KR20110086000A - 향상된 가공성을 가진 프리프레그 및 천공된 프리프레그를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

복합 구조물을 형성하는 강화 및 경화 과정의 적어도 일부 동안 및/또는 과정 전에 프리프레그 및 프리프레그 레이업(300) 내로부터 기체(302A, 302B, 302C)를제거하는 능력이 향상된 프리프레그(102, 202)를 제작하는 시스템 및 방법이 개시된다. 특정 양태에서, 선택된 형상의 천공(204A, 204B)이 레이업 전, 동안 및 후에 프리프레그 내로 도입될 수 있다. 천공은 천공된 프리프레그 및 프리프레그 레이업 내 및 사이에 포획된 기체가 강화 및 경화 과정 동안 탈출하는 경로를 제공하여 최종 복합재 내의 잔류 다공도를 감소시킨다. 예를 들어, 복합재 체적을 기준으로 잔류 다공도가 10 vol% 미만인 복합재가 이러한 방식에 의해 달성될 수 있다.

Description

향상된 가공성을 가진 프리프레그 및 천공된 프리프레그를 제조하는 방법{PREPREGS WITH IMPROVED PROCESSING AND METHOD FOR MAKING A PERFORATED PREPREG}
본 발명의 양태는 예비함침된 섬유, 구체적으로 천공된 프리프레그(prepreg), 천공된 프리프레그 레이업(layup) 및 복합 구조물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
섬유 보강 복합재(Fiber Reinforced Composite: FRC)는 하나 이상의 층으로 형성된 섬유 보강재의 적어도 일부를 포위한 매트릭스 성분을 함유하는 혼성 구조 재료이다. 이 재료의 비교적 높은 강성 대 중량 비와 비교적 낮은 밀도로 인해, FRC는 중량이 큰 문제인 항공기 부품과 같은 응용에 유용함을 발견했다.
FRC 성분은 프리프레그(prepreg)로도 알려진 매트릭스 성분으로 예비함침된 섬유를 이용하여 제조할 수 있다. 프리프레그로부터 복합 부품을 형성하기 위해, 프리프레그는 주형 내에서 한 층 이상으로 조립되고 여기에 열을 가해 매트릭스 수지를 유동시켜 프리프레그 층을 강화시킬 수 있다. 가해진 열은 또한 매트릭스 성분을 경화 또는 중합시킬 수도 있다.
하지만, 이러한 방식으로 복합재를 형성하는 프리프레그의 강화는 어렵다. 프리프레그 내와 레이업 동안 프리프레그 사이에 기체가 포획될 수 있고, 또한 프리프레그의 가열 및/또는 경화 동안에도 기체가 발생할 수 있다. 이러한 기체는 레이업으로부터 제거하기 어려운데, 그 이유는 매트릭스가 기체의 움직임을 실질적으로 방해하고 복합재 내에 다공도를 발생시킬 수 있기 때문이다. 이러한 다공도는 또한 복합재의 기계적 성질을 감소시킬 수 있다.
복합재 제작 동안 포획된 기체의 제거를 증대시키는 기술이 개발되었지만, 여전히 문제가 있다. 예를 들어, 프리프레그의 가장자리에 진공을 가해 프리프레그 층의 측면으로부터 기체를 뽑아내기 위해 가장자리 브리더(edge breather)를 이용할 수 있다. 하지만, 이러한 방식으로 프리프레그로부터 포획된 기체를 제거하는 것은 느리고 포획된 기체의 거의 완전한 제거를 제공할 수도 없다.
한 양태로, 프리프레그 내 및 프리프레그 레이업으로부터 공기 및 다른 휘발성 종과 같은 기체를 제거하는 능력이 증대된 프리프레그가 제공된다. 특정 양태에서, 이 프리프레그에는 선택된 형상의 천공이 존재한다. 이 천공은 천공된 프리프레그 내에 포획된 기체가 프리프레그로부터 탈출하는 경로를 제공한다.
한 양태에서, 천공된 프리프레그는 이 프리프레그의 적어도 일부를 통해 천공이 분포되어 있는 것이 제공된다. 또한, 천공은 대략 실온에서 치수 안정성이고 천공된 프리프레그를 통해 기체가 이동할 수 있게 해준다.
다른 양태에서, 하나 이상의 천공된 프리프레그를 이용하여 제조한 복합재가 제공된다. 이 복합재는 복합재 전체 체적을 기준으로 10 vol% 미만의 다공도를 보유한다.
추가 양태로, 천공된 프리프레그를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 프리프레그에 기계적 조작이나 에너지를 가해 프리프레그의 적어도 일부에 하나 이상의 천공을 형성하는 것을 포함한다.
대안적 양태로, 섬유 보강 복합재를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 매트릭스 수지와 이 매트릭스의 적어도 일부에 매립된 섬유를 함유하는 프리프레그에 하나 이상의 천공을 도입시켜 천공된 프리프레그를 형성시키는 것을 포함한다. 하나 이상의 천공은 기체가 천공된 프리프레그의 바디 내로부터 천공된 프리프레그의 외부 표면으로 이동할 수 있도록 형성된다.
다른 양태로, 천공된 프리프레그 레이업이 제공된다. 천공된 프리프레그 레이업은 앞에서 논한 바와 같은 하나 이상의 천공된 프리프레그를 함유할 수 있다. 천공된 프리프레그 레이업은 또한 천공된 프리프레그와 천공을 함유하지 않는 프리프레그의 조합을 포함할 수도 있다. 또 다른 양태에서, 천공된 프리프레그는 천공된 프리프레그 내에 섬유 보강재의 중량 분율이 접착제 필름 또는 표면마무리 필름의 경우에는 20wt% 미만, 수지 필름의 경우에는 0일 수 있는 것이 제공된다.
도 1a 내지 1c는 완전 함침된 프리프레그(1a) 및 부분 함침된 프리프레그(1b 및 1c)의 양태의 예시이다;
도 2A 및 2B는 각각 천공을 보유한 완전 함침된 프리프레그 및 부분 함침된 프리프레그의 양태의 예시이다;
도 3a 및 3b는 각각 도 2A 및 2B의 완전 및 부분 천공된 프리프레그 및 프리프레그 레이업으로부터 기체가 실질적으로 제거될 수 있는 가능한 기전을 예시한 도면이다;
도 4는 프리프레그 시스템 내에 천공을 도입시키는 방법을 도시한 것이다;
도 5a 및 5b는 천공이 분포되어 있는 프리프레그 양태들의 하향식 도면이다; (A) 랜덤 천공 분포; (B) 실질적으로 균일한 천공 분포;
도 6은 복합 구조물을 제조하기 위한 천공된 프리프레그의 강화 및 경화를 위한 시스템의 한 양태를 도시한 것이다.
본 명세서에 사용된 "대략", "약" 및 "실질적으로"란 용어는 원하는 기능을 그대로 수행하거나 원하는 결과를 달성하는 언급된 양에 가까운 양을 나타낸다. 예를 들어, "대략", "약" 및 "실질적으로"는 기술된 양의 10% 미만 내, 5% 미만 내, 1% 미만 내, 0.1% 미만 내, 0.01% 미만 내의 양을 의미할 수 있다.
실질적으로 균일한 원형 단면을 보유하는 천공은 평균 직경의 10% 미만 내, 평균 직경의 5% 미만 내, 평균 직경의 1% 미만 내, 평균 직경의 0.1% 미만 내 및 평균 직경의 0.01% 미만 내인 직경을 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 섬유의 선택된 평면에 실질적으로 수직으로 뻗은 천공은 섬유 평면에 대한 법선 각도의 10% 미만 이내, 섬유 평면에 대한 법선 각도의 5% 미만 이내, 섬유 평면에 대한 법선 각도의 1% 미만 이내, 섬유 평면에 대한 법선 각도의 0.1% 미만 이내, 및 섬유 평면에 대한 법선 각도의 0.01% 미만 이내인 배향을 나타낼 수 있다.
본 명세서에 사용된 "~의 적어도 일부"란 용어는 전체를 포함할 수 있는 전체 양을 포함하는 전체 양을 나타낸다. 예를 들어, "~의 일부"란 용어는 전체의 0.01% 이상, 0.1% 이상, 1% 이상, 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상 및 100%인 양을 의미할 수 있다.
