KR20120094136A - 탄소 섬유 적층체 및 프리폼, 및 그들의 제조 방법 - Google Patents

탄소 섬유 적층체 및 프리폼, 및 그들의 제조 방법 Download PDF

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KR20120094136A
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코노스케 야마모토
마사키 야마사키
히데히로 다케모토
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도레이 카부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 1 내지 복수 사용한 탄소 섬유 직물을 1 내지 복수 적층한 탄소 섬유 적층체로서, 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면의 적어도 일부가 흑연화부로 이루어지는 동시에, 상기 흑연화부의 라만 스펙트럼으로부터 얻어지는 G밴드와 D밴드의 강도비(D밴드의 강도/G밴드의 강도)가 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체, 그것을 사용한 프리폼, 및 그들의 제조 방법에 관한 것이다. 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼의 단부면을 용이하게 가공할 수 있고, 또한 단부면에서 탄소 섬유가 흐트러지는 일이 없고, 높은 정밀도로 트리밍 가공을 실현할 수 있다. 그로 인해, 그들을, 간단하게, 또한 고정밀도로 성형틀 내에 배치할 수 있고, 또한, 버어 제거 작업의 생략도 가능하게 되고, 저비용화, 생산 시간의 단축을 실현할 수 있다.

Description

탄소 섬유 적층체 및 프리폼, 및 그들의 제조 방법 {LAYERED　CARBON-FIBER PRODUCT, PREFORM, AND　PROCESSES　FOR　PRODUCING　THESE}
본 발명은, 섬유 강화 플라스틱에 사용되는 탄소 섬유 적층체나 프리폼, 또는 그들의 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 형성한 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼의 트리밍의 개량 기술에 관한 것이다.
최근, 항공기나 자동차 등의 경량화 때문에 탄소 섬유를 사용한 섬유 강화 플라스틱을 사용하는 기회가 증가하고 있다. 그 중에서도, 일방향으로 정렬된 복수개의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 사용한 섬유 강화 플라스틱은, 비강성이나 비강도의 면에서 금속 재료에 대하여 유리한 면이 많아, 여러가지 부품에 채용되고 있다.
일방향 탄소 섬유 다발로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법으로서는, 프리프레그/오토클레이브법, RTM(Resin　Transfer　Molding) 성형 방법, RFI(Resin　Film　Infusion) 성형 방법 또는 그들로부터 파생한 성형 방법 등, 여러가지 방법이 제안되어 있다. 이 중에서도, RTM 성형 방법은, 도 1에 도시하는 바와 같은 탄소 섬유 등의 직물을 복수 적층한 탄소 섬유 적층체를 준비하고, 원하는 형상을 유지하도록 직물간을 고정시킨 프리폼을 미리 형성한 후에, 매트릭스 수지를 함침, 경화시킴으로써, 복잡한 형상의 섬유 강화 플라스틱이 얻어지는 점에서 주목받아 있다.
그러나, 탄소 섬유는, 직경이 10㎛ 정도로 매우 가늘기 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼을 칼날 등으로 접촉 절단하려고 할 경우에는, 탄소 섬유 자체의 단단함도 있어서, 절단하려고 하는 개소를 눌러 찌부러뜨려서 절단하게 된다. 이로 인해, 그 반발력에 의해 탄소 섬유가 단부면에서 흐트러지기 쉬워진다. 특히, 직물을 적층해서 프리폼을 형성하고나서 절단하려고 하면, 절단면이 두께 방향으로 불일치하게 되기 쉽다.
성형틀에 이러한 프리폼을 배치하려고 하면, 성형틀의 캐비티 형상과의 사이에 미스매치가 발생한다. 프리폼이 성형틀보다 큰 경우에는, 성형틀에 피트하는 사이즈로 형상을 조정하기 위한 추가의 절단 가공 작업을 행하거나, 또는 성형틀보다 큰 프리폼을 그대로 성형틀 내에 수납해서 성형하게 된다. 후자의 경우, 성형 후의 섬유 강화 플라스틱의 버어(burr) 부분에까지 탄소 섬유가 포함되게 되고, 버어 제거 작업이 번잡해진다고 하는 문제가 발생하였다.
한편, 프리폼이 작은 경우에는, 성형틀과의 사이에 발생하는 간극에 수지만(수지 리치)의 부분이 형성되기 때문에, 매트릭스 수지 주입 전에 별도의 탄소 섬유를 매립하는 작업이 필요해진다. 또한, 설령 프리폼과 성형틀의 형상이 거의 일치하더라도, 프리폼을 성형틀로 반송하고 있는 사이 등에 프리폼의 단부가 흐트러지는 경우가 있어, 미스매치를 완전하게 억제하는 것은 어렵다.
이와 같이, 탄소 섬유 자체의 가공의 어려움으로 인해, 성형틀에의 프리폼 배치 작업, 성형 후의 버어 제거 작업에 엄청난 공정수를 필요로 하고 있었다.
이와 같이 흐트러지기 쉬운 탄소 섬유에 대해서는, 프리폼 단부를 봉제하거나, 절단하려고 하는 프리폼의 단부면에 접착제 등의 수지 재료를 도포하거나 하는 방법이 제안되어 있다. 프리폼 단부를 봉제하는 방법은, 실질적으로는 프리폼 단부면보다 조금 내측으로 들어간 부분을 봉제하는 것이기 때문에, 단부면을 절단하면, 탄소 섬유의 흐트러짐을 완전하게 억제할 수는 없고, 봉제에 사용한 실 자체의 2차 흐트러짐의 발생도 우려된다. 또한, 접착제 등의 수지 재료를 도포하는 방법에서는, 수지 재료를 도포할 때에 이물질이 부착될 우려가 있는 경우나, 수지 재료 내에 에어가 포함될 경우가 있기 때문에, 성형한 섬유 강화 플라스틱의 강도 부족, 균열 발생과 같은 결함의 원인이 될 우려가 있다. 이들 방법은, 일정한 효과는 예상할 수 있지만, 절단하는 프리폼에 새로운 처리를 행할 필요가 있다는 점에서 효율적이라고는 말할 수 없다.
탄소 섬유를 결착하는 기술로서, 단섬유상(3 내지 20mm 정도)의 탄소 섬유를, 페놀 수지 등을 통해서 시트상 성형물을 얻는 방법이, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재되어 있다. 이 시트상 성형물은, 탄소 단섬유를 2차원 평면 내에 무작위로 분산하고, 페놀 수지와 함께 불활성 분위기 하에서, 약 2000℃ 이상의 고온으로 소성하는 것이 기재되어 있다. 이들 문헌에 기재된 시트상 성형물은, 탄소 섬유 전극에 적절하게 사용되는 것이며, 시트상 성형물에 새롭게 매트릭스 수지를 함침시켜서 사용하는 것이 아니다. 또한, 약 2000℃ 이상의 고온에서 소성함으로써, 탄소 단섬유 자체도 탄화하기 때문에, 탄소 단섬유 자체가 갖는 탄성률이나 강도 등이 얻어지는 것이 아니다.
또한, 탄소 섬유끼리를 결착시키는 다른 방법으로서, 탄화수소의 혼합 가스를 촉매인 금속 미립자와 함께 800℃ 이상으로 가열하고, 금속 미립자 또는 금속탄화물 미립자를 내포한 돌기물상의 그래핀 레이어를 통해서 이루어지는 3차원 네트워크 상의 탄소 섬유 복합체를 얻는 방법이, 특허문헌 3이나 특허문헌 4에 기재되어 있다. 그러나, 이들 방법도, 촉매인 금속 미립자를 함유하는 것이며, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 경우에 경량성이 손상되는 것, 또한, 탄소 섬유를 다시 800℃ 이상으로 가열하기 때문에, 일부 탄화해서 소정의 탄성률이나 강도가 얻어지지 않을 우려가 있다.
상기 특허문헌 1에서 4는, 모두 단사 레벨로 분산시킨 탄소 섬유에 탄소의 결착부를 사용해서 3차원 네트워크를 형성하는 기술로서, 본 발명에서 사용하는 직물을 구성하는 일방향 탄소 섬유 다발을 결착하는 데에 적용하는 것은, 수지의 함침성의 관점에서 그다지 바람직하지는 않다. 그 이유는, 일방향 탄소 섬유 다발 내부로의 수지의 함침은, 모세관 현상에 의해 탄소 섬유의 주위(표면)를 따라 침투해 가는 것이 일반적으로 알려져 있고, 탄소 섬유 다발의 표면에 3차원 네트워크의 교점이 되는 결착부를 가지면, 결착부를 우회하도록 해서 침투하게 된다. 즉, 결착부는 흐름의 저해 요인이 되고, 결착부가 없는 주변 부분과의 사이에서 수지의 침투 속도나 침투 거리에 차이를 발생시키기 때문에, 미소한 보이드나 미함침 등의 결함을 생성시킬 가능성이 있기 때문이다.
