KR20150103587A

KR20150103587A - 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법

Info

Publication number: KR20150103587A
Application number: KR1020140025190A
Authority: KR
Inventors: 박상효
Original assignee: 진양특수강 주식회사
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-09-11
Also published as: KR101603835B1

Abstract

본 발명은 몰드의 두께를 줄이면서도 높은 후프강도를 얻을 수 있는 몰드를 제공할 수 있고, 고온 고압에 조건에서도 안정성을 확보할 수 있어 제품의 품질을 우수하게 유지할 수 있으면서 탄소복합소재 몰드의 내구성을 높여 수명을 길게 할 수 있도록 한 것으로서;
고압의 조건에서 몰드의 원주방향강도(Hoop Strength)를 극대화하기 위해 연속된 와프(Warp) 방향의 탄소섬유와 단속된 와프(Woof) 방향의 탄소섬유를 직조하여 완성된 연속된 탄소직물을 팽팽하게 텐션(Tension)을 주어 와인딩하여 원통 형상의 예비프리폼을 만들고, 예비프리폼 두께 방향의 결속력을 강화하고 층간 분리 현상을 방지하기 위해 탄소섬유로 스티칭을 수행하여 최종프리폼을 만들고, 상기 최종프리폼을 공지기술의 밀도화를 통하여 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 얻도록 하는 것이 특징이다.

Description

고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법{MOLD MANUFACTURING METHOD OF CARBON COMPOSITES FOR USING AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE}

본 발명은 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 항공우주분야, 전자분야, 방탄분야 등에 사용되면서 고온 고압의 조건에서 소결이 필요한 세라믹 소재 제조 설비 내에 사용되는 중공의 탄소복합소재 몰드를 제조하는 새로운 방법과 그 몰드의 제공에 관한 것이다.

세라믹 소재의 소결 방법으로는 상압 소결, 상온 가압 소결, 고온 고압 소결 등이 있으며, 특히 고품질의 세라믹 소재를 얻기 위해서는 고온 고압 소결방법이 사용되고 있다.

이러한 고온 고압 소결방법에 있어서의 몰드 소재로는 일반적으로 흑연소재 또는 탄소복합소재를 사용하게 되며, 상대적으로 낮은 강도를 갖는 흑연소재의 경우 동일한 압력에 견디기 위해 탄소복합재와 비교하여 두께가 두꺼워지고, 특히, 초고압의 경우 한계를 갖는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 흑연소재에 비해 상대적으로 높은 강도를 갖고 고온에서의 내충격성이 우수한 탄소복합재 소재 개발에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

상기와 같은 탄소복합소재는, 탄소기지에 탄소섬유가 보강된 형태의 구성으로서 가벼우면서도 강도가 뛰어나고 고온 및 내열 특성이 우수하고, 마찰 및 마모특성과 열충격 저항성이 탁월하며, 고온강도, 비강도, 내열충격성, 내화학성 및 생체적합성이 우수할 뿐 아니라 불활성 분위기하에서는 3,000℃ 이상에서도 사용 가능하기 때문에 다양한 산업분야에서 활발히 적용하고 있는 실정이다.

종래에도 탄소재질을 이용한 몰드를 제조하는 방법이 특허 제 1053101 호에 기재되어 있으며, 이를 도 9를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술이 적용되는 탄소재질의 몰드(1)는, 중앙부에 하나 이상의 중공(15)이 형성되어, 상기 중공(15) 내에 장입된 세라믹 원료가 열 가압 소결법(Hot Press sintering)에 의하여 소결되도록 이루어진 몰드본체(10)를 포함하는 핫 프레스용 몰드에 있어서,

상기 몰드본체(10)의 외주면에 감겨진 몰드 보강섬유(20)를 더 포함하며, 상기 몰드보강섬유(20)는, 실(Yarn) 형태로 방사된 복수의 탄소 재질 섬유가 서로 꼬여서 로프 형태로 형성된 것을 사용하는 것이 특징이다.