본 명세서에 사용된 "실온"이란 용어는 당업자에게 알려진 바와 같은 통상적인 의미인 것으로, 약 15℃ 내지 43℃ 범위 내의 온도를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 "섬유" 또는 "섬유들"이란 용어는 당업자에게 알려진 바와 같은 통상적인 의미인 것으로, 복합재의 보강을 위해 조정된 하나 이상의 섬유성 물질을 포함할 수 있다. 섬유는 입자, 박편, 세선, 단섬유, 연속 섬유, 시트, 층(ply) 및 이의 복합 형태 중 임의의 형태일 수 있다. 연속 섬유는 또한 단방향성, 다차원성(예, 2차원 또는 3차원성), 부직성, 제직성, 편직성, 스티치형, 권선형 및 땋은 섬유뿐 아니라 소용돌이형 매트, 펠트 매트 및 잘게 썬 매트 구조 중 임의의 구조를 채택할 수 있다. 제직형 섬유는 약 1000개 미만의 필라멘트, 약 3000개 미만의 필라멘트, 약 6000개 미만의 필라멘트, 약 12000개 미만의 필라멘트, 약 24000개 미만의 필라멘트, 약 48000개 미만의 필라멘트, 약 56000개 미만의 필라멘트, 약 125000개 미만의 필라멘트, 및 약 125000개 초과의 필라멘트를 보유하는 복수의 제직형 토우를 포함할 수 있다. 제직형 토우는 교차-토우 스티치, 위사-삽입 편직 스티치 또는 소량의 수지, 예컨대 사이징에 의해 위치가 고정될 수 있다.
섬유 조성물은 필요에 따라 변경될 수 있다. 섬유로는, 유리, 탄소, 아라미드, 석영, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO), 붕소, 탄화규소, 폴리아미드, Nylon®, 질화규소, Astroquartz®, Tyranno®, Nextel®, Nicalon® 및 흑연, 및 이의 배합물을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 명세서에 사용된 "매트릭스", "수지" 및 "매트릭스 수지"란 용어는 당업자에게 알려진 바와 같은 통상적인 의미인 것으로, 열경화성 및/또는 열가소성 물질을 함유하는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 그 예로는, 에폭시, 에폭시 경화제, 페놀계 물질, 페놀, 시아네이트, 이미드(예컨대, 폴리이미드, 비스말레이미드(BMI), 폴리에테르이미드), 폴리에스테르, 벤족사진, 폴리벤즈이미다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에테르 케톤(예, 폴리에테르 케톤(PEK), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 케톤 케톤(PEKK) 및 이의 유사물), 이의 배합물, 및 이의 전구체를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
매트릭스는, 본 명세서에 논의된 바와 같이, 추가로 용해성, 불용성 또는 부분 용해성 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 매트릭스의 하나 이상의 기계적, 유동학적, 전기적, 광학적, 화학적 및/또는 열적 성질에 영향을 미치기 위해 제공될 수 있다. 이러한 첨가제는 추가로 매트릭스와 화학적으로 반응하거나, 매트릭스와 상호작용하거나, 또는 매트릭스와 미반응성인 물질을 포함할 수 있다. 이러한 첨가제의 크기 분포 및 기하형태도 역시 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 첨가제의 크기는 나노단위 치수(대략 1 nm 내지 100 nm), 마이크로단위 치수(대략 100 nm 내지 100 ㎛), 마크로단위 치수, 약 100 ㎛ 초과 범위일 수 있다. 다른 예에서, 첨가제는 입자, 박편, 막대 등을 비롯한, 이에 국한되지 않는 기하형태로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 첨가제는 매트릭스의 선택된 부위(예컨대, 매트릭스 표면 부근) 내에 분포되거나, 또는 매트릭스 내에 균일하게 분포되거나 용해될 수 있다. 첨가제의 예로는 유기 및 무기 물질, 예컨대 난연제, 자외선(UV) 차단제, 점증제(예, Cabosil®) 및 손상 내성, 인성, 내마모성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 보강제(예, 고무, 세라믹 및/또는 유리)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
특히 유리한 첨가제는 손상 내성을 향상시키는 것으로 당업계에 공지된 고무 입자, 열가소성 입자 또는 이의 배합물이다.
본 명세서에 사용된 "함침시키는"이란 용어는 당업계에 알려진 통상적인 의미인 것으로, 섬유의 적어도 일부에 매트릭스 필름, 분말, 액체 및/또는 용액의 도입을 포함할 수 있다. 함침은 열, 압력 및 용매 중 하나 이상의 적용에 의해 촉진될 수 있다. 본 명세서에 논의된 "완전 함침"은 통상적인 의미를 포함할 수 있고, 또한 프리프레그와 같은 매트릭스 내에 실질적으로 모든 섬유를 매립시키는 함침을 포함할 수 있다. 본 명세서에 논의된 "부분 함침"이란 용어는 통상적인 의미를 포함하고, 실질적으로 완전 함침보다 적고 섬유 일부가 매트릭스 내에 매립되어 있지 않은 건조 섬유 영역을 함유하는 함침을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 "프리프레그"란 용어는 당업자에게 알려진 통상적인 의미인 것으로, 부피 중 적어도 일부 내에 매트릭스 수지로 함침된 섬유 시트 또는 박층을 포함한다. 매트릭스는 부분 경화 또는 미경화 상태로 존재할 수 있다.
본 명세서에 사용된 "레이업"이란 용어는 당업자에게 알려진 통상적인 의미인 것으로, 서로 인접 위치한 하나 이상의 프리프레그를 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 레이업 내의 프리프레그들은 서로에 대해 선택된 배향으로 위치할 수 있다. 추가 양태에서, 프리프레그는 경우에 따라 선택된 배향으로부터 상대적 움직임을 억제하기 위해 실 재료로 함께 꿰맬 수 있다. 다른 양태에서, "레이업"은 본 명세서에서 논한 바와 같이, 완전 함침된 프리프레그, 부분 함침된 프리프레그 및 천공된 프리프레그의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 레이업은 핸드 레이업, 자동 테이프 레이업(ATL), 진보 섬유 배치(AFP), 및 필라멘트 권선을 포함할 수 있는 기술에 의해 제조할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 명세서에 사용된 "치수 안정성"이란 용어는 당업자에게 알려진 통상적인 의미인 것으로, 구조물이 선택된 시간 동안 선택된 범위 내의 치수를 유지하는 능력을 포함한다. 특정 양태에서, 선택된 범위는 의도한 기능을 수행하는 구조물의 능력, 예컨대 선택된 압력 하에서 선택된 속도로 기체를 통과시키는 능력에 의해 측정될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "강화(consolidation)"란 용어는 당업자에게 알려진 통상적인 의미인 것으로, 공극 공간을 치환하기 위해 수지 또는 매트릭스 수지가 흐르는 과정을 포함한다. 예를 들어, "강화"는 섬유와 프리프레그 사이 및 내, 천공 등의 공극 공간 내로 흐르는 매트릭스의 흐름을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. "강화"는 추가로 열, 진공 및 적용 압력 중 하나 이상의 작용 하에 일어날 수 있다.
본 명세서에 사용된 "경화하는" 및 "경화"란 용어는 당업자에게 알려진 통상적인 의미인 것으로, 중합 및/또는 가교 과정을 포함할 수 있다. 경화는 가열, 자외선 노출 및 방사선 노출을 포함하는 과정에 의해 수행될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 특정 양태에서, 경화는 매트릭스 내에서 일어날 수 있다. 경화 전에, 매트릭스는 약 실온에서 액체, 반고체, 결정형 고체 및 이의 배합물인 하나 이상의 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 추가 양태에서, 프리프레그 내의 매트릭스는 선택된 점착성 또는 점성을 나타내도록 조제되거나 부분 경화될 수 있다. 특정 양태에서, 강화 및 경화는 단일 과정으로 수행할 수 있다.