또한, 특허문헌 5에는, 흑연 입자를 미리 계면 활성제로 처리한 후, 흑연 입자의 표면에 탄소로 이루어지는 피복층을 형성하는 방법이 기재되어 있다. 이것은 구상 탄소의 코팅 기술로서, 탄소 섬유나 탄소 섬유 다발끼리를 결착하는 기술적 사상은 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 6에는, 글래스상 탄소의 피막이 실시된 탄소재인 글래스상 탄소 피복 탄소재에 대해서 기재되어 있다. 이것은 화학증착법(CVD)에 의해, 탄소재를 사용해서 웨이퍼를 제조하는 기술에 관한 것이며, 구체적으로는, 가열한 폴리염화비닐 등의 유기 중합체를 용매에 용해시킨 용액을 탄소재 표면에 도포하고, 가열 탄소화시킨 글래스상 탄소 피막의 형성 기술에 관한 것이다. 특허문헌 6에 있어서는, 모재가 되는 탄소재와 상이한 유기 중합체를 피막 형성에 사용할 필요가 있고, 탄소재 표면에 균열이나 핀홀이 없는 피막 형성을 목적으로 하지만, 탄소 섬유 다발과 같은 들쭉날쭉한 단부면을 피복하는 방법에 대해서는 하등 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 7에는, 아크 이온 플레이팅법에 의해 경질 박막을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법도, 저진공 중에서 전압을 부여해서 탄소원을 모재에 성막하는 기술로서, 경질 박막은 표면의 평활성이 우수한 아몰퍼스 카본 카본 네트워크를 가리킨다. 이 성막 방법은, 대기 중에서의 성막에는 대응할 수 없는 것이며, 모재의 절단 가공이나, 탄소 섬유 다발과 같은 들쭉날쭉한 단부면을 피복하는 방법에 대해서는 하등 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 8에는 할로겐화 탄화수소를 함유하는 가스를 400℃ 이상의 온도에서 열분해시켜, 탄소를 석출시키는 기상 열분해 탄소의 제법이 기재되어 있다. 이 방법은, 할로겐화 탄화수소를 불활성 가스 내에서 가열한 열분해 탄소를, 기재인 탄소 섬유로 이루어지는 편직품 등의 섬유 사이의 공간에 충전하고, 탄소 섬유-탄소 복합재를 만드는 것이다. 이 방법도, 결합시키기 위한 열분해 탄소를 할로겐화 탄화수소로 생성할 필요가 있다는 것, 또한, 탄소 섬유 다발과 같은 들쭉날쭉한 단부면을 피복하는 구체적인 방법에 대해서는 하등 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 9에는, 열분해 탄소 피복 흑연재를 할로겐 가스 분위기 중에서 1500℃ 내지 2500℃의 온도에서 열처리를 실시하는 방법이 기재되어 있다. 피복재와 탄소 섬유 강화 탄소재와 선팽창 계수가 비슷하다고 한 효과는 주장되어 있지만, 이 방법도, 모재와는 다른 흑연재를 할로겐 가스 분위기 중에서 열처리할 필요가 있다는 것, 탄소 섬유 다발과 같은 들쭉날쭉한 단부면을 피복하는 구체적인 방법에 대해서는 하등 개시되어 있지 않다.
일본 특허 출원 공개 제2004-288489호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-297547호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-248457호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-163535호 공보 일본 특허 제3685364호 공보 일본 특허 출원 공개 소63-74960호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-25565호 공보 일본 특허 출원 공개 소53-108089호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-45474호 공보
이상과 같이, 일방향 탄소 섬유 다발을 사용한 프리폼을 성형틀 내에 배치함에 있어서, 프리폼의 단부면에서 탄소 섬유를 흐트러지기 어렵게 하는 동시에, 소정의 형상으로 간단하게 형성할 수 있는 방법의 확립이 과제이었다.
따라서 본 발명의 과제는, 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼의 단부면을 용이하게 가공할 수 있고, 게다가 단부면에서 탄소 섬유가 흐트러지는 일이 없고, 높은 정밀도로 트리밍 가공을 실현할 수 있는 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼과 그들의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 탄소 섬유 적층체는, 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 1 내지 복수 사용한 탄소 섬유 직물을 1 내지 복수 적층한 탄소 섬유 적층체로서, 상기 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면의 적어도 일부가 흑연화부로 이루어지는 동시에, 상기 흑연화부의 라만 스펙트럼으로부터 얻어지는 G밴드와 D밴드의 강도비가 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체이다. 여기서 강도비는, (강도비)=(D밴드의 강도)/(G밴드의 강도)의 계산식으로 나타낸다.
여기서, 상기 흑연화부는, 탄소 섬유 적층체의 단부면에 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 흑연화부에 있어서, 인접하는 탄소 섬유가 결착되는 것도 바람직하고, 결착된 상기 탄소 섬유의 개수가 적어도 15개를 초과하는 부분을 갖는 것도 바람직하다.
또한, 흑연화부는 막 두께가 0.1mm 이하인 막상 흑연으로 형성되어 이루어지는 것, 이 막상 흑연의 표면에 선상 자국을 갖는 것도 바람직하다.
흑연화부는 빔 조사에 의해 절단된 단부면에 형성된 흑연화 절단 단부면인 것도 바람직하다.
또한, 탄소 섬유의 길이 방향 절단면에 있어서의 라만 스펙트럼으로부터 얻어지는 G밴드와 D밴드의 강도비(D밴드의 강도/G밴드의 강도)가 0.8 이상 1.4 이하인 것도 바람직하다.
또한, 상기 탄소 섬유가 적어도 PAN계 탄소 섬유의 장섬유를 포함하는 것도 바람직하다.
본 발명에 관한 프리폼은, 상기와 같은 탄소 섬유 적층체를 사용하여, 상기 탄소 섬유 직물의 표면에 적어도 결착재 수지 재료를 부설하는 동시에, 인접하는 상기 탄소 섬유 직물끼리가 결착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 있어서의 섬유 강화 플라스틱은, 이러한 프리폼에 매트릭스 수지를 함침, 경화시켜서 이루어지는 것이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 탄소 섬유 적층체의 제조 방법은, 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 1 내지 복수 사용한 탄소 섬유 직물을 1 내지 복수 적층한 탄소 섬유 적층체의 제조 방법으로서, 상기 탄소 섬유 적층체에 빔을 조사해서 상기 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면을 흑연화하는 것을 특징으로 하는 방법이다.
이 방법에 있어서는, 상기 탄소 섬유 적층체에 빔을 조사해서 상기 탄소 섬유 적층체를 원하는 형상으로 절단하는 동시에, 절단면을 흑연화하는 것이 바람직하다.
또한, 빔 조사에 있어서, 에너지 밀도, 조작 속도, 초점 심도 중 적어도 1개를 제어하는 것, 이 제조 방법에 사용하는 빔이 스폿 레이저 또는 라인 레이저 중 어느 하나의 레이저 광선인 것도 각각 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법은, 상기 어느 하나에 기재된 탄소 섬유 적층체를 사용하여, 탄소 섬유 직물의 표면에 적어도 결착재를 부설하는 동시에, 인접하는 상기 탄소 섬유 직물끼리가 결착된 프리폼에, 상기 어느 하나에 기재된 빔을 조사해서 흑연화하는 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명에 따르면, 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼의 단부면을 용이하게 가공할 수 있고, 게다가 단부면에서 탄소 섬유가 흐트러지는 일이 없고, 높은 정밀도로 트리밍 가공을 실현할 수 있다. 그로 인해, 간단하게, 또한 고정밀도로 성형틀 내에 탄소 섬유 적층체 또는 프리폼을 배치할 수 있고, 성형틀에의 배치의 간략화나 버어 제거 작업을 생략함으로써, 공정수 저감에 의한 저비용화, 생산 시간의 단축을 실현할 수 있다. 또한, 프리폼을 성형해서 얻어진 섬유 강화 플라스틱 단부의 경질한 막상 흑연은 균열의 발생을 방해하는 효과가 있다. 또한, 레이저 광선 등을 사용함으로써, 탄소재나 할로겐화 탄화수소 등의 다른 재료를 사용할 일이 없고, 탄소 섬유 적층체나 프리폼을 단시간에 고정밀도로 트리밍 가공을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용하는 탄소 섬유 직물, 탄소 섬유 적층체, 및 프리폼의 일 형태를 도시한 개략 부분 사시도이다.
도 2는 프리폼을 칼날로 접촉 절단한 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 얻어지는 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면의 적어도 일부가 흑연화부된 일 형태를 도시하는 모식도이며, (a) 탄소 섬유 적층체의 개략 부분 사시도, (b) 단부면의 확대 관찰도, (c) 흑연화된 단부면의 일부를 더 확대한 관찰 도면이다.
도 4는 도 3(b)에 있어서의 일방향 탄소 섬유 다발의 단부를 길이 방향으로 절단한 B-B' 단면에 대해서, 단면을 모식적으로 도시한 도면(도 4(a)), 흑연화부의 일부를 박리한 상태를 도시하는 모식도(도 4(b))이다.
도 5는 막상 흑연의 일부를 박리한 상태를 도시하는, 일방향 탄소 섬유 다발의 단부의 수직 방향으로부터 본 확대 관찰 도면이다.
도 6은 본 발명에 관한 일방향 탄소 섬유 다발에 대해서, 일방향 탄소 섬유 다발의 단부에 형성된 흑연화부 및 손가락으로 접촉해도 박리하지 않는 형태를 도시하는 모식도(도6(a)), 일방향 탄소 섬유 다발의 길이 방향을 따라서 형성된 막상 흑연 및 손가락으로 접촉해도 박리하지 않는 형태를 도시하는 모식도(도 6(b))이다.
도 7은 종래의 일방향 탄소 섬유 다발에 대해서, 일방향 탄소 섬유 다발의 단부 및 손가락으로 접촉해서 흐트러짐이 발생한 형태를 도시하는 모식도(도7(a)), 일방향 탄소 섬유 다발의 길이 방향 및 손가락으로 접촉해서 흐트러짐이 발생한 형태를 도시하는 모식도(도 7(b))이다.
도 8은 본 발명의 일 형태인 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면을 레이저 라만 분광 분석법으로 분석한 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 사용하는 프리폼의 상방으로부터 레이저 광선을 조사해서 프리폼을 절단할 경우의 일 형태를 도시하는 개략도이다.
도 10은 프리폼의 각종 형태(직사각형, 원반상, 코너부 각 잡기)로의 절단 가공 예를 나타내고, (a) 레이저 광선을 조사해서 절단 가공했을 경우의 예와, (b) 칼날을 사용해서 (a)와 같은 형상으로 절단 가공했을 경우의 예를 나타내는 관찰 도면이다.
