KR20130004335A

KR20130004335A - Ｃ／ｃ 컴포지트재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130004335A
Application number: KR20127026769A
Authority: KR
Inventors: 히로시 마치노; 도시하루 히라오카; 유지 도미타; 유지 후지오카
Original assignee: 토요 탄소 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-01-09
Also published as: CN102822119A; EP2554526A4; EP2554526A1; WO2011118757A1; TW201207177A; US20130011602A1; JP2011201750A

Abstract

굽힘강도나 층간 전단강도의 향상을 도모하면서 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있는 C/C 컴포지트재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 탄소 섬유 한 방향 직물(11), (12)와 펠트(10)을 가지는 층상체(1)이 2 이상 적층된 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 기상 열분해 탄소로 이루어지는 매트릭스 성분이 포함된 C/C 컴포지트재로서, 상기 탄소 섬유 한 방향 직물(11)에서의 탄소 섬유의 연설 방향은 탄소 섬유 한 방향 직물(12)에서의 탄소 섬유의 연설 방향과 직각을 이루도록 배치되어 있고, 또한 니들 펀치에 의해 적층체의 적층 방향으로는 펠트(10)의 탄소 섬유가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

Ｃ／Ｃ 컴포지트재 및 그 제조 방법{CARBON/CARBON COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF MANUFACTURE FOR SAME}

본 발명은 C/C 컴포지트재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 굽힘강도나 층간 전단강도를 저하시키지 않고, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있는 C/C 컴포지트재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

C/C 컴포지트재는 탄소가 가지는 내식성, 내열성과 더불어 탄소 섬유와의 복합화에 의해 고강도, 고인성(high toughness)을 가지게 된다. 또, C/C 컴포지트재는 탄소의 비중이 작은 것부터 금속에 비해 경량인 것도 특징이다. 이러한 특징에서 항공우주용, 반도체 및 태양전지 패널 제조용, 원자력용 제재료, 금속열처리 치구용도 등에 사용하는 것이 검토되고 있고, 이 용도에 이용하는 경우에는, 고강도인 것 외에 높은 열전도성이 요구된다. 특히 큰 면적의 것을 지지하는 것이 필요한 경우에는 C/C 컴포지트재의 적층 방향에서의 열전도율을 향상시키는 것이 필요한 경우가 많이 있다.

여기서, C/C 컴포지트재의 고강도화와 고열전도성을 도모하기 위해서, 예를 들면 탄소질 펠트 내부에 열분해 탄소가 함침됨으로써 열전도율의 향상을 도모하고, 부피 밀도를 규제함으로써 강도의 향상을 도모하고 있다(하기 특허문헌 1 참조).

또, 목적은 다르지만, C/C 컴포지트재의 강도 특성과 열전도율의 최적화를 도모하기 위해서, 굽힘강도와 적층 방향의 열전도율을 규제하는 제안이 이루어지고 있다(하기 특허문헌 2 참조).

일본 특개평 5-306168호 공보 일본 특개 2002-255664호 공보

그렇지만, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 적층 방향과 수직 방향의 열전도도를 향상시킬 수는 있지만, 적층 방향의 열전도도를 향상시키는 것은 곤란하다. 또, 단지 부피 밀도를 규제하는 것만으로는 C/C 컴포지트재의 강도를 충분히 높일 수는 없다.

또, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는 저온(상온)에서의 열전도율을 원하는 값까지 향상시킬 수는 없다.

그래서 본 발명은 굽힘강도나 층간 전단강도의 향상을 도모하면서, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있는 C/C 컴포지트재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 탄소 섬유를 포함하는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 가지며, 또한, 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서, 상온에 있어서 굽힘강도가 100 MPa 이상이고, 또한 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 구성이라면 굽힘강도의 향상을 도모하면서, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 연속 섬유를 이용한 층상체란, 예를 들면 면 방향 양단에 이르기까지 한 방향으로 배치된 일체의 장탄소 섬유를 평행하게 늘어놓아 형성시킨 층상체를 말하고, 절단 섬유를 이용한 층상체란, 예를 들면 단탄소 섬유를 이차원으로 랜덤하게 틈새없고 얇게 면상으로 빈틈없이 깔고, 프레스하여 층상체로 한 것을 말하며, 2D 직포란, 예를 들면 장탄소 섬유를 평행하게 배치하여 단책상으로 형성한 토우를 종횡으로 배치하고, 상기 토우를 서로 교차시켜서 직포상으로 형성한 것을 말하며, 펠트를 이용한 층상체란, 예를 들면 단탄소 섬유를 삼차원으로 랜덤하게 집합시켜서 어느 정도의 압력으로 프레스하여 층상체로 한 것을 말한다.

또, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 탄소 섬유를 포함하는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서, 층간 전단강도가 10 MPa 이상이며, 또한 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 구성이라면, 층간 전단강도의 향상을 도모하면서, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있다.

상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 기상 열분해 탄소 또는 피치(pitch) 유래의 탄소에 의해 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 구성이라면 매트릭스를 용이하게 제작할 수 있고, 굽힘강도나 층간 전단강도의 향상 및 상온에서의 적층 방향의 열전도도의 향상을 더욱 도모할 수 있다.

상기 적층체의 적층 방향에 탄소 섬유가 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 구성이라면, 탄소 섬유에 의해 열전도가 되기 때문에 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 한층 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연속 섬유로 이루어지는 직물 2장 이상과 펠트를 가지는 탄소 섬유를 포함하는 층상체가 2 이상 적층된 구조의 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서, 상기 직물의 섬유는 적층 방향과는 수직인 평면 내에서의 한 방향으로 연설(延設)되며, 또한 상기 층상체에서의 적어도 하나의 직물은 다른 직물과 상이한 방향으로 섬유가 연설되며, 또한 상기 펠트의 섬유 중 일부는 상기 직물을 적층 방향으로 관통하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성이라면, 굽힘강도와 층간 전단강도(이하, 양 강도라고 칭할 때가 있다)가 높은 연속 섬유로 이루어지는 직물이 존재하고 있으므로, C/C 컴포지트재의 양 강도를 높일 수 있다. 또, 열전도도가 높은 펠트의 섬유 중 일부가 직물을 적층 방향으로 관통하고 있음으로써, C/C 컴포지트재에 있어서 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있다. 또한, 펠트의 섬유가 직물을 적층 방향으로 관통함으로써 각 층이 강고하게 결합되므로, C/C 컴포지트재의 양 강도를 한층 높일 수 있다. 또, 층상체에서의 적어도 하나의 직물은 다른 직물과 상이한 방향으로 섬유가 연설되어 있으므로, 한 방향이 아닌 다방향에 있어서 C/C 컴포지트재의 양 강도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하고 있으므로, C/C 컴포지트재의 양 강도를 더욱 높일 수 있다.

상기 하나의 직물에서의 섬유의 연설 방향과 상기 다른 직물에서의 섬유의 연설 방향이 직각이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

하나의 섬유의 연설 방향은 다른 섬유의 연설 방향과 직각이 되도록 구성되어 있으면, 어느 방향으로 있어서도 C/C 컴포지트재의 양 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 기상 열분해 탄소 또는 피치 유래의 탄소에 의해 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 구성이 바람직한 것은 상술한 이유와 동일한 이유이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 제작하는 단계와, 니들 펀치를 이용하여 적층체의 적층 방향으로 탄소 섬유를 배치하는 단계를 가지며, 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 배치하는 단계를 가지는 것을 특징으로 한다.

이러한 방법이라면, 상기 C/C 컴포지트재를 용이하게 제작할 수 있다. 또, 니들 펀치를 이용하면, 적층체의 적층 방향으로 탄소 섬유를 용이하게 배치할 수 있으므로, 상온에서의 적층 방향의 열전도도의 향상을 저비용으로 실시할 수 있고, 게다가 각 층이 강고하게 결합되므로, C/C 컴포지트재의 강도가 높아진다.

본 발명에 따르면, 굽힘강도 및 층간 전단강도의 향상을 도모하면서, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에서 이용하는 층상체의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에서 이용하는 탄소 섬유질 프리폼의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명재료 A1~A5 및 비교재료 Z1~ Z3에서의 열전도율과 굽힘강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명재료 A1~ A5 및 비교재료 Z1~ Z3에서의 층간 전단강도와 전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 이용하는 층상체의 변형예를 나타내는 분해사시도이다.
도 6은 본 발명에서 이용하는 층상체의 다른 변형예를 나타내는 분해사시도이다.
도 7은 본 발명에서 이용하는 층상체의 추가로 다른 변형예를 나타내는 분해사시도이다.
도 8은 본 발명에서 이용하는 적층체의 변형예를 나타내는 분해사시도이다.
도 9는 본 발명에서 이용하는 적층체의 다른 변형예를 나타내는 분해사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 이하에 설명한다.

