KR20090056896A - 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소섬유로 제조된 응집성 섬유 예비성형체는 예비성형체의 적어도 제1면에 형성된 구멍을 구비하고, 예비성형체는 화학기상침착 공정을 수단으로 하여 매트릭스로 이루어진 재료를 적재시켜 치밀화된다. 구멍들은 다수의 비회전식 길이연장된 공구로 동시에 천공하여 형성되되, 공구는 실제로 상호 평행하고 인접해 있는 섬유를 파쇄 및/또는 전이하기에 적합한 면에 거칠기 또는 양각 부분을 갖추고, 공구는 공구를 운반하는 지지부로 이동되어 동시에 천공하며, 공구는 50㎛ ~ 500㎛ 범위에 있는 단면 평균 크기를 갖는 탄소섬유 예비성형체 구멍을 얻을 수 있는 단면을 갖도록 선택된다.

Description

탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법 {A method of fabricating carbon fiber reinforced composite material parts}
본 발명은 적어도 부분적으로는 화학기상침착(이하 CVI) 타입의 공정에 의해 제조된 매트릭스로 치밀화되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품들의 제조에 관한 것이다.
본 발명의 특별하지만 이에 한정되는 것은 아닌 응용으로는 탄소/탄소(C/C) 복합재료에서 브레이크 디스크를 제조하는 것이 있는데, 특히 공통축 상에서 교번하는 스테이터(stator)와 로터(rotor) 디스크의 어셈블리를 구비하는 항공기 브레이크용의 브레이크 디스크를 제조하는 것이다. 그러나 본 발명은 다른 C/C 복합재료 부품을 제조하는 것 및 다른 탄소섬유 강화 복합재료에서 부품을 제조하는 것에 적용가능하며, 특히 세라믹 매트릭스 복합(CMC) 재료 또는 탄소와 세라믹으로 된 매트릭스를 갖는 복합재료들에서 부품을 제조하는 것에 적용가능하다.
CVI 타입의 공정을 사용하여 섬유 기질(substrate) 등의 다공성 기질들을 치밀화하는 것이 잘 알려져 있다.
종래의 CVI 공정에 있어서, 치밀화를 위한 기질들은 오븐 내에 위치된다. 하 나 이상의 가스성분들의 분해에 의해 또는 결정된 조건들 특히 온도와 압력을 받는 복수의 성분들 사이에서 반응에 의해 기질들의 기공들 내에 매트릭스를 구성하는 재료를 적층하기 위하여 반응가스가 오븐 내로 인입된다.
CVI 타입의 공정들에 있어서 주된 어려움은 그 전체 체적에 걸쳐서 가능한 한 균일한 성질들을 갖는 부품들을 얻기 위하여 기질들 내에서 치밀화 그라디언트(gradient)를 최소화하는 것이다.
매트릭스가 적층되는 동안, 반응가스가 먼저 접촉하는 부분들인 기질의 표면부에 우선적으로 형성되는 경향이 있다. 이에 의해 기질의 코어(core)로 확산해 가는 가스의 공핍과 그리고 또한 기질의 표면부에서 기공들의 조기 막힘을 초래하여, 코어로 가스가 확산하는 능력이 점차 줄어든다. 따라서, 치밀화 그라디언트는 기질의 표면부와 코어 사이에서 확립된다.
이 때문에 실무상으로 특히 두꺼운 부품들을 제조할 때에 어느 정도의 치밀화가 이루어지면 공정을 중단하고 부분적으로 치밀화된 기질을 꺼내어 표면의 기공들을 다시 개방하기 위하여 "스칼핑(scalping)"이라 부르는 작업에서 그 표면들을 기계가공하는 것이 필요하다. 이에 따라 반응가스가 기질들의 코어로 더 용이하게 확산 접근할 수 있는 상태에서 치밀화가 계속 진행될 수 있다. 예로서, 브레이크 디스크를 제조할 때, 중간에 스칼핑 작업을 가진 적어도 2개의 CVI 치밀화 사이클(사이클 I1과 I2)을 수행하는 것이 실무상 일반적이다. 그럼에도 불구하고 실제로는 최종적으로 얻어진 부품들에서 치밀화 그라디언트가 관찰된다.
치밀화 그라디언트가 생성되는 것을 피하고 그리고 스칼핑 작업을 가능하면 피하기 위하여, 예컨대 불균일한 방식으로 기질을 가열하여 온도 그라디언트를 사용하는 CVI 치밀화 방법을 구현하는 것이 실제로 알려져 있다. 서셉터와 그리고 치밀화를 위한 하나 이상의 고리형상 기질들 사이의 직접 커플링에 의한 불균일 가열이 미국특허 제5,846,611호와 유럽특허 제0946461호에 기재되어 있다. 가스에 그다지 용이하게 접근할 수 없는 기질의 영역에서의 매트릭스 적층은 기질의 다른 부분의 온도보다 더 높은 온도로 이 영역을 상승시킴으로써 촉진된다. 그럼에도 불구하고, 이 기술은 일정한 형상의 기질로 제한되며 그리고 일정한 배치로 오븐 내에 적재되는 기질에 제한된다.
미국특허 제5,405,560호는 그 마주보는 면들 사이에서 예비성형체를 통해 뻗어있는 구멍의 형태로 통로를 제공함으로써 C/C 복합재료 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체에 의해 구성되는 기질의 코어로의 반응가스의 접근을 촉진시키는 것을 제안한다. 이 경우 구멍들은 예비성형체를 손상시키지 않고 예비성형체의 섬유를 밀어젖히는 바늘을 삽입함으로써 제공된다. CVI 치밀화 동안에, 이 구멍들은 가스에 대하여 예비성형체의 중앙부분에 도달하기 위한 더 짧은 통로를 제공한다. 특허문헌 FR 2616779는 부분적으로 섬유를 파괴하는 가압 유체에 의해 구멍들을 형성할 가능성을 언급하고 있지만, 섬유들의 손상을 피할 것을 권하고 있다.
대조적으로, 문헌 WO 2006/129040호는 특히 구멍의 벽에 섬유들을 위한 실질적으로 변경되지 않은 배치를 보존할 목적으로 섬유들을 파괴시켜서 재료를 제거함으로써 예컨대 고압의 물 제트를 사용하여 가공하거나 또는 기계가공함으로써 섬유 기질에 구멍을 형성하는 것을 제안하고 있다. CVI 타입 공정에 의해 이러한 기질을 치밀화하는 것은 사실상 균일하다는 것이 밝혀졌는데, 치밀화 그라디언트가 감소되는 정도는 문헌 US 5,405,560호의 방법보다 더 좋다.