도 11은 본 발명에서 사용하는 RTM 성형법의 제조 공정을 도시하는 개략 구성도이다.
도 12는 도 11에 있어서의 배치 공정 및 형 체결 공정을 도시하는 개략 구성도이다.
도 13은 도 12에 있어서의 배치 공정 및 형 체결 공정에 있어서의 C-C' 단면의 개략 확대 부분 단면도이며, (a) 캐비티보다 크게 절단한 프리폼의 경우, (b) 네트 셰이프로 절단한 프리폼의 경우, (c) 단부면을 흑연화한 네트 셰이프 프리폼의 경우를 각각 예시한다.
도 14는 도 13에서 배치한 각 프리폼을 성형한 후의 탈형 공정, 및 섬유 강화 플라스틱에 버어가 발생한 상태를 도시하는 모식도이며, (a) 캐비티보다 크게 절단한 프리폼을 사용했을 경우, (b) 네트 셰이프로 절단한 프리폼을 사용했을 경우, (c) 단부면을 흑연화한 네트 셰이프 프리폼을 사용했을 경우를 각각 예시한다.
도 15는 (a) 캐비티보다 크게 절단한 프리폼, (b) 네트 셰이프로 절단한 프리폼, (c) 단부면을 흑연화한 네트 셰이프 프리폼을 각각 사용하여, 도 14에서 얻어진 섬유 강화 플라스틱의 단부면에 스패너를 충돌시켰을 경우의 모식도이다.
도 16은 프리폼을 레이저 광선으로 절단하는 가공 시험 장치의 개략 구성도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면을, 대기 중에서 레이저 라만 분광 분석법을 사용해서 분석한 결과를 도시하는 도면이다.
도 18은 도 17의 분석 결과로부터, 형광 백 그라운드의 영향을 제거한 후의 레이저 라만 분광 분석법을 사용해서 분석한 결과를 도시하는 도면이다.
도 19는 프리폼의 표면을 레이저 광선으로 흑연화하는 가공 시험 장치의 모식도이다.
이하에, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1을 이용하여, 본 발명의 일 형태인 탄소 섬유 적층체(20)에 대해서 설명한다. 탄소 섬유 적층체(20)는, 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유(1)로 이루어지는 일방향 탄소 섬유 다발(5)을 사용해서 탄소 섬유 직물(10)을 형성하고, 이 탄소 섬유 직물(10)을 1 내지 복수 적층한 것이다. 일방향 탄소 섬유 다발(5)을 구성하는 탄소 섬유(1)의 개수는 특별히 제한은 없지만, 탄소 섬유 직물(10)의 형상을 유지할 수 있도록, 3,000개 내지 24,000개 정도로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 섬유 직물(10)은, 예를 들어, 평직물, 능직, 주자직이나, 일방향으로 정렬된 일방향 탄소 섬유 다발(5)로 이루어지는 일방향 직물 기재, 다축 스티치 기재등의 형태인 것이 바람직하다. 또한, 탄소 섬유 적층체(20)를 3차원 형상 등으로 부형한 것이 프리폼(30)이다. 프리폼(30)의 상세한 것은 후술한다.
도 3(a)는, 본 발명의 특징인, 탄소 섬유 적층체(20)의 표면 및/또는 단부면의 적어도 일부가 흑연화부로 이루어지는 형태를 도시하는 모식도이며, (b)는 단부면의 확대 사진을 나타낸 도면이고, (c)는 흑연화된 단부면의 일부를 더 확대한 사진을 나타낸 도면을 각각 도시하고 있다. 도 3(b)에 있어서, 크게 타원상으로 보이는 것이 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 단부(6)에 상당하고, 단부(6)와 인접하는 단부(6)와의 사이에 복수 적층된 것(도면 중에서는 좌우로 연장하는 한 무리)이 길이 방향으로 부설한 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 단면이며, 도 3(b)의 대략 전체가 흑연화부(40)로 덮어져 있는 형태를 도시하고 있다. 흑연화부(40)에는, 탄소 섬유 적층체(20)의 두께 방향(지면의 종방향)으로, 복수의 선상 자국(41)이 나타나 있는 것이 바람직하다. 선상 자국(41)은, 미세한 요철을 형성하고, 단부(6)의 강도 향상에 기여하는 것이다. 또한, 선상 자국(41)은 제조시 유래된 특징이기도 하고, 선상 자국(41)과 평행한 방향으로, 후술하는 에너지를 조사했을 때에 형성되는 것이다.
또한, 흑연화된 단부(6)를 확대한 도 3(c)에서는, 결착부(42) 및 복수의 볼록부(43)가 보인다. 볼록부(43)는, 일방향 탄소 섬유 다발(5)을 구성하는 탄소 섬유(1)의 단부(2)에 상당하는 위치라고 생각된다. 이들 볼록부(43)끼리를 연결하도록 결착부(42)가 형성되어 있는 부분이 있는가 하면, 결착부(42)를 통하지 않고 볼록부(43)끼리 직접 연결하는 부분도 있다. 또한, 도 3(c)는 본 발명의 일 형태이며, 다른 형태의 부분도 있을 수 있다.
결착부(42) 개재의 유무에 관계없이, 흑연화부(40)에 있어서 인접하는 탄소 섬유(1)끼리가 결착하고 있는 것이 바람직하다. 흑연화부(40) 전체가 완전하게 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 일방향 탄소 섬유 다발(5) 중에서도 탄소 섬유(1)의 분포에 치우침이 존재하기 때문에, 공극이 큰 개소에는 흑연화부(40)가 형성되기 어려운 개소가 있을 수도 있다.
또한, 결착된 탄소 섬유(1)의 개수는 15개를 초과하는 부분을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 섬유 강화 플라스틱의 기계 특성을 발현하기 위해서, 탄소 섬유(1)를 세밀 충전해서 수지를 함침시키는 것이 바람직하고, 일반적으로는 섬유 강화 플라스틱 중의 섬유 체적 함유율(Vf)로 나타내는 경우가 많다. 항공기나 자동차 대상 등의 높은 기계 특성이 요구되는 분야에서는 Vf=55 내지 65% 정도가 요구되고, 세밀 충전과의 관계로부터 70% 정도가 Vf의 상한값으로 여겨지고 있다. 여기서, 예를 들어, 단위중량 190g/㎡의 탄소 섬유 직물을 Vf=70%가 되도록 적층했을 경우를 생각하면, 일방향 탄소 섬유 다발(5)을 구성하는 직경 10㎛, 밀도 1.8g/㎤의 탄소 섬유(1)가 두께 방향으로 적어도 15개 결착해서 이루어지는 「두께」를 갖고, 적어도 일방향 탄소 섬유 다발(5)이 두께 방향에서 구속되도록 탄소 섬유(1)가 결착하고 있는 것이 바람직하다. 상기 두께는, (단위중량)/(밀도)/(Vf)/10=(두께)(mm)로 산출 가능하다.
도 4(a)는, 도 3(b)에 있어서의 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 단부(6)를 길이 방향(지면의 수직 방향)으로 절단한 B-B' 단면을 모식적으로 도시한 도면이며, 도 4(b)는 흑연화부(40)의 일부를 박리한 상태를 도시하는 모식도이다. 또한, 도 4(a)(b)는, 간략화 때문에, 한 다발의 일방향 탄소 섬유 다발(5)에 대해서만 도시하고 있다. 도 4(a)(b)에 있어서, 단부면(22)에 형성된 흑연화부(40)는, 적어도 일부의 탄소 섬유(1)의 단부(2)가 깔때기상으로 넓어져서 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)를 덮는 박막상의 막상 흑연(45)이 형성되어 있다.
도 5는 막상 흑연(45)의 일부를 박리한 상태를 도시하는, 일방향 탄소 섬유 다발(5) 단부(6)의 수직 방향으로부터 본 확대 사진을 도시하는 도면이며, 막상 흑연(45)을 박리한 부분으로부터는, 다수의 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)가 노출되어 있다.
도 4(b)에 도시한 바와 같이, 단부면(22)에 있어서의 흑연화부(40)로부터 박리시킨 막상 흑연(45)의 막 두께(46)는, 0.1mm 이하인 것이 바람직하고, 0.05mm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 0.1mm 이하로 하면, 막상 흑연(45) 자체에 변형능을 갖게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 하한값에 대해서는 막이 형성되어 있으면 특히 규정하지 않는다. 막상 흑연(45)은 안쪽에 다수의 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)와 결착하고 있기 때문에, 막상 흑연(45)에 외력이 작용해도 복수의 탄소 섬유(1)가 분담해서 하중을 지지하기 때문에, 막상 흑연(45)이 깨지는 일은 거의 없고, 탄소 섬유 적층체(20)의 형상을 안정시킬 수 있다.
바꿔 말하면, 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 도 4(a)(b)에 도시하는 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 단부(6)에 형성된 막상 흑연(45)을 손가락으로 만져도, 막상 흑연(45)은 박리하지 않고, 탄소 섬유(1)도 변동되는 일은 없다. 또한, 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 길이 방향을 따라서 막상 흑연(45)이 형성된 모식도를 도 6(b)에 도시한다. 도 6(b)에 있어서도, 도 6(a)와 마찬가지로, 막상 흑연(45)은 탄소 섬유(1)의 길이 방향 단면을 덮도록 형성되어 있고, 탄소 섬유(1) 사이는 결착부(42)가 형성되어 있다. 도 6(b)에 도시하는 막상 흑연(45)을 손가락으로 만져도, 막상 흑연(45)은 박리하지 않고, 탄소 섬유(1)도 변동되는 일은 없다.