본 발명의 양태들은 천공된 프리프레그, 천공된 프리프레그 레이업 및 제조 방법을 제공한다. 천공된 프리프레그는 천공된 프리프레그와 천공된 프리프레그 레이업 사이 및 그 내에 포획된 기체를 제거하는 향상된 능력을 보유한다. 포획된 기체는 천공된 프리프레그 단독으로부터 강화 과정 전 및/또는 강화 과정 중 적어도 일부 동안, 또는 천공된 프리프레그 레이업에 혼입될 때, 뿐만 아니라 복합 구조물을 형성하기 위한 강화 과정 전 및 그 강화 과정의 적어도 일부 동안 추가로 제거될 수 있다. 특정 양태에서, 선택된 형상의 천공은 레이업 전에 프리프레그에 도입된다. 대안적 양태에서, 선택된 형상을 가진 천공은 레이업 동안 또는 그 후 프리프레그에 도입된다. 프리프레그의 강화 전 및/또는 강화 중 적어도 일부 동안 천공은 천공된 프리프레그 또는 천공된 프리프레그 레이업 내 및 그 사이에 포획된 기체가 탈출할 경로를 제공하여 최종 복합체 내의 잔류 다공도를 줄이고 기계적 성질을 상승시킬 수 있다. 예를 들어, 잔류 다공도가 복합체 전체 부피를 기준으로 10 vol% 미만, 4 vol% 미만, 및 1 vol% 미만인 복합체가 이러한 방식으로 달성될 수 있다.
특정 양태에서, 천공된 프리프레그는 천공의 치수 안정성이 가능하도록 형성된다. 결과적으로, 천공은 일단 도입되면 선택된 시간 동안 치수 안정성을 유지할 수 있다. 특정 양태에서, 천공은 천공된 프리프레그의 보관 동안 치수 안정성을 유지할 수 있다. 다른 양태에서, 천공은 강화 과정의 적어도 일부 동안 치수 안정성을 유지할 수 있다. 이러한 천공된 프리프레그의 설계는 천공된 프리프레그 레이업 내의 천공된 프리프레그 층 사이와 천공된 프리프레그 내에 포획된 기체의 제거를 가능하게 하여 유익하다.
특정 양태에서, 치수 안정성은 매트릭스의 점도를 맞추어 제공할 수 있다. 예를 들어, 대략 실온에서 약 1,000,000 센티푸아즈(cp) 이상인 비교적 높은 매트릭스 점도는 치수 안정성을 가진 천공을 제공할 수 있다. 매트릭스 수지는 대략 실온에서 치수 안정성인 천공을 형성하도록 조정되고 하나 이상의 천공을 채우기 위해 실온보다 높은 선택된 온도에서 유동할 수 있는 것이 바람직하다.
추가 양태에서, 천공은 완전 함침 또는 부분 함침된 프리프레그 내로 도입될 수 있다. 이하에 더 상세히 논의되는 것처럼, 프리프레그 섬유의 일부가 매트릭스 수지 내에 함침되지 않은 천공된 프리프레그, 즉 부분 함침된 프리프레그를 제작하는 것이 가능하다. 이러한 부분 함침된 프리프레그 내에 천공을 도입시키면, 기체는 천공된 프리프레그의 비-함침 부분, 천공된 부분, 프리프레그 레이업에서 프리프레그 사이의 층간 부위, 및 이의 조합을 통해 이동할 수 있어, 부분 함침, 천공된 프리프레그와 레이업으로부터 기체의 탈출능을 향상시킨다. 천공이 완전 함침 또는 부분 함침된 프리프레그에 도입되는 능력은 여기서 논의되는 방법이 광범한 프리프레그 및 응용에 사용될 수 있게 한다.
추가 양태에서, 천공의 형상은 강화 전 및/또는 강화 중 적어도 일부 동안 프리프레그로부터 기체가 탈출하는 능력을 더욱 향상시키기 위해 추가 변경될 수 있다. 한 예로, 천공은 프리프레그의 두께를 따라 부분적으로 또는 전체적으로 뻗어있을 수 있다. 다른 예로, 천공은 조절된 방식으로 프리프레그를 통해 분포될 수 있어 기체가 프리프레그 전체로부터 제거될 수 있게 하여 균질 복합체의 형성을 용이하게 한다. 추가 예로, 천공의 파라미터들, 예컨대 크기, 형태, 분포 및 천공 밀도(단위면적당 천공 수)(이에 국한되지 않는다)는 필요에 따라 변경될 수 있다.
도 1a 및 1b는 완전 및 부분 함침된 프리프레그(100, 108)의 양태를 도시한 것이다. 한 양태에서, 프리프레그(100, 108)는 섬유(104)와 섬유(104)의 적어도 일부에 함침된 매트릭스(102)를 포함한다.
매트릭스(102)는 열 및/또는 압력의 적용 또는 적용 없이 고체, 반고체 필름, 분말 및 액체 형태로 섬유(104)에 완전 또는 부분 함침될 수 있다. 한 예로, 완전 함침된 프리프레그(100)는 매트릭스(102) 내에 실질적으로 매립된 섬유를 보유할 수 있다. 다른 예로, 부분 함침된 프리프레그(108)는 매트릭스(102)가 실질적으로 없는 선택된 부위, 예컨대 도 1c에 도시한 바와 같이 매트릭스(102) 내에 실질적으로 매립되지 않은 건조 섬유(116)를 함유하는 매트릭스 부재 구역(114)을 함유할 수 있다. 다른 예로, 부분 함침된 프리프레그(108)는 도 1b에 도시한 바와 같이 매트릭스 부재 구역(114) 내의 일부 섬유가 매트릭스(102) 내에 매립되고 대부분 건조 섬유(116)를 함유하는 매트릭스 부재 구역(114)으로 나타낸 바와 같이 매트릭스(102)가 부분적으로 없는 선택된 부위를 함유할 수 있다. 한 양태에서, 부분 함침된 프리프레그(108)는 프리프레그(108) 내부에 매트릭스(102)가 실질적으로 없는 매트릭스 부재 구역(114)을 남기고 양면으로부터 섬유(104)를 함침시켜 제조할 수 있다. 다른 예에서, 부분 함침된 프리프레그(108)는 한면으로부터 섬유(104)를 함침시켜 제조할 수도 있다. 이하에 논의되는 바와 같이, 매트릭스 부재 구역(114)은 강화 및/또는 경화 과정 동안 부분 함침된 프리프레그(108)로부터 기체를 제거할 수 있도록 도입된 천공과 협동할 수 있다.
프리프레그(100, 108)는 다수의 기법, 예컨대 용액 공정, 예컨대 용액 침지 및 용액 분무, 뿐만 아니라 용융 및 가공(working) 공정, 예컨대 직접 용융 및 필름 캘린더링을 비롯한 이에 국한되지 않는 기법을 이용하여 제조할 수 있다. 이 공정들은 섬유(104)의 적어도 일부가 유동성 또는 가단성(malleable) 상태의 매트릭스(102)와 접촉하도록 하고 섬유(104)가 매트릭스(102)로 함침되도록 설계한다. 레이업 공정을 용이하게 하기 위해, 매트릭스 함침 동안 및/또는 후에 매트릭스(102)의 점성을 적절히 조정할 수 있다.
용액 침지 공정에서, 섬유(104)는 용매 내에 용해된 매트릭스 고체의 배쓰(bath)를 통해 통과시킬 수 있다. 섬유(104)가 배쓰를 통과할 때, 섬유(104)가 배쓰를 통과하는 속도 및 배쓰 내에 매트릭스 고체의 함량과 같은 요인에 따라 매트릭스 고체의 양을 정한다. 용액 분무 공정에서, 매트릭스 고체의 선택된 양은 섬유(104) 상에 분무된다. 용액 공정의 각 경우에, 함침된 섬유(104)는 배쓰 또는 분무에 노출된 후 가열되어 용매를 실질적으로 제거하고 추가로 매트릭스가 경화 공정을 시작할 수 있게 한다.
직접 용융 공정에서, 매트릭스(102)는 섬유(104) 상에 직접 대략 용매가 없는 코팅으로 제공된다. 적용 온도에서 매트릭스(102)는 섬유(104)의 적어도 일부를 함침할 정도로 충분히 유동성이어서 프리프레그(100, 108)를 형성한다. 대안적으로, 필름 캘린더링에서, 매트릭스(102)는 용융물 또는 용액으로부터 필름으로 주조된다. 이어서 하나 이상의 매트릭스 필름 사이에 섬유(104)를 적층시키거나, 또는 한 필름을 한 면에 적용하고 매트릭스 필름이 섬유(104)내로 가공될 정도로 캘린더링한다.