본 출원인에 의해 수행된 테스트에 의하면 섬유기질이 치밀화 그라디언트를 줄일 목적으로 천공되는 효과는 기질의 개방영역, 즉 구멍들이 개방하는 기질의 면을 고려할 때 상기 면의 전체 영역에 비해 구멍들에 의해 차지되는 영역의 비율과 관련된다는 것을 보여준다. 더 정확하게는 개방영역의 증가는 치밀화 그라디언트의 감소를 가져온다.
구멍이 개방하는 기질의 면에서의 주어진 구멍밀도에 대하여, 즉 단위면적당 주어진 구멍의 개수에 대하여, 개방영역의 증가는 구멍의 단면을 증가시켜 얻어질 수 있다.
일정한 문턱치를 넘어서 구멍의 단면적을 증가시키는 것은 단점을 보여준다. 그 결과로 복합재료가 균일해 지지 않는다. 그리고 적어도 일정한 응용에 있어서, 기질 치밀화 동안 닫히지 않는 구멍들의 존재에 의해 결과로서 생기는 부품의 성질을 변경시킨다. 따라서, 브레이크 디스크에 대하여, 본 출원인에 의해 수행된 테스트들에 의하면 일정한 문턱치 이상에서는 복합재료의 막히지 않은 구멍들의 존재에 의해 복합재료의 상당히 큰 마모를 가져온다는 것을 보여준다. 이는 브레이크 디스크가 다른 디스크에 문질러지는 동안 구멍들의 에지에 대해 작용하는 것에 의해 설명될 수 있다. 치밀화후 구멍을 막는 것을 생각해 볼 수 있다. 이렇게 하는 것이 0.5 내지 5 mmm 범위의 직경을 갖는 구멍을 형성하는 것을 추천하는 것이 상술한 문헌 US 5,405,560호에 언급되어 있다. 구멍을 막는 것은 추가 작업을 요구하는데, 이는 제조원가를 증가시키며 재료가 실질적으로 불균일해지는 것을 방지하지 않는다.
구멍의 밀도, 즉 구멍의 개수를 증가시켜서 개방영역을 증가시키면 비교적 작은 단면을 갖는 구멍들을 많이 형성하는 것에 문제가 발생한다. 본 출원인은 그라디언트 감소에 있어서 그리고 따라서 치밀화의 지속기간 감소에 있어서 의미있는 결과를 얻기 위하여, 반면에 구멍이 없는 기질로부터 제조된 비행기 브레이크 디스크의 마모에 유사하게 마모를 보장하기 위하여, 직경이 20인치인 디스크 표면에 1000개 이상의 구멍을 형성하는 것이 필요하다. 치밀화동안의 절약과 구멍을 형성하기 위하여 제조원가를 증가시키는 것 사이의 상당한 균형을 얻고자 한다면 US 5405560호와 WO 2006/129040호에 설명된 기술을 사용하는 것을 생각하기 어렵다.
본 발명의 목적은 적어도 부분적으로 CVI 타입의 공정을 수단으로 매트릭스로 치밀화되는 탄소섬유 강화를 갖춘 복합재료 부품을 제조하는 방법을 포함하는데, 이 방법은 제조비용의 현저한 증가없이 치밀화 그라디언트를 줄일 수 있도록 한다.
본 목적은, 예비성형체의 적어도 제1면에 형성된 구멍을 갖는 탄소섬유의 응집성 섬유 예비성형체를 만드는 단계와;
매트릭스를 구성하는 재료를 적층하여 화학기상침착 타입의 공정으로 예비성형체를 치밀화하는 단계;를 포함하며,
구멍은 실제로 상호 평행하고, 인접해 있는 다수의 섬유를 파쇄하고 상기 예비성형체내 파쇄된 섬유를 이송하도록 적당한 면에 거칠기 또는 양각 부분을 갖춘 다수의 비회전 길이연장된 공구의 동시 천공으로 형성되며, 상기 공구의 동시 천공이 상기 공구를 운반하는 지지부를 이동시켜 이루어질 수 있고,
상기 공구는 50㎛ ~ 500㎛ 범위에 있는 단면 평균 크기를 갖는 구멍을 얻기 위해 탄소 섬유 예비성형체 내에서 가능한 단면을 제조하기 위해 선택된다.
방법은 서로 실제로 평행하게 뻗은 길이연장된 공구를 동시에 삽입하여 다수의 구멍을 만들 수 있도록 한다. 바람직하기로, 이러한 공구는 가시 바늘로 되어 있다. 다른 공구는 와이어 톱날 등으로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 뛰어난 양상은 섬유의 배치에도 불구하고 천공전에 이러한 배치에 대해서 구멍의 벽면을 따라 변형되되, 실시된 테스트는 치밀화의 견지에서 매우 훌륭한 결과를 얻고 있음을 보여주고 있다.
본 발명의 특징에 따라, 탄소섬유로 제조된 예비성형체는 0.25 구멍/cm2~ 16 구멍/cm2 범위에 있는 상기 제1면에서 측정된 평균 밀도로 구멍을 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 탄소섬유로 제조된 예비성형체는 상기 제1면의 총 면적 중 0.025% ~ 2% 범위에 있는 상기 제1면에서 측정된 개방영역을 구비한다.
바람직하기로, 공구는 예비성형체의 제1면과 이의 반대면 사이로 구멍과 평행하게 측정된 예비성형체의 적어도 절반 크기에 상응하는 거리 이상으로 천공한다.
탄소섬유로 제조된 섬유 예비성형체가 탄소-전구체 섬유에서 응집성 섬유 예비성형체를 준비하고 탄소-전구체를 탄소로 전이되게 섬유기질을 탄화하여 제조될 때, 구멍은 섬유기질을 탄화한 후에 또는 탄화하기 전에 형성된다. 만약 구멍이 미리 만들어져 있다면, 구멍의 바람직한 단면크기를 얻기 위해서 탄화 중에 수축을 고려할 필요가 있다.
탄소섬유로 제조된 섬유 예비성형체가 탄소섬유에서 직접 응집성 섬유기질을 준비하여 제조될 때, 섬유기질의 추가 탄화를 위한 열처리가 이어지는데, 구멍은 추가 열처리 전 또는 후에 섬유기질에 만들어진다. 구멍이 미리 만들어져 있다면, 추가 탄화 열처리가 현저하게 수축을 야기하지 않기 때문에 구멍의 바람직한 단면크기를 얻기 위해 수축을 고려할 필요가 없다.