특허 제 10 - 1053101 - 0000 호

상기와 같은 종래 기술이 적용된 탄소복합소재 몰드는, 몰드본체와 몰드 본체의 외면에 감겨 지는 몰드 보강섬유를 모두 탄소재질로 구성하고 있으나, 몰드본체를 열적 변형에 대응할 수 있도록 다수 개로 분리하여 구성하기 때문에 하기와 같은 문제점들이 발생하게 된다.

몰드본체가 다수 개로 분리되어 구성되므로 실질적으로 고온 고압에 의하여 세라믹소재를 소결하는 과정에서 열적 팽창에 대응하여 몰드의 손상은 어느 정도 보상받을 수 있으나, 몰드가 안정된 상태를 유지하는 것이 어렵기 때문에 정밀한 제품의 생산을 어렵게 하는 원인이 된다.

상기와 같이 고온 고압의 세라믹 소재를 소결하는 과정에서 몰드가 손상 또는 파괴되는 가장 큰 이유는 원통형상의 몰드 상, 하측에서 펀치에 의하여 고압이 발생하고, 이 고압은 몰드의 측벽방향으로 전도되기 때문에 몰드의 원주면에 고온의 열과 고압이 전달되어 급격하게 피로가 증가하게 되므로 기인한다. 따라서, 몰드 소재에 있어서 요구되는 물성에 있어서 몰드의 원주방향에 대한 후프(Hoop)강도가 가장 중요하다고 할 수 있다.

특히 종래 기술에서는 몰드가 다수 개로 분리구성되어 있고 그 외면에 탄소섬유를 꼬아서 만든 몰드 보강섬유를 감아서 보강하고 있으나, 몰드본체와 몰드 보강섬유가 일체화되지 않는 상태이기 때문에 결국에는 고온 고압의 세라믹 소재를 소결하는 과정에서 몰드본체와 몰드보강섬유가 이질감을 가지는 형태가 된다.

이러한 이유에 의하여 세라믹 소재를 소결할 때 발생하는 고온 고압에 의하여 분리된 몰드본체는 물론 몰드본체를 감싸고 있는 몰드 보강섬유에까지 고온 고압이 전도되어 정상적인 형체를 유지하지 못하게 되고 결국에는 몰드의 손상과 파괴를 유발하게 되는 문제가 발생한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 몰드 본체의 두께를 두껍게 할 경우에는 불필요하게 고가의 탄소복합소재를 과다하게 사용하게 되므로 생산성이 낮아지고 생산원가가 높아지는 것은 물론, 취급이 용이하지 못하게 되는 등 다른 문제점들이 발생하게 된다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 완성된 몰드의 원주방향강도(Hoop Strength)를 극대화하기 위해 탄소섬유를 평직으로 직조하여 연속된 와프(Warp) 방향과 단속된 우프(Woof) 방향을 가지도록 얻어진 연속된 탄소직물를 원통형의 치구 외면에 팽팽하게 텐션(Tension)을 주어 와인딩하여 원통 형상의 예비프리폼을 만들고, 원주방향으로 형성된 탄소직물 층(Ply)간의 결속력을 강화시키고 층간 분리(Delamination) 현상을 방지하기 위해 원주(Radial)의 수직방향 즉 두께방향으로 탄소섬유를 스티칭하여 최종프리폼을 만들고, 밀도화 공정을 통하여 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 얻도록 함으로서;