또한, 첨가제는 함침 전 또는 후에 매트릭스(102)에 첨가될 수 있다. 한 양태에서, 첨가제는 매트릭스(102) 위 또는 내에 살포 첨가되는 미립자를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 층 사이에 위치한 첨가제가 만든 통로를 통해 기체가 더욱 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 레이업 층 사이의 기체를 제거하는 데에도 유리할 수 있다. 이러한 미립자 첨가제는 입자, 예컨대 평균 직경이 약 200 ㎛ 미만인 열가소성 입자, 열경화성 입자, 규산 입자, 유리 입자, 고무 및 무기 입자의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 프리프레그(100, 108)의 섬유 함량은 응용에 따라 변동될 수 있다. 한 양태에서, 섬유(104)의 중량 분율은 프리프레그(100, 108)의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 80 wt% 사이의 범위일 수 있다. 다른 양태에서, 천공된 프리프레그에서 섬유(104)의 중량 분율은 접착제 또는 표면마무리 필름의 경우에는 20 wt% 미만이고, 수지 필름의 경우에는 0일 수 있다. 이러한 양태의 천공된 프리프레그는 천공이 표면으로부터, 점착물들 사이로부터 또는 코어로부터 기체를 제거하기 위한 통로를 제공하는 접착제 또는 표면마무리 필름으로서 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 접착제는 복합재, 금속 및 적층 구조 응용에서 공동-경화성 결합 응용을 포함할 수 있다. 천공된 프리프레그 내에 섬유(104)의 중량 분율이 20 wt% 미만이거나 전혀 없는 유리한 양태로는 예컨대 접착제 내의 섬유가 경량의 폴리에스테르 또는 나일론 스크림인 접착제를 포함한다.
또한, 프리프레그(100, 108)에서 매트릭스(102)가 차지하는 분율은 필요에 따라 변동될 수 있다. 특정 양태에서, 매트릭스(102)는 프리프레그(100, 108)의 총 중량을 기준으로 프리프레그(100, 108)의 약 20 내지 80 wt% 사이를 차지할 수 있다.
도 2A 및 2B는 천공(204A) 및 부분 천공(204B)을 보유하는 완전 및 부분 함침된 프리프레그(200, 202)의 양태를 예시한 것이다. 특정 양태에서, 천공(204A)은 프리프레그(200, 202)의 폭을 통해 실질적으로 뻗어있을 수 있지만, 부분 천공(204B)은 프리프레그(200, 202)의 폭의 선택된 부위를 통해 뻗어있을 수 있다.
천공(204A, 204B)은 프리프레그(100, 108)에 도입된 통로를 포함할 수 있고, 예컨대 침투(penetration), 구멍, 기공, 슬릿, 갭, 균열 및 이의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 천공(204A, 204B)은 길이를 따라 실질적으로 균일, 길이를 따라 실질적으로 비균일, 및 이의 조합일 수 있다. 천공(204A, 204B)은 섬유(104)의 장축에 대해 선택된 각도로 배향될 수도 있다. 예를 들어, 천공(204A, 204B)은 섬유(104)의 장축에 대략 수직으로 뻗어있을 수 있다.
특정 이론에 국한되는 것은 아니지만, 천공된 프리프레그(200, 202)는 강화 전 및/또는 강화의 적어도 일부 동안 각각의 천공된 프리프레그(200, 202) 및 천공된 프리프레그(200, 202)를 함유한 프리프레그 레이업(300, 310) (도 3a 및 3b)으로부터 기체의 제거를 용이하게 할 수 있고, 이에 따라 이것으로 제조된 복합재 내에 다공도의 부피를, 천공된 프리프레그(200, 202) 없이 제조된 복합재에 비해 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 천공(204A, 204B)은 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 기체의 탈출 경로를 제공하고 비-천공된 프리프레그에 비해 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 기체의 더 많은 부피가 더욱 쉽게 제거될 수 있게 한다. 기체는 부분 및/또는 완전 함침된 프리프레그(200, 202)의 매트릭스(102) 또는 매트릭스 부재 구역(114) 내로부터 유래되는 층내 기체(302A) 및 매트릭스(102) 내에서부터 그리고 프리프레그 레이업의 프리프레그 층 사이로부터 층간 영역에서 유래되는 층간 기체(302B, 302C)를 포함할 수 있다. 특히, 천공된 프리프레그(200, 202)는 강화 동안 발생할 수 있는 기체의 제거에 적합한 것으로 생각된다.
도 3a 및 3b는 기체가 제거될 수 있는, 부분 함침 및 천공된 프리프레그 레이업(300)과 완전 함침 및 천공된 프리프레그 레이업(310)의 양태를 도시한 것이다. 본 발명의 양태는 완전 함침된 프리프레그(100), 부분 함침된 프리프레그(102), 완전 함침 및 천공된 프리프레그(200), 및 부분 함침 및 천공된 프리프레그(202)의 임의의 조합을 함유하는 레이업을 포함할 수 있다.
도 3a 및 3b에 예시된 바와 같이, 천공된 프리프레그(200, 202) 내의 기체(302A, 302B, 302C)는 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 이동하기 위해 매트릭스(102), 매트릭스 부재 구역(114) 및 천공(204A, 204B)의 임의의 조합을 통해 이동할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 흐름, 적용된 압력 및/또는 진공으로 인해 발생할 수 있는 힘의 영향 하에, 기체(302A, 302B, 302C)는 인접 천공(204) 사이 및/또는 천공 내로부터 방출되게 할 수 있다. 일단 천공(204)에서, 기체(302A, 302B, 302C)는 매트릭스(102) 유래의 실질적인 저항 없이 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 쉽게 이동할 수 있다.
도 3a의 부분 함침 및 천공된 프리프레그 레이업(300)에 더 상세히 예시된 바와 같이, 매트릭스 부재 구역(114)은 2 이상의 천공(204A) 및 (204B)의 임의의 조합 사이에 기체(302A, 302C)의 전달을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 일단 기체(302A, 302C)가 천공(204A)으로 들어가면 천공(204A)을 따라 천공된 프리프레그(202)로부터 이동하는 대신에, 기체(302A, 302C)는 천공된 프리프레그(202)로부터 이동하기 전에 매트릭스 부재 구역(114)을 통해 천공(204C)으로 이동할 수 있다. 다른 예에서, 기체(302A, 302C)는 하나 이상의 천공(204A, 204B)을 통해 매트릭스 부재 구역(114)으로 이동할 수 있고, 여기서 기체(302A, 302C)는 매트릭스 부재 구역(114)을 통해 이동하여 부분 함침 및 천공된 프리프레그 레이업(300)을 탈출할 수 있다. 바람직하게, 천공(204A, 204B) 사이를 이동하는 기체의 능력은 기체(302A, 302C)가 천공된 프리프레그(202)로부터 다양한 경로로 탈출할 수 있게 한다. 이러한 대체 경로는 기체(302A, 302C)가 천공(204A, 204B)과 매트릭스 부재 구역(114)의 다른 조합을 통해 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 계속 이동해 나갈 수 있기 때문에, 하나 이상의 천공(204A, 204B)이 차단되거나 다른 방식으로 통과할 수 없는 상황에서 유익할 수 있다.
특정 양태에서, 천공(204A, 204B)은 도 4에 도시한 바와 같이, 매트릭스 함침 후 에너지를 적용하여 프리프레그(100, 108) 내에 도입될 수 있다. 에너지는 추가로 기계적 에너지와 열 에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 천공(204A, 204B)을 도입시키는 상황에서 완전 및 부분 함침된 프리프레그(100, 108)가 이하에 논의되지만, 천공은 완전 함침 및 천공된 프리프레그(200)와 부분 함침 및 천공된 프리프레그(202)에도 도입될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 더욱이, 천공(204A, 204B)은 완전 함침된 프리프레그(100), 부분 함침된 프리프레그(102), 완전 함침 및 천공된 프리프레그(200) 및 부분 함침 및 천공된 프리프레그(202)의 임의의 조합을 보유한 레이업에 도입될 수도 있다.