본 발명의 특별한 실시예에서, 구멍은 섬유기질이 탄소-전구체 섬유 또는 탄소섬유로부터 제조되는 동안에 형성될 수 있다. 섬유기질을 제조하는 단계는 적재된 섬유 플라이를 함께 니들링(needling) 단계를 포함하는 경우, 구멍은 니들링에 사용될 바늘과 구멍을 형성하기 위해 필요한 공구를 공통지지부에 장착하여 니들링과 동시에 형성될 수 있다.
바람직하기로, 방법이 탄소/탄소 복합재료로 브레이크 디스크를 제조하기 위해 사용될 때, 화학기상침착으로 실행된 섬유의 치밀화는 치밀화가 끝나기 전에 어떠한 스칼핑이 실행되지 않고서도 얻어질 수 있다. 그러므로 방법은 예비성형체의 면에 다공성을 재개구하기 위해 하나 이상의 스칼핑 단계로 분리된 다수의 치밀화 사이클로 실행되지 않고서 브레이크 디스크용 복합재료를 위해 바람직한 밀도를 얻을 수 있도록 허여할 수 있다.
본 발명은 또한 전술된 방법으로 획득되었듯이 탄소섬유 강화 복합재료의 브레이크 디스크를 구비한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 적어도 부분적으로 CVI 타입의 공정을 수단으로 매트릭스로 치밀화되는 탄소섬유 강화를 갖춘 복합재료 부품을 제조하는 방법을 수단으로 제조비용의 현저한 증가없이 치밀화 그라디언트를 줄일 수 있도록 한다.
도 1의 방법의 제1단계(10)는 탄소섬유에서 응집성 3D(입체) 섬유기질을 형성하는 것을 포함한다.
3D 섬유기질이 어느 정도 유연성을 제공하지만 그 응집력을 잃어버리지 않고 처리될 수 있는 경우에 이를 이하 "응집성"이라 한다.
응집성 3D 섬유기질들을 형성하기 위한 여러 기술들이 잘 알려져 있다.
제직(weaving), 편성(knitting) 또는 입체 브레이딩(brading)에 의해 직접 3D 기질을 형성하는데 사용되는 얀(yarn)이나 토우 등의 단방향(1D) 섬유부재들을 가지고 시작하는 것이 가능하다.
직물(fabric), 니트(knit), 편평한 브레이드(braid), 얇은 펠트(felt), 서로 평행한 얀이나 토우로 이루어진 단방향 시트, 또는 다른 방향으로 중첩되고 니들링이나 꿰맴(stiching)에 의해 함께 결합된 단방향 시트들로 이루어진 실제로 다방향 시트 등의 2차원 섬유 직물(texture)로부터 시작하는 것도 가능하다. 이러한 2차원 섬유 직물로 이루어진 플라이들은 성형기 위에 걸쳐지거나 편평하게 중첩되며 니들링에 의해 꿰맴에 의해 또는 얀들을 플라이를 통해 끼워넣어 함께 결합되어 3D 섬유기질을 얻는다. 예로서, 문헌 US 5,792,715호는 브레이크 디스크를 위한 두꺼운 고리형상의 섬유 예비성형체를 형성하기 위하여 복합재료에서 3D 섬유기질을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는 다방향 시트로부터 절취된 플라이들이 서로에 대하여 중첩됨에 따라서 점진적으로 니들링에 의해 중첩되어 함께 결합된다.
섬유기질은 3D 섬유기질을 제조하는데 사용된 여러 가지 직물 작업들을 견디는데 더 적절할 수 있는 탄소-전구체 섬유들로부터 또는 탄소섬유로부터 제조될 수 있다. 이런 상황에서, 전구체는 섬유 기질이 형성된 후 열처리에 의해 탄소로 변형된다.
제조될 부품의 형상에 가까운 형상의 탄소섬유 예비성형체가 다음과 같이,
- 직접 탄소섬유로 이루어진 섬유기질의 형태로;
- 탄소섬유로 이루어진 섬유기질로부터 절취됨으로써;
- 직접 탄소-전구체 섬유들로 이루어진 섬유기질을 탄화시켜서;
- 탄소-전구체 섬유들로 이루어진 섬유기질의 탄화에 의해 그리고 이 탄화된 섬유기질을 절취함으로써; 얻어질 수 있다(단계 12).
- 탄소-전구체 섬유들로 이루어진 섬유기질로부터 예비성형체를 절취함으로써 그리고 예비성형체를 탄화시킴으로써;
첫번째 2가지 가능성에 있어서 그리고 공지된 방식으로, 섬유기질이 탄소섬유로부터 제조된 후, 고온열처리(HTHT)가 탄화되는 동안 도달할 수 있는 것보다 높은 온도에서 수행될 수 있어서 섬유들의 성질이 변경되고 그 안에 포함된 불순물들이 만약 존재한다면 제거된다.
복합재료에서 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체를 형성하기 위한 3D 섬유기질들의 경우, 예컨대 예비산화처리된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등의 탄소-전구체 섬유들로부터 3D 섬유기질을 제조하는 것이 관행이다. 탄소-섬유 브레이크-디스크 예비성형체들이 탄소-전구체 섬유들로 제조된 3D 섬유기질로부터 디스크 형상을 갖는 부분들을 절취하고 탄화시킴으로써 얻어지는데, 절취된 부분들의 크기는 얻어질 예비성형체의 크기의 함수 및 탄화처리 동안 일어나는 수축의 함수로서 결정된다.
도 1 방법의 다음 단계(14)는 CVI 타입의 공정을 이용하여 후속의 치밀화 단계 동안 반응가스가 예비성형체의 코어에 용이하게 접근하게 하기 위하여 탄소-섬유 예비성형체에 구멍을 형성하는 것을 포함한다.
변형예에서는, 예비성형체가 탄소섬유로 제조된 섬유기질로부터 절취됨으로써 얻어지는 경우 예비성형체를 절취하기 전에 구멍들이 기질에 형성될 수 있다.
그리고 섬유기질이 탄소섬유로부터 직접 얻어지는 경우는 구멍들이 임의의 추가 탄화처리 전 또는 후에 형성될 수 있다.
구멍들은, 서로 실질적으로 평행하게 뻗어있는 복수의 기다란 공구가 예비성형체의 면들 중 적어도 하나의 면을 동시에 관통하게 함으로써 형성되는데, 이 공구의 표면에는 대다수의 섬유들을 파괴시키기에 적절한 거칠음 또는 양각된 부분들이 제공되며 이 부분들은 공구가 예비성형체로 뚫고 들어가는 동안 예비성형체 내에서 파괴된 섬유들을 만나서 이송시킨다.