먼저, PAN계 탄소 섬유 토우(단섬유 직경 약 7 ㎛, 인장 강도 약 5 GPa, 필라멘트수 약 12000개)를 제작한 후, 나일론 섬유를 이용하여 복수의 PAN계 탄소 섬유 토우를 뗏목상으로 묶음으로서 탄소 섬유 한 방향 직물을 제작했다. 이 탄소 섬유 한 방향 직물은 굽힘강도는 높고, PAN계 탄소 섬유 토우의 연설 방향에서의 열전도율은 높지만, 이것을 적층했을 경우에는 인접하는 탄소 섬유 한 방향 직물끼리의 적층 방향의 열전도도는 낮아진다.

이것과 병행하여, 상기 동일한 PAN계 탄소 섬유를 약 25 mm로 자르고, 탄소 섬유가 랜덤하게 배향한 펠트(부피 밀도: 약 0.1 g/㎤)를 제작했다. 이 펠트에 매트릭스 성분을 함침시킨 C/C 컴포지트는 굽힘강도 등은 뒤떨어지지만, 모든 방향에 있어서 열전도도는 높다.

다음에, 도 1에 나타낸 바와 같이, 2장의 상기 펠트(10)과, 2장의 상기 탄소 섬유 한 방향 직물(11), (12)를 위에서부터 순서대로 펠트(10), 탄소 섬유 한 방향 직물(12), 펠트(10), 탄소 섬유 한 방향 직물(11)을 적층하여 층상체(1)을 제작했다. 이때, 하나의 탄소 섬유 한 방향 직물(11)에서의 탄소 섬유의 연설 방향은 다른 탄소 섬유 한 방향 직물(12)에서의 탄소 섬유의 연설 방향과 직각을 이루게 배치되어 있다. 이렇게 탄소 섬유 한 방향 직물(11), (12)를 배치함으로써, C/C 컴포지트재를 제작했을 때에 양 방향(도 1의 A 방향과 B 방향)에서의 굽힘강도의 향상을 도모할 수 있다.

다음으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 층상체(1)을 8장 적층한 후, 역가시를 가지는 바늘을 전층에 관통시킴으로써, 니들 펀치를 써서 펠트의 탄소 섬유에 의해 결합함으로써 각 층을 결합하고, 이로 인해 두께 약 10 mm, 부피 밀도 약 0.6 g/㎤의 탄소 섬유질 프리폼(적층체에 있어서, 이하, 2.5D 프리폼이라고 칭할 때가 있다)을 제작했다. 또한, 상기 니들 펀치에 의해 직경 0.3~0.6 mm의 개구 구멍이 평균 약 2 mm 간격으로 설치되었다. 이와 같이, 니들 펀치를 설치하면 펠트의 탄소 섬유가 탄소 섬유 한 방향 직물을 적층 방향으로 관통하게 배치하므로, 상온에서의 적층 방향의 열전도도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 각 층이 강고하게 결합되므로, C/C 컴포지트재의 굽힘강도와 층간 전단강도를 높일 수 있다.

그 후, 상기 2.5D 프리폼을 CVI 처리했다. 구체적으로는, 온도가 약 1000℃에서 압력이 10 Torr의 조건 하, 수소와 프로판의 혼합 기류중(수소와 프로판의 체적비는 약 90:0이 되고 있다)에 상기 2.5D 프리폼을 약 1000시간 유지함으로써, 매트릭스 성분인 기상 열분해 탄소를 2.5D 프리폼 내에 침적시켰다. 이에 따라, 부피 밀도가 약 1.7 g/㎤까지 높아진 C/C 컴포지트재를 얻을 수 있었다. 최후에, C/C 컴포지트재를 약 2000℃에서 열처리했다. 또한, 상기 C/C 컴포지트재의 두께는 약 10 mm이었다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는, 탄소 섬유질 프리폼은 약 10 mm로 비교적 두께가 작은 것이기 때문에, 니들 펀치에 의해 바늘을 전층에 관통시키고 있지만, 전층에 바늘을 관통시키는 것이 곤란한 정도로 두께가 두꺼운 탄소 섬유질 프리폼을 형성할 때에는, 어느 정도 개수의 층상체를 포개서 니들 펀치를 실시하고, 추가로 층상체를 포개서 니들 펀치를 실시하는 공정을 반복하여, 펠트의 섬유를 적층 방향으로 관통시키도록 할 수 있다.

