KR20110083728A - 섬유 강화 복합체 - Google Patents

Abstract

매트릭스 재료 및 복수개의 섬유 플라이 강화 구조물을 포함하는 연속 섬유 강화형 복합체 구조물 내로 통합시키기에 적절한 제2 플라이 구조물, 이렇게 형성된 연속 섬유 강화형 복합체 재료 및 그 제조 방법이 기술된다. 제2 플라이는 예를 들어 제1 섬유의 플라이 형태의 캐리어 시트를 포함하며, 3차원적으로 대체로 정렬된 방식으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 대체로 정렬된 방식으로 배치된 제2 섬유의 2차원 평면 어레이를 지니고 있어 합체된 구조물에서 면외 강화를 제공한다.

Description

섬유 강화 복합체{FIBRE REINFORCED COMPOSITE}

본 발명은 복합체 내로 적절한 매트릭스 재료와 조합된 중공(hollow) 또는 고체(solid) 섬유 재료의 복수개의 플라이(ply)를 포함하는 복합체 재료 및 그의 제조 방법에 대한 것이다.

2 이상의 별개 성분 재료를 조합한 복합체 재료 시스템은 일련의 소망하는 물성을 구비한 재료에 대한 수요를 충족시키기 위해 그 중요성이 점차 증가되고 있다. 일반적인 복합체 재료는 매트릭스 재료 내에 배치된 강화 재료를 포함하여, 성분들의 바람직한 물성을 조합하고/하거나, 단독의 성분에는 존재할 수 없거나 혹은 동일한 정도로 존재할 수 없는 물성을 구비한 신규의 재료를 창출한다.

복합체 재료의 중요 부류는 적절한 매트릭스 재료 내에 배치된 섬유상 강화 재료의 다수개의 2차원 플라이(ply)를 가진 재료를 포함한다. 섬유상 강화 재료 플라이는 1차원 또는 2차원적으로 강화를 수행하는 바, 예를 들어 이들은 플라이, (따라서 복합체 재료)의 길이 및/또는 폭을 통상 실질적으로 가로지르는 기다란 섬유를 포함한다. 이러한 목적을 위해 적절한 플라이는 평행 섬유를 가진 단일방향 테이프 및, 섬유가 복수개의 방향으로 배열되어 있는 이방향 시트(bidirectional sheet)를 포함하며, 부직 시트일 수 있거나 혹은 제직형, 브레이드형(braided), 스티치형(stitched) 또는 그 외의 구조를 가질 수 있다. 이러한 방식으로 비교적 기다란 섬유들로 강화된 복합체 재료는 통상 연속 섬유 강화형 복합체(continuous fibre reinforced composite: CFRC)로 불리우며 단섬유 강화형 복합체와는 구별된다.

섬유상 강화 재료의 복수개의 라미나 플라이(laminar ply)로 강화된 CFRC에 있어 인정되고 있는 내재적 결함은 층간(interlaminar) 또는 면외(out of plane) 취약성이다. 섬유 강화물는 섬유의 평면에서 하중의 대부분을 부담할 수 있다. CFRC는 이러한 평면을 벗어난 섬유 강화물이 없기 때문에, 이러한 방향에서 이들이 가지는 하중 부담 능력은 보다 작다. 그 결과, CFRC는 상대적으로 더 낮은 층간 강도 및/또는 파괴 인성(fracture toughness)을 나타내는 경향이 있으며, 바람직하지 않게 낮은 수준의 부하 응력에서, 예를 들어 층간 박리(delamination)에 의한, 층간 실패(interlaminar failure)가 발생할 수 있다.

이러한 현상을 완화하기 위해, 예를 들어 플라이를 함께 브레이딩(braiding) 또는 스티칭함에 의해, 플라이를 몇몇 기계적 방식으로 3차원적으로 함께 연결하여 두께를 통한 추가적 강도를 부여하려는 해결책이 제공된 바 있다. 이러한 해결책은 제한적인 성공을 거두었다. 특히, 이들은 면내(in plane) 섬유 구조의 통합성(integrity)에 영향을 줌에 의해 면내 강도를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 만일 3차원 브레이딩 또는 스티칭이 효과적이고자 한다면, 이는 강화 플라이 그 자체가 제직되거나 유사하게 통합된 2차원 아키텍쳐(architecture)를 가질 것을 요구하는 경향이 있는 반면, 많은 응용 분야에서는, 그렇지 않다면 부직 시트(sheet) 재료 또는 단일 방향 테이프를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

따라서, CRFC에 있어, 제3의, 면을 벗어난, 차원에서의 강화를 제공하는 제작 방법 및 향상된 재료 구조물의 제공, 그리고 특히 면내 강화에 대한 불리한 영향을 제한하며/하거나, 예를 들어 부직 시트 및 단일 방향 테이프뿐만 아니라 제직 구조물을 포함한, 다양한 섬유 구조물과 함께 강화 플라이에 적용될 수 있는 구조 및 방법의 제공이 요구되고 있다.

