은 하네스 새틴 위브(harness satin weave)에서 피치-베이스의 Amoco P30X 카본 화이버 토우(tows)의 우븐 패브릭 패인(woven fabric panes)으로부터, 혹은 플레인 위브(plain weave)에서 피치-베이스의 Nippon XNC25로부터 만들어질 것이다. 상기 토우들은, 에폭시 노볼락(epoxy Novolac)과 같은 수 중량%의 카본-함유 레진에 의해 경화된다. 상기 물질은 그리고나서 800~1000℃의 범위에서 카보나이즈되고 카본 CVD에 의해 밀도가 증가된다. 그 결과 물질은 그리고나서 1600~2600℃ 온도 범위의 비활성 기체에서 어닐링된다. 상기 프로세스는, 산화에 대해 적절히 보호될 때 고온 환경에서 사용하는데 적합한 C-C 복합물 컴퍼넌트를 생성한다. 본 발명의 산화 방지 코팅 시스템은 C-C 복합물 컴퍼넌트들이 어떻게 만들어지는지에 관계없이 적용이 가능하는 것이 이해된다.

언더코팅 11

상기 C-C 컴퍼넌트는 10은 액체 침투제 용액에 수분간 적셔지거나 담궈진다. 본 발명에 의한 언더코팅 레이어를 적용하는 용도로 바람직한 전구체들은 인산-기반의 침투제 염 용액들이며, 이것들은 미국 특허 6,455,159호에 상세히 개시되어 있고, 상기 전체 명세는 이로써 참고자료에 의해 명백히 구체화되었다. 본 명세서에서 언더코팅을 형성하는데 사용될 수 있는 일반적인 침투제 염 용액은 5 ~ 80 중량%의 H₂O, 10 ~ 70 중량%의 H₃PO₄, 25 중량% 이하의 알칼리 금속 모노-, 디- 혹은 트리-베이직 포스페이트(phosphate) 및 2 중량% 이하의 B₂O₃를 함유할 수 있다. 일반적인 침투제 염 용액은 적어도 하나의 MnHPO₄, AlPO₄ 및 Zn₃(PO₄)₂를 각각 중량%로 25 중량%이하, 30 중량% 이하 및 10 중량% 이하를 역시 포함할 것이다.

본 발명에 의할 때, 카본-카본 복합물 혹은 그래피틱(graphitic) 물질의 표면은 침투제 용액을 페인팅, 적심(dipping) 혹은 다른 종래의 적용 기술에 의하여 처리된다. 이어서 표면-처리된 물질은 250 ~ 900℃의 범위의 온도에서 경화된다. 일반적으로, 상기 표면은 침투제 용액의 하나에서 세개의 코팅들에 의해 처라되고, 피크 온도는 일반적으로 1시간에서 6시간동안 유지된다.

오버코팅 12

언더코팅 11을 가지는 상기 복합물 성분 10은 오버코팅 12로 언더코팅된 성분을 커버하기 위하여 유동화된 글래스 전구체에 담그거나 배스(bath)된다. 본 발명에 의할 때, 상기 오버코팅 12는 20 ~ 50 중량%의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3 ~ 20 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하의 보론 나이트라이드 및 하나 혹은 두개의 5 ~ 40 중량% 엘리멘탈 보론(elemental boron) 및 5 ~ 40 중량%의 보론 카바이드를 포함할 것이다. 나아가, 본 발명에서 상기 글래스 오버코팅 12는 인산 및 포스페이트(phosphates)를 실질적으로 포함하지 않을 것이다. 본 명세서에서 "실질적으로 들어있지 않다"는 표현은 오버코팅이 인산 혹은 포스페이트의 존재하에서도 그 조성 내에서 그것의 항산화 효과에 의존하지 않는다는 것을 의미한다.

고체 글래스 언더코팅 11을 가진 C-C 컴퍼넌트 10은 유동화된 보론 함유 글래스의 액체 배스 전구체에 수분간 담궈지거나 적셔진다. 상기 액체 전구체는 약 20 ~ 90℃의 온도 범위에서 유지된다. 상기 성분 10은 웨팅 특성들과 코팅의 균일성을 향상시키기 위하여 액체 전구체에 관하여 순환될 것이다.

