KR20120023948A

KR20120023948A - 우수한 진동감쇄능을 갖는 카본섬유강화플라스틱 복합체

Info

Publication number: KR20120023948A
Application number: KR1020100086354A
Authority: KR
Inventors: 이우일; 김상엽; 문성남; 최재웅
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-14
Also published as: KR101167055B1

Abstract

본 발명은 우수한 진동감쇄능을 갖는 카본섬유강화플라스틱 복합체에 관한 것으로, 복수개의 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 기재층과, 상기 기재층들 사이에 형성된, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층을 포함하는 본 발명의 카본섬유강화플라스틱 복합체는 모재의 높은 강성 및 낮은 비중을 유지하면서도 높은 진동감쇄능을 가져 외부 진동을 빠르게 감소시킬 수 있다.

Description

우수한 진동감쇄능을 갖는 카본섬유강화플라스틱 복합체 {CARBON-FIBER REINFORCED PLASTIC COMPOSITE HAVING IMPROVED VIBRATION DAMPING ABILITY}

본 발명은 모재의 높은 강성 및 낮은 비중을 유지하면서도 높은 진동감쇄능을 가져 외부 진동을 빠르게 감소시킬 수 있는 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 복합체에 관한 것이다.

카본섬유강화플라스틱(CFRP) 복합체는 저밀도임에도 불구하고 높은 강성을 갖기 때문에 경량, 고강도가 요구되는 제품에 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 CFRP는 진동감쇄계수(tanδ, 손실계수(loss factor))로 대표되는 진동을 감쇄하는 성질이 매우 약하므로 그 사용이 제한적으로 이루어지고 있다.

이에, CFRP 모재의 경량, 고강도 성질을 저해하지 않으면서 동시에 진동감쇄계수의 값을 향상시키는 방법에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다.

예컨대, 일본의 타니모토(Tanimoto) 교수는 CFRP 내부에 압전세라믹 분말을 분산시킴으로써 CFRP 복합체의 진동감쇄능력을 향상시키는 방법을 개시한바 있다 ([Toshio Tanimoto, "A new vibration damping CFRP material with interlayers of dispersed piezoelectric ceramic particles," Composite Science and Technology, vol. 67, 2007, pp. 213-221] 참조). 압전세라믹 분말은 외부 압력으로 인해 변형이 되면 내부적으로 전압을 형성하는 물질로서, 이 방법에 의하면, CFRP 복합체 내부의 카본섬유가 저항체(resistor)로서 작용하여 전류가 흐르도록 만들어 압전세라믹 분말의 진동에너지가 열에너지로 전환되는 것을 가속시킨다. 즉, 진동에너지의 일부가 전기에너지로 전환/소멸되기 때문에 전체 진동에너지도 상대적으로 신속히 사라지게 되는 것이다.

그러나, 상기 방법의 경우 CFRP 복합체 내부의 카본섬유와 압전세라믹 분말과의 접촉 정도가 진동감쇄능력에 결정적인 영향을 주기 때문에, 여러 가지 요인에 의한 이들 간의 불완전한 접촉은 진동감쇄능의 향상에 한계를 가져온다는 문제점이 있었다.

한편, 에폭시 수지에 압전세라믹 분말과 카본블랙(carbon black) 분말을 각각 혼합함으로써 에폭시 수지의 진동감쇄능을 향상시킨 기술이 보고된바 있다 ([Hori et al., Composites: Part A 32, 2001, 287-290] 참조). 그러나, 이 경우 카본섬유와 압전세라믹 분말과의 접촉성이 나쁜 관계로 진동감쇄능의 향상을 위해서는 압전세라믹 분말을 에폭시 수지 중량의 최대 70%까지 다량 투입해야 하므로 폴리머 고유의 성질을 저해하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 모재의 높은 강성 및 낮은 비중을 유지하면서도 높은 진동감쇄능을 가져 외부 진동을 빠르게 감소시킬 수 있는 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 복합체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

복수개의 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 기재층과, 상기 기재층들 사이에 형성된, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층을 포함하는 것을 특징으로 하는

카본섬유강화플라스틱 복합체를 제공한다.