특정 양태에서, 천공 공정은 프리프레그에서 다수의 섬유를 파단시킬 수 있다. 특정 양태에서, 천공(204A, 204B)은 도입되어 천공된 프리프레그(200, 202)로부터 제조된 복합재의 인장 강도, 인장탄성율 및 압축강도와 같은 기계적 성질은 천공 없는 비슷한 프리프레그로 제작된 복합재에 비해, 10% 미만, 5% 미만, 및/또는 1% 미만으로 감소시킨다.
한 양태에서, 기계적 에너지가 핀 롤러와 같은 하나 이상의 돌출부(402)를 보유하는 천공 기구(400)의 사용을 통해 적용될 수 있다. 한 양태에서, 천공 기구(400)는 프리프레그를 원하는 깊이로 침투시키는데 필요한 것으로, 높이가 약 100 ㎛ 내지 약 5 cm 이상, 더욱 바람직하게는 약 1mm 내지 약 25mm인 복수의 핀을 함유하는 핀 롤러일 수 있다. 각 핀은 프리프레그 내로 침투되었을 때 프리프레그 표면에서 평균 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 10 mm, 더욱 바람직하게는 약 500 ㎛ 내지 1500 ㎛인 원추형, 부등변 사각형, 경사형 등과 같은 임의의 여러 가지 형태일 수 있다. 복수의 핀은 높이와 직경이 동일하거나 상이할 수 있다. 핀은 말단이 예리한 것이 바람직하지만, 무디거나, 둥근 경사형 또는 다른 바람직한 형태인 말단으로 끝날 수도 있다. 관통 기구(400)의 돌출부(402)는 침투(204A, 204B)를 도입시키기 위해 프리프레그 두께의 적어도 일부를 통해 프리프레그(100, 108)를 꿰뚫을 수 있다. 돌출부(402)는 또한 천공(204A, 204B)에 바람직한 대략적인 크기, 밀도 및/또는 패턴으로 형성될 수 있다. 대체 양태에서, 원하는 형상의 천공(204A, 204B)을 달성하기 위해서 복수의 천공 기구(400)를 사용할 수도 있다.
추가 양태에서, 기계적 에너지는 초음파(410)를 방출할 수 있는 초음파 장치(406)를 사용해서 프리프레그(100, 108)에 적용될 수 있다. 초음파(410)는 초음파 범위 내의 주파수를 가진 압력파를 포함한다. 압력파는 프리프레그(100, 108)로 들어간 후, 매트릭스(102)의 파열을 유발하여 침투(204A, 204B)를 발생시킬 수 있다. 또한, 초음파(410)에 의한 침투(204A, 204B)의 형성은 매트릭스(102)의 균열에 필요한 에너지를 줄이기 위해 프리프레그(100, 108)를 냉각함으로써 촉진될 수도 있다. 추가 양태에서, 기공 또는 천공 형성을 위해 냉각된 프리프레그에 기계적 조작을 적용한다.
다른 예에서, 열 에너지는 레이저(404)의 사용을 통해 적용할 수도 있다. 레이저(404) 빔(412)은 프리프레그(100, 108)를 통해 선택된 깊이의 천공(204A, 204B)을 태우도록 구성된다. 빔(412)의 횡단면적은 원하는 천공(204)의 횡단면적과 대략 동일할 수 있다.
형성된 천공은 천공된 프리프레그 또는 천공된 프리프레그 레이업으로부터 기체가 탈출하기에 충분한 임의의 직경 크기일 수 있다. 예를 들어, 각 천공의 평균 직경은 복수의 천공이 충분한 기체 탈출을 가능하게 하는 천공 밀도 및 다른 요인에 따라, 약 1㎛ 또는 그 이하부터 약 5000㎛ 또는 그 이상, 바람직하게는 약 50㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다. 추가 양태에서, 천공(204)의 분포는 도 5a 및 5b의 하향식 도면에 예시된 바와 같이, 기체(302A, 302B, 302C)가 천공된 프리프레그(200, 202)를 탈출할 수 있도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 천공(204)은 천공된 프리프레그(200, 202)의 대략 전체 부피 상에 분포될 수 있다. 이 분포는 도 5a에 예시한 바와 같이 불규칙할 수 있고, 또는 도 5b에 예시한 바와 같이 대략 균일할 수 있다. 한 양태에서, 천공(204)은 천공 직경에 따라 기체의 충분한 탈출을 가능하게 하는데 필요한 많은 수만큼 20㎠당 약 1개 이상의 천공의 평균 밀도로 존재할 수 있다. 추가 예에서, 천공(204)은 선택된 패턴으로 분포할 수 있다. 또한, 천공(204)은 선택된 간격(예, 가장자리에서 가장자리까지의 간격, 중심에서 중심까지의 간격 등)으로, 예컨대 약 0.01 내지 100 mm 분리될 수 있다. 천공된 프리프레그(200, 202)의 전체 부피 내에 천공(204)을 분포시키면, 기체(302A, 302B, 302C)가 천공된 프리프레그(200, 202)의 부피 전반에서 탈출하여, 불균일한 다공도 영역의 발생을 억제하여 바람직하다. 하지만, 대안적 양태에서 천공(204A, 204B)은 프리프레그(100, 108)의 실질적인 전체 부피를 통해서보다 프리프레그(100, 108)의 선택된 부위에 도입될 수 있는 것으로 이해해도 된다.
추가 양태에서, 매트릭스(102)의 점도는 천공(204)이 치수 안정성을 유지할 수 있도록 구성될 수 있다. 천공(204)의 치수 안정성은 지나친 주의 없이 제조, 보관 및 사용 동안 천공된 프리프레그(200, 202)를 취급할 수 있게 하여 유익하다. 형성된 천공은 매트릭스 수지뿐 아니라 탄소 섬유가 전부 또는 실질적으로 없다.
다른 양태에서, 매트릭스(102)의 점도는 강화 동안 천공된 프리프레그(200, 202) 내 및 그 사이의 공극 공간으로 흘러 공간을 채우도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 한 양태에서, 매트릭스(102)의 점도는 외부 압력 없이 열 적용 시 공극 공간으로 흘러 공간을 채우도록 구성될 수 있다. 다른 양태에서, 매트릭스(102)의 점도는 열과 외부 압력 및/또는 진공 적용 시, 공극 공간으로 흘러 공간을 채우도록 구성될 수 있다. 천공(204A, 204B)과 다른 공극 공간이 강화 동안 충전되도록 하여, 천공(204A, 204B) 및 다른 공극 공간은 최종 복합재의 다공도에 기여하지 않도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태에서, 천공된 프리프레그(200, 202)는 다양한 점성 수준을 나타내도록 구성될 수 있다. 비교적 높은 점성 수준을 나타내는 천공된 프리프레그(200, 202)는 비교적 빡빡한 반경에 위치할 수 있기 때문에 복잡한 복합 부품의 제작에 적합할 수 있다.
도 6은 천공된 프리프레그(200, 202)의 강화 및 경화를 위한 시스템(600)의 한 양태를 예시한 것이다. 특정 양태에서, 천공된 프리프레그(200, 202)는 선택한 배향으로 함께 적층되도록 설계한 박층 또는 레이업으로 구성되고, 강화 및 경화되어 복합 부품을 형성한다. 예를 들어, 섬유 배향이 단방향인 천공된 프리프레그(200, 202)에서, 섬유(104)는 프리프레그(100, 108)의 최대 치수에 대해 0°, 90°, 또는 선택된 각도 θ로 배향될 수 있다. 임의 조합된 배향을 가진 천공된 프리프레그(200, 202)는 조합되어 레이업(602)을 형성할 수 있다. 이와 유사하게, 레이업(602)은 다른 섬유 조직의 천공된 프리프레그(200, 202)로 형성될 수 있다.