실시예

(실시예 1)

실시예 1로는 상기 형태에서 나타낸 C/C 컴포지트재를 이용했다.

이와 같이하여 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 본 발명재료 A1이라고 칭한다.

(실시예 2)

2.5D 프리폼 중의 나일론 섬유를 제거하기 위해서, 2.5D 프리폼 제작 후 CVI 처리 전에, 질소 분위기하 약 1000℃에서 약 1시간의 열처리를 실시한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 C/C 컴포지트재를 제작했다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 본 발명재료 A2라고 칭한다.

(실시예 3)

아체손 흑연화로를 이용하여 C/C 컴포지트재에 추가로 열처리(약 3000℃에서 약 24시간)를 실시한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 C/C 컴포지트재를 제작했다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 본 발명재료 A3이라고 칭한다.

(실시예 4)

아체손 흑연화로를 이용하여 C/C 컴포지트재에 추가로 열처리(약 3000℃에서 약 24시간)를 실시한 것 이외에는, 상기 실시예 2와 동일하게 C/C 컴포지트재를 제작했다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 본 발명재료 A4라고 칭한다.

(실시예 5)

2.5D 프리폼에 매트릭스를 형성할 때, 기상 열분해 탄소를 이용하지 않고 피치 유래의 탄소를 이용한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 C/C 컴포지트재를 제작했다.

구체적으로는, 상기 실시예 1과 동일한 2.5D 프리폼에 페놀 수지를 함침하고, 질소분위기 중 약 1000℃에서 약 1시간 소성하여 저밀도의 C/C 컴포지트재를 얻었다. 다음에, 이 저밀도 C/C 컴포지트재에 석탄 피치를 함침하여 약 1000℃에서 약 1시간 소성하는 공정을 5회 반복함으로써, 부피 밀도가 약 1.6 g/㎤까지 높아진 C/C 컴포지트재를 얻었다. 마지막으로, 이것을 약 2000℃에서 약 1시간 열처리하였다. 또한, 상술한 것과 같이, 2.5D 프리폼에 석탄 피치를 함침하여 소성하는 공정을 반복하고 있으므로, 매트릭스 성분은 주로 피치 유래의 탄소에 의해 구성되게 된다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 본 발명재료 A5라고 칭한다.

(비교예 1)

먼저, 약 12000개의 탄소 섬유 필라멘트로 이루어지는 토우를 이용하여 평직 직물을 제작하고, 이것에 페놀 수지를 함침하고, 적층 후에 열반 프레스로 성형하여 적층체(저밀도 C/C 컴포지트재로서, 이하, 2D 직물의 적층체라고 칭한다)를 얻었다. 다음에, 이 적층체를 질소분위기 중 약 1000℃에서 약 1시간 소성한 후, 석유 피치를 함침하여 약 1000℃에서 약 1시간 소성하는 공정을 5회 반복함으로써, 부피 밀도가 약 1.6 g/㎤까지 높아진 C/C 컴포지트재를 얻었다. 마지막으로, 이것을 약 2000℃에서 약 1시간 열처리하였다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 비교재료 Z1이라고 칭한다.

(비교예 2)

아체손 흑연화로를 이용하여 C/C 컴포지트재에 추가로 열처리(약 3000℃에서 약 1시간)를 실시한 것 이외에는, 상기 비교예 1과 동일하게 C/C 컴포지트재를 제작했다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 비교재료 Z2라고 칭한다.