이와 같이, 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 배향에 관계없이, 탄소 섬유 적층체(20)의 표면 및/또는 단부면에 막상 흑연(45)으로 이루어지는 흑연화부(40)를 형성함으로써, 탄소 섬유(1)가 변동되는 일이 없고, 소정의 치수 정밀도로 형성할 수 있다. 또한, 손가락으로 만져도 막상 흑연(45)이 깨지는 일도 없기 때문에, 탄소 섬유(1)가 변동되지 않으므로, 이송 작업을 용이하게 할 수 있고, 이송 후의 보수도 불필요하게 된다. 또한, 선택적으로 탄소 섬유 적층체(20)의 단부에 흑연화부(40)를 형성하면, 탄소 섬유 적층체(20)의 내부를 균질한 형태로 할 수 있기 때문에 바람직하다. 균질한 형태의 효과로서, 예를 들어, 탄소 섬유 적층체(20)와 수지를 사용하여, 섬유 강화 플라스틱으로 할 때에 균질한 수지 함침을 달성할 수 있다.
한편, 상기와 같은 막상 흑연(45)을 형성하지 않는 경우에는, 도 7(a)(b)에 도시한 바와 같이, 일방향 탄소 섬유 다발(5)을 손가락으로 만지면, 탄소 섬유(1)가 굴곡하거나, 외측으로 넓혀지거나 하는 것 같은 흐트러짐(50)이 일어난다. 이 결과, 탄소 섬유 적층체(20)의 표면 및/또는 단부면의 치수 정밀도가 나빠지는 동시에, 취급도 신중하게 하지 않으면 안 되기 때문에, 작업 시간의 증가나 보수 작업이 발생한다고 하는 우려가 발생하는 것이다.
여기서, 막 두께(46)의 측정 방법에 대해서 설명한다. 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 단부(6)를 핀셋 등으로 막상 흑연(45)을 박리, 채취한다. 채취된 막상 흑연(45)은 깨지기 쉽기 때문에, 주의해서 0.1mm 각(角) 이상의 것을 선정하고, 더블 플레이트 마이크로미터로 끼워서 측정한다. 샘플 수는 N=5 이상, 값은 측정값을 평균화해서 구한다. 막상 흑연(45)이 섬유 강화 플라스틱 내에 존재하고 있는 경우에는, 전기로를 사용해 수지 성분을 소성 제거하거나, 농질산이나 농황산을 사용해서 수지를 분해해서 얻어진 잔사의 세정(ASTM　D　3171) 등에 의해, 남은 샘플로부터 막상 흑연(45)을 채취해 마이크로미터를 사용해서 마찬가지로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 흑연화부(40)의 라만 스펙트럼의 강도비가 일정 범위에 있는 것이 중요하다. 탄소 섬유 적층체(20)의 표면(21) 및/또는 단부면(22)을 측정 가능하게 하도록, 필요에 따라서 탄소 섬유 적층체(20)의 일부를 채취하고, 레이저 라만 분광 분석법으로 분석한 결과를 도 8에 도시한다. 도 8은, (1) 흑연화부(40)가 형성되지 않은 부분에 있어서의 탄소 섬유(1), (2) 흑연화부(40)에 형성되어 있는 막상 흑연(45), (3) 막상 흑연(45)을 박리해서 노출시킨, 흑연화된 탄소 섬유 단부(48), 3종류의 분석 결과가 도시되어 있다. 3종류 모두 탄소의 결정이기 때문에, 시프트한 파장 1360cm-1 부근의 피크를 도시하는 D밴드, 시프트한 파장 1580cm-1 부근의 피크를 도시하는 G밴드가 보인다. D밴드 및 G밴드의 피크는 도 8에 도시하는 대로이며, 흑연화 유무에 따라, D밴드의 피크에 큰 차이가 보인다.
흑연화란, 비교적 고온인 약 2000℃ 이상으로 소성된 것으로, 비교적 저온인 700℃ 이상 2000℃ 미만으로 소성된 탄화와는 다른 것이다. 흑연화된 막상 흑연(45)이나 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)에 있어서, 흑연화부의 G밴드와 D밴드의 피크로부터, 이하에 도시하는 계산식으로 산출한 강도비가 0.3 이하인 것이 중요하다. 더욱 바람직하게는 0.2 이하이다. 일반적으로, 탄소 재료는 탄소화가 진행하면 결정 배향 방향의 탄성률이 높아지기 때문에, 강도비가 작을수록 경질로 생각된다. 즉, 흑연화된 막상 흑연(45)이나 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)는, 흑연화되지 않은 부분에 비해 경질이 되기 때문에, 탄소 섬유(1) 단부(2)의 흐트러짐(50)을 방지하고, 형상 유지를 도모할 수 있는 것이다. 따라서, 상기 강도비는 작으면 작을수록 바람직하고, 또한, 원래의 탄소 섬유의 강도비보다 작은 쪽이 바람직하다.
(강도비)=(D밴드의 강도)/(G밴드의 강도)
강도: 도 8에 도시한 G, D밴드의 Y축값을 베이스라인 보정한 값
본 발명에 사용하는 탄소 섬유(1)에 대해서, 저온에서 소성된 탄소 섬유, 소위 고강도 타입이라고 불리는 탄소 섬유를 사용하는 것이, 고탄성 타입보다 에너지 절약으로 제조할 수 있는 점에서 바람직하다. 또한, 탄소 섬유(1)는 PAN계 탄소 섬유이며, 적어도 장섬유를 포함하는 것이 바람직하다. PAN계 탄소 섬유는, 예를 들어, 피치계 탄소 섬유와 비교해서 1종류의 성분으로 이루어져 취급이 용이한 것, 레이온계보다 비교적 저온도에서 고강도를 얻을 수 있는 것 등의 이유로 바람직하다. 장섬유란 연속 섬유이며, 강화 섬유가 하중을 부담하는 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 고탄성율, 고강도를 발현할 수 있는 점에서 바람직하다.
흑연화하지 않는 탄소 섬유(1)에 대해서, 레이저 라만 분광 분석법에 의해 얻어지는 라만 스펙트럼의 G밴드와 D밴드의 강도비가 0.8 이상, 1.4 이하인 것이 바람직하다. 상기 0.8 이상, 1.4 이하의 범위는 800℃ 내지 2000℃ 정도로 소성된 PAN계 탄소 섬유에 상당하고, 흑연화는 되어 있지 않다. 그로 인해, 본 발명의 흑연화부에 의해, 현저하게 단부 강성을 향상할 수 있는 점에서 바람직하다.
다음에, 탄소 섬유 직물(10)로 이루어지는 프리폼(30)의 바람직한 형태에 대해서 설명한다. 본 발명의 프리폼(30)은, 탄소 섬유 직물(10)을 적층하여 이루어지는 탄소 섬유 적층체(20)가 형상 내기를 한 상태에서 형태를 유지하고 있는 것을 말한다. 형태를 유지하는 방법은, 봉제, 소위 스티칭에 의해 탄소 섬유 직물끼리를 꿰매 맞추는 방법, 반환이 있는 니들로 탄소 섬유 직물끼리를 니들링 함으로써 탄소 섬유끼리를 포락 일체화하는 방법, 태키피어(tackifier) 수지를 사용해서 탄소 섬유 직물끼리를 일체화하는 방법, 열가소성 수지로 이루어지는 섬유를 탄소 섬유(1)와 함께 짜 넣은 탄소 섬유 직물(10)을 가열하거나 해서 일체화하는 방법 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 본 발명에서는, 프리폼(30)의 형태를 유지하기 쉬운 입자상 태키피어 수지를 도포한 탄소 섬유 직물(10)을 적층한 탄소 섬유 적층체(20)를 형상 내기한 상태에서 가열, 냉각하고, 입자상 태키피어 수지를 연화, 접착, 고화시킴으로써 얻어지는 프리폼(30)이 바람직하다. 또한, 입자상 태키피어 수지는 일방향 탄소 섬유 다발(5) 내부로의 매트릭스 수지의 함침을 저해하지 않도록, 탄소 섬유 직물(10)의 표면에 도포되어 있는 것이 바람직하다.
다음에, 탄소 섬유 적층체(20) 또는 프리폼(30)의 단부면(22)에 흑연화부(40)를 형성하는 방법에 대해서, 프리폼(30)을 예로 들어 도 9를 이용해서 설명한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 프리폼(30)의 상방으로부터 레이저 광선(70)에 대표되는 빔을 조사함으로써, 칼날(35) 등을 접촉시키지 않고 프리폼(30)을 절단할 수 있는 동시에, 그의 단부면(22)에 흑연화부(40)를 형성할 수 있다. 도 2에서 도시한 것 같은, 종래의 칼날(35) 등으로 절단하는 접촉 절단법과 상이하고, 제품측의 프리폼(31)의 절단 단부면(22)에는, 전술한 바와 같이 흑연화부(40)가 형성 됨으로써, 탄소 섬유(1)의 단부(2)끼리가 서로 구속되어, 탄소 섬유(1)의 흐트러짐(50), 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 흐트러짐, 탄소 섬유 직물(10)의 층간 어긋남을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명에서는, 상기 빔을 사용하는 비접촉 절단법 중에서도, 진공화를 필요로 하지 않는 대기 중에서 절단 가능한 레이저 광선 절단법에 의한 절단이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 파장 영역이 자외선 영역에 포함되는 X선 레이저 파장 영역이 아니고, 기체나 액체보다 밀도가 높고, 단위 체적당 출력이 큰 고체 레이저, 반도체 여기 고체 레이저나 반도체 레이저가 바람직하다. 단, 엑시머 레이저 등과 같이 주위에 열 영향을 거의 부여하지 않고 분자간을 절단 가공할 수 있는 방법을 고출력으로 사용할 수 있으면, 적절하게 사용할 수 있을 가능성도 있다. 또한, 고체 레이저, 다이오드 여기 고체 레이저의 발진기로서는, 냉각 효율이 우수해 연속 조사 가능한 CW 레이저(Continuous　Wave　Lazer)인 파이버 레이저나 디스크 레이저인 것이 바람직하다. 양자는 함께, YAG 등의 고체 레이저에서 보인 고체 결정의 열 변형이나 열화가 거의 없이 연속 조사가 가능하다. 연속 조사 가능한 레이저 광선을 주사하면, 절단면에 연속적인 막상 흑연(45)을 형성할 수 있기 때문에 일방향 탄소 섬유 다발(5)의 흐트러짐을 보다 억제할 수 있어 바람직하다. 레이저 광선의 전송 방식에 대해서는 미러, 파이버 등을 들 수 있지만 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 스폿 형상으로 조사되는 스폿 레이저에서는 출력 부족의 경우, 프리즘 등으로 스폿 형상의 레이저 광선을 라인 형상으로 한 라인 레이저를 사용하면, 탄소 섬유 직물(10)의 표면(21)이나 단부면(22)을 흑연화부(40)로 개질하기 때문에 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 라인 레이저에서도 출력이 부족한 경우에는 갈바노 미러를 사용하는 것도 바람직하다.