단면의 경우, 형성된 구멍의 크기는 바람직하게는 치밀화 단계 동안 매트릭스의 적층에 의해 조기에 닫히는 일없이 예비성형체의 코어로 반응가스가 접근하기에 충분할 만큼 크게 선택되며, 구멍들은 예비성형체의 더 큰 두께를 관통하는 경우 더 큰 단면적을 가질 수 있다.
그러나 치밀화 단계후 너무 큰 구멍들이 남아있지 않을 것을 보장하기 위하 여 구멍들의 크기는 제한된 채로 남아있어야 하는데, 너무 큰 구멍들은 제조될 부품의 작용을 변경시켜서 예컨대 브레이크 디스크를 제조하는 경우 매우 높은 조기 마모를 초래할 수 있다. 브레이크 디스크의 경우, 작은 단면을 갖는 잔존 구멍들의 존재는 이 작은 구멍들이 마찰에 의해 생성된 입자들에 의해 빠르게 막히는 한도 내에서 용납될 수 있다.
따라서 구멍들의 평균 단면 크기는 50 내지 500 ㎛ 범위에 있는 것이 바람직하다. 구멍들은 반드시 정규 원의 형태, 사용될 도구의 형상, 섬유의 방향 및, 공구가 관통하여 지나간 후에 최초 위치를 향하여 몇몇 섬유의 복귀 뿐만 아니라 정규 방식을 필요로 한다. 이는 고려중에 크기가 구멍 직경이 아니라 형성된 면에 구멍으로 점유된 영역을 측정하여 결정된 평균 단면 크기이고, 그런 다음에 동일한 면적을 나타내는 원의 직경을 계산한다.
또한, 구멍들 사이의 거리는 반응가스가 예비성형체 내에 모든 영역으로 용이하게 접근할 수 있도록 충분히 보장할 수 있는 작게 되어 있는 것이 중요한데, 만들어진 부품의 기계적 특성의 변화를 방지하고 부품이 브레이크 디스크일 경우 마찰의 변화를 방지하도록 과도하게 구멍의 갯수를 증대시키지 않도록 한다.
이는 구멍의 평균 밀도가 0.25 구멍/cm2에서 16 구멍/cm2의 범위에 있는 것이 바람직하며, 밀도는 구멍이 형성된 예비성형체의 각 면 상에서 측정된다.
또한, 바람직하게는, 전술된 이유로 인해, 0.025%~2% 사이에 있는 개방영역을 얻기 위해 이러한 방식으로 구멍을 형성하는 것이 바람직하며, 개방영역은 구멍 이 형성된 예비성형체의 각 면에 구멍으로 채워진 전체 영역의 일부이다.
도 2는 브레이크 디스크를 위한 예비성형체(20)에 구멍을 형성할 수 있는 장치를 도시한 것으로, 예비성형체는 탄소-전구체 섬유들로 제조된 3D 섬유기질을 절취하고 탄화되어 얻어진다.
예비성형체는 섬유기질을 절취하여 얻어진 고리형상의 예비성형체일 수 있다. 또한, 예비성형체의 구멍은 중심부가 절취되어 후속으로 제거된 완전한 디스크의 형태로 되어 있을 수 있어, 얻어진 브레이크 디스크의 형상과 근접한 고리형상을 갖는 치밀화된 예비성형체를 얻게 된다.
다수의 바늘(30)이 하나 이상의 열로 수직방향으로 뻗어 있고 바늘은 원형의 바늘판 또는 공통지지부(32)에 고정된다. 바늘판(32)은 부재(34)에 연결되어 예컨대 프레스의 이동부재에 일 방향과 그 반대 방향으로 바늘을 수직이동시킨다.
예비성형체(20)는 수평방향으로 이동하는 기저플레이트(22)로 수평방향으로 지지되되, 기저층(24)은 바늘(30)의 끝이 손상입지 않고 관통할 수 있도록 삽입된다. 실례로서, 기저층(24)은; 탄소 폼 또는 탄소 섬유로 제조된 손실성 디스크 예비성형품과 같은 비교적 단단한 구멍이 뚫려 있는 구조물로 되어 있다. 또한, 기저플레이트(22)는 기저플레이트(22)에 구멍의 피치(pitch)를 갖는 구멍을 구비하여 사용할 수 있고, 바늘의 피치와 기저플레이트(22)와 판(32) 사이의 상대수직이동방향은 수직방향으로 이동하여, 각각의 바늘이 항상 기저플레이트(22)에 구멍에 항상 합침된다.
비방해(unjamming) 플레이트(36)는 바늘판의 바닥면에서 수직방향으로 뻗고 바늘세트(30) 외곽에서 운반하도록 로드(38)의 헤드형 단부(38a)로 지지된다. 로드(38)는 비방해 플레이트(36)에 형성된 구멍으로 미끄러질 수 있다. 나선형 스프링(38a)이 바늘판(32)과 비방해 플레이트(36) 사이에서 로드(38) 둘레로 장착된다. 비방해 플레이트(36)는 바늘(30)이 지나가는 천공부(36a)를 구비한다. 바늘판(32)이 낮게 위치될 때, 비방해 플레이트(36)는 기저플레이트(22)로 이동될 받침대(26)로 얹히고 바늘은 스프링(38a)이 압착되어 천공부(36a)를 통과하여 지나가서 예비성형체(20)를 관통한다. 바늘의 하방이동은 프레스의 스트로크로 제한된다.
그런 다음에 바늘판이 상승될 때, 비방해 플레이트(36)는 바늘이 예비성형체에서 뽑혀지는데 필요한 시간 동안 스프링(38a)으로 예비성형체(20)에 대해서 가압상태를 유지한다.
구멍-형성 사이클은 하나 이상의 바늘 천공 및 후퇴 사이클로 이루어질 수 있고, 수백 개의 구멍을 동시에 형성할 수 있다. 바늘(30)은 실제로 정규 공간에서 바늘판(32)에 장착된다. 구멍은 예비성형체의 주어진 영역을 위해 단일 바늘의 천공 및 후퇴 사이클을 사용하여 만들어지는데, 그런 다음에 바늘판(32) 상에 바늘(30)의 피치는 예비성형체에 형성된 구멍의 피치와 일치한다. 또한, 예비성형체(20)로 다수의 사이클을 사용하여 예비성형체의 주어진 영역에 구멍이 연속적인 2개의 사이클 사이에서 기저플레이트(22)를 이동시켜 수직방향으로 이동되어 만들어진다. 그런 다음에, 판(32)에 바늘(30)의 피치는 연속적인 2개의 사이클 사이에서 바늘판에 대해 예비성형체의 이동 높이와 얻어진 구멍의 피치의 함수이다.