본 발명의 제1 측면에 따르면,

매트릭스 재료; 및

실질적으로 상기 매트릭스 재료 내에 대체로 평행하게 이격된 방식으로 배치된 복수개의 섬유 플라이; 및

제1 섬유(primary fibres)의 2차원 플라이를 포함하는 섬유 플라이 캐리어 시트 및 대체로 정렬된 방식으로 3차원적으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분(major part)에 걸쳐 배치된 제2 섬유의 2차원 평면 어레이를 포함한 적어도 하나의 제2 플라이를 포함하되,

상기 제2 섬유는 상기 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 복합체 구조물이 제공된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 적어도 하나, 바람직하게는 복수개의, 제2 플라이가 매트릭스 재료 내에서 조립된 복합체 구조물 상에 혹은 그 안에 배치되어 제2의 강화물을 위한 캐리어 플라이로서 역할을 하며, 상기 제2의 강화물은 캐리어 플라이의 크기(extent)의 주요 부분에 걸쳐, 특히 바람직하게는 대체로 고르게 분포된 어레이로 배열된 복수개의 제2 강화 섬유의 형태로 구비된다. 제2 섬유는 캐리어 플라이의 평면의 대체로 바깥쪽으로 연장된다. 특히 바람직하게는, 섬유들은 바깥쪽으로 돌출하여 이들의 적어도 상당한 비율이 정렬된 방식으로 캐리어 플라이에 대체로 수직하게 연장되어 있다. 이들은 CFRC의 주요한 강화 평면 방향으로부터 벗어난 강화를 제공한다.

캐리어 플라이는 원리적으로는, 예를 들어 섬유 플라이 또는 폴리머 시트를 포함하는 임의의 적절한 시트 재료일 수 있다. 또한, 섬유 플라이는 주요한 면내 강화물로서의 역할을 할 수 있다. 폴리머 시트는 경화 가능한 접착제 층을 포함할 수 있다. 캐리어 시트는 그 자체로 섬유 플라이이고, 바람직하게는 연속 섬유 강화형 복합체 구조물 내로 통합되기에 적절한 섬유 플라이로서 플라이의 평면에 대해 평행한 방향으로의 강화를 제공한다. 이 구현예에서, 상기 섬유 플라이 중 적어도 일부는 플라이 평면에 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 제2 섬유의 2차원 다수 어레이를 구비한 캐리어 플라이를 추가로 포함한다.

제2 섬유는 캐리어 플라이 평면의 바깥쪽으로, 그리고 예를 들어 가공 라미네이트(process laminate) 내의 매트릭스 안으로 연장되어 강화 플라이의 평면 방향으로부터 벗어나, 그리고 예를 들어 그에 대체로 수직하는 제3의 방향으로 강화를 수행한다. 제2 섬유는 대체로 정렬된다. 그러나, 여기에 기술된 발명의 강화의 원리로부터 알 수 있는 바와 같이, 일부의 비정렬 상태는 용인될 것이다.

본 발명의 원리에 따르면, 제2 섬유는 캐리어 플라이의 주요 부분에 걸쳐, 특히 대체로 고르게 분포된다. 따라서, 이러한 제2 섬유 강화물을 구비한 플라이는 그의 면적 크기의 적어도 주요 부분에 걸쳐 대체로 균일한 면외 강화 기능을 제공하며, 플라이의 주요 크기에 걸쳐 실질적으로 균일한 방식으로, 매트릭스 재료와 함께 면적 크기의 평면으로부터 벗어나 강화 효과를 부여한다. 이는, 인접하는 플라이의 상응하지만 상이하게 형성된 불연속적인 영역과 상호 작용하도록 고안된 불연속적인 면적의 제2 강화 섬유들이 제공되어 예를 들어 후크(hook) 및 루프(loop) 타입의 연결(engagement)을 수행하는 배열들과 대조될 수 있는 것으로, 이러한 배열은 결과적으로 상보적인 불연속적 면적 또는 구조들이 필요한 방식으로 상호 작용하도록 서로 작용하는 인접 플라이의 특정하고 주의 깊은 정렬을 필요로 한다. 본 발명에 따른 캐리어 플라이를 이용하는 구조물에서는 플라이들 사이에 이처럼 복잡한 정렬이 필요하지 않다.

일반적으로, 이러한 캐리어 플라이 중 일부는 기존의 강화 플라이 층들과 함께 가공 라미네이트 구조물 내에 끼워 넣어질 수 있다. 이러한 캐리어 플라이가 이러한 방식으로 추가의 강화물로서 복합체 구조물 내로 통합되는 경우, 제2 섬유에 의해 제공되는 제2 강화물은 라미네이트 내로 합체되어 면외 물성을 향상시키고, 특히 층간 응력에 대한 저항성을 제공하며 층간 박리에 의한 실패 경향을 감소시킨다.