연속된 와프방향의 탄소섬유 배열에 의해 몰드의 두께를 줄이면서 높은 후프강도를 얻을 수 있는 몰드를 제공할 수 있고, 고온 고압 조건에서도 안정성을 확보할 수 있어 제품의 품질을 우수하게 유지할 수 있으면서 탄소복합소재 몰드의 내구성을 높여 수명을 길게 할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 탄소섬유로 평직으로 직조하여 얻어진 연속된 탄소직물을 원통형으로 와인딩하고 두께방향으로 탄소섬유를 사용하여 스티칭(Stitching)을 수행함으로서 몰드의 두께를 줄이면서도 높은 후프강도를 얻을 수 있는 몰드를 제공하고 고온 고압의 조건에서도 안정된 상태의 세라믹 소재의 소결을 수행할 수 있는 것은 물론, 소결 제품의 품질을 우수하게 유지할 수 있으면서 탄소복합소재 몰드의 내구성을 높일 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조과정을 도시한 공정도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조과정을 도시한 공정 도해도.
도 3은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 도시한 예시적인 사시도.
도 4는 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 도시한 예시적인 사진.
도 5는 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 발췌하여 도시한 사진.
도 6은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 A - A선을 따라서 취한 단면도.
도 7은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 B - B선을 따라서 취한 단면도.
도 8은 본 발명에 의하여 제조된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 사용상태를 도시한 구성도.
도 9는 종래 기술이 적용된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조과정을 도시한 공정도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조과정을 도시한 공정 도해도, 도 3은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 도시한 예시적인 사시도, 도 4는 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 도시한 예시적인 사진, 도 5는 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드를 발췌하여 도시한 사진, 도 6은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 A - A선을 따라서 취한 단면도, 도 7은 본 발명의 기술에 의하여 완성된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 B - B선을 따라서 취한 단면도, 도 8은 본 발명에 의하여 제조된 고온고압용 탄소복합소재 몰드의 사용상태를 도시한 구성도로서 함께 설명한다.

본 발명의 기술이 적용되는 고온고압용 탄소복합소재 몰드(100)는, 탄소섬유(101)를 평직(平織)하여 연속된 와프(Warp) 방향과 단속된 우프(Woop) 방향을 가지도록 얻어진 연속된 탄소직물(102)을 소정의 두께를 가지도록 팽팽하게 텐션(Tension)을 주어 와인딩하여 원통 형상의 예비프리폼(103)를 만든다.

상기와 같이 연속된 탄소직물(102)을 이용하여 원통 형상으로 만들어진 예비 프리폼(103)에 탄소직물(102)의 층간의 결속력을 강화하고 층간 분리 현상을 방지하기 위해 예비프리폼(103)의 두께방향으로 탄소섬유을 사용하여 균일하게 스티칭(Stitching, 104)을 수행하여 최종프리폼(105)을 완성한다.

상기와 같이 완성된 최종프리폼(105)은 내부의 탄소섬유 사이에 존재하는 기공에 액상의 피치를 함침하여 탄화, 흑연화를 반복하는 액상함침법 또는 탄화수소가스 (CH₄, C₃H₈ 등)를 이용하여 생성된 열분해탄소를 기공 내부에 증착시킨 후 흑연화하는 열화학기상증착법을 이용하여 밀도화를 수행하여 고온고압용 탄소복합소재 몰드(100)를 완성하여 얻도록 한다.

본 발명의 기술이 적용되는 고온고압용 탄소복합소재 몰드(100)를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

탄소섬유(101)를 날실(Warp)과 씨실(Woof)을 이용하여 통상적인 직물을 제직하는 것과 같은 평직(平織)을 통하여 연속된 탄소직물(102)을 얻는 탄소직물 취득단계(S100)와, 몰드 형상과 동일한 형상의 몰드가이드(106)를 준비하는 몰드가이드준비단계(S200)와, 몰드가이드(106)의 외면에 탄소직물(102)을 목적하는 바의 두께를 가지도록 나선형태로 권취하여 예비프리폼(103)을 형성하는 예비 프리폼완성단계(S300)와, 몰드가이드(106)에 와인딩된 탄소직물(102)에 탄소섬유(101)를 이용하여 예비프리폼(103)의 원주의 수직 방향 즉 두께 방향으로 스티칭을 수행하여 탄소직물(102)을 결속시켜 몰드를 가성형 상태의 최종프리폼(105)을 만드는 최종프리폼단계(S400)와, 최종프리폼(105)을 액상함침법 또는 열화학기상증착법과 같은 공지의 밀도화를 수행하여 완전한 몰드(100)를 얻는 밀도화단계(S500)으로 이루어진다.