도 3 및 도 4는 적당하게 날카로운 바늘의 실례를 상세하게 도시한 도면이 다. 바늘(30)은 가시(31)가 형성된 둥근 가장자리를 갖춘 실제 삼각형상으로 된 작용단면(30a)을 갖는다. 가시는 갈고리형상의 오목부로 형성되고 3개의 가장자리에 연속적으로 형성된 바늘을 따라 균일하게 분배되어 있다. 이러한 바늘은 "펠팅(felting)" 바늘로 알려져 있는데 섬유직물을 니들링하는데 사용된다. 바늘이 예비성형체 내로 관통하면서, 가시(30a)와 접하는 대부분의 섬유가 절단되는 동시에, 몇몇 섬유가 이동된다.
도 5 및 도 6은 다른 유형의 가시 바늘을 상세하게 도시한 도면으로, 바늘(32)은 가장자리(32b)를 따라 형성된 가시(33)로 돌출되어 물방울 형상으로 된 작용단면(32a)을 갖는다.
가시 바늘과는 다른 공구는 치상돌기(37)를 갖춘 도 7에 도시된 예컨대 톱날(36)을 사용할 수 있다.
형성된 구멍의 평균 단면 크기는, 공구의 작용단면과; 공구에 형성된 양각(relief) 부분 또는 거칠기의 특성; 각 구멍에 미리 형성된 천공부의 갯수; 공구의 타격 속도; 및 관통 예비성형체의 특징;의 함수로 변화한다. 공구의 "작용단면"은 가시, 치상돌기 또는 양각 부분 또는 거칠기를 나타내는 공구의 일 부분의 단면을 의미하여 사용된다. 모든 상황에서, 바람직한 단면의 구멍을 얻기 위해서는, 천공하는 동안에 공구에 의해 후로 밀쳐지는 섬유가 공구가 후퇴한 후에 최초 위치를 향해 복귀를 고려하기 위해, 공구가 바람직한 단면보다 실제로 큰 작용단면을 갖추도록 선택된다. 그러므로 예컨대 도 3 및 도 4에 도시된 펠팅 바늘과 같은 공구를 사용하여 탄소섬유로 제조된 니들링된 예비성형체에 구멍을 형성할 경우, 바늘이 만들어진 구멍의 단면보다 여러 배 큰 작용단면을 갖는 것으로 선택된다. 다른 공구와 다른 유형의 예비성형체로, 바람직한 구멍 단면에 대응하는 작용단면은 실험에 의해서 쉽게 결정될 수 있다.
형성된 구멍의 깊이는 예비성형체에 가시 또는 공구의 다른 거칠기의 천공거리의 함수와 관통 예비성형체의 특성에 대한 함수로 변화한다. 도 3 및 도 4에 도시된 종류의 바늘을 사용하므로, 구멍을 형성하는 유효한 작용깊이는, 섬유가 끝과 이 끝에 최근접해 있는 가스 사이로 뻗은 바늘의 일부로 영속적으로 변위되지 않기 때문에 바늘의 끝보다 멀리 뻗지 않는다.
도 8은 구멍(40a)이 형성된 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체(40)를 도시한다. 이 실례에서, 구멍은 정사각형상의 메쉬(mesh)에서 일정하게 분배된다. 다른 구멍의 분배가 예컨대 육각형상의 메쉬, 동심원형 등에서 선택될 수 있다.
설비는 예비성형체(40)의 2개의 반대면을 관통하여 개구된 구멍 또는 거의 관통한 구멍, 즉 도 9에 도시된 바와 같이 구멍이 형성된 면에서 마주보는 예비성형체의 면으로 약간의 거리를 두고 종결된 구멍을 만들 수 있다. 이러한 구멍은 예비성형체의 실제 전반적인 두께 또는 전반적인 두께 일부를 관통하여 지나는 바늘의 작용 부분으로 얻어질 수 있다.
변형예에서, 예비성형체(40)에 형성된 구멍은 도 10에 도시된 바와 같이 예비성형체의 2개의 마주보는 면에서 형성된 앞이 막힌 구멍일 수 있는데, 구멍은 상기 2개의 면 사이에서 측정한 예비성형체의 두께의 절반보다 큰 길이로 뻗는다. 도 2에 도시된 유형의 장비를 사용하여, 공구로 야기될 제1일렬의 구멍을 예비성형체의 한쪽 면을 관통하여 천공하는데, 예비성형체를 완전히 관통하지 않고, 유사한 방식으로 예비성형체를 뒤집은 후에 제2일렬의 구멍을 형성한다.
또한, 변형예에서, 예비성형체에 형성된 구멍이 비스듬하게 뻗어, 공구가 삽입되어 관통한 예비성형체의 면과 수직선에서 0이 아닌 각도로 형성한다. 도 2에 도시된 유형의 장비로, 이는 바늘판에 비스듬하게 바늘을 장착하고 바늘과 평행하게 판을 이동시켜서 얻을 수 있다. 비스듬한 이러한 구멍은 거의 관통된 구멍이거나 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 제한된 깊이로 될 수 있다.
구멍이 탄소섬유 예비성형체에 형성된 후에, 예비성형체는 CVI 타입의 공정(도 1에서 단계(16))으로 치밀화된다. 탄소 또는 세라믹 재료를 형성하는 CVI 타입의 치밀화공정은 이미 널리 알려져 있다.
도 13은 도 9의 예비성형체를 치밀화한 후에 그리고 최종 가공 후에 얻어질 수 있는 브레이크 디스크(50)를 도시한다. 구멍(50a)은 알아볼 수 있게 남아 있으며 치밀화 도중에 완전히 막혀질 필요가 없어, 디스크의 마찰 또는 내마모성을 변화하지 않는 단계, 특히 마모입자로 매우 빠르게 막혀질 정도로 충분히 작게 구비되는 단계를 포함한다.
적어도 어떤 환경하에서, 본 발명의 방법은 부분적으로 임의의 중간 스칼핑(scalping)을 필요로 하지 않고서 어느 정도 바람직한 치밀화를 성취할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제조된 부품의 두께와 바람직한 최종 밀도에 종속되어, 이러한 스칼핑이 실행될 수 있다.
본 발명의 배경에서, CVI 타입의 공정으로 부분 치밀화 단계가 CVI 타입의 공정과 다른 공정으로 최종 치밀화 단계로 이어진다. 실례로서, 이러한 최종 단계는 탄소 매트릭스가 형성된 후에 용융 실리콘에 주입되어 실리사이딩(siliciding) 단계를 포함한다.