추가로 혹은 대안으로서, 특히 예를 들어 캐리어 플라이가 경화성 폴리머 접착제 시트인 경우, 플라이는 통합 라미네이트 (consolidated laminate)들 사이의 연결부에서 및/또는 공-접합(co-bonding) 공정 동안 연결 표면 구역에서 적용될 수 있다.

이러한 모든 경우, 캐리어 플라이 내에 제공된 제2 섬유의 면외 정렬은 매트릭스 내에 배열된 제1 강화 섬유 플라이의 면내 강화를 보완하여, 예를 들어 층간 박리 응력이 높은 영역에 대하여 추가의 면외 강도를 제공한다.

제2 섬유는 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출된다. 특히 바람직하게는, 제2 섬유는 제2 플라이를 통해 연장되어 그의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출된다.

바람직하게는, 제2 섬유는, 2차원 제2 플라이 구조물의 형성에 후속하여, 그리고 그를 직접적으로 구성하는 부분의 형성 없이, 제2 캐리어 플라이 내에 유지되도록 하는 방식으로, 예를 들어 제2 캐리어 플라이 내로, 예를 들어 이를 통해, 침투한다. 이러한 사항은 제2 플라이가 섬유 캐리어 플라이이고, 제2 섬유가, 상기 섬유 캐리어 플라이를 구성하는 제1 섬유의 하부 구조물(underlying structure)의 변경에 의해 그 내부로 제직되거나, 스티칭되거나 연결되거나 혹은 그렇지 않은 경우 통합되는 일 없이, 상기 섬유 캐리어 플라이를 구성하는 제1 섬유의 상기 2차원 구조물을 통해 돌출하는 경우 특히 유리하다. 예를 들어, 제2 섬유는 캐리어 플라이의 제1 섬유들에 의해 그리고 이들 사이에서 생성된 1차원 혹은 2차원의 섬유 구조물 내의 간격 내부로, 바람직하게는 이들을 통해, 돌출되며, 따라서 캐리어 플라이의 제1 섬유의 구조에 대한 특정의 변경을 필요로 하지 않는다.

이러한 사항은 특히 2가지의 이점을 제공한다. 우선, 본 발명의 원리는 이론상 예를 들어 제직형, 브레이드형, 스티치형 또는 부직형 구조를 가지는 이방향 시트 및 일방향 테이프를 포함하는 넓은 범위의 제1 섬유 구조물과 함께 사용될 수 있다. 둘째, 제2 섬유는 캐리어 플라이의 제1 섬유의 구조물이 필수적으로 변경되지 않은 채 남겨지게 되는 방식으로 침투에 의해 제공되기 때문에, 예를 들어 제1 섬유의 플라이가 스티칭 등과 같은 수단에 의해 함께 연결되어 면외 특성을 제공하는 공지된 시스템에서 그러하듯이 제1 섬유의 면내 강화 효과가 감소될 필요가 없다.

바람직하게는, 실질적으로 매트릭스 재료 내에 배치된 복수개의 제2 플라이를 포함하는 조립된 구조물 내에서, 적어도 일부의 인접 플라이는 개개의 플라이의 각각의 반대면으로부터 이들 사이의 매트릭스 재료로 돌출되고, 특히 부분적으로 얽어 넣어지게(enmesh) 될 정도로 매트릭스 재료 내로 돌출된 제2 섬유를 구비한다. 인접한 캐리어 플라이로부터의 제2 섬유가 이처럼 부분적으로 얽어 넣어지게 되는 것은 강화 효과를 향상시킨다. 상보적 구조물이 대향하는(opposed) 캐리어 플라이 표면의 주요 부분에 걸쳐, 바람직하게는 대체로 고르게, 배열되어 층들의 특정한 정렬을 요하지 않는 간편하고 균일한 강화 효과를 제공한다.

일반적인 복합체 재료 구조물에서, 전술한 방식으로 제2 섬유를 구비한 제2 플라이를 라미나 방식으로 복수개의 전통적인 강화 섬유 플라이들과 함께 끼워 넣는다. 예를 들어, 전술한 방식으로 제2 섬유를 구비한 제2 플라이는, 층간 박리 및 유사한 실패 유형에 특히 취약한 영역으로 알려져 있는, 베이스 플레이트(base plate)와 원재(spar) 사이의 T 연결부(joint)에서와 같이 면외 물성을 향상시키는 것이 바람직한 고 층간 응력 영역에서 라미네이트 구조물 내에 제공되거나 혹은 더 많은 비율로 제공된다. 추가로 혹은 대안적으로, 전술한 방식으로 제2 섬유를 구비한 제2 플라이는 이러한 라미네이트 구조물 사이에서 연결 계면의 일부로서 제공될 수 있다.

바람직하게는, 제2 섬유는, 기본적인 CFRC 구조물을 구성하는 기존의 강화 플라이의 "연속" 섬유와 대조되는 것으로 통상의 기술자에게 이해되는 용어인, 짧은 길이 섬유를 포함한다. 예를 들어, 제2 섬유는 0.25mm 내지 3mm, 더 바람직하게는 1mm 내지 1.5mm의 평균 길이를 가질 수 있다.