상기 탄소직물취득단계(S100)에서는, 탄소섬유(101)를 평직할 때 탄소직물(102)의 폭 방향인 후프(Woop) 방향보다는 탄소직물(102)의 길이 방향인 와프(Warp) 방향에 탄소섬유(101) 비율이 더 많도록 하는 것이 탄소직물(102)을 와인딩하여 최종프리폼(105)을 완성한 상태에서의 원주방향강도(Hoop Strength)를 증대시킬 수 있다.

상기 탄소직물(102)을 구성하기 위한 탄소섬유(101) 한 가닥에 포함되는 탄소섬유 필라멘트(Filament)는 1k(1×1,000)이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 최종프리폼(105) 내부의 탄소섬유(101)의 전체 부피비율이 15％이상을 유지하여야 충분한 강도를 유지할 수 있게 되며, 15％ 이하일 경우 실효성이 없으며, 부피함량이 과다할 경우에는 강도 향상에는 도움이 될 수 있으나 불필요하게 원가가 상승되거나 공지된 탄소복합재의 밀도화 공정에 문제를 야기할 수 있다.

상기 몰드가이드(106)에는 탄소직물(102)을 와인딩한 상태에서 층간 결속력을 높이기 위한 스티칭(104)을 용이하게 수행할 수 있도록 몰드가이드(106)의 원주방향 또는 종방향 등으로 스티치홀(108)을 형성하는 것이 좋다.

상기 몰드가이드(106)는 금속, 비철금속, 합성수지, 목재 등 다양한 재질로 구성될 수 있어 재질을 특별하게 한정하지 않으며, 그 형상 또는 얻고자 하는 몰드(100)의 형상과 동일한 형상일 것이므로 본 발명의 도면에 예시한 원통형상에 국한되지 않음은 당연할 것이다.

실시예.

필라멘트가 3k인 탄소섬유(101)를 이용하여 와프(Warp)방향의 비율이 후프(Woop)방향에 비하여 50％가 더 많도록 평직으로 직조하여 탄소직물(102)을 만들고, 이러한 탄소직물(102)을 종 방향으로 스티치홀(108)이 형성된 원통형상의 몰드가이드(106)의 표면에 밀착시킨 후 층간 강도와 밀도를 증가시키고 프리폼 내부에 탄소섬유의 함량을 높이기 위해 텐션(Tension)을 주어 균일하게 와인딩하여 예비프리폼(103)을 형성하였다.

탄소직물(102)의 와인딩이 완료된 후에는 스티치홀(108)을 통하여 탄소섬유(101)를 이용하여 와인딩된 예비프리폼(103)의 두께 방향으로 균일하게 스티칭(104)을 수행하여 와인딩된 탄소직물(102)이 층간 분리되는 현상이 없도록 하여 최종프리폼(105)을 완성하였다.

이때, 최종 탄소복합재 몰드(100)의 성능을 균일하게 하기 위해 몰드가이드(106)를 회전하면서 스티팅(104)을 등간격으로 균일하게 형성되도록 하는 것이 중요하다.

상기와 같이 최종프리폼(105)이 완성되었을 때 최종프리폼(105) 전체 부피에 대하여 탄소섬유(101)의 함량이 전체 부피의 25％가 유지되도록 하였고, 이때 최종프리폼(105)의 내경은 300mm가 되도록 하고, 탄소직물(102)의 와인딩 두께는 70, 전체 높이는 350㎜를 유지하도록 하였다.

상기와 같은 최종프리폼(105)을 열화학기상증착법을 이용한 밀도화를 수행하여 고온고압용 탄소복합소재 몰드(100)를 완성하였다.

상기와 같이 완성된 몰드(100)의 시편을 추출하여 종래 기술인 흑연재질로 완성된 몰드의 시편과 종래 기술의 탄소복합재로 완성된 몰드의 시편을 밀도와 인장강도를 각각 하기의 표와 같은 결과를 얻었다.

