KR20150142836A - Method of manufacturing composite structures with variable electromagnetic characteristics according to variation of resin content and Radar-absorbing structure comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 복합재료의 초기 레진 함량을 조절함에 따라 성형 후 나노물질의 필터링 효과에 의해 브리더(bleeder)에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 폭 넓은 설계가 가능한 전자기파 흡수 구조체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 들어 복합재료는 다기능 재료로 적용이 가능하며 기존의 철 및 알루미늄과 같은 재료에 비해 비강도(specific strength) 및 비강성(specific stiffness) 등의 장점을 가지고 있어 군사 분야 및 민수 분야에 각광을 받고 있다. 복합재료(composites)는 섬유(fiber)와 기지(matrix)로 구성되어 있으며 대표적으로 섬유로는 유리섬유 및 탄소섬유가 있으며 기지로는 고분자계열의 화합물을 말한다. 무엇보다 다기능 구조물(multifuctional structure)로써 다양한 분야에 적용이 가능하다. 특히, 전자파흡수구조(radar-absorbing structure)로 사용이 가능하기에 현재 선진국에서 저피탐 전투기에 40%이상 적용하여 운용 중에 있다. 다시 말해 이러한 기지에 추가적인 기능하는 첨가물(filler)을 분산할 수 있기 때문에 가능하다. 즉, 전자기 특성을 갖는 나노 물질(nano-sized materials)을 기존의 복합재료에 첨가하여 하중