내부 침투 시 캐리어 플라이의 제1 섬유 구조물에 대한 효과를 최소화하기 위해 제2 섬유는 바람직하게는 평균 직경 및 더 바람직하게는 최대 직경이 30㎛ 이하이다. 제작 동안 섬유 취급을 고려하면, 제2 섬유는 평균 직경 및 더 바람직하게는 최소 직경이 6㎛ 이상이다. 10 내지 20㎛ 범위의 섬유 직경은 특히 바람직하다.

바람직한 구현예에서, 제2 플라이는 섬유 캐리어 플라이이다. 제2 섬유는 바람직하게는 섬유 캐리어 플라이의 제1 섬유 구조물을 침투(infiltrate)하도록 도입되고, 특히 이러한 제1 섬유 구조물을 통과하며 그 내부에서 3차원으로 대체로 정렬된 배열로 유지되도록 하는 크기를 가진다.

2차 섬유는, 특히 짧은 가닥 정렬형 섬유(short strand aligned fibres)의 제조에 적절한, 임의의 적절한 재료로부터 제조된 중공 섬유 또는 고체 섬유일 수 있다. 적절한 재료는 예를 들어 PAN계 혹은 피치계 탄소 섬유, 실리카 등과 같은 유리 또는 세라믹 섬유 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 제2 섬유 강화물을 구비한 캐리어 플라이는 라미네이팅(laminating) 또는 조립 단계에서 라미나(laminar) 구조물 내로 편리하게 도입되고, 일반적으로 기존의 CFRC 강화 플라이와 함께 삽입된다. 본 발명에 따른 캐리어 플라이는 단지 제2 강화를 위한 면포 천 캐리어 (scrim cloth carrier)로서의 역할을 하는 섬유 플라이를 포함할 수 있거나, 혹은 그 자체로 종래의 방식으로 CFRC 강화 플라이를 포함할 수 있다. 기재된 바와 같이 제2 섬유를 지니고 있는 본 발명에 따른 캐리어 플라이는 특히, 층간 박리 실패가 문제가 될 수 있는 고 층간 응력의 영역에서, 예를 들어 계면에서, 및 특히 T 연결부의 계면 및/또는 다른 성분과의 결합면(mating face)(들)에서 그리고 그 표면에서 도입되거나 혹은 더 많은 비율로 도입된다.

제2 강화물을 위한 제2 섬유 캐리어 플라이 및/또는 제1 강화 플라이를 포함하든지, 본 발명에 따른 섬유 플라이는 임의의 적절한 조성과 구조의 제1 섬유를 포함할 수 있어 적절한 매트릭스 재료와 함께 면내 강화를 제공하고/하거나 제2 섬유를 지지한다. 예를 들어, 다양한 수지 매트릭스 내에 존재하는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유와 같은 섬유를 포함하는 복합체 재료가 공지되어 있다.

예를 들어, 잘 알려지게 될 바와 같이, 섬유 플라이 층을 구성하는 제1 섬유는 일방향, 예를 들어 평행한 섬유를 가진 단일 방향 테이프를 포함한 플라이(단일 배향의 섬유) 이거나, 혹은 이방향성과 같은 다중 방향 시트를 포함한 다중 방향일 수 있으며, 후자의 경우 섬유는 복수개의 방향으로, 예를 들어 제직형, 편성형, 스티치형, 브레이드형, 비-크림프형(non-crimp) 또는 부직형 시트 내에서 배열된다. 플라이는 가로 놓임형(overlain), 연결형(connected) 또는 합체형(consolidated) 시트 층을 다수개 포함할 수 있다. 플라이는 복수개의 섬유 속 (fibre tow) (개개의 플라이 내에서 서로 평행하게 달리는 섬유 집합물)을 포함할 수 있다. 본 발명의 특히 유리한 점은 임의의 적절한 플라이가 사용될 수 있으며, 이러한 플라이는 예를 들어 CFRC에서 전통적으로 사용되는 바와 같이 예를 들어 기존의 강화 플라이일 수 있다는 것이다.

본 발명의 더 완전한 구현예에서, 복합체 구조물은 매트릭스 재료 및;

대체로 평행하게 이격된 방식으로 실질적으로 매트릭스 재료 내에; 그리고 예를 들어 구조물 내에 층간 응력이 높은 영역에 배치된 복수개의 강화 섬유 플라이;

섬유 플라이 캐리어 시트, 제1 섬유의 2차원 플라이를 포함한 섬유 플라이 캐리어 시트를 포함하고, 대체로 정렬된 방식으로 3차원으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 2차 섬유의 2차원 평면 어레이를 가지는 적어도 하나의 제2 플라이를 포함하며, 이 때 상기 제2 섬유는 상기 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출된다. 이러한 제2 플라이는 위에서 기술한 바와 같이 제1의 강화 섬유 플라이를 추가로 포함할 수 있거나, 혹은 섬유상의 혹은 그 외 구성 재료의 맞춤 캐리어 시트(bespoke carrier sheet)일 수 있다.