상기 유동화 보론-실리케이트-하이드로옥사이드-함유 글래스 코팅은, 고체 글래스 코팅 11에 의해 원하지 않는 C-C 컴퍼넌트의 산화를 막아주는 보호 장벽을 코팅 및 형성해주는 고체 글래스 코팅 12로 완전하게 변환된다. 다시 말하면, 이 단계에서, 상기 복합물 성분 10은 영구히 유동화 글래스 보호 코팅 시스템(11, 12)에 의해 코팅된다. 상기 코팅 시스템(11, 12)는 C-C 컴퍼넌트에 미리 존재할 어떠한 크랙들에 대한 적어도 일부의 실링에 의해 적어도 몇몇 플로잉을 가능하게 해주는 글래스 물질들을 포함한다.

변화성(Variability)

글래스 물질 11 및 12의 특성들은 온도 범위 이상으로 맞춰진다. 그리고/또는, 코팅 시스템(11, 12) 어떤 것에 대한 산화 촉매들은 복합물 성분 10을 해를 끼치는 산화로부터 보호하도록 디자인된다. 마찬가지로, 성분 10에 가해진 글래스 코팅의 두께 및 개수는 코팅을 가하는 방법 및 코팅된 물품 19에 대한 계획된 용도에 달려 있다. 만일 코팅된 물품이 유지되는 혹은 반복되는 고온에 노출되면, 다수의 분리된 서브-레이어들이 언더코팅 11 및/또는 오버코팅 12를 보완하기 위하여 가해질 것이다. 상기 항산화제 코팅 시스템은 항공기 착륙 시스템 브레이크 디스크를 포함하며 이에 한정되지 않고, 카본 화이버 혹은 카본-카본 복합물 물품들의 폭넓은 변형에 사용될 것이다.

도1은 본 발명에 의한 코팅 시스템을 갖는 카본 화이버 혹은 C-C 기질의 도식적인 도면이다.

습기 저항성

본 발명은, 보론-베이스 오버코팅들에서 실리케이트-함유 바인더들의 사용에 의하여 강화된 습기 저항력을 가진 카본-카본 브레이크 물질과 같은 것들을 제공한다.

오버코팅 포뮬레이션들은 다음의 성분들(g의 중량)을 갖도록 조제되었다. 아래의 모든 경우에 있어서, 사용된 바인더는 Cerama-Bind 830 바인더 용액이었으며, KOH는 포타슘 하이드로옥사이드를 말한다. Cerama-Bind 830은 New York Valley Cottage의 Aremco Products,Inc 으로부터 구입 가능한 실리케이트 바인더 용액이다. Cerama-Bind 830은 11.4의 pH 및 25 중량%의 고체 함량을 갖는다.

성분	#1*	#2*	#3*	#4	#5	#6*	#7*	#8*	#9	#10	#11*	#12	#13	#14	#15*	#16	#17	#18	#9A*	#21
보론	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
보론나이트라이드						0.92	0.92	0.92	0.92	0.92					0.92	0.92	0.92	0.92	0.92	0.92
바인더	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	25	40
KOH		0.1	1	5	10		0.1	1	5	10	1.5	2	3	4	1.5	2	3	4		4
증류수																			10	10

* 이들 포뮬레이션들은, 이들 모두는 3 중량% 미만의 포타슘 하이드로옥사이드를 포함하는, 본 발명의 일부분을 포함하지 않는다. 이들 포뮬레이션들은 비교 목적으로 본 명세서에 포함되었다.

상기된 포뮬레이션들 각각은 포스포러스-기반의 항-산화 언더코팅으로 먼저 코팅된 카본-카본 복합물 위에 오버코팅됨으로써 적용된다.

상기된 포뮬레이션들 각각은, C-C 복합물 위에 지시된대로 코팅되어, 가시도(visibility) 테스트에서 테스트되었다. 상기 가시도 테스트는, 경화 혹은 건조 프로세스 중에 몇몇 포뮬레이션들에 의해 관찰되는 "머드 크랙킹(mud cracking)" 효과를 견디기 위한 항-산화 오버코팅의 능력을 조사하였다. "우수" 등급은 광학 현미경으로 시편이 검사될 때, 머드 크랙킹이 관찰되지 않는 것을 지시한다. "불량" 등급은 광학 현미경으로 시편이 검사될 때 크랙들이 관찰되는 것을 지시한다.