(비교예 3)

실시예 1에서 이용한 층상체를 40장 적층한 적층체를 니들 펀치하지 않고, 간격을 약 10 mm로 한 2장의 금속판 사이에 끼운 후 페놀 수지를 함침하고, 추가로 경화시켜서 두께 약 1O mm의 적층체를 얻었다. 이 적층체를 질소분위기 중 약 1000℃에서 약 1시간 소성하고, 저밀도의 C/C 컴포지트를 제작했다. 이것에 석탄 피치를 함침하여 약 1000℃에서 약 1시간 소성하는 공정을 5회 반복함으로써, 부피 밀도가 약 1.6 g/㎤까지 높아진 C/C 컴포지트재를 얻었다. 마지막으로, 이것을 약 2000℃에서 약 1시간 열처리하였다.

이와 같이 제작한 C/C 컴포지트재를 이하, 비교재료 Z3이라고 칭한다.

(실험)

상기 본 발명재료 A1~A5 및 비교재료 Z1~Z3의 부피 밀도와 굽힘강도와 층간 전단강도(ILSS)와 적층 방향의 열전도율(이하, 열전도율⊥이라고 표시한다)과 평면 방향의 열전도율(적층 방향과 수직 방향의 열전도율이며, 이하, 열전도율//로 표시한다)을 이하에 나타내는 방법에 의해 조사하여 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 실험은 상온(23℃)에서 실시했다. 또, 이들 재료의 굽힘강도와 열전도율⊥의 관계 및 열전도율⊥과 층간 전단강도의 관계에 대해서, 각각 도 3 및 도 4에 나타낸다.

〔굽힘강도〕

길이 60 mm, 폭 1O mm, 높이 3 mm(적층 방향을 높이로 한다)인 직방체 형상의 테스트 피스를 준비하고, 스팬간 거리 40 mm, 직물 헤드 스피드를 0.5 mm/분으로 3점 굽힘 시험을 실시하고, 최대 하중으로부터 하기 (1)식을 사용하여 굽힘강도를 산출했다.

굽힘강도 = 3 PL/(2 wh²) … (1)

또한, (1)식에 있어서, P는 하중, L은 스팬간 거리, w는 폭, h는 높이이다.

〔ILSS(층간 전단강도)〕

길이 50 mm, 폭 1O mm, 높이 6 mm(적층 방향을 높이로 한다)인 직방체 형상의 테스트 피스를 준비하고, 스팬간 거리 30 mm, 직물 헤드 스피드를 0.5 mm/분으로 3점 굽힘 시험을 실시하고, 최대 하중으로부터 하기 (2)식을 사용하여 층간 전단강도를 산출했다.

ILSS = 3 P/(4 wh) … (2)

또한, (2)식에 있어서, P는 하중, w는 폭, h는 높이이다.

〔열전도율⊥, 열전도율//〕

직경 약 10φ, 두께 3 mm(측정 방향은 두께 방향)의 테스트 피스를 준비하고, 레이저 플래시법을 이용하여 열확산률을 측정했다. 이것과 부피 밀도, 비열(흑연의 값을 사용했다. 또한, 출처는 JANAF Thermochemical Tables, 3^rded. 등이다)을 곱함으로써 열전도율을 산출했다.

재료의 종류	부피밀도 [Mg/m³]	굽힘강도 [MPa]	층간 전단강도 [MPa]	열전도율⊥ [W/(m·k)]	열전도율// [W/(m·k)]
본발명재료A1	1.73	170	14	46	92
본발명재료A2	1.72	208	17	50	100
본발명재료A3	1.70	128	10	87	153
본발명재료A4	1.71	110	10	77	170
본발명재료A5	1.65	160	15	33	80
비교재료Z1	1.63	190	11	9	44
비교재료Z2	1.69	130	8	22	152
비교재료Z3	1.63	150	9	12	70

<표 1에 나타난 결과의 고찰>

2.5D 프리폼에 CVI 처리를 실시하여 치밀화한 본 발명재료 A1~A2는 굽힘강도가 100 Mpa 이상, 층간 전단강도가 10 MPa 이상, 열전도율⊥이 30 W/(m·K) 이상 되는 것으로 확인된다.

또, 각각 약 3000℃의 열처리(흑연화 처리)를 가한 점에 있어서 본 발명재료 A1, A2와 상이한 본 발명재료 A3, A4는 본 발명재료 A1, A2에 비하여, 굽힘강도와 층간 전단강도가 약간 저하되어 있으나(단, 굽힘강도가 100 Mpa 이상이고, 층간 전단강도가 10 MPa 이상이다), 양 열전도율(열전도율⊥과 열전도율//)에 대해서는 본 발명재료 A1, A2에 비하여 대폭으로 향상되어 있는 것으로 확인된다.