본 발명에 따른 카본섬유강화플라스틱 복합체는 모재 본연의 성질을 저해하지 않고 높은 강성 및 낮은 비중을 유지하면서도 적은 양의 압전세라믹 분말의 사용만으로도 높은 진동감쇄능을 가져 외부 진동을 빠르게 감소시킬 수 있어, 풍력발전 블레이드, 자동차/비행기 외장재, 골프 샤프트, 하키 스틱, 로봇 팔 등의 다양한 용도로 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 카본블랙으로의 코팅 전 및 후(PZT 분말 중량의 6% 코팅)의 PZT 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진이고 ((a): 코팅 전, (b) 및 (c): 코팅 후),
도 2는 비교예에서 제조된 PZT-CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프이고,
도 3은 실시예에서 제조된 PZT-CB-CFRP 복합체(카본블랙 코팅된 PZT 분말층의 양: 16 g/m²)의 카본블랙 코팅비율에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프이고,
도 4는 실시예에서 제조된 PZT-CB-CFRP 복합체(카본블랙 코팅비율: 6%)의 카본블랙 코팅된 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프이고,
도 5는 비교예 및 실시예에서 제조된 CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 비교그래프이고 ((a): 주파수 100Hz, (b): 160Hz, (c): 180Hz),
도 6은 비교예 및 실시예에서 제조된 CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 전기저항도(Ωm)의 변화 그래프이다.

본 발명에 따른 카본섬유강화플라스틱 복합체는 복수개의 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 기재층과, 상기 기재층들 사이에 형성된, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 CFRP 복합체는 CFRP 내부의 카본섬유 및 압전세라믹 외부에 코팅된 카본블랙을 동시에 저항체로 이용함으로써 적은 양의 압전세라믹 분말의 사용만으로도 높은 진동감쇄능을 나타낼 수 있다.

본 발명에 사용되는 CFRP 기재층은 에폭시 수지 재질의 것으로서 시판되는 것을 구입하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 하나의 기재층이 0.05 내지 0.3 mm의 두께 및 100 내지 300 g/m³의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 복합체는 4 내지 12개의 기재층을 적층된 형태로 포함할 수 있으며, 이때 기재층들은 기재층 내부의 카본섬유가 단일방향으로 배향되도록 적층되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 압전세라믹 분말로는 지르콘산-티탄산 납 (lead zirconate titanate, PZT) 분말, 지르콘산-티탄산 납 란타늄 (lead lanthanum zirconate titanate, PLZT) 분말, 또는 이들의 혼합물이 적합하며, 코팅 전 200 내지 500 pC/N의 압전능(d₃₃)을 갖는 것이 바람직하다.

압전세라믹 분말은 통상적인 방법에 의해 제조할 수 있는데, 예컨대, 가압에 의해 얻은 원료 분말을 소결한 후(sintering step), 소결된 세라믹을 은 전극으로 코팅한 다음 포올링(poling) 전압을 가해 실리콘 오일조에서 포올링한 후(poling step), 적절한 크기로 분쇄함으로써(grinding step) 목적하는 압전세라믹 분말을 제조할 수 있다.

본 발명에 사용되는 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말은 2 내지 10 ㎛의 평균 입경을 가질 수 있고, 이때 카본블랙은 바람직하게는 코팅 전 압전세라믹 분말 중량의 1 내지 20%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의 양으로 코팅될 수 있다. 바람직하게는, 카본블랙은 2 내지 500 nm의 평균 입경을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말은, 압전세라믹 분말과 카본블랙을 아세톤 용매 중에서 혼합하고 볼밀링(ball-milling)하면서 교반한 후 아세톤을 제거하고 건조함으로써 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 CFRP 복합체는 CFRP 기재층 위에 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말을 분산시켜 형성한 층을 포함하는데, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층은 바람직하게는 4 내지 25 g/m², 더욱 바람직하게는 12 내지 20 g/m²의 양으로 형성될 수 있다. 이때 분말층의 양(loading amount)은 분말의 평균 입경 및 밀도로부터 계산된다.