실례 1
탄소섬유 예비성형체는 다음과 같이 비행기 브레이크 디스크를 만드는데,
·드래핑(draping)으로 예비산화처리된 PAN 섬유의 nD 시트를 형성하는 단계와 서로 ±60°의 각도를 형성하는 3개의 UD 시트를 니들링하는 단계;
·중첩시켜 3D 섬유 예비성형체를 형성하는 단계와 미국 특허 제US 5,792,715호의 방법을 사용하여 최종 nD 시트에서 얻어진 플라이를 니들링하는 단계;
·3D 섬유기질에서 디스크형상으로 일부를 절취하는 단계;
·탄소섬유로 제조된 디스크형상의 섬유 예비성형체를 얻기 위해 절취부분을 탄화하는 단계;로 이루어진다.
최종 예비성형체는 CVI에 의한 종래방식으로 치밀화되어, 500시간(h)의 제1치밀화 사이클과, 스칼핑 및, 75h의 제2치밀화로 이루어진 공정을 사용하여 탄소 매트릭스를 얻는다.
탄화 단계 후에 이러한 방식으로 얻어진 다른 예비성형체는 도 3에 도시된 바와 같은 삼각형상의 작용단면을 갖추고 가장자리마다 3개의 가시를 갖춘 15×18 ×20×3.5 R33 G 3012의 공급자 Groz Beckert로 공급된 가시 바늘을 구비한 도 2에 도시된 장비를 사용하여 구멍으로 관통된다. 바늘은 20mm의 피치로 바늘판에 장착된다. 천공거리는 기저층에 1mm를 천공하는 바늘로 예비성형체의 전체 두께를 관통하여 지나가도록 조정된다. 예비성형체를 운반하는 기저플레이트를 이동시켜, 구멍들은 4 구멍/cm2로, 각 면상에 5mm 마다 하나의 구멍을 갖는 밀도로 각면에 형성된다.
도 14는 최종 구멍의 개구부를 도시한 것이다. 실제로 타원형상으로 되어 있다. 사용된 바늘이 약 1mm과 같은 높이로 된 정삼각형의 형태인 작용단면을 갖추고 있으면, 형성된 구멍은 약 350㎛의 평균 단면 크기를 갖는다. 도 15는 최종 구멍의 길이방향 단면이다. 바늘이 삽입된 면에서 예비성형체의 반대쪽 면 주변까지 근접하게 뻗어 있는 것을 볼 수 있으며, 예비성형체를 완전히 관통하지 않고, 바늘의 끝 부분은 내구성 구멍을 형성하기 위해 효과적이지는 않다.
이러한 방식으로 관통 예비성형체는 비관통 예비성형체에 사용되었던 동일한 CVI 공정을 사용하여 탄소 매트릭스를 치밀화하되, 단일 500h 치밀화 사이클로 실행한다.
치밀화된 예 비성형체는 그 다음에 항공기용 디스크 브레이크(두께 24.5mm, 내경 248.85mm, 외경 418.75mm)를 위한 고리형상의 중심 스테이터 디스크의 최종 크기로 가공된다.
아래 표는 얻어진 결과치를 보여준다.
비관통 예비성형체 관통 예비성형체
500 시간 후의 상대밀도 1.69 1.78
스칼핑 예 아니오
75 시간 이상의 추가 치밀화 예 아니오
가공후 최종 상대밀도 1.75 1.77
뚜렷하게, 최종 밀도는 스칼핑 단계 없이 제1치밀화 사이클 만을 사용하여 비관통 예비성형체으로 획득된 밀도보다 관통 예비성형체로 획득된 밀도가 약간 크게 된다. 치밀화 동안에 예비성형체를 관통하는 추가 비용보다 크게 상당한 정도로 절약 되어, 본 발명의 방법이 수백개의 구멍을 동시에 신속하면서도 간단하게 형성할 수 있다.
실례 2
탄소 섬유 예비성형체는 도 1에서와 같이 항공기용 브레이크 디스크를 만드는데, 몇몇 예비성형체는 로터(rotor) 디스크로 만들어지고, 나머지 예비성형체는 단부 스테이터(stator) 디스크로 만들어지고, 또 다른 예비성형체는 중심 스테이터 디스크로 만들어진다(여기서 브레이크는 교대로 스테이터 디스크와 로터 디스크로 적층되어 있다).
각 유형의 디스크용 예비성형체는 아래의 처리에 영향을 받는데,
A) 실례 1에 사용된 바늘을 수단으로 구멍을 형성하는데, 천공부를 구비한 각 면에 4 구멍/cm2의 밀도로, 바늘의 끝이 6.63mm의 길이 이상으로 돌출하여 각 바늘의 제1가시가 예비성형체를 완전히 관통하여 반대쪽 면 밖으로 지나가도록 되며;
B) A)와 같이 구멍을 형성하는데, 각각의 면에서 2 구멍/cm2의 밀도로 되어 있고;
C) 0.12mm의 외경으로 된 노즐로 국제특허 제WO 2006/129040호에 기술되었던 가압된 물의 제트를 사용하여 하나의 면에 구멍을 형성하는데, 1 구멍/cm2의 밀도로 되어 있으며;
D) C)와 같이 구멍을 형성하는데, 0.20mm의 외경으로 된 노즐을 구비하고;
E) 3.5 kW의 동력으로 CO2 레이저와 0.1 초의 레이저 펄스를 사용하여 단일면에만 레이저를 수단으로 하여 구멍을 형성하는데, 구멍의 밀도는 1 구멍/cm2이며;
F) 구멍을 형성하지 않는다.
관통 및 비관통 예비성형체는, 중간 스칼핑 없이 총 600h의 기간으로 된 다수의 치밀화 사이클로 이루어진 동일한 CVI 공정을 사용한 탄소 매트릭스를 치밀화한다. 치밀화 후에, 로터, 중앙 스테이터 및 단부 스테이터 디스크는 주어진 281.25mm, 248.85mm, 248.85mm의 내경과, 각각 450.85mm, 418.75mm, 418.75mm의 외경 및, 23mm, 24.5mm, 20mm의 두께로 된 최종 크기로 가공된다.
표 Ⅰ는 동일한 구멍 형성처리에 영향을 주는 예비성형체를 갖춘 동일한 유형의 디스크의 배치(batch)에 측정된 상대 평균 밀도값과, 상대 평균 밀도 값 후에 괄호 안에 주어진 배치당 디스크의 갯수를 보여준다.