또한, 매트릭스 성분을 피치 유래의 탄소로 구성한 점에 있어서 본 발명재료 A1과는 상이한 본 발명재료 A5는 본 발명재료 A1에 비하여 양 열전도율이 약간 저하되어 있으나(단, 열전도율⊥이 3O W/(m·K) 이상이다), 굽힘강도와 층간 전단강도에 대해서는 본 발명재료 A1과 거의 동등한 것으로 확인된다.

이상으로부터, 본 발명재료 A1~A5에서는 모든 굽힘강도가 100 Mpa 이상, 층간 전단강도가 10 MPa 이상, 열전도율⊥이 30 W/(m·K) 이상 되는 것을 알 수 있다.

이에 대하여, 2.5D 프리폼 대신에 2D 직물의 적층체를 이용한 점에 있어서 본 발명재료 A1과 상이한 비교재료 Z1, Z2에서는 굽힘강도는 100 Mpa 이상이지만, 양자 모두에 열전도율⊥이 30 W/(m·K) 미만이며, 또한 비교재료 Z2에서는 층간 전단강도도 10 MPa 미만인 것으로 확인된다.

또, 프리폼의 형성에 있어서 니들 펀치를 실시하지 않은 점에 있어서 본 발명재료 A5와 상이한 비교재료 Z3에서는 굽힘강도는 100 Mpa 이상이지만, 열전도율⊥이 30 W/(m·K) 미만이며, 층간 전단강도도 10 MPa 미만인 것으로 확인된다.

이상으로부터, 굽힘강도가 100 MPa 이상이고, 또한 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상인, 혹은, 층간 전단강도가 10 MPa 이상이며, 또한 적층 방향의 열전도도가 3O W/(m·K) 이상이기 위해서는, 본 발명과 같은 구성으로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 이것은 도 3 및 도 4로부터 명백하다.

(기타 사항)

(1) 상기 층상체(1)로는 상기의 구조로 한정하는 것이 아니고, 예를 들면 도 5에 나타낸 바와 같이, 하나의 탄소 섬유 한 방향 직물(11)에서의 탄소 섬유의 연설 방향은 다른 탄소 섬유 한 방향 직물(12)에서의 탄소 섬유의 연설 방향과 직각이 아니어도 된다.

또, 도 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유 한 방향 직물(11), (12), (13)을 3장 배치하고, 이 탄소 섬유의 연설 방향을 각각 다르게 할 수 있다(도 6에서는 인접하는 탄소 섬유 한 방향 직물에서의 탄소 섬유의 연설 방향이 이루는 각도는 60°가 되고 있다).

또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 한 방향(예를 들면, 도 7에서는 A 방향)에서의 강도가 특히 필요할 경우에는, 탄소 섬유 한 방향 직물(11), (12)에서의 탄소 섬유의 연설 방향을 모두 A 방향으로 하고, 탄소 섬유 한 방향 직물(13)만을 A 방향 이외의 방향으로 할 수 있다.

게다가, 층상체(1)에서의 펠트(10)은 상기와 같이 1장으로 한정하는 것이 아니고, 2장 이상일 수 있고, 또 도 1에 나타낸 바와 같은 탄소 섬유 한 방향 직물과 펠트를 교대로 적층하는 형태일 수도 있다.

(2) 적층체(2)로는 상술한 구조의 것으로 한정하는 것이 아니고, 예를 들면 도 8에 나타낸 바와 같은 2.5D 프리폼으로 이루어지는 적층체(21), (21) 사이에 2D 직포(22)를 배치하는 구조나 도 9에 나타낸 바와 같은 2.5D 프리폼으로 이루어지는 적층체(21)의 한 방향의 면에 2D 직포(22)를 배치하는 구조일 수도 있다. 또는, 적층체(2)로는 연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 것으로, 굽힘강도가 100 MPa 이상으로 동시에 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상, 혹은 층간 전단강도가 10 MPa 이상으로 동시에 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상이면 어떠한 구조일 수 있다.