특히 바람직한 경우, 구조물은 2개의 섬유 강화 라미네이트 형성물 사이의 연결부이며, 복수개의 제2 섬유를 포함하는 제2 플라이는 하나 또는 양쪽의 라미네이트 형성물 내에 및/또는 적어도 연결부의 부근에서 이러한 형성물의 표면에 제공된다. 예를 들어, 연결부는 T 연결부와 같은 밑동 연결부(butt joint)이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 매트릭스 재료 및 복수개의 섬유 플라이 강화 구조물을 포함하는 연속 섬유 강화 복합체 구조물로 통합되기에 적절한 제2 플라이 구조물이 제공되며, 상기 제2 플라이는 제1 섬유의 2차원 플라이를 포함하는 섬유 플라이 캐리어 시트 및 대체로 정렬된 방식으로 3차원으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그의 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 제2 섬유의 2차원 평면 어레이를 포함하되, 상기 제2 섬유는 상기 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출된다.

본 발명의 이러한 측면에 따르면 섬유 플라이 캐리어 시트는 제1 섬유들을 포함할 수 있으며, 이들은 일방향이거나 (상기 플라이는 예를 들어 평행한 섬유를 가진 단일 방향 테이프를 포함함) 다중 방향으로서 (상기 플라이는 예를 들어 이방향성과 같은 다중 방향 시트를 포함함), 섬유는 복수개의 방향으로 배열되며, 예를 들어 제직형, 편성형, 스티치형, 브레이드형, 비-크림프형 또는 부직형 시트를 포함한다. 제1 및 제2 섬유의 바람직한 특성은 본 발명의 제1 측면과 관련한 전술한 논의를 참고하여 이해될 수 있다.

본 발명의 이러한 측면에 따르면 섬유 플라이 캐리어 시트는 따라서 일반적으로 기존 디자인의 강화 플라이를 포함할 수 있다.

추가로 혹은 대안적으로, 섬유 플라이 캐리어 시트는 제2 섬유 어레이의 지지를 그 주요 목적으로 하는 캐리어 면포를 포함할 수 있어 조립된 복합체 구조물에서 일반적으로 기존의 디자인의 제1 섬유 강화 플라이들과 함께 끼워 넣어진 경우 면외 강화를 제공한다. 이러한 캐리어 면포는 예를 들어 내부에 제2 섬유를 가지고 있고 예를 들어 그 내부로 제2 섬유가 침투되는 초경량의 제직형 또는 편성형 재료를 포함할 수 있다.

추가로 혹은 대안적으로 섬유 플라이 캐리어 시트는 일반적으로 기존 디자인의 라미나 제1 섬유 강화 플라이를 포함하는 매트릭스의 표면 내로 혹은 상기 표면 상에 통합될 수 있는 폴리머 시트 재료를 포함할 수 있어 조립된 복합체 구조물에서 면외 강화를 제공한다. 예를 들어, 폴리머 시트 재료는, 예를 들어 바람직한 중량의 캐스트(cast) 혹은 롤-아웃(rolled out)된 경화성 수지 필름을 포함하는 필름 접착제를 포함할 수 있으며, 이는 대체로 정렬된 방식으로 3차원적으로 상기 필름 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그의 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 복수개의 제2 섬유 어레이를 가진다. 필름 접착제는 잘 알려진 방식으로, 예를 들어 경량의 제직형 혹은 편성형 섬유 층 상에서 운반된 섬유 캐리어 층과 합쳐질 수 있어 필름의 취급을 허용하고 조립된 연결부에서 측정된 두께(guaged thickness)를 생성한다 (다시 말해, 함께 결합된 경우, 접착제 내에서 캐리어를 가진 2개의 부분은 예를 들어 0.125 내지 0.250mm로 측정될 수 있는 캐리어에 의해 정의된 접착층 두께(glueline thickness)를 가질 것이다)

임의의 또는 모든 이러한 대안에 따른 복수개의 제2 플라이 구조물은 제1 섬유 플라이 강화물의 복수개의 층을 가지는 CFRC의 라미네이트 및/또는 계면 내로 통합될 수 있어 본 발명의 제1 측면에 따른 제1 플라이의 평면으로부터 벗어나 제2 강화를 제공한다.

본 발명의 추가의 측면에 따르면, CFRC에서의 사용을 위한 제2 강화 플라이의 제조 방법은 하기의 단계를 포함한다:

시트 재료의 캐리어 층 및 바람직하게는 제1 섬유 재료의 섬유 플라이를 제공하는 단계;

상기 캐리어 층으로 및 바람직하게는 상기 캐리어 층을 통해, 예를 들어 상기 캐리어 층이 섬유 플라이인 경우, 상기 캐리어 층의 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그의 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 제2 섬유의 복수개의 어레이를 상기 제1 섬유들 사이의 간격으로 침투시킴에 의해 도입하여, 상기 제2 섬유가 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출되도록 하는 단계를 포함한다.