레이업(602)은 레이업(602) 내의 하나 이상의 천공된 프리프레그 층 사이에 배치된 물질을 추가로 포함할 수 있다. 한 양태에서, 목재, 포말, 벌집 또는 다른 구조 물질을 함유하는 중심 코어가 그렇게 배치될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 천공된 프리프레그 층 사이에 이중 층이 배치되어 세장형 보강 구역이 형성될 수 있다. 또한, 미국 특허 공개번호 2005/0255766에 기술된 바와 같이 섬유유리, 탄소, 열가소성 또는 다른 재료의 제직 또는 부직물과 같은 미함침 또는 부분 함침된 경량의 스크림이 선택된 장소의 레이업(602) 내에 도입되어 기체(302A, 302B, 302C)의 제거를 용이하게 하거나 손상 내성과 같은 기계적 성질을 증가시킬 수 있다.
다른 양태에서, 매트릭스 수지보다 점도가 낮은 연속 또는 불연속 수지 필름은 점성 향상을 위해 프리프레그(200/202) 및/또는 레이업(602)에 첨가될 수 있다. 이와 같이 레이업(602)에 수지 필름의 첨가는 프리프레그(200, 202)의 매트릭스에 첨가제, 예컨대 입자 또는 스크림이 함유되는 상황에서, 프리프레그(200/202) 레이업(602)의 제조를 용이하게 할 수 있다. 수지 필름은 천공될 수 있고, 천공된 것이 바람직하다.
코어 구조를 포함하는 레이업(602)의 양태에서, 프리프레그의 경화 동안 프리프레그 물질에 코어를 결합시키기 위해 접착제 물질을 이용할 수도 있다. 중심인 빈 코어 구조, 예컨대 벌집 구조는 상당량의 기체를 함유할 수 있으므로, 접착제 층은 기체의 제거가 용이하도록 천공되거나 망상일 수 있다. 추가 양태에서, 천공(204A, 204B)은 제거될 기체(302A, 302B, 302C)에 대한 실질적 비방해 경로를 제공하기 위해 프리프레그(100, 102A), 접착제 층 및 코어 층을 통해 도입될 수 있다.
레이업(602)은 강화 및 경화 동안 천공된 프리프레그(200, 202)가 채택하는 주형 형태를 제공하는 기구(604)와 접촉 배치할 수 있다. 예를 들어, 기구(604)는 비교적 편평한 표면, 구부러진 표면 및 이의 조합을 포함할 수 있다. 한 양태에 따르면, 기구(604)의 대향 위치에 제2 기구를 배치하여 제2 기구에 인접한 레이업(602)의 면을 본뜰 수 있다. 기구(604)와 제2 기구에는 힘을 가해 천공된 프리프레그(200, 202)를 강화시키고, 가열하여 프레스 경화 시스템에서 천공된 프리프레그를 경화시킬 수 있다. 이러한 프레스 경화 시스템에 진공 엔벨로프(610)는 선택사항이다. 레이업(602) 외측에서 매트릭스(102)의 흐름을 억제하기 위해 또는 기체 흐름을 향상시키기 위해, 레이업(602)의 가장자리에 인접하게 하나 이상의 댐(606)을 배치할 수도 있다.
레이업(602) 및 기구(604)는 다시 미함침 섬유유리와 같은 브리더(breather)(612)와 함께 진공 엔벨로프(610)에 의해 포위될 수 있다. 한 양태에 따르면, 브리더(612)는 표면 통기를 위해 레이업(602)의 수평 표면 중 적어도 하나에 인접하게 배치될 수 있다. 다른 양태에 따르면, 브리더(612)는 가장자리 통기를 위해 레이업(602)의 하나 이상의 가장자리에 인접하게 배치할 수 있다. 추가 양태에 따르면, 브리더(612)는 표면과 가장자리 모두의 통기를 위해 배치할 수 있다. 기구(604)와 진공 엔벨로프(610) 사이에 대략 진공의 기밀성을 만들기 위해 필요한 경우 밀봉 테이프를 추가로 이용할 수도 있다.
추가 양태에 따르면, 시스템(600)으로부터 제작된 복합재의 제거를 용이하게 하기 위해 브리더(612)와 프리프레그(200, 202) 사이에 하나 이상의 표면에 분리막(614)을 도입시킬 수 있다. 특정 양태에서, 분리막(614)은 기체 투과성일 수 있다. 대안적 양태에서, 분리막(614)은 천공성일 수 있다. 다른 양태에서, 분리막(614)은 실질적으로 기체 불투과성이나, 기체(302A, 302B, 302C)가 제거를 위해 레이업(602)의 가장자리로 이동하게 할 수 있다.
진공은 레이업(602)으로부터 기체(302A, 302B, 302C)의 제거를 용이하게 하기 위해 브리더(612)를 통해 진공 엔벨로프(610)에 적용될 수 있다. 레이업(602)은 오토클레이브 등에서 압력 하에 가열되거나 오븐 등에서 압력 없이 가열되어 매트릭스(102)의 점도를 낮추고 매트릭스(102)가 유동할 수 있는 압력차를 유도할 수 있다. 매트릭스 흐름은 탈기 구역을 채우고 레이업(602)으로부터 기체(302A, 302B, 302C)를 치환시킬 수 있다. 매트릭스(102)는 또한 매트릭스(102)의 점도가 강화를 촉진하기에 충분히 낮은 경우 다시 유동하여 천공(204) 및 레이업 내의 다른 탈기되거나 또는 빈 부피로 유입될 수 있다.
레이업(602)의 강화 및 경화가 완료되면, 레이업(602)은 복합재 총 부피를 기준으로 다공도가 약 10 vol% 미만일 수 있는 복합 부품을 형성한다.
실시예
다음 실시예들은 당해 개시된 천공된 프리프레그의 양태들의 이점을 입증하기 위한 것이다. 예를 들어, 천공된 프리프레그(200,202)는 천공이 없는 프리프레그와 비교했을 때 가장자리 통기 없이 천공된 프리프레그 레이업(300, 310)으로부터 기체의 제거를 유의적으로 향상시키고 강화 및 경화 후 다공도가 낮은 복합재를 생산하는 것으로 관찰되었다. 또한, 이하 실시예들은 레이업 내의 천공된 프리프레그 층들 내와 층 사이로부터의 기체(302A, 302B, 302C) 제거율이 천공이 없는 비슷한 프리프레그에서보다 큰 것으로 발견되었다는 것을 보여준다. 이 실시예들은 예시적 목적으로 논한 것으로, 개시된 양태의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
실시예 1- 오븐에서 오로지 진공 백( VBO ) 조건 하에 부분 함침된 프리프 레그로부터 제작된 탄소 섬유/에폭시 복합재
3가지 탄소 섬유/에폭시 복합재, 시편 1, 2 및 3은 진공 백 인클로저에 포위된 부분 함침된 프리프레그로부터 제작하고 오로지 진공 압력(오토클레이브 압력이 아님)으로 처리했다. 이러한 처리 방식은 오로지 진공 백(VBO) 처리라 불리기도 한다. 가장자리 통기 또는 밀봉의 사용과 천공의 존재 및 부재는 각각 복합재 다공도에 미치는 효과를 조사하기 위해 변화를 주었다. 밀봉된 가장자리와 천공된 프리프레그로부터 제작된 복합재(가장자리 통기 없이)는 천공 없는 프리프레그로부터 거의 동일한 조건 하에 제작된 복합재보다 상당히 낮은 다공도를 나타내는 것으로 관찰되었다. 더욱이, 가장자리가 밀봉되고 천공된 프리프레그로부터 제작된 복합재의 다공도 수준은 가장자리 통기되고 비천공된 프리프레그로부터 제작된 비슷한 복합재와 대략 동일한 다공도 수준을 나타냈다.
시편 1 - 가장자리 통기되는 비천공된 프리프레그
시편 1의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 면적당 섬유 중량이 약 145 g/㎡인 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유, Thornel® T40/800(Cytec Industries, West Paterson, NJ)를 함유하는 단향성 프리프레그로 제작했다. 프리프레그는 매트릭스 중량 분율이 약 35 wt%이도록 CYCOM® 5215 에폭시 수지(Cytec Industries, West Paterson, NJ)를 함유하는 매트릭스를 부분 함침시켰다. 이 프리프레그를 약 30.5 cm x 30.5 cm의 시트로 절단하고 이 시트 약 30개를 (0)30 레이업으로 쌓아올렸다. 레이업은 가장자리 통기를 용이하게 위해 가장자리를 따라 브리더 스트링을 보유한 실리콘 댐과 함께 백에 넣고 진공 엔벨로프 내에 넣어 약 20 mmHg 절대값 진공에 약 4시간 동안 처리했다. 이어서, 레이업은 약 82℃의 온도로 약 4시간 동안 가열하여 경화시켰다. 이와 같이 형성된 복합 적층체를 절단하고 연마한 결과, 다공도가 약 0.1 vol% 미만인 것으로 관찰되었다.