#1*

#2*

#3*

#4

#5

#6*

#7*

#8*

#9

#10

#11*

#12

#13

#14

#15*

#16

#17

#18

#9A*

#21

가시도 등급

불량

우수

불량

우수

불량

우수

불량

우수

불량

우수

상기 레포트에서 보여지듯이, 본 발명의 신규한 포뮬레이션들은 일반적으로 "우수"한 결과들을 제공하고 비교 포뮬레이션들은 일반적으로 "불량" 결과들을 제공한다. 본 발명의 몇몇 조성들(#12, #13)이, 이하에 존재하는 데이터로부터 보여지듯이, "머드 크랙킹"에서 최적의 가시도 결과들을 제공하지 못하는 반면, 그들의 산화 및 습기 저항성 면에서의 성능은 여전히 매우 좋았다.

위에서 지적하였듯이 C-C 복합물에 코팅된 몇몇 상기 포뮬레이션들은, 습기 저항성 테스트에서 테스트되었다. 상기 습기 저항성 테스트는, 손가락 혹은 천으로 강타된 항산화 오버코팅에 의해 표면이 코팅되었을 때, 항-산화 오버코팅이 오염되는 것에 대한 저항 능력을 조사했다. 상기 테스트들은 10일간 습기 챔버(95% 습도, 84℉)에 유지되어 코팅된 카본-카본 복합물 구획에서 수행되었다. 하기 등급 시스템은 오버코팅 포뮬레이션에 의해 나타나는 습기에 대한 저항성을 평가하는데 사용되었다.

- "1" = 불량한 저항성; 손가락 혹은 천에 의해 강타된 때 오염

- "2" = 우수한 저항성; 강타된 후 손가락 혹은 천 위에서 극소량의 물질이 관찰

- "3" = 매우 우수한 저항성; 오염되지 않음

#1*

#2*

#3*

#4

#5

#6*

#7*

#8*

#9

#10

#11*

#12

#13

#14

#15*

#16

#17

#18

#9A*

#21

습기 등급

측정×

2

1

측정×

2

1

3

2

1

2

3

1

2

상기 리포트에서 보여지듯이, 본 발명의 신규한 포뮬레이션들은 일반적으로 우수한 또는 매우 우수한 결과들을 제공하며, 비교 포뮬레이션들은 일반적으로 불량한 결과들을 제공했다.

산화의 중량 손실(Oxidative Weight Loss)

본 발명의 #17 및 #18 포뮬레이션들은 포스포러스-기반의 항-산화 언더코팅들을 가지는 카본-카본 복합물들에 오버코팅됨으로서 사용되었다. 본 실시예에서,하기 P13K(-50) 및 P39에서 언급된, 상기 언더코팅들은 인산 및 인산염을 함유하는 항산화 조성물들이었다. P13K(-50)은 51.27 중량%의 인산(85% 수용액), 14.17 중량%의 모노알루미늄 인산염(50% 수용액), 12.41 중량%의 증류수, 3.56 중량%의 아연(zinc) 인산염, 2.96 중량%의 망간 인산염, 1.63 중량%의 붕산(boric acid) 및 12.23 중량%의 포타슘 디하이드로겐 인산염이다. P39는 11.08 중량%의 인산(85% 수용액), 66.76 중량% 모노알루미늄 인산염(50% 수용액), 8.08 중량%의 증류수, 2.58 중량%의 망간 인산염, 0.8 중량%의 보릭 안하이드라이드(boric anhydride) 및 10.7 중량% 포타슘 디하이드로겐 인산염이다. 상기 오버코팅된 C-C 복합물들은 6시간 이상의 시간동안 1시간당 3 ft³의 공기 유량으로 1600℉에서 가열됨으로써 산화 중량 손실이 테스트되었고, 하기의 결과를 얻었다.

	언더코팅/오버코팅	제조됨에 따른 중량(g)	산화 이후의 중량(g)	중량 손실(%)
1	P13K(-50)/#17	20.8836	20.7704	0.54
2	P13K(-50)/#17	20.8139	20.8183	(0.02)
3	P13K(-50)/#17	20.9163	20.8681	0.23
4	P13K(-50)/#17	20.6344	20.6384	(0.02)
5	P13K(-50)/#17	20.6322	20.6519	(0.10)
6	P13K(-50)/#17	20.7957	20.7721	0.11
7	P13K(-50)/#17	20.7137	20.7391	(0.12)
8	P13K(-50)/#17	20.8348	20.8778	(0.21)
9	P13K(-50)/#17	20.7272	20.7354	(0.04)
10	P13K(-50)/#17	20.9431	20.9645	(0.10)
평균		20.7895	20.7836	0.03