또한, 레이저 광선의 출력을 100W 이상, 집광 직경을 직경 1000㎛ 이하로 하면, 출력과 집광 직경으로부터 구해지는 에너지 밀도가 100/(π×500×500)≒1.2×10-4(W/㎛2) 이상으로 할 수 있다. 이 범위의 에너지 밀도이면, 탄소 섬유(1)를 승화, 절단하는 데 필요한 온도까지 빠르게 가열할 수 있어 바람직하다. 또한 바람직한 범위는 에너지 밀도가 0.01(W/㎛2) 이상이다. 레이저 광선의 이송 속도는, 0.1m/min 이상인 것이 실용적으로 바람직한 범위이다. 초점 심도에 대해서는, 대상 워크에 의해 적절하게 선택되는 것이 바람직하고, 그 중에서도 두꺼운 것(대강 2mm 이상)을 절단하는 경우에는, 초점 심도가 워크의 표면으로부터 ±1mm 정도이면, 단시간에 워크 표면에 구멍을 뚫고, 또한, 뚫은 구멍에 낭비 없이 레이저 광선을 두께 방향으로 투입할 수 있기 때문에 바람직하다.
레이저 광선은 집중해서 초점을 맞추기 때문에 초점 전후에서 끝이 넓어지게 된다. 그로 인해, 예를 들어, 초점을 워크의 두께 방향 하면 등에 설정하면, 워크 표면에는 집중되지 않는 레이저 광선이 조사되기 때문에 원하는 속도로 절단할 수 없는 경우가 있다. 또한, 절단 분위기는 대기 중보다 질소의 비율이 많은 쪽이 바람직하다. 대기 중에서 레이저 광선을 조사하면, 탄소 섬유가 발화되어서 발생한 화재나 소성에 의한 열화의 우려가 있다. 질소의 공급은 질소 실린더 등으로부터 레이저 광선 조사 헤드까지 호스를 둘러쳐서 동축으로부터 분출 흡인하는 방법이나, 레이저 헤드에 질소용 노즐을 설치해서 측방으로부터 분사하는 방법 등을 들 수 있지만, 특별히 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 연속 조사 가능한 레이저 발진기는, 선 직경의 매우 가는 탄소 섬유(1)이어도 잘리다 마는 일이 거의 발생하지 않는다. 일방향 탄소 섬유 다발(5), 탄소 섬유 직물(10), 탄소 섬유 적층체(20), 프리폼(30) 등의 두께가 2mm 이상인 두꺼운 것, 그 중에서도 특히, 드라이의 탄소 섬유(1)로 이루어지는 탄소 섬유 적층체(20)나 프리폼(30)과 같이, 형태가 유지되지 않는 부피가 큰 것을 고정밀도로 절단할 수 있다. 또한, 절단 후에는, 제품측의 프리폼(31)과 절단 칩을 분리할 때에 탄소 섬유(1)의 뽑힘이 발생하기 어렵기 때문에, 후처리 공정이 불필요하게 되어, 복잡한 형상에 적용해도, 신속히 가공할 수 있다. 예를 들어, 3차원 형상의 자동차 보닛 등의 복잡한 형상으로 하기 위해서, 프리폼(30) 주위의 절단 가공에 사용할 수 있고, 그 밖에도 펀칭 가공 등의 여러가지 형상의 가공에도 적절하게 사용할 수 있다.
도 10에 절단 가공의 일례를 나타낸다. 도 10(a)는 프리폼(30)을 레이저 가공한 예이며, 좌측과 같은 직사각형이나, 중앙과 같은 직경 60mm의 작은 원반상으로도 정확하게 절단할 수 있다. 또한, 우측에는, 코너부의 각 잡기(소위 R 가공)한 예를 나타낸다. 어떤 경우에도, 단부면(22)이나 표면(21)으로부터의 탄소 섬유(1)의 흐트러짐(50)은 보이지 않고, 흑연화된 단부면(22)의 표면도 평활한, 네트 셰이프 프리폼이 얻어졌다. 또한, 네트 셰이프란, 치수 정밀도가 정확한 상태를 가리키는 것을 말한다. 한편, 같은 형상으로 칼날로 절단한 결과를 도 10(b)에 도시한다. 직사각형, 원반상, 코너부의 각 잡기의 어떤 경우에도, 탄소 섬유(1)의 흐트러짐(50)이 복수 개소에서 발생하는 동시에, 표면(21)의 일부가 유실된 경우도 있었다. 이러한 프리폼(31)은, 흐트러짐(50)의 후처리나, 유실 부분에 새로운 탄소 섬유 직물(10)을 추가하는 보수 공정이 필요해지는 것이 명확해졌다.
여기서, 소위 나일론이나 폴리에스테르 섬유 등으로 이루어지는 화학 섬유 등의 절단 방법을, 탄소 섬유의 절단에는 적용할 수 없는 이유에 대해서 설명한다. 화학섬유는, 상술한 칼날(35) 등에 의한 접촉 절단에 의해 재단을 행하면, 탄소 섬유와 같은 단부면 흐트러짐의 문제가 발생하고 있었다. 그러나, 화학섬유는 상온, 상압 상태에서 가열하면 고체, 액체, 기체의 3 상태를 취하는 것이 가능하기 때문에, 예를 들어, 화학섬유의 융점 이상으로 가열한 칼날을 사용한 절단이나, 절단시의 칼날과 화학 섬유와의 사이에 발생하는 마찰열을 이용하거나 하여, 절단과 동시에 단부면의 섬유를 녹여서 흐트러짐을 방지할 수 있었다.
한편, 탄소 섬유는 상온, 상압 상태에 있어서는 승화하기 때문에 고체, 기체의 2 상태로 이루어져, 같은 원리를 이용할 수는 없다. 가압하에서 탄소에 3 상태를 발현시키는 환경을 만들어 낼 수는 있지만, 가압 상태로 하기 위해서는 100MPa 정도의 초고압 조건을 필요로 하기 때문에 현실적이라고는 말할 수 없다. 그로 인해, 상기와 같은 레이저 가공을 행함으로써, 탄소재나 할로겐화 탄화수소와 같은, 탄소 섬유 적층체(20)와 다른 재료를 준비할 필요 없이, 표면 및/또는 단부면에 직접 흑연화부(40)을 형성하는 것이 가능해지는 것이다.
다음에, 본 발명에 의해 얻을 수 있는 탄소 섬유 적층체(20) 또는 프리폼(30)을 사용해서 섬유 강화 플라스틱(145)을 성형하는 성형 방법에 대해서, RTM 성형법을 예로 들어서 도 11을 이용해서 설명한다. RTM 성형법의 공정은,
(1) 프리폼(30)을 하형(下型)(116)에 배치하는 프리폼 배치 공정(100),
(2) 상형(上型)(115)과 하형(116)을 프레스기(111)로 형 체결하는 형 체결 공정(110),
(3) 형 체결한 상하형 내를 진공 펌프(128)로 진공 흡인하고, 수지 주입기(121)를 사용하여, 주제(主劑)(122)와 경화제(123)를 믹서(125)로 혼합한 후에 펌프(126)로 가압하고, 혼합 수지를 주입하는 가압 수지 주입 공정(120),
(4) 혼합 수지를 경화시키는 경화 공정(130),
(5) 상하형을 개방해서 섬유 강화 플라스틱(145)을 탈형하는 탈형 공정(140)
으로 이루어진다.
RTM 성형법에 있어서, 다른 절단 방법으로 절단된 프리폼(30)을 사용한 섬유 강화 플라스틱(145)의 차이에 대해서 설명한다.
도 12는, 프리폼 배치 공정(100) 및 형 체결 공정(110)의 확대 도면이다. 하형(116) 위에 프리폼(30)을 배치하고, 프레스기(111) 내에 하형(116)을 이동시키고, 상형(115)을 형 체결한다. 도 12 중의 C-C' 단면(프리폼(30)의 단부 근방의 확대 단면)으로부터 본 이들 공정의 흐름을 도 13에 도시한다. 하형(116)의 주위에는 O-링 홈(118)이 설치되는 동시에, 홈에는 O-링(119)이 삽입된다. 상형(115)과 하형(116)이 형 체결되면 O-링(119)이 찌부러져서 시일되기 때문에, 후공정의 가압 수지 주입 공정(120)에서 주입된 수지가 상하형 간에서 넘쳐나오지 않게 된다.