(3) 탄소 섬유 토우 및 탄소 섬유 펠트를 구성하는 단섬유의 직경은 상술한 바와 같이 한정되는 것이 아니지만, 5~20 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 단섬유의 직경이 5 ㎛ 미만이면 단섬유 1개당의 강도가 너무 낮아져서 강도 저하가 되는 부적합이 생기는 한편, 단섬유의 직경이 20 ㎛를 넘으면 취급시나 니들 펀치 등을 할 때에 섬유가 파손되기 쉬워져서 부적합하다.

또, 탄소 섬유 펠트의 탄소 섬유 길이는 10~100 mm 정도인 것이 바람직하다. 탄소 섬유 길이가 10 mm 미만이면 섬유끼리 엉키기 어려워 섬유 집합체로서의 펠트의 형상이 형성되기 어려워 부적합할 수 있는 반면, 탄소 섬유 길이가 100 mm를 넘으면 섬유끼리 너무 얽혀서 반대로 펠트의 제조가 곤란하여 부적합해질 수 있다.

(4) 니들 펀치에 의해 형성되는 구멍의 크기는 상술한 바와 같이 한정되는 것이 아니지만, 직경이 0.1~1.0 mm 정도인 것이 바람직하다. 구멍의 직경이 0.1 mm 미만이면 펠트의 섬유가 직물을 적층 방향으로 관통하는 양이 적게 되어 상온에서의 적층방향의 열전도도를 충분히 향상시킬 수 없을 우려가 있는 한편, 구멍의 직경이 1.0 mm를 넘으면 구멍의 면적이 너무 커져서 C/C 컴포지트재의 강도 저하를 초래할 우려가 있다.

산업상 이용가능성

본 발명의 C/C 컴포지트재는 항공우주용, 반도체 및 태양전지 패널 제조용, 원자력용 제재료, 금속열처리 치구용도 등에 이용할 수 있다.

1 층상체
10 펠트
11 탄소 섬유 한 방향 직물
12 탄소 섬유 한 방향 직물

Claims

연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 탄소 섬유를 포함하는 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서,
상온에 있어서, 굽힘강도가 100 MPa 이상이고, 또한 적층 방향의 열전도도가 30 W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 C/C 컴포지트재.
연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 탄소 섬유를 포함하는 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서,
층간 전단강도가 10 MPa 이상이고, 또한 적층 방향의 열전도도가 3O W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 C/C 컴포지트재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 기상 열분해 탄소에 의해 구성되는 C/C 컴포지트재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 피치 유래의 탄소에 의해 구성되는 C/C 컴포지트재.
청구항 1 내지 청구항 4에 있어서,
상기 적층체의 적층 방향으로 탄소 섬유가 배치되어 있는 C/C 컴포지트재.
연속 섬유로 이루어지는 직물 2장 이상과 펠트를 가지는 탄소 섬유를 포함하는 층상체가 2 이상 적층된 구조의 적층체를 가지며, 또한 상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 포함하는 C/C 컴포지트재로서,
상기 직물의 섬유는 적층 방향과 수직인 평면 내에서의 한 방향으로 연설되고, 또한 상기 층상체에서의 적어도 하나의 직물은 다른 직물과 상이한 방향으로 섬유가 연설되며, 또한 상기 펠트의 섬유 중 일부는 상기 직물을 적층 방향으로 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 C/C 컴포지트재.
청구항 6에 있어서,
상기 하나의 직물에서의 섬유의 연설 방향과 상기 다른 직물에서의 섬유의 연설 방향이 직각이 되도록 구성되는 C/C 컴포지트재.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 기상 열분해 탄소에 의해 구성되는 C/C 컴포지트재.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 매트릭스 성분의 일부 혹은 전부가 피치 유래의 탄소에 의해 구성되는 C/C 컴포지트재.
연속 섬유를 이용한 층상체, 절단 섬유를 이용한 층상체, 2D 직포 및 펠트를 이용한 층상체로 이루어지는 원료군으로부터 선택되는 적어도 2 이상의 원료가 적층된 적층체를 제작하는 단계와,
니들 펀치를 이용하여 적층체의 적층 방향으로 탄소 섬유를 배치하는 단계를 가지는,
상기 적층체의 내부에 매트릭스 성분을 배치하는 단계를 가지는 것을 특징으로 하는 C/C 컴포지트재의 제조 방법.