	언더코팅/오버코팅	제조됨에 따른 중량(g)	산화 이후의 중량(g)	중량 손실(%)
1	P13K(-50)/#18	20.6496	20.6600	(0.05)
2	P13K(-50)/#18	20.7909	20.7827	0.04
3	P13K(-50)/#18	20.8758	20.7591	0.56
4	P13K(-50)/#18	20.6188	20.4855	0.65
5	P13K(-50)/#18	20.7341	20.6790	0.27
6	P13K(-50)/#18	20.9985	20.9661	0.15
7	P13K(-50)/#18	21.1190	20.1359	(0.08)
8	P13K(-50)/#18	20.9577	20.9162	0.20
9	P13K(-50)/#18	20.9008	20.8573	0.21
10	P13K(-50)/#18	20.8276	20.7877	0.19
평균		20.8473	20.8030	0.21

	언더코팅/오버코팅	제조됨에 따른 중량(g)	산화 이후의 중량(g)	중량 손실(%)
1	P39/#17	20.4855	20.5097	(0.12)
2	P39/#17	20.7300	20.7624	(0.16)
3	P39/#17	20.4841	20.5239	(0.19)
4	P39/#17	20.7053	20.7072	(0.01)
5	P39/#17	20.5505	20.3700	0.88
6	P39/#17	20.6222	20.6225	0.00
7	P39/#17	20.4038	20.4353	(0.15)
8	P39/#17	20.5815	20.6121	(0.15)
9	P39/#17	20.9072	20.9412	(0.16)
10	P39/#17	20.6681	20.6855	(0.08)
평균		20.6138	20.6170	(0.02)

	언더코팅/오버코팅	제조됨에 따른 중량(g)	산화 이후의 중량(g)	중량 손실(%)
1	P39/#18	20.1782	20.2095	(0.16)
2	P39/#18	19.9074	19.9499	(0.21)
3	P39/#18	20.5795	20.6127	(0.16)
4	P39/#18	20.7570	20.7383	0.09
5	P39/#18	20.5825	20.5433	0.19
6	P39/#18	20.3384	20.3767	(0.19)
7	P39/#18	21.7465	20.7617	(0.07)
8	P39/#18	20.8360	20.8698	(0.16)
9	P39/#18	20.5003	20.5141	(0.07)
10	P39/#18	20.5862	20.6089	(0.11)
평균		20.5012	20.5185	(0.09)

다수의 "중량 손실" 계산들이 위에서와 같이 음수로 리포트된 점에 주목해야 한다. 그러한 경우들에 있어서, 상기 코팅된 C-C 복합물은 실제로 산화 테스트동안 중량을 획득했다.

P13K(-50) 언더코팅 및 포뮬레이션 #6 오버코팅을 이용하여 촉매 산화 저항성 테스트가 다음의 조건에서 수행되었다. 코팅된 시편들은 포타슘 아세테이트 용액에 30분간 담궜다가 최소 8시간 동안 80℃에서 건조되었다. 그것들은 그리고나서 3 SCFH의 공기 유속에서 24시간 동안 1200℉의 온도로 산화되었다. 다음의 결과들이 얻어졌다:

	언더코팅/오버코팅	제조됨에 따른 중량(g)	산화 이후의 중량(g)	중량 손실(%)
1	P13K(-50)/#6	20.7734	20.5908	0.88
2	P13K(-50)/#6	20.7286	20.4931	1.14
3	P13K(-50)/#6	20.7386	20.6312	0.49
4	P13K(-50)/#6	20.6880	21.5420	0.71
5	P13K(-50)/#6	21.2424	21.2164	0.12
6	P13K(-50)/#6	21.0690	21.0095	0.28
7	P13K(-50)/#6	20.7900	20.7256	0.31
8	P13K(-50)/#6	21.1210	21.0918	0.14
9	P13K(-50)/#6	20.9741	20.9204	0.26
10	P13K(-50)/#6	21.0940	20.8233	1.28
평균		20.9213	20.8044	0.56

상술한 결과들은 본 발명의 코팅된 포뮬레이션들이 산화에 의한 초과 중량 손실의 발생없이 사용될 수 있다는 (그리고 본 발명의 포뮬레이션으로 코팅된 몇몇 경우에 있어서는 실제로 산화에 의해 중량을 얻는다는) 증거를 제공한다.