프리폼(30)은, 하형(116)에 설치된 소정 형상의 캐비티 내에 배치되기 때문에, 프리폼(30)의 단부가 적절하게 처리되어 있지 않으면 성형 후의 섬유 강화 플라스틱(145)의 단부가 강도 부족이 되거나, 버어가 발생하거나 하는 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 구체적인 예에 대해서, 도 13을 이용하여, 이하와 같은 3종류의 프리폼을 준비하고, 성형 공정 순으로 설명한다. 또한, 단부에 수지가 풍부한 부위의 발생이 예견되는, 캐비티보다 작게 절단한 프리폼의 예는 할애한다.
패턴 1: 캐비티보다 크게 절단한 프리폼(151)
패턴 2: 네트 셰이프로 절단한 프리폼(161)
패턴 3: 단부면을 흑연화한 네트 셰이프 프리폼(171)
도 13에 있어서, 패턴 1은 하형(116)의 캐비티보다 크게 절단한 프리폼(151)이며, 탄소 섬유 직물(152)의 단부가 하형(116)으로부터 밀려나온 돌출부(153)가 존재한다. 그로 인해, 형 체결에 의해 탄소 섬유 직물(152)의 돌기(154)가 발생한다. 한편, 패턴 2의 네트 셰이프로 절단한 프리폼(161), 패턴 3의 단부면을 흑연화한 네트 셰이프 프리폼(171)은, 모두 하형(116)과 형상이 거의 일치하고 있기 때문에, 돌기(154)는 발생하지 않고, 성형품 두께나 공극률의 제어가 가능해진다. 패턴 1 내지 패턴 3 각각에 대하여, 가압 수지 주입 공정(120) 및 경화 공정(130)을 실시했다.
경화 후에 얻어지는 섬유 강화 플라스틱의 후가공에 대해서, 도 14를 이용해서 설명한다. 탈형 공정(140)에 있어서, 도시하지 않은 상형(115)을 상승시키고, 계속해서 하형(116)의 하방으로부터 이젝터 핀(117)을 상승시켜서 섬유 강화 플라스틱(155, 165, 175)을 탈형한다. 도 14(a)에서 도시하는 패턴 1에서는, 돌기(154)에 의해 탄소 섬유가 포함된 버어(156)가 형성되기 때문에, 탄소 섬유로 강화된 버어(156)의 제거 작업은 간이하게 행할 수 없고, 전동 연삭공(159) 등을 사용한 작업이 필요해진다. 한편, 도 14(b)(c)에서 도시하는 패턴 2, 패턴 3에서는 수지만으로 이루어지는 박막상의 버어(166, 176)가 형성되고, 탈형 시에 상형(115)의 상승에 딸려 올라가거나, 또는, 손으로 접거나 해서 용이하게 버어를 제거할 수 있다. 이와 같이, 프리폼은 네트 셰이프로 하여 하형(116)에 배치하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 이와 같이 하여 얻어진 3종류의 섬유 강화 플라스틱(155, 165, 175)의 단부면(157, 167, 177)에, 작업 중에 잘못해서 스패너(180) 등의 공구가 닿아서 충격력이 작용하면, 패턴 1, 패턴 2에 있어서의 섬유 강화 플라스틱(155, 165)에는, 단부면(157, 167)으로부터 균열(158, 168)이 크게 진전되는 것에 반해, 패턴 3에 있어서의 섬유 강화 플라스틱(175)에는 균열은 거의 발생하지 않는다. 균열의 발생은 섬유 강화 플라스틱의 내부 구조에 의존한다. 또한, 섬유 강화 플라스틱은, 강성이나 강도가 필요한 방향을 따라 탄소 섬유를 직물 형상 등으로 해서 적층 배치해서 얻어진, 이방성을 갖는 성형품임과 동시에, 탄소 섬유로 이루어지는 프리폼에 함침시킨 수지 재료를 가열, 냉각해서 성형되는 성형품이다. 이로 인해, 섬유 강화 플라스틱을 구성하는 각 층은, 다른 방향의 변형을 갖고, 층간에 잔류 변형이나 잔류 응력을 내포하고 있다. 그로 인해, 섬유 강화 플라스틱의 단부면에 탄소 섬유 다발이나 탄소 섬유 직물이 존재하거나, 또는 절단 가공 등에 의해 이들이 노출하거나 하면, 단부면에 충격력이 작용했을 때에, 탄소 섬유간, 탄소 섬유 다발간, 탄소 섬유 직물간을 따라 균열이 발생하기 쉬워지는 것으로 생각된다.
이에 대해, 본 발명과 같이, 레이저 광선 등으로 절단해서 흑연화부를 단부면(177)에 갖는 네트 셰이프 프리폼(171)에서는, 전술한 박막상의 막상 흑연(45)이 형성되어 있기 때문에, 충격력이 작용해도, 막상 흑연(45)이 방파제의 역할을 하기 때문에, 탄소 섬유간, 탄소 섬유 다발간, 탄소 섬유 직물간을 따른 균열이 발생하기 어려워질 것으로 생각된다. 그 결과, 후가공이 용이하게 되어 공정수 저감에 의한 저비용화, 생산 시간의 단축을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 단부면의 충격력에 대한 내성이나 피로 강도, 강성도 확보할 수 있다고 하는 복합 효과가 얻어지는 것이다.
본 발명에서는, 레이저 광선 등의 빔으로 절단하고, 단부면에 흑연화부를 설치한 프리폼에 대해서 설명했지만, 그 밖에도, 단부면의 탄소 섬유끼리를 결착할 수 있는 방법을 이용할 수도 있다. 일례로서, 금속 재료로 사용되고 있는 것 같은 고주파 켄칭을 실시해서 단부면을 경화시키는 것도 생각할 수 있다. 또한, 비중 등에 과제는 있지만, 금속 등의 피막을 설치하는 것도 생각할 수 있다.
또한, 성형 후의 섬유 강화 플라스틱의 단부면에서의 균열 발생을 억제하는 방법에 대해서도, 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유간, 탄소 섬유 다발간, 탄소 섬유 직물층간의 노출 방지를 위해, 절단 가공 후의 단부면을 덮도록 수지 재료와 강화 섬유로 이루어지는 재료 등을 오버레이(overlay)하는 방법, 단부면에 수지 재료를 칠하는 방법을 생각할 수 있다.
또한, 기타의 레이저 광선을 사용하여, 프리폼을 적절하게 가공하는 사례에 대해서 도 19를 이용해서 설명한다. 레이저 광선(222)을 조사되는 프리폼(30)은, 탄소 섬유 등과 같이 가열에 의해 탄성률이나 강도가 향상하는 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 프리폼(30)에 조사되는 레이저 광선은 상방으로부터 주사 프로파일(230)을 따라 조사되어, 상기 프리폼(30)의 표면을 구성하는 탄소 섬유를 흑연화하는 것이 바람직하다. 그때, 상기 탄소 섬유를 과열해서 승화, 절단, 결착시키지 않는 것이 바람직하고, 상기 승화, 절단, 결착을 위해, 출력을 일정 이하로 내리거나, 프리즘을 사용해서 레이저 광선을 라인 위로 넓히거나, 레이저 광선의 스폿 직경을 크게 하거나 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 탄소 섬유에 조사되는 에너지 밀도를 1.2×10-4(W/㎛2) 미만으로 하는 것이 바람직하고, 또한, 탄소 섬유에 조사되는 단위 시간당 출력은 가공 속도가 0.1m/분 이상인 것이 바람직하기 때문에, 단위 시간당 에너지 밀도는 1.2×10-4/(0.1×106/60)=7.2×10-9(W·sec/㎛3) 미만으로 하는 것이 바람직하다. 이상과 같은 조건에서 흑연화된 에어리어(227)의 탄소 섬유 흑연화부의 G밴드와 D밴드의 피크 강도비는 0.3 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.2 이하이다. 　
이와 같이 상기 표면을 구성하는 탄소 섬유를 흑연화한 프리폼은 도 19의 우측 도면과 같이, 절단용의 토치로 바꿈으로써, 주사 프로파일(230)을 따라, 레이저 광선(222)을 조사하여 상기 프리폼을 절단하고, 프리폼(제품측)(31)을 얻을 수도 있다.
다음에, 도 19에서는 프리폼의 한쪽면에만 레이저 광선을 조사한 예를 소개했지만, 더 바람직한 프리폼의 형태로서, 상기 프리폼의 양쪽 표면에 레이저 광선을 조사해서 탄소 섬유를 흑연화하는 것이 바람직하다. 이것은, 금속에의 고주파 켄칭의 효과와 유사하여, 상기 프리폼에 수지를 함침시킨 섬유 강화 플라스틱은 최외층인 중립축으로부터 가장 먼 위치에 고탄성층을 갖는 구조가 되기 때문에, 효율적으로 굽힘 강성이나 표면 경도를 향상할 수 있기 때문이다. 상기 굽힘 강성을 향상시킨 섬유 강화 플라스틱 제품은, 종래품보다도 일층 더 경량화 효과를 유도할 수 있기 때문에 바람직한 형태라고 할 수 있다.
실시예
이하에, 본 발명에 관한 바람직한 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
(실시예 1)
일방향으로 정렬된 탄소 섬유로 이루어지는 일방향 탄소 섬유 다발을 제직해서 얻어진 탄소 섬유 직물로서 탄소 섬유 직물 기재(CK6252: 도레이(주)제, T700S, 12K, 평직)를 준비하고, 열가소성의 태키피어 수지(10g/㎡, Tg=70℃, 평균 입경 200㎛)를 탄소 섬유 직물 기재의 한쪽면에 도포한 후, 원적외선 히터 판 사이를 빠져나가게 해서 태키피어 수지를 연화, 부착시킨, 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재를 얻었다. 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재는, 로터리 커터(OLFA사제)를 사용해서 150mm×150mm로 재단하여, 합계 10매를 준비했다.