따라서, 상기 방법은 위에서 기술한 본 발명의 제2 측면에 따라 강화 캐리어 플라이를 제조하는 방법이고, 상기 방법의 바람직한 특성은 유추에 의해 알게 될 것이다.

제2 섬유는 특히 대체로 정렬되고 대체로 고르게 이격된 어레이이다. 섬유의 대체로 정렬된 구조를 생성하기 위한 공정은 본 발명에 필수적으로 관련되는 것은 아니다. 그러나, 분사 정렬 공정(spray alignment process)은, 3차원으로 합리적인 정도의 정렬을 유지하는 방식으로 캐리어 층으로 섬유들을 침투시킴에 특히 유효한 것으로 확인되었다.

본 발명의 제1 측면에 따라 복합체 재료를 제조하는 방법을 포함하는 상기 방법의 보다 완전한 측면에서, 상기 방법은 하기의 단계를 포함한다:

위에서 기술한 방식으로 복수개의 제2 캐리어 플라이를 준비하는 단계;

선택에 따라, 이러한 제2 섬유 없이 2차원의 제1 섬유 플라이 구조물을 포함하는 복수개의 제1 강화 섬유 플라이를 준비하는 단계;

복수개의 플라이 (다시 말해, 바람직한 최종 물성을 위한 적절한 조합의 제2 캐리어 플라이 및 제1 강화 섬유 플라이)를 대체로 평행하게 이격된 방식으로 매트릭스 재료의 적절한 전구체 및 예를 들어 경화성 매트릭스 재료와 함께 펼쳐 놓는(laying up) 단계; 및

섬유 강화형 복합체 재료를 형성하도록, 예를 들어 상기 매트릭스 재료를 경화함에 의해 이를 가공하는 단계.

매트릭스 재료 및 형성 공정은 임의의 전통적인 공지된 재료 및 공정일 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 복수개의 프리 프레그(prepreg) 플라이를 전술한 방식으로 삽입된 필름 접착제와 함께 펼쳐 놓는 단계를 포함할 수 있다. 대안으로서, 상기 방법은 캐스트 접착제(cast adhesive)를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 접착제는 적절한 공지된 방법으로, 예를 들어, 수지 접합(resin bonding) 공정을 거쳐, 경화되어 본 발명의 제1 측면에 따른 복합체 재료를 생산한다.

더 완전하게는, 상기 방법은 응력이 높고 층간 박리 경향이 높은 영역을 가진 복합체 구조물을 제작하는 방법일 수 있으며, 높은 층간 응력과 층간 박리 경향의 이러한 영역에서 전술한 방식으로 제2 강화물을 가지는 캐리어 플라이의 제공을 포함한다. 캐리어 플라이는 특히 바람직하게는 제2 재료로서, 예를 들어 라미네이트의 구조 조립 단계의 부품으로서 혹은 연결부 조립 단계에서 적용된다.

이제 첨부된 도면의 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명을 설명하는 바, 이들 도면은 본 발명의 원리와 구현예를 단지 예시적으로 도해한 것이며, 여기서
도 1은 본 발명의 원리를 구현하도록 변경된, 2개의 라미나 CFRC 구조물 사이의 T 연결부를 통한 단면(section)의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따라 제2 강화 섬유를 가진 캐리어 플라이를 통한 단면이다.
도 3은 면외 강화를 제공하도록 도 2에 도시된 층들을 통합하는 합체(consolidation) 전의 펼쳐 놓은 라미나 구조물을 나타낸 것으로, 도 3a에 전체도를 나타내었고, 도 3b에 면외 강화물의 삽입도를 나타내었다.
도 4는 도 3으로부터 유래된 합체된 가공 라미네이트 구조물을 단면으로 나타낸 것이다.

도 1은, 예를 들면 항공 우주 구조물에서 원재 연결부(spar joint)를 포함하는 것과 같이, 2개의 탄소 섬유 강화 층상 형성물 사이의 연결부의 모식도이다. 이러한 도시된 연결부는 원재(12)와 스킨(10) 사이의 연결을 포함한다. 원재(12)가 스킨 성분(10)에 연결될 수 있도록 하기 위해, 비교적 큰 설치 영역(footprint area) (18)은 스킨과의 만족할 만한 결합을 달성하기 위해 적절한 계면 표면을 제공하도록 요구된다. 설치 영역(18)을 형성하기 위해, 원재는, 각각의 형성부(13)에서 층상 강화물이 발(14)의 것에 대략 평행하게 연장될 때까지 바깥쪽으로 점진적으로 굽어진 원재 직립부(spar upright)의 각각의 측면 상에 층상 전이 형성부 (13) 및 층상 발 형성부(14)를 구비한다.