시편 2 - 가장자리가 밀봉된 비-천공 프리프레그
시편 2의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 가장자리 통기를 실질적으로 억제하는 밀봉 테이프로 모든 가장자리를 밀봉한 레이업을 백에 넣은 것을 제외하고는 시편 1과 유사한 방식으로 제작했다. 이와 같이 형성된 복합 적층체는 절단하고 연마한 결과, 다공도가 약 5.5 vol%인 것으로 관찰되었다.
시편 3 - 가장자리 밀봉되고 천공된 프리프레그
시편 3의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 시편 2와 유사한 방식으로 제작하되, 프리프레그를 약 6mm 간격으로 균일하게 이격된 날카로운 선단(tip)으로 끝나는 높이 6mm, 베이스 직경 1mm의 치수를 가진 원추형 스텔(stell) 핀을 함유하는 길이 약 18" 및 직경 4"의 원기둥형 나무 핀 롤러로 기계적으로 천공했다. 이 핀 롤러의 핀은 프리프레그의 두께를 통해 선택된 거리만큼 프리프레그에 침투하여 천공을 형성한다. 침투 거리가 클수록 최종 천공의 크기가 커진다. 천공은 천공 밀도에 따라 직경이 약 100㎛부터 약 1mm까지 필요에 따라 크기가 달라질 수 있다. 프리프레그를 따라 핀 롤러를 수회 통과시키면, 원하는 만큼 천공의 최종 밀도를 증가시키며, 각 천공의 크기를 비교적 일정하게 유지하면 약 2개 천공/㎠의 천공 밀도를 제공한다. 천공은 각 프리프레그 층의 두께를 통해 실질적으로 뻗어있어, 결과적으로 직경이 약 300 ㎛인 천공을 만들고 레이업 전에 프리프레그에 도입되었다. 이와 같이 형성된 복합 적층체를 절단하고 연마한 결과, 다공도가 약 0.1 vol% 미만인 것으로 관찰되었다.
실시예 1 - 요약
표 1 - 실시예 1 요약
Figure pct00001
표 1의 데이터는 가장자리 통기의 사용이, 오로지 진공 압력만으로 비-천공 프리프레그 레이업을 제작할 때, 복합재의 다공도를 약 5.5 vol%에서 약 0.1 vol% 미만으로 현저하게 감소시킨다는 것을 보여준다. 또한, 복합재 다공도의 유사한 감소는 가장자리 통기의 필요 없이 천공된 프리프레그의 사용을 통해서도 달성될 수 있는 것으로 관찰되었다.
실시예 2 - 오토클레이브 압력 및 진공을 이용하여 부분 함침된 프리프레 그로 제작된 탄소 섬유/에폭시 복합재
3가지 탄소 섬유/에폭시 복합재, 시편 4, 5 및 6은 진공 및 오토클레이브 압력 하에 부분 함침된 프리프레그로부터 제작했다. 가장자리 통기 및 천공의 존재 및 부재는 각각 복합재 다공도에 미치는 효과를 조사하기 위해 변화를 주었다. 가장자리 통기 없이 부분 함침 및 천공된 프리프레그로부터 오토클레이브 압력 하에 제작된 복합재는 천공 없이 부분 함침된 프리프레그로부터 실질적으로 동일한 조건 하에 제작된 복합재보다 다공도가 상당히 낮은 것으로 관찰되었다. 가장자리 통기 없이 천공된 프리프레그로부터 오토클레이브 압력 하에 제작된 복합재의 다공도 수준은 가장자리 통기되는 비-천공 프리프레그로 제작된 비슷한 복합재와 대략 동일하고 가장자리 파열이 없는 비-천공 프리프레그보다 실질적으로 적은 다공도 수준을 나타냈다.
시편 4 - 가장자리 통기되는 비천공된 프리프레그
시편 4의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 면적당 섬유 중량이 약 190 g/㎡인 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유, HTS(Toho Tenax)를 함유하는 단향성 프리프레그로 제작했다. 프리프레그의 중량 분율이 약 34 wt%이도록 CYCOM® 977-2 에폭시 수지(Cytec Industries, West Paterson, NJ)를 함유하는 매트릭스를 부분 함침시켰다. 패널의 대략 중심에서 크기가 약 7.6cm x 7.6cm 내지 10.2cm x 10.2cm 사이인 다중 층 빌드업을 보유하는 약 50.8cm x 50.8cm인 레이업을 형성시켰다. 이 레이업은 약 20층을 0°/90°교번 배향한 프리프레그에 이 큰 층 내에 추가 약 20층의 빌드업을 산재시켜 구성되었다. 이 레이업은 다시 다량의 공기, 대략 총 200 ㎤이 빌드업 부근의 프리프레그 층 사이에 포획되도록 구성되었다. 이 레이업은 가장자리가 브리더에 부착되도록 가장자리를 따라 브리더 스트링을 보유한 실리콘 가장자리 댐과 함께 백에 넣었다. 이 레이업을 진공 엔벨로프 내에 넣고 약 20 mmHg 절대값의 진공으로 약 4시간 동안 처리했다. 이어서, 레이업을 약 177℃의 온도로 가열하고 약 100 psi 압력을 약 2시간 동안 적용하여 경화시켰다. 이와 같이 형성된 복합 적층체를 절단 및 연마했고, 적층체 전반과 층 빌드업 영역 내 및 그 주위에 다공도가 약 0.1 vol% 미만인 것으로 관찰되었다.
시편 5 - 가장자리가 밀봉된 비-천공 프리프레그
시편 5의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 시편 4와 유사한 방식으로 제작하되, 레이업의 가장자리 4곳을 모두 진공 밀봉 테이프로 밀봉하여 가장자리 통기를 실질적으로 방해한 채 백에 넣었다. 이와 같이 형성된 복합 적층체의 층 빌드업 영역 내 및 그 주위의 다공도는 약 5 vol% 이상인 것으로 측정되었다.
시편 6 - 가장자리가 밀봉된 천공된 프리프레그
시편 6의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 가장자리 4곳을 모두 진공 밀봉 테이프로 밀봉하여 시편 5와 유사한 방식으로 제작하되, 프리프레그에 실시예 1에 기술된 핀 롤러를 이용해 핀 롤러를 기계적으로 침투시켜 약 2개 천공/㎠의 천공 밀도를 제공했다. 이 천공은 레이업 전에 각 프리프레그 층의 두께를 통해 실질적으로 뻗어있는 천공이었다. 이와 같이 형성된 복합 적층체는 절단 및 연마했고, 적층체 전반과 층 빌드업 구역 내 및 그 주위에 다공도가 약 0.1 vol% 미만인 것으로 관찰되었다.
실시예 2 - 요약
표 2 - 실시예 2의 요약
Figure pct00002
요약 표 2의 데이터는 진공과 오토클레이브 압력을 이용하여 비-천공된 프리프레그 레이업을 제작할 때 가장자리 브리더의 사용이 복합재 다공도의 상당한 감소, 즉 약 5 vol%에서 약 0.1 vol% 미만으로의 감소를 가능하게 한다는 것을 보여준다. 이 데이터는 또한 복합재 다공도의 유사한 감소가 가장자리 통기의 필요 없이 천공된 프리프레그의 사용을 통해서도 달성될 수 있다는 것을 보여준다.
실시예 3 - 오븐에서 오로지 진공 백( VBO ) 조건 하에 완전 함침된 프리프 레그로 제작된 탄소 섬유/에폭시 복합재
2가지 탄소 섬유/에폭시 복합재, 시편 7과 8은 실질적으로 완전 함침된 프리프레그로 제작했다. 완전 함침 및 천공된 프리프레그로부터 오로지 진공 압력 하에 제작된 복합재는 천공 없는 프리프레그로부터 실질적으로 동일한 조건 하에 강화된 복합재보다 낮은 다공도를 나타내는 것으로 관찰되었다.