표 Ⅰ
A) B) C) D) E) F)
로터 디스크 1.829 (10) 1.791 (2) 1.791 (7) 1.810 (2) 1.778 (10) 1.731 (6)
중앙 스테이터 디스크 1.793 (7) 1.786 (2) 1.771 (8) 1.795 (2) 1.744 (7) 1.726 (6)
단부 스테이터 디스크 1.827 (6) 1.819 (2) 1.819 (8) 1.869 (2) 1.797 (6) 1.770 (6)
구멍이 바늘 A)와 B)를 사용한 예비성형체에 형성될 때 측정된 밀도는,
·비관통 예비성형체 F)로 얻어진 결과값과 비교하여 뛰어난 향상;
·구멍이 물 제트로 C) 또는 D)를 형성할 때 또는 레이저로 E)를 형성할 때 얻어진 값과 실제로 동일하거나 약간 좋은 성능, 그러나 매우 단순하고 빠르게 구멍을 형성하며
·A)가 B)보다 높은 구멍 밀도를 갖춘 향상된 성능,을 보여준다.
실례 3
항공기용 브레이크 디스크용 탄소섬유 예비성형체는 실례 2로 만들어진다.
구멍들은 공급자 Foster Needle Co.와 Grox Beckert에서 공급된 다양한 유형의 가시 바늘을 수단으로 하여 예비성형체에 형성된다. 구멍을 구비한 예비성형체는 치밀화되되, 로터와 중앙 스테이터 및 단부 스테이터 디스크는 실례 2 처럼 처리된다. 표 Ⅱ는 다른 종류의 바늘과 다른 구멍 밀도를 위한 각 유형의 디스크에서 측정된 상대 밀도값을 보여준다.
4개의 제1열에 바늘은 0.45mm~0.55mm 범위에 있는 작용단면 높이를 갖는 공 급자 Foster Needle Co.로 니들링되고, 다른 바늘은 공급자 Groz Beckert로 공급된 0.7mm~1mm 범위에 있는 높이를 갖춘 작용단면으로 니들링된다. 비교하면, 디스크에 얻어진 상대 평균 밀도는 동일한 방식으로 만드는데, 측정된 예비성형체에 구멍이 형성되지 않는다.
표 Ⅱ
Figure 112008082246161-PAT00001
구멍을 구비한 예비성형체에서 얻어진 디스크의 밀도는 구멍을 구비하지 않은 예비성형체에서 얻어진 디스크의 밀도보다 큰 것을 알 수 있으나, 밀도는 사용된 바늘의 종류에 종속되지 않는데, 심지어는 바늘은 작용단면 뿐만 아니라 가시의 갯수와 형상 및 깊이도 다르다.
도 16은 본 발명의 방법에 따른 다른 실시예로 구멍이 탄소-전구체 단계에서 형성된 도 2로 참조된 실시예와는 다른 것이다.
도 16의 방법은 탄소-전구체 섬유의 3D 섬유기질을 형성하는 단계(60)와, 탄소-전구체 섬유를 얻는 단계(62), 탄소-전구체 섬유 예비성형체에 구멍을 형성하는 단계(64), 관통 탄소섬유 예비성형체를 얻기 위해 관통 탄소-전구체 섬유 예비성형체를 탄화하는 단계(66), 및 CVI 타입의 공정으로 관통 탄소섬유 예비성형체를 치밀화하는 단계(68)를 연속적으로 포함한다.
구멍은 제1실시예에 기술된 바와 같이 동일한 방식으로 탄소-전구체 섬유 예비성형체에 형성될 수 있다. 그럼에도, 구멍의 단면 크기를 위해, 탄화하는 동안에 수축을 고려해야 하며, 따라서 탄소-전구체 섬유 예비성형체에 형성된 구멍은 탄소 섬유 예비성형체의 구멍에 바람직한 단면보다 큰 단면을 가질 필요가 있다.
제2실시예의 변형으로는, 탄소-전구체 섬유의 3D 섬유기질이 만들어진 후가 아니라 만들어지는 동안에 구멍이 형성된다. 이라한 목적에 적합한 장비의 실례는 도 17에 도시된다.
이 실례에서, 탄소-전구체 섬유로 제조된 3D 섬유기질은 예컨대 다방향 섬유시트인 2D 섬유 플라이와 함께 중첩되고 결합된다. 시트는 가시 바늘을 사용하여 니들링으로 결합되되, 이는 시트가 서로 점차 중첩되고, 결합은 니들링의 작용으로 시트(Z 방향)에 대해서 교차하며 이동하여 섬유에 미리 형성된다. 이러한 방법은 그 자체로 이미 널리 알려져 있다. 위에서 이미 언급된 미국 특허 제US 5,792,715호를 참조하여 제조될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 섬유기질(70)은 삽입된 기저층(74)과 기저플레이트(72)로 수평하게 지지되어 겹쳐져 있다.
바늘판(80)은 다수의 제1바늘(82)을 운송하고, 섬유를 전이시켜 기질 플라이들 사이에 결합을 미리 형성하도록 돕고, 다수의 제2바늘(84)은 기질에 구멍을 형성할 수 있게 돕는다. 바늘(82,84)은 수직방향으로 뻗고, 바늘판(80)은 부재(86)에 고정되어 일 방향과 이와 반대방향으로 수직(Z방향)되게 이동된다.
바늘(82,84)은 기저플레이트(72)가 일 방향과 이와 반대방향으로 이동할 수 있는 수평방향(X방향)에 대해 교차하게 뻗은 하나 이상의 열로 배치되되, 새로운 플라이는 기저플레이트가 스트로크의 끝에 도달할 때에 추가된다.
바늘(82)은 바늘(84)보다 더 많고 상대적으로 작은 작용단면을 갖는다. 통상적으로, 삼각형상의 작용단면을 갖는 가시 바늘로서, 단면높이는 0.6mm보다 크지 않는 것이 바람직하며, 바늘(82)의 기능은 Z방향으로 섬유를 이동시키고 예비성형체가 탄화된 후에 반복적으로 구멍을 만들지 않는다.
바늘(84)은 바늘(82)보다 큰 작용단면과 길이를 갖고 비교적 적은 갯수로 되어 있다. 바람직하게는, 바늘(84)의 길이는 적어도 섬유기질의 두께의 절반 정도로 선택되어 기질의 절반정도까지 면에서 뻗는 구멍을 구비하게 한다. 바늘(84)의 작 용단면은 탄화 후에 적어도 50㎛ 의 바람직한 평균 크기를 유지하도록 충분히 큰 구멍을 형성하도록 선택된다. 삼각형상의 작용단면을 갖춘 가시 바늘을 사용하여, 작용높이가 적어도 1mm 인 것이 바람직하다.
바늘(82)의 갯수와 비교하여 바늘(84)의 갯수는 바람직한 구멍 밀도의 함수와 바늘(82)로 예비형성된 바늘 밀도의 함수로 선택된다.