구조물 내에 빈 공간은 형성된다. 종래 기술에 있어서 이들은 예를 들어 경화성 수지 및/또는 추가의 섬유 강화물로 채워지는 바, 이들은 두께 관통 쪼개짐(through-thickness split)을 방지하기 위해 종래 기술의 공지된 조인트 시스템에서는 원재(12) 및/또는 피부(10)와 스티칭되거나, 스테이플되거나 혹은 그렇지 않으면 기계적으로 연결될 수 있다. 이러한 제2 기계적 강화물은 연결부 제작 공정에서의 복잡성을 가중시키지만, 연결부의 특정 부분에서 발생하는 높은 층간 박리 응력에 의해 제기되는 문제점을 반드시 제거하지는 않는다. 이와 관련하여 영역들(16)은 특히 민감한 영역이다. 기존 CFRC에서 3차원으로 평면을 벗어나 제공되는 이러한 비교적 제한된 강화는, 층간 박리 및 관련된 메카니즘에 의해 균열로 이어지며, 이러한 영역에서 특별한 문제를 야기할 수 있다.

결과적으로, 제2 섬유를 구비한 본 발명에 따른 캐리어 플라이가 (참조: 도 2 내지 도 4) 층간 분리가 문제가 될 가능성이 높은 고응력 영역에 도입되거나, 더 많은 비율로 도입된다. 예를 들어, 6mm 내지 7mm 시트는 매트릭스 재료에서 섬유 플라이의 60 내지 70개의 라미나층을 포함한다. 본 발명의 따른 플라이가 이러한 구조물의 상부 10개의 층 내에 통합되는 것이 적절할 수 있다.

따라서, 도 1에서, 본 발명에 따라 제2 섬유를 구비한 캐리어 플라이는 연결부 구조물 내에서 층(16)에 도입된다. 또한, 이들은 계면(17)에서 도입될 수 있다. 추가로 혹은 대안적으로, 접착제가 계면(17)에서 사용될 수 있다. 또한, 캐리어 플라이 재료는 필요한 경우 이러한 혹은 유사한 연결부 배열의 스킨 및/또는 상세부분으로 끼워 넣어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른, 그리고 도 1에 도시된 바와 같은 복합체 구조물에 통합되기에 적절한 캐리어 플라이의 한 구현예를 포함하는 강화 섬유 플라이를 관통한 단면을 도시한 것으로, 이는 예를 들어 경화 수지 조성물의 매트릭스 재료, 및 복수개의 섬유 강화물 플라이를 포함하여 연속 섬유 강화 복합체 재료를 형성한다. 도 2에 도시한 바의 캐리어 플라이는 처리의 완료 시에 가공된 라미네이트 또는 연결부 계면 내로 통합되는 재료 내에서 사용되기에 적절하며, 이 경우, 도 2의 섬유 플라이는 플라이 평면으로부터 벗어나 3차원으로의 강화에 기여한다.

도 2에 도시된 캐리어 플라이는 섬유층 캐리어 재료(22)를 포함한다. 도시된 구현예에서, 캐리어 재료는 경량 섬유 재료의 캐리어 면포로서, 그 주된 목적은 대체로 정렬된 소망하는 수직의 방식으로 제2 섬유를 지지하는 지지 구조물을 제공하는 것이다. 대안적인 캐리어 재료로서, 면 강화 층에서 추가로 가득 찬 재료 혹은, 선택에 따라 관련된 섬유 지지층을 가진 필름 접착층인 층이 고려될 수 있다.

캐리어 플라이의 섬유 층을 통해, 복수개의 어레이에서 제2 섬유는 대체로 정렬된 방식으로 침투하여 시트(22)에 대체로 수직으로 그 크기의 주요 부분에 걸쳐 일반적으로 고르게 이격된 방식으로 연장된다. 이들은 예를 들어 분사 공정에 의해 침투될 수 있다. 분사 기술은 적절하게 정렬된 섬유 배치를 제공할 수 있다. 유사하게 대체로 정렬된 섬유 배치를 제공할 수 있는 다른 공정들도 고려될 수 있다.

도 3은, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 연결부 계면에서, 면외 강화를 제공하기 위해, 도 2에 도시된 재료가 예를 들면 제작 단계에서, CFRC 라미네이트 구조물 내로, 어떠한 방식으로 도입될 수 있는 지를 보여주는 것이다.

종래 기술의 CFRC 섬유 플라이/매트릭스 재료의 부분 플라이 적층물(30)의 복수개의 층을 포함한, 예를 들어 섬유 복합체 재료 및 경화성 필름 매트릭스 재료의 복수개의 프리 플레그 플라이를 포함하는 구조물을 펼쳐 놓는다. 이들과 서로 사이에 끼워 넣어져서, 적어도 강화시키고자 하는 구역에, 도 3a에 도시한 방식으로 라미네이트의 일반 평면에서 벗어나는 제2 강화섬유를 포함한 복수개의 강화 플라이(32)가 제공된다. 그의 특정한 상세 내용은 도 3b의 삽입도에 도시하였다.

이 재료를 적절한 기존의 방식으로, 예를 들어 매트릭스 재료를 경화시킴에 의해 가공하는 경우, 제2 강화는 가공된 라미네이트 내로 합체되어 층간 매트릭스 재료 내로 돌출됨에 의해 면외 물성을 향상시킨다.