별도로 코팅되지 않은 압전세라믹 분말을 분산시켜 제조한 기존의 CFRP 복합체는 CFRP 내부의 카본섬유와 압전세라믹 분말과의 불완전한 접촉에 의해 진동감쇄능의 향상에 한계를 가졌으나, 본 발명의 CFRP 복합체는 카본섬유와 압전세라믹 분말과의 접촉 여부에 상관없이 CFRP 내부의 카본섬유 및 압전세라믹 외부에 코팅된 카본블랙이 동시에 저항체로 작용하여 진동감쇄능의 탁월한 향상을 나타낸다. 나아가, 별도로 코팅되지 않은 압전세라믹 분말을 분산시켜 제조한 기존의 CFRP 복합체는 압전세라믹 분말의 사용량이 과다할 경우 카본섬유와의 접촉성이 불량해져 압전세라믹 분말층의 특정 양 범위(예: 8 내지 16 g/m²)에서 손실계수의 임계값(threshold)을 나타내는 반면, 본 발명의 CFRP 복합체는 카본섬유와의 접촉과 상관없이 압전효과를 나타내기 때문에 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말의 사용량이 증가함에 따라 진동감쇄능의 지속적인 증가를 나타낸다 (손실계수 임계값 구간을 없앰).

이와 같이, 본 발명에 따른 카본섬유강화플라스틱 복합체는 모재 본연의 성질을 저해하지 않고 높은 강성 및 낮은 비중을 유지하면서도 적은 양의 압전세라믹 분말의 사용만으로도 높은 진동감쇄능을 가져 외부 진동을 빠르게 감소시킬 수 있어, 풍력발전 블레이드, 자동차/비행기 외장재, 골프 샤프트, 하키 스틱, 로봇 팔 등의 다양한 용도로 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

비교예 : 기존의 PZT-CFRP 복합체의 제조

지르콘산-티탄산 납(PZT) 원료 분말(이글라스(Eglass), 한국)을 1200℃에서 4시간 동안 소결하여 5 ㎛의 크기로 성장시킨 후, 소결된 세라믹을 650℃에서 1시간 동안 은 전극으로 코팅한 다음 DC 4 kV/mm의 포올링(poling) 전압을 40분 동안 인가하면서 120℃의 실리콘 오일조에서 두께 방향을 따라 포올링하여 330 pC/N의 압전능(d₃₃)을 부여하였다. 이어, 얻어진 소결된 세라믹을 분쇄하여 입경 2 내지 4 ㎛의 PZT 분말을 제조하였다.

에폭시계 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 프리프레그 CU1003(한국카본)을 4장 준비하고, 3장 각각의 표면에 PZT 분말을 0, 4, 8, 16 및 24 g/m²의 양으로 분산시켰다. 프리프레그들 사이에 PZT 분말층이 위치하고 카본섬유가 단일방향으로 배향되도록 4장의 프리프레그를 적층하였다. 이 적층체를 핫 프레스를 이용하여 2 bar의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가압한 후 35mm x 10mm x 0.42~0.44mm의 크기로 절단하여 기존의 PZT-CFRP 복합체를 제조하였다.

실시예 : 본 발명의 PZT-CB-CFRP 복합체의 제조

상기 비교예와 동일한 방법으로 PZT 분말을 제조한 후 카본블랙 Raven 5000 UltraIII(평균 입경 8nm, Columbian Chemicals Company)로의 코팅을 수행하였다. 구체적으로, PZT 분말과 카본블랙을 아세톤 용매 중에서 혼합하되, 카본블랙을 코팅 전 PZT 분말 중량의 3, 6, 9 및 12%의 양으로 사용하였다. 이 혼합용액을 2시간 동안 볼밀링(ball-milling)하면서 교반한 후 아세톤을 90℃ 오븐에서 완전히 제거한 다음 건조하여 카본블랙으로 코팅된 PZT 분말을 얻었다.

카본블랙으로 코팅된 PZT 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예와 동일한 방법을 수행하여 본 발명의 PZT-CB-CFRP 복합체를 제조하였다.

카본블랙으로의 코팅 전 및 후(PZT 분말 중량의 6% 코팅)의 PZT 분말의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 1에 나타내었다 ((a): 코팅 전, (b) 및 (c): 코팅 후). 도 1의 사진 (b) 및 (c)로부터 PZT 분말 표면에 카본블랙이 미세하게 코팅되었음을 확인할 수 있다.