표 1

흑연재질로 완성된 몰드 시편의 밀도와 인장강도

표 2

종래 기술의 탄소복합재로 완성된 몰드 시편의 밀도와 인장강도

표 3

본원의 탄소복합소재 몰드 시편의 밀도와 인장강도

상기의 표를 통하여서도 알 수 있듯이 흑연재질과 종래 기술의 탄소복합재와 밀도 부분에 있어서는 미세한 차이를 가지게 되나, 실질적인 내구성을 파악할 수 있는 인장강도에서는 확연한 차이를 가지는 것을 확인할 수 있어 본원의 기술에 의한 몰드(100)를 사용하여 고온소재를 얻을 때 안정적이고 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있으며, 몰드(100)의 후프 방향에 대한 강성이 뛰어나 손상을 방지하여 내구성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명에서는 고온고압용 탄소복합소재 몰드(100)를 세라믹소재의 소결에 사용하는 것을 예시하고 있으나, 실리콘 단결정 성장로 등과 같이 고온 상태 또는 고압상태의 소재를 얻기 위한 곳에도 형상을 가변하여 적용할 수 있음은 당연할 것이다.

100; 고온고압용 탄소복합소재 몰드
101; 탄소섬유
102; 탄소직물
103; 예비프리폼
104; 스티칭
105; 최종프리폼
106; 몰드가이드
108; 스티치홀

Claims

탄소섬유(101)를 평직하여 몰드의 원주방향강도(Hoop Strength)를 극대화하기 위해 연속된 와프(Warp) 방향의 탄소섬유와 단속된 우프(Woof) 방향의 탄소섬유를 가지도록 얻어진 연속된 탄소직물(102)를 와인딩하여 원통 형상의 예비프리폼(103)을 만들고;
상기 예비프리폼(103)을 구성하는 탄소직물(102) 층간의 분리 현상을 방지하면서 예비프리폼(103)의 두께 방향의 강도를 증가시킬 수 있도록 탄소섬유로 스티칭(104)을 수행하여 최종프리폼(105)을 만들고;
상기 최종프리폼(105)은 액상함침법 또는 열화학기상증착법을 통하여 탄소복합소재의 조직을 치밀화시키는 밀도화를 통하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 고온고압용 탄소복합소재 몰드.
탄소섬유(101)를 날실과 씨실을 이용하여 통상적인 직물을 제직하는 것과 같은 평직(平織)을 통하여 탄소직물(102)을 얻는 탄소직물취득단계(S100)와;
몰드 형상과 동일한 형상의 몰드가이드(106)를 준비하는 몰드가이드준비단계(S200)와;
몰드가이드(106)의 외면에 탄소직물(102)을 목적하는 바의 두께를 가지도록 나선형태로 권취하여 예비프리폼(103)을 형성하는 예비프리폼단계(S300)와;
몰드가이드(106)에 와인딩된 예비프리폼(103)의 두께 방향으로 몰드가이드(103)를 이용하여 스티칭을 수행하여 탄소직물(102)을 층간을 결속시켜 몰드를 가성형 상태의 최종프리폼(105)을 만드는 최종프리폼단계(S400)와;
최종프리폼(105)을 액상함침법 또는 열화학기상증착법으로 밀도화를 수행하여 완전한 몰드(100)를 얻는 밀도화단계(S500)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법.
제 2 항에 있어서;
상기 탄소직물취득단계(S100)에서는, 프리폼(105)을 완성한 상태에서의 후프(Hoop) 방향의 강도를 증대시킬 수 있도록 탄소섬유(101)를 평직할 때 탄소직물(102)의 폭 방향인 우프(Woop) 방향보다는 탄소직물(102)의 길이 방향인 와프(Warp) 방향에 탄소섬유(101)의 부피가 더 많도록 하는 것을 특징으로 하는 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법.
제 2 항에 있어서;
상기 탄소직물(102)을 구성하기 위한 탄소섬유(101) 한 가닥에 포함되는 탄소섬유 필라멘트(Filament)는 1k(1×1,000)이상의 것을 특징으로 하는 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법.
제 2 항에 있어서;
상기 최종프리폼(105) 상태에서의 최종프리폼(105) 내부의 탄소섬유(101) 전체 부피비율이 15％이상을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법.