최종의 가공된 라미네이트 구조물을 도 4에 나타내었다. 도 4의 구조는 특히 도 1에 나타낸 바와 같은 연결부 계면에서 높은 층간 박리 응력의 영역에서의 사용을 위해 적절할 수 있다.

Claims (15)

1. 매트릭스 재료 및 복수개의 섬유 플라이 강화 구조물을 포함하는 연속 섬유 강화형 복합체 구조물 내로의 통합을 위한 제2 플라이(secondary ply) 구조물로서,
   상기 제2 플라이는 제1 섬유(primary fibre)의 2차원 플라이(two dimensional ply)를 포함하는 섬유 플라이 캐리어 시트 및, 대체로 정렬된 방식으로 3차원적으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그의 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 제2 섬유의 2차원 평면 어레이(planar array)를 포함하되, 상기 제2 섬유는 상기 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 제2 플라이 구조물.
2. 매트릭스 재료; 및
   대체로 평행하게 이격된 방식으로 실질적으로 상기 매트릭스 재료 내에 배치된 복수개의 섬유 플라이; 및
   섬유 플라이 캐리어 시트, 제1 섬유의 2차원 플라이를 포함하는 섬유 플라이 캐리어 시트를 포함하고, 대체로 정렬된 방식으로 3차원으로 시트 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분에 걸쳐 배치된 2차 섬유의 2차원 평면 어레이를 가지는 적어도 하나의 제2 플라이를 포함하고,
   상기 제2 섬유는 상기 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 복합체 구조물 .
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 강화 섬유는 대체로 고르게 분포된 어레이 내에서 상기 제2 플라이의 크기의 주요 부분에 걸쳐 배열되는 것을 특징으로 하는 구조물.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제2 섬유는 바깥쪽으로 돌출되어 이들의 적어도 상당한 비율이 정렬된 방식으로 상기 제2 플라이에 대체로 수직하게 연장되는 것을 특징으로 하는 구조물.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 플라이는 섬유 플라이이고, 제2 섬유는 섬유 플라이를 통해서 이들의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출되도록 연장되어, 캐리어 플라이의 제1 섬유의 구조물이 변경되지 않게 하는 방식으로 그 내부에 유지되도록 상기 캐리어 플라이를 통해 침투되는 것을 특징으로 하는 구조물.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   제2 섬유는 0.25mm 내지 3mm의 평균 길이를 가지는 단길이 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 섬유는 6㎛ 내지 30㎛의 평균 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 구조물.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   실질적으로 매트릭스 재료 내에 배치된 복수개의 제2 플라이를 포함하고,
   인접한 제2 플라이의 적어도 일부의 쌍(pair)은 각각의 플라이의 개별적인 반대면으로부터 이들 사이의 매트릭스 재료 내로 부분적으로 얽어 넣어지게 될 정도로 돌출되는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 제2 섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합체 구조물.
9. 제1항에 있어서,
   제2 섬유는 0.25mm 내지 3mm의 평균 길이를 가지는 단길이 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 섬유는 6㎛ 내지 30㎛의 평균 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 구조물.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    실질적으로 매트릭스 재료 내에 배치된 복수개의 제2 플라이를 포함하고,
    인접한 제2 플라이들의 적어도 일부의 쌍은 각각의 플라이의 개별적인 반대면으로부터 이들 사이의 매트릭스 재료 내로 부분적으로 얽어 넣어지게 될 정도로 돌출되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제2 섬유를 구비한 것을 특징으로 하는 복합체 구조물.
12. 시트 재료의 캐리어 층을 제공하는 단계;
    상기 층의 평면의 바깥쪽으로 연장되고 그 표면의 적어도 주요 부분에 배치된 제2 섬유의 평면 어레이를 상기 캐리어 층으로 도입하여 상기 제2 섬유가 제2 플라이의 양쪽 면으로부터 바깥쪽으로 돌출되도록 하는 단계를 포함하는
    CFRC에서의 사용을 위한 제2 강화 플라이를 제조하는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 캐리어 층은 섬유 플라이이고, 제2 섬유의 상기 어레이는 제1 섬유들 사이의 간격으로 제2 섬유를 침투시킴에 의해 상기 플라이를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제2 섬유의 상기 어레이는 분사 정렬 공정에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 복수개의 제2 강화 플라이를 준비하는 단계;
    선택에 따라 이러한 제2 섬유 없는 2차원 제1 섬유 플라이 구조물을 포함하는 복수개의 제1 강화 섬유 플라이를 준비하는 단계;
    상기 복수개의 섬유 플라이를 대체로 평행하게 이격된 방식으로 매트릭스 재료, 및 예를 들어 경화 가능한 매트릭스 재료의 적절한 전구체와 함께 펼쳐 놓는 단계; 및
    이들을 가공하여 섬유 강화형 복합체 재료를 형성하는 단계
    를 포함하는 복합체 재료 제조 방법.

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