계속해서, 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재를 1매씩 적층할 때마다, 테프론(등록 상표) 글래스 시트를 씌워서 다리미질을 행하고, 태키피어 수지를 연화시켜서 인접하는 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재와 결착시키는 것을 반복하여, 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재를 10매 적층하여 이루어진 프리폼을 얻었다.
얻어진 프리폼을, 도 16의 모식도에 도시하는 것 같은 가공 시험 장치(210)에 설치하여, 절단 가공을 행했다. 구체적으로는, 높이 약 50mm의 직육면체 블록(S45C)으로 이루어지는 2개의 고정 지그(하)(211)와, 고정 지그(하)(211)에 대응하는 고정 지그(상)(212)와의 사이에 프리폼(200)의 단부를 끼워 넣고, 고정 지그(하)(211)와 고정 지그(상)(212)와의 사이를, 각 2군데씩, 합계 4군데를 볼트(213)로 고정했다(이때, 프리폼(200)의 단부에는 볼트의 관통 구멍이 4군데 천공되어 있다). 절단 가공기(220)는 디스크 레이저를 구비하고 있고, 디스크 레이저의 토치(221) 및, 질소용 노즐(225)은, 도시하지 않은 다관절 로봇(야스가와전기제, 가반 중량 20kg)의 핸드부에 탑재시켰다. 디스크 레이저의 발진기는, 반도체 여기형으로, 광파이버 전송 타입을 사용했다. 절단 가공기(220)의 절단 가공 조건은, 출력 파형은 CW(Continuous　Wave　Laser), 출력 2000W, 광학계에 적합한 커리메이션 렌즈와 집광 렌즈에 대해서는 에너지 밀도가 탄소 섬유 직물 적층체의 표면에서 6.4×102(W/㎛2)이 되도록, 또한, 프리폼(200)의 하면에 있어서 에너지 밀도가 1.2×10-4(W/㎛2)을 하회하지 않도록 선정 및 조정을 행했다. 주사 프로파일(230)에 따라, 질소 가스(226)를 노즐(225)로부터 분사하면서, 레이저 광선(222)을 프리폼(200)에 조사해서 절단 가공을 행했다. 또한, 가공 조건은 이하에 서술하는 실시예나 비교예도 정리해서 표 1에 정리했다.
그 결과, 절단 가공한 단부면에는, 도 3(b)에 보인 선상 자국(41)을 갖는 막상 흑연(45)이 프리폼(200)의 단부면의 대략 전체면에 형성되고, 단부면에는 탄소 섬유의 흐트러짐이나 절단면의 어긋남은 관찰되지 않았다. 또한, 탄소 섬유가 잘리다 만 것이나 이물질의 발생도 없고, 가공 속도도 충분히 만족할 수 있는 값이었다. 이상에서, 양호한 결과가 얻어졌다고 할 수 있다.
다음에, 실시예 1에서 절단한 프리폼의 단부면으로부터 막상 흑연(45)의 일부를 박리시켜, 도 5에 도시하는 것 같은, 막상 흑연(45)이 부착된 영역과, 막상 흑연을 박리시켜서 흑연화된 탄소 섬유 단부(48)가 노출된 영역을 갖도록 준비했다. 또한, 실시예 1에서 절단한 프리폼에 더하여, 탄소 섬유의 소성 온도만을 바꾼 탄소 섬유A(약 800℃), 탄소 섬유B(1500℃)로 이루어지는 프리폼을 절단한 프리폼A, 프리폼B를 준비했다. (또한, 프리폼A, B의 그래프는 도시하지 않았다.) 이들 2종류의 단부면과, 절단 가공하지 않은 프리폼의 단부면에 노출한 탄소 섬유의 단부의 합계 3종류의 단부면에 대해서, 각각 레이저 라만 분광 분석을 행했다. 레이저 라만 분광 분석에 사용한 장치는, 호리바 Jobin　Yvon사제 T-64000이며, 구체적인 분석 조건은 표 2에 정리했다.
레이저 라만 분광 분석의 결과는, 전술한 도 8대로이다. 5종류의 단부면으로부터 얻어진 G밴드와 D밴드의 값으로부터 G밴드와 D밴드 강도비를 비교하면, 실시예 1의 막상 흑연에서는 평균 0.12(0.07 내지 0.16), 프리폼A에서는 평균 0.19(0.17 내지 0.23), 프리폼B에서는 평균 0.12(0.07 내지 0.14) 및 흑연화된 탄소 섬유 단부에서는 평균 0.09(0.09 내지 0.10), 프리폼A에서는 평균 0.11(0.10 내지 0.13), 프리폼B에서는 평균 0.08(0.08 내지 0.09), 레이저 광선으로 절단 가공하지 않은 탄소 섬유의 단부는 평균 0.88(0.86 내지 0.90), 프리폼A에서는 평균 1.38(1.35 내지 1.42), 프리폼B에서는 평균 0.86(0.83 내지 0.88)이었다. 이렇게 강도비를 대비하면, 막상 흑연 및 흑연화된 탄소 섬유 단부는, 탄소 섬유보다도 탄소화가 진행하고 있는 것으로 생각된다.
(실시예 2)
다음에, 실시예 1에 대하여, 가공 조건을 질소 분위기에서 대기 중(노즐(225) 사용하지 않음)으로 한 것 이외는, 실시예 1과 동일 조건에서 절단 가공 시험을 행했다. 그 결과, 절단 가공한 단부면에는 도 3(b)에 보인 선상 자국(41)을 갖는 막상 흑연(45)이 프리폼(200)의 단부면의 대략 전체면에 형성되고, 단부면에는 탄소 섬유의 흐트러짐이나 절단면의 어긋남은 관찰되지 않았다. 또한, 탄소 섬유가 잘리다 만 것도 없고, 가공 속도도 충분히 만족할 수 있는 값이었다. 게다가 먼지의 부착도 없었다. 또한, 가공 속도는 실시예 1보다 속도를 올려서 절단할 수 있고, 상당히 양호한 결과를 얻었다. 한편, 약간 발화가 발생했다. 이상, 그저 그런 결과가 얻어졌다고 할 수 있다.
다음에, 실시예 1과 같이, 프리폼의 단부면으로부터 막상 흑연의 일부를 박리시켜, 막상 흑연이 부착된 영역, 막상 흑연을 박리시켜서 흑연화된 탄소 섬유 단부가 노출된 영역, 및 절단 가공하지 않은 프리폼의 단부면에 노출한 탄소 섬유의 단부의 합계 3종류의 단부면에 대해서, 각각 실시예 1과 같은 장치, 분석 조건에서 레이저 라만 분광 분석을 행했다. 레이저 라만 분광 분석의 분석 결과를 도 17에 도시한다. 실시예 2에 있어서, 흑연화부와 탄소화된 탄소 섬유 단부를 비교하면, 실시예 1과는 상이하고, 흑연화부 D밴드 값이 증가, 즉 강도비가 높아졌다. 이것은, 형광 백 그라운드의 영향, 즉, 질소 분위기 중에서 레이저 광선에 의한 절단 가공을 행한 실시예 1과 상이하고, 대기 중에서 절단 가공을 행한 것에 의해, 흑연화부에는 다환식 방향족 등의 저분자량 성분에 유래하는 성분이 존재하고 있어, 산화 반응에 의한 탄소 섬유의 열분해가 일어났을 가능성이 있다고 생각된다.
형광 백 그라운드의 영향을 제거하기 위해서, 베이스라인 보정을 행한 분석 결과를 도 18에 도시한다. 도 17의 레이저 광선으로 절단 가공하지 않은 탄소 섬유의 단부와 도 18의 베이스라인 보정을 행한 결과로부터, 3종류의 단부면을 비교하면, 이들의 D밴드와 G밴드 강도로부터 산출한 강도비는, 막상 흑연에서는 평균 0.14(0.12 내지 0.16), 흑연화된 탄소 섬유 단부에서는 평균 0.07(0.06 내지 0.08), 한편, 레이저 광선으로 절단 가공하지 않은 탄소 섬유의 단부는 평균 0.88(0.86 내지 0.90)이었다. 이렇게 강도비를 대비하면, 실시예 1과 마찬가지로, 흑연화된 단부면은, 막상 흑연 및 흑연화된 탄소 섬유 단부와 함께, 탄소 섬유보다도 탄소화가 진행하고 있는 것으로 생각된다. 이 도면은, 질소 분위기 하에서 행한 실시예 1의 결과(도 8)를 잘 재현하고 있는 것으로부터, 질소 분위기 하 또는 대기 중을 막론하고, 프리폼의 단면은 레이저 광선에 의한 절단 가공에 의해 같은 정도로 탄소화된 흑연화부가 얻어진다고 생각된다.
(실시예 3)
다음에, 실시예 1에 대하여, 가공 조건을 펄스파로 바꾼 것 이외는 같은 가공 조건에서 절단 가공 시험을 행했다. 그 결과, 절단 가공한 단부면에는, 실시예 1과 마찬가지로, 도 3(b)에 보인 선상 자국(41)을 갖는 막상 흑연(45)이 리폼(reform)(200)의 단부면의 대략 전체면에 형성되고, 단부면에는 탄소 섬유의 흐트러짐이나 절단면의 어긋남은 관찰되지 않았다. 또한, 탄소 섬유가 잘리다 만 것도 없고, 가공 속도도 충분히 만족할 수 있는 값이었다. 게다가 먼지의 부착도 없었다. 이상에서, 양호한 결과가 얻어졌다고 할 수 있다. 또한, 실시예 3 이하에서는 레이저 라만 분광 분석을 생략했다.