시편 7 - 가장자리 통기 없이 비-천공 완전 함침된 프리프레그
시편 7의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 면적당 섬유 중량이 약 145 g/㎡인 Thornel® T40/800을 함유하는 단향성 프리프레그로 제작했다. CYCOM® 5215 에폭시 수지를 함유하는 매트릭스는 실질적으로 완전 함침시켰고, 이 프리프레그의 매트릭스 중량 분율은 약 35 vol%였다. 이 프리프레그는 약 105℃의 온도, 약 1 m/min 속도에서 수지가 프리프레그를 실질적으로 완전히 함침시킬 정도의 느린 선속도를 이용하여 함침시켰다. 이 프리프레그를 약 30.5 cm x 30.5 cm의 시트로 절단하고 이 시트 약 30개를 (0)30 레이업으로 쌓아올렸다. 레이업은 가장자리 4곳 모두를 진공 밀봉 테이프로 밀봉하고 가장자리 밀봉된 레이업에 핀 천공된 분리막을 중층시켜 백에 담았다. 중층된 분리막은 가장자리 통기에 의한 기체 제거를 실질적으로 방해했고, 진공 압력만으로 처리된 매우 큰 슬릿 테이프 부품을 모의실험했다. 백에 담은 레이업은 브리더를 함유하는 진공 엔벨로프 내에 넣고 약 20 mmHg 절대값의 진공으로 약 4 시간 동안 처리했다. 이어서, 레이업을 진공 압력만으로 약 82℃의 온도에서 약 4시간 동안 가열하여 경화시켰다. 이와 같이 형성된 복합 적층체는 절단하고 연마하여 다공도가 약 5 vol%인 것으로 관찰되었다.
시편 8 - 가장자리 통기 없이 천공된 완전 함침된 프리프레그
시편 8의 탄소 섬유/에폭시 복합재는 이 프리프레그를 실시예 1에 기술된 핀 롤러를 이용해 약 2개 천공/㎠을 제공하도록 기계적 침투시킨 것을 제외하고는 시편 7과 유사한 방식으로 제작했다. 이 천공은 레이업 전에 각 프리프레그 층의 두께를 통해 실질적으로 뻗어있었다. 이와 같이 형성된 복합 적층체는 연마했고, 다공도가 약 0.1 vol%인 것으로 관찰되었다.
표 3 - 실시예 3의 요약
Figure pct00003
요약 표 3의 데이터는 복합재 제작 동안 완전 함침 및 천공된 프리프레그의 진공 처리가 비-천공 프리프레그 레이업과 비교했을 때 복합재의 다공도를 약 5 vol%에서 약 0.1 vol%로 크게 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 실질적으로 완전 함침된 프리프레그 내에 천공의 도입이 프리프레그로부터 기체의 제거를 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 가장자리의 밀봉은 큰 부품을 모의실험하기 위해 수행했다.
이상의 설명은 본 발명의 교시의 기본적인 신규 특징을 보여주고 설명하며 강조했지만, 예시한 장치의 세부 형태의 다양한 삭제, 치환 및 변화뿐 아니라 이의 용도가 본 교시의 범위 안에서 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 것을 이해하고 있어야 한다. 결과적으로, 본 교시의 범위는 앞의 논의에만 제한되지 않고 이하 특허청구범위에 의해 한정되어야 한다.
100, 108 : 프리프레그
102 : 매트릭스
104 : 섬유
200, 202 : 천공된 프리프레그
204A, 204B : 천공
300, 310 : 프리프레그 레이업
302A, 302B, 302C : 기체
400 : 천공 기구
404 : 레이저
602 : 레이업

Claims (22)

  1. 매트릭스(matrix) 수지와 이 매트릭스 수지의 적어도 일부에 매립된 섬유를 함유하는 프리프레그(prepreg); 및
    프리프레그를 통한 기체 이동을 가능하게 하기 위한 프리프레그의 적어도 일부를 통해 분포된 복수의 천공을 포함하고,
    상기 매트릭스 수지는 대략 실온에서 치수 안정성 천공을 형성하도록 조정되고 하나 이상의 천공을 채우도록 실온보다 높은 선택된 온도에서 유동할 수 있는 것인, 천공된 프리프레그.
  2. 제1항에 있어서, 매트릭스 수지가 대략 실온에서 선택된 시간 동안 천공 내로 실질적으로 유동하지 않을 정도의 점도를 보유하는 천공된 프리프레그.
  3. 제1항에 있어서, 매트릭스 수지의 점도가 대략 실온에서 약 1,000,000cp 이상인 천공된 프리프레그.
  4. 제1항에 있어서, 매트릭스 수지가 천공을 포함하는 천공된 프리프레그 내에서 공극 공간 내로의 유동을 촉진하기 위해 매트릭스 수지의 점도가 강화 및/또는 경화 동안 약 300,000 cp 미만인 천공된 프리프레그.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 천공이 침투, 구멍, 기공, 균열, 슬릿, 갭 및 이의 조합을 포함하는 천공된 프리프레그.
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 천공이 천공된 프리프레그의 두께를 통해 선택된 거리만큼 뻗어있는 천공된 프리프레그.
  7. 제1항에 있어서, 천공이 천공된 프리프레그 내에 20 ㎠당 약 1개 이상의 천공 밀도로 존재하는 천공된 프리프레그.
  8. 제1항에 있어서, 천공이 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 직경으로, 약 2개 천공/㎠의 밀도로 존재하는 천공된 프리프레그.
  9. 제1항에 있어서, 부분 함침되거나 완전 함침된 천공된 프리프레그.
  10. 제1항에 있어서, 섬유가 천공된 프리프레그의 20 wt% 미만의 중량 분율로 포함된, 천공된 프리프레그.
  11. 매트릭스 수지와 이 매트릭스 수지의 적어도 일부에 매립된 섬유를 함유하는 하나 이상의 천공된 프리프레그를 도입시키는 단계;
    천공된 프리프레그의 적어도 하나를 강화 및/또는 경화시켜 복합재를 형성하기 위해 열, 진공 또는 압력 중 적어도 하나를 적용하는 단계를 포함하고,
    기체가 하나 이상의 천공된 프리프레그의 바디 내로부터 천공된 프리프레그의 외부 표면으로 이동할 수 있도록 하나 이상의 천공이 형성된, 섬유 보강 복합재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 천공된 프리프레그가 부분 함침 또는 완전 함침된 것인 제조방법.
  13. 다공도가 복합재의 총 부피를 기준으로 10 vol% 미만인 제11항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 복합재.
  14. 프리프레그에 에너지를 전달하여 프리프레그 두께를 통해 선택된 거리만큼 뻗어있는 하나 이상의 천공을 프리프레그의 일부에 형성시키는 단계를 포함하여, 천공된 프리프레그를 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 프리프레그의 두께를 통해 선택된 거리만큼 외부 표면으로부터 프리프레그로 꿰뚫기 위해 핀 프레스의 형태로 에너지가 전달되는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 에너지가 초음파 압력파의 형태로 전달되는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 에너지가 열 에너지의 적용에 의해 전달되는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 평균적으로 프리프레그 약 1.0㎠당 적어도 1개의 천공이 존재하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 프리프레그가 이 프리프레그의 20wt% 미만의 중량 분율로 섬유를 함유하는, 천공된 프리프레그를 제조하는 방법.
  20. 하나 이상의 천공된 프리프레그를 함유하는 천공된 프리프레그 레이업(layup).
  21. 제20항에 있어서, 천공된 프리프레그 레이업이 추가로 천공이 없는 하나 이상의 프리프레그를 함유하는, 천공된 프리프레그 레이업.
  22. 제20항에 있어서, 천공이 있는 프리프레그 및/또는 천공이 없는 프리프레그가 레이업으로 조립되고, 이어서 프리프레그 레이업의 적어도 일부에 천공이 도입되는, 천공된 프리프레그 레이업.
KR1020117009294A 2008-10-20 2009-10-20 향상된 가공성을 가진 프리프레그 및 천공된 프리프레그를 제조하는 방법 KR101693391B1 (ko)

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