Claims

카본-카본 복합물 성분(10), 그라파이트(graphite) 성분(10) 또는 카본 화이버 및/또는 그라파이트(10)를 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 포함하는 코팅된 물품(19)으로서, 상기 성분은

약 1~10 mil 두께를 갖는 포스포러스-함유 항산화 언더코팅(11)에 의해 커버되고, 상기 언더코팅은

약 1~10 mil 두께를 갖는 보론-함유 글래스 오버코팅(12)에 의해 커버되며, 상기 오버코팅은 20~50 중량%의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3~25 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하의 보론 나이트라이드 및 5~40 중량%의 엘리멘탈 보론(elemental boron) 및 5~40 중량%의 보론 카바이드 중 하나 혹은 양쪽 모두를 포함하고, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅에는 실질적으로 인산 및 인산염이 들어있지 않은 코팅된 물품.
제1항에 있어서, 항공기 착륙 시스템 브레이크 디스크로 형성된 것을 특징으로 하는 물품.
제1항에 있어서, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅(12)은 35~50 중량%, 바람 직하게는 40 중량%의 알칼리 금속 실리케이트; 4~20 중량%, 바람직하게는 19 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드; 1~6 중량%, 바람직하게는 3 중량%의 보론 나이트라이드 및 25~40 중량%, 바람직하게는 38 중량%의 엘리멘탈 보론을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
제1항에 있어서, 상기 포스포러스-함유 항산화제 언더코팅(11)은 5~80 중량%의 H₂O, 10~70 중량%의 H₃PO₄, 25 중량% 이하의 알칼리 금속 모노-, 디- 또는 트리-베이직 인산염, 2 중량% 이하의 B₂O₃ 및 각각 중량%로 25 중량% 이하, 30 중량% 이하 및 10 중량% 이하의 MnHPO₄·1.6H₂O, AlPO₄ 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나를 함유하는 침투제 염 용액으로 형성된 것을 특징으로 하는 물품.
제1항에 있어서, 상기 언더코팅(11)은 250~900℃의 온도 범위에서 카본 복합물로 어닐링 되고, 상기 오버코팅(12)는 적어도 1시간 동안 상온에서 상기 언더코팅(11) 위에서 건조되는 것을 특징으로 하는 물품.
(a) 카본-카본 복합물 성분(10), 그라파이트 성분(10), 또는 카본 화이버 및 /또는 그라파이트(10)을 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 제공하는 단계;

(b) 상기 성분(10)을 약 1~10 mil의 두께를 갖는 포스포러스-함유 항산화제 언더코팅(11)으로 커버하는 단계; 및

(c) 그 결과로 얻어지는 상기 언더코팅된 성분(10, 11)을 약 1~10 mil의 두께를 갖는 보론-함유 글래스 오버코팅(12)으로 커버하는 단계로서, 상기 오버코팅은 20~50 중량%의 알칼리 혹은 알칼리 토금속 실리케이트, 3~25 중량%의 알칼리 금속 하이드로옥사이드, 10 중량% 이하의 보론 나이트라이드 및 5~40 중량%의 엘리멘탈 보론(elemental boron) 및 5~40 중량%의 보론 카바이드 중의 하나 혹은 양쪽 모두를 포함하며, 상기 보론-함유 글래스 오버코팅에는 실질적으로 인산 및 인산염이 들어있지 않는 단계;

를 포함하는 카본-카본 복합물 성분(10), 그라파이트 성분(10) 또는 카본 화이버 및/또는 그라파이트(10)을 기본으로 하는 세라믹 매트릭스 복합물 성분을 포함하는 코팅된 물품(19)에서 습기 저항성을 향상시키는 방법.
제6항의 방법에 있어서, 상기 성분(10)은 항공기 착륙 시스템 브레이크 디스크로 형성됨을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 포스포러스-함유 항산화제 언더코팅(11)은 5~80 중량%의 H₂O, 10~70 중량%의 H₃PO₄, 25 중량% 이하의 알칼리 금속 모노-, 디- 혹은 트리-베이직 인산염, 2 중량% 이하의 B₂O₃, 및 중량%로 각각 25 중량% 이하, 30 중량% 이하 및 10 중량% 이하의 MnHPO₄·1.6H₂O, AlPO₄ 및 Zn₃(PO₄)₂ 중 적어도 하나를 함유하는 침투제 염 용액으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항의 방법에 있어서, 단계 (b)에서 상기 언더코팅(11)은 250~900℃의 온도 범위에서 카본 복합물(10)으로 어닐링되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항의 방법에 있어서, 단계 (c)에서 상기 오버코팅(12)은 적어도 1시간 동안 상온에서 상기 언더코팅(11) 위에서 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.