기저플레이트(72)는 수직방향으로 이동가능하여 새로운 플라이가 안착되도록 단계적으로 낮춰질 수 있고 섬유기질의 두께를 관통하는 Z방향으로 이송되어 섬유의 밀도를 제어할 수 있다.
최종 플라이가 니들링된 후에, 최종 니들링 과정이 실행되어, 기저플레이트(72)가 단계적으로 낮춰져 기질의 각 면에 바늘(84)로 형성된 구멍밀도와 동일해진다.
본질적으로, 바늘(84)은 전술된 바와 같이 거칠기를 갖는 다른 공구로 교체될 수 있다.
섬유기질 또는 예비성형체를 동시에 적재하는 동시에 구멍을 형성하는 작업은 섬유기질 또는 예비성형체가 탄소섬유로 만들어질 때와 같이 탄소-전구체 섬유로 만들어질 때 매우 균일하게 실행될 수 있다.
특히, 중첩된 섬유 플라이와 함께 니들링하는 단계를 사용하여 탄소 섬유로부터 직접 예비성형체 또는 섬유기질을 만들 때, 도 17에 도시된 유형의 장비가 니들링과 동시에 구멍을 형성하도록 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합재료 부품을 만드는 연속적인 단계를 도시한 도면이다.
도 2는 다수의 구멍을 섬유기질에 동시에 형성할 수 있는 장비를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 장비에 사용될 바늘의 상세도이다.
도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ 평면의 단면도이다.
도 5는 도 3의 장비에 사용할 수 있는 다양한 공구의 상세도이다.
도 6은 도 5의 바늘의 단면도이다.
도 7은 도 2의 장비에 사용할 수 있는 다른 다양한 공구의 도면이다.
도 8은 구멍이 형성된 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체의 개략도이다.
도 9 내지 도 12는 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체를 구성하는 섬유기질의 주요 면 중 적어도 하나의 면을 개방하는 구멍을 형성하는 다양한 방식으로 도시한 도면이다.
도 13은 도 8에 도시된 종류의 예비성형체를 사용하여 CVI 타입의 치밀화와 최종 가공 후에 획득된 브레이크 디스크의 개략도이다.
도 14는 도 3 및 도 4와 같은 공구를 수단으로 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체에 형성된 구멍의 개구부를 도시한 마이크로 사진이다.
도 15는 도 14에 도시된 것과 유사한 구멍의 길이방향 단면을 도시한 마이크 로 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 제2실시예로 복합재료 부품을 제조하는 연속적인 단계를 도시한 도면이다.
도 17은 제2실시예의 변형예로 탄소-전구체 섬유기질에 구멍을 만들 수 있는 장비를 도시한 도면이다.

Claims (15)

  1. 예비성형체의 적어도 제1면에 형성된 구멍을 갖는 탄소섬유의 응집성 섬유 예비성형체를 만드는 단계와;
    매트릭스를 이루는 재료를 적재하고 화학기상침착 타입의 공정으로 상기 예비성형체를 치밀화하는 단계;를 포함하며,
    상기 구멍은 실제로 상호 평행하고, 인접해 있는 다수의 섬유를 파쇄하고 상기 예비성형체 내에서 파쇄된 섬유를 이송하도록 적당하게 면에 거칠기 또는 양각 부분을 갖는 다수의 비회전 길이연장되는 공구의 동시 천공으로 형성되며, 상기 공구의 동시 천공이 상기 공구를 운반하는 지지부를 이동시켜 이루어질 수 있고,
    상기 공구는 50㎛ ~ 500㎛ 범위에 있는 단면 평균 크기를 갖는 구멍을 얻기 위해 탄소 섬유 예비성형체 내에서 가능한 단면을 갖게 선택되는, 매트릭스로 치밀화된 탄소 섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공구는 가시 바늘로 구성되어 있는 것을 사용하는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공구는 와이어 톱날(wire saw blade)로 구성되어 있는 것을 사용하는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 예비성형체는 상기 제1면에서 측정된 평균 밀도, 0.25 구멍/cm2 ~ 16 구멍/cm2 범위로 구멍을 형성한 탄소섬유로 만들어지는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 예비성형체는 상기 제1면에서 측정된 상기 제1면의 총 면적 중 0.025% ~ 2%의 개방면적을 갖는 탄소섬유로 만들어지는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 상기 예비성형체의 제1면과 이의 반대면 사이에 구멍과 평행하게 측정된 상기 예비성형체의 적어도 절반 크기에 상응하는 거리 이상으로 천공하는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소섬유의 섬유 예비성형체는 탄소-전구체 섬유에서 응집성 섬유 예비성형체로 제조되고 탄소-전구체를 탄소로 전이되게 섬유기질을 탄화시켜 제조되며, 상기 구멍은 섬유기질이 탄화된 후에 형성되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소섬유의 섬유 예비성형체는 탄소-전구체 섬유에서 응집성 섬유 예비성형체로 제조되고 탄소-전구체를 탄소로 전이되게 섬유기질을 탄화시켜 제조되며, 상기 구멍은 섬유기질이 탄화되기 전에 형성되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소섬유로 제조된 섬유 예비성형체는 탄화섬유로부터 응집성 섬유기질를 준비하고 후속으로 구멍을 형성하여 만들어지는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소섬유로 제조된 섬유 예비성형체는 탄소섬유에서 직접 응집성 섬유기질을 준비하고 이어서 추가 탄화 단계로 이어져 제조되고, 구멍은 추가 탄화 후에 섬유기질에 형성되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄화섬유로 제조된 섬유 예비성형체는 탄화섬유에서 직접 응집성 섬유기질을 준비하고 추가 탄화 단계로 이어져 제조되고, 구멍은 추가 탄화 전에 섬유기질에 형성되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  12. 제8항, 제9항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍은 탄소-전구체 섬유에서 섬유기질을 제조하는 동안에 형성되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 섬유기질의 제조는 지지부를 이동시켜 운반된 바늘을 사용하여 중첩된 섬유 플라이(ply)를 니들링(needling)하는 단계를 포함하며, 상기 구멍 형성 공구는 니들링용으로 사용될 바늘과 같이 동일한 지지부에 장착되는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소/탄소 복합재료로 브레이크 디스크를 만들기 위해, 화학기상침착으로 섬유 예비성형체의 치밀화가 치밀화가 끝나기 전에 어떠한 스칼핑(scalping) 단계의 실행 없이도 이루어지는 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 얻어진, 탄소섬유 강화 복합재료로 된 브레이크 디스크.
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