(실시예 4)
다음에, 실시예 1에 대하여 레이저 가공기를 디스크 레이저로부터 파이버 레이저로 변경한 것, 또한 가공 조건을 에너지 밀도 6.4×10-6(W/㎛2)로 한 것 이외는, 실시예 1과 동일 조건에서 절단 가공 시험을 행했다. 그 결과, 절단 가공한 단부면에는 도 3(b)에 보이는 것 같은 선상 자국(41)을 갖는 막상 흑연(45)이 프리폼(200)의 단부면의 대략 전체면에 형성되고, 단부면에는 탄소 섬유의 흐트러짐이나 절단면의 어긋남은 관찰되지 않았다. 또한, 탄소 섬유가 잘리다 만 것도 없고, 가공 속도도 충분히 만족할 수 있는 값이었다. 게다가 먼지의 부착도 없었다. 이상에서, 양호한 결과가 얻어졌다고 할 수 있다.
(실시예 5)
다음에, 실시예 4에 대하여, 프리폼에 사용하는 탄소 섬유 직물로서 탄소 섬유 직물 기재(CO6343: 도레이　T300, 3K, 평직)를 사용한 것 이외는, 실시예 4와 동일 조건에서 절단 가공 시험을 행했다. 그 결과, 절단 가공한 단부면에는 도 3(b)에 보이는 것 같은 선상 자국(41)을 갖는 막상 흑연(45)이 프리폼(200)의 단부면의 대략 전체면에 형성되고, 단부면에는 탄소 섬유의 흐트러짐이나 절단면의 어긋남은 관찰되지 않았다. 또한, 탄소 섬유가 잘리다 만 것도 없고, 가공 속도도 충분히 만족할 수 있는 값이었다. 게다가 먼지의 부착도 없었다. 이상에서, 양호한 결과가 얻어졌다고 할 수 있다.
(비교예 1)
실시예 1과 같은 프리폼(200) 및 가공 시험 장치(210)를 사용하고, 가공 조건을 출력 100W, 에너지 밀도 3.2×105(W/㎛2)으로 한 것 이외는 실시예 1과 같은 절단 가공 조건에서 가공 시험을 실시한 바, 프리폼(200)을 레이저 광선(70)으로 관통시킬 수 없었고, 복수매 잘리다 말았다.
(비교예 2)
실시예 5에서 사용한 태키피어부착 탄소 섬유 직물 기재를 사용하여, 실시예 1과 같은 프리폼을 제작한 후, 실시예 1의 주사 프로파일에 상당하는 절단 라인(도시하지 않음) 근방에, 절단 후의 단부면에서의 흐트러짐 방지를 위한 필러(유기 용제로 희석한 에폭시계 점착제)를 도포했다. 절단 가공기에는, 둥근 날을 구비한 자동 재단기를 사용했다. 또한, 도시하지 않은 진공 테이블 위에 프리폼을 배치하고, 그 위에서부터 필름 커버를 씌워서 진공(진공 흡인)을 행함으로써, 진공 테이블에 프리폼을 고정해서 재단 시험을 행했다. 자동 재단기는 어패럴(apparel) 관계에서 일반적으로 사용되고 있는 재단기와 같은, X, Y축 상을 주행할 수 있는 기구를 갖는 재단기를 사용했다.
절단 가공한 프리폼의 단부면에는, 필러에 의해 흐트러짐은 거의 발생하지 않았지만, 필러가 점착성을 갖기 때문에, 절단한 프리폼의 한쪽 절단면에서 빠져 나온 것으로 생각되는 탄소 섬유의 단사가, 필러와 함께 둥근 날 표면에 부착되어 있었다. 이 결과로부터, 필러를 개재해서, 프리폼 단부면에의 이물질의 부착, 탄소 섬유의 누락이나 흐트러짐이 발생할 우려가 있어, 바람직하지 않은 결과가 되었다.
(비교예 3)
비교예 2에 대하여, 절단 라인 근방에 필러를 도포하지 않은 것 이외는 비교예 2과 같은 가공 조건에서 절단 가공 시험을 행했다. 절단 후의 프리폼을 진공 테이블로부터 제거하려고 했을 때, 탄소 섬유의 일부가 진공 테이블에 딸려 들어가고, 프리폼의 단부면에 흐트러짐이 발생했다. 또한, 각형으로 절단 가공한 프리폼의 코너 부분에는, 잘리다 만 탄소 섬유가 있었다. 이상에서, 필러를 사용하지 않으면 탄소 섬유의 흐트러짐이나, 코너부의 가공시에 잘리다 만 것이 발생할 가능성이 있어, 바람직하지 않은 결과가 되었다.
(비교예 4)
다음에, 비교예 2에서 제작한 프리폼에 대하여, 절단 가공기를 사용하지 않고, 사람 손으로 둥근 날(OLFA제)을 사용해서 재단을 행했다. 둥근 날은, 재단하고 싶은 라인 위에 맞춘 정규의 단부면에 둥근 날의 배를 대면서, 고무제의 재단 매트 상에서 재단을 행했다.
절단한 프리폼 단부면에는, 도 10(b)와 같이 흐트러짐이 발생했다. 또한, 단번에 절단할 수 없고 두번 절단했기 때문에, 탄소 섬유의 미세한 절단 칩이 발생하고, 절단 후의 프리폼의 단부면에 다수 부착했다. 또한, 상당히 주력하면서 절단을 행할 필요가 있었기 때문에 가공 속도도 매우 천천히 이루어졌다. 이 결과로, 흐트러짐의 발생이나 미세한 절단 칩이 발생하는 등의, 바람직하지 않은 결과가 되었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
1 탄소 섬유
2 (탄소 섬유의) 단부
5 일방향 탄소 섬유 다발
6 (일방향 탄소 섬유 다발의) 단부
10 탄소 섬유 직물
20 탄소 섬유 적층체
21 표면
22 단부면
30 프리폼
31 프리폼(제품측)
35 칼날
36 절단면 흐트러짐
40 흑연화부
41 선상 자국
42 결착부
43 볼록부
45 막상 흑연
46 막 두께
48 흑연화된 탄소 섬유 단부
50 흐트러짐
61　 G밴드
62 D밴드
70 레이저 광선
100 프리폼 배치 공정
110 형 체결 공정
111 프레스기
115 상형
116 하형
117 이젝터 핀
118　 O-링 홈
119 O-링
120 가압 수지 주입 공정
121 수지 주입기
122 주제
123 경화제
125 믹서
126 펌프
128 진공 펌프
129 흡인 방향
130 경화 공정
140 탈형 공정
145 섬유 강화 플라스틱
151 프리폼
152 탄소 섬유 직물
153 돌출부
154 돌기
155 섬유 강화 플라스틱
156 버어
157 단부면
158 균열
159 전동 글라인더
161 프리폼
165 섬유 강화 플라스틱
166 버어
167 단부면
168 균열
171 프리폼
175 섬유 강화 플라스틱
176 버어
177 단부면
180 스패너
200 프리폼
211 고정 지그(하)
212 고정 지그(상)
213 볼트
220 절단 가공기
221 토치
222 레이저 광선
225 노즐
226 질소
227 흑연화된 에어리어
230 주사 프로파일

Claims (16)

  1. 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 1 내지 복수 사용한 탄소 섬유 직물을 1 내지 복수 적층한 탄소 섬유 적층체로서, 상기 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면의 적어도 일부가 흑연화부로 이루어지는 동시에, 상기 흑연화부의 라만 스펙트럼으로부터 얻어지는 G밴드와 D밴드의 강도비(D밴드의 강도/G밴드의 강도)가 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흑연화부가 상기 탄소 섬유 적층체의 단부면에 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흑연화부에서, 인접하는 탄소 섬유가 결착해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  4. 제3항에 있어서, 결착된 상기 탄소 섬유의 개수가 적어도 15개를 초과하는 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연화부는 막 두께가 0.1mm 이하인 막상 흑연으로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 막상 흑연의 표면에 선상 자국을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연화부는 빔 조사에 의해 절단된 단부면에 형성된 흑연화 절단 단부면인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 길이 방향 절단면에 있어서의 라만 스펙트럼으로부터 얻어지는 G밴드와 D밴드의 강도비(D밴드의 강도/G밴드의 강도)가 0.8 이상 1.4 이하인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유가 적어도 PAN계 탄소 섬유의 장섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 탄소 섬유 적층체를 사용하여, 상기 탄소 섬유 직물의 표면에 적어도 결착재 수지 재료를 부설하는 동시에, 인접하는 상기 탄소 섬유 직물끼리가 결착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리폼.
  11. 제10항에 기재된 상기 프리폼에 매트릭스 수지를 함침, 경화시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱.
  12. 일방향으로 정렬된 복수의 탄소 섬유로 이루어지는 탄소 섬유 다발을 1 내지 복수 사용한 탄소 섬유 직물을 1 내지 복수 적층한 탄소 섬유 적층체의 제조 방법으로서, 상기 탄소 섬유 적층체에 빔을 조사해서 상기 탄소 섬유 적층체의 표면 및/또는 단부면을 흑연화하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 탄소 섬유 적층체에 빔을 조사해서 상기 탄소 섬유 적층체를 원하는 형상으로 절단하는 동시에, 절단면을 흑연화하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 빔 조사에서, 에너지 밀도, 조작 속도, 초점 심도 중 적어도 1개를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체의 제조 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔이 스폿 레이저 또는 라인 레이저 중 어느 하나의 레이저 광선인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 적층체의 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 탄소 섬유 적층체를 사용하여, 상기 탄소 섬유 직물의 표면에 적어도 결착재를 부설하는 동시에, 인접하는 상기 탄소 섬유 직물끼리가 결착된 프리폼에, 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 상기 빔을 조사해서 흑연화하는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 방법.
KR20127018510A 2009-12-17 2010-12-07 탄소 섬유 적층체 및 프리폼, 및 그들의 제조 방법 KR20120094136A (ko)

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