ASTM D5023 (3점 굽힘시험)에 의거하여 비교예 및 실시예에서 제조된 CFRP 복합체의 진동감쇄계수(tanδ, 손실계수(loss factor): 손실 모듈러스 대 탄성 모듈러스 간의 비율)를 DMA (Q800, TA instruments)를 이용하여 측정하였다. 진동감쇄계수가 높을수록 물질이 기계에너지를 열에너지로 빨리 전환시킴을 의미하며, 실험은 100, 160 및 180Hz의 주파수에서 수행하였다.

비교예에서 제조된 PZT-CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프를 도 2에 나타내었다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 모든 실험 주파수에서 진동감쇄계수는 8 g/m²의 PZT 분말층일 때 가장 높은 값을 나타내었다. 이러한 결과는 PZT 분말층이 8 g/m²의 양으로 형성되었을 때 카본섬유와 가장 잘 접촉하여 열에너지로의 방출을 돕는 압전전류를 가장 효율적으로 발생시킴을 보여주며, 8 내지 16 g/m²의 양 범위에서 진동감쇄계수의 임계값(threshold)이 존재함을 예측할 수 있다.

실시예에서 제조된 PZT-CB-CFRP 복합체(카본블랙 코팅된 PZT 분말층의 양: 16 g/m²)의 카본블랙 코팅비율에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프를 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터, 카본블랙을 PZT 분말 중량의 6%로 코팅하였을 때 카본블랙이 PZT 분말의 표면에 미세하게 분포되어 진동감쇄계수가 가장 증가함을 알 수 있다.

실시예에서 제조된 PZT-CB-CFRP 복합체(카본블랙 코팅비율: 6%)의 카본블랙 코팅된 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 그래프를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 모든 실험 주파수에서 분말의 사용량이 증가함에 따라 진동감쇄계수 또한 지속적으로 증가하는데, 이로부터 카본블랙으로의 코팅을 통해 충분한 전기전도성이 도입되어 카본섬유와 PZT 분말 간의 접촉에 따른 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

비교예 및 실시예에서 제조된 CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 진동감쇄계수의 변화 비교그래프를 도 5에 나타내었다 ((a): 주파수 100Hz, (b): 160Hz, (c): 180Hz). 또한, 비교예에서 제조된 CFRP 복합체의 진동감쇄계수의 최대증가비율과 실시예에서 제조된 CFRP 복합체(카본블랙 코팅비율: 6%)의 카본블랙 코팅된 PZT 분말층 24 g/m²에서의 진동감쇄계수의 증가비율을 하기 표 1에 정리하였다.

	비교예의 복합체	실시예의 복합체
100 Hz	143%	180%
160 Hz	368%	569%
180 Hz	176%	234%

비교예 및 실시예에서 제조된 CFRP 복합체의 PZT 분말층의 양에 따른 전기저항도(Ωm)의 변화 그래프를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예에서 제조된 본 발명의 CFRP 복합체는 카본블랙 코팅된 PZT 분말층의 양이 증가함에 따라 전기저항도가 감소하였으며, 이로써 코팅된 카본블랙이 충분한 전기전도체로서 작용하여 카본섬유와 PZT 분말 간의 불완전한 접촉과 상관없이 적합한 전기회로를 형성하여 주울(joule) 열을 발생시킴을 알 수 있다.

Claims

복수개의 카본섬유강화플라스틱(CFRP) 기재층과, 상기 기재층들 사이에 형성된, 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 기재층이 0.05 내지 0.3 mm의 두께 및 100 내지 300 g/m³의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체가 4 내지 12개의 기재층을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 압전세라믹 분말이 지르콘산-티탄산 납 (lead zirconate titanate, PZT) 분말, 지르콘산-티탄산 납 란타늄 (lead lanthanum zirconate titanate, PLZT) 분말, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말이 2 내지 10 ㎛의 평균 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말이, 압전세라믹 분말을 압전세라믹 분말 중량의 1 내지 20%의 카본블랙으로 코팅하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 카본블랙이 2 내지 500 nm의 평균 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말이, 압전세라믹 분말과 카본블랙을 아세톤 용매 중에서 혼합하고 볼밀링(ball-milling)하면서 교반한 후 아세톤을 제거하고 건조하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층이 4 내지 25 g/m²의 양으로 형성된 것임을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.
제 9 항에 있어서,
상기 카본블랙으로 코팅된 압전세라믹 분말층의 양이 증가함에 따라 복합체의 진동감쇄능이 지속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 카본섬유강화플라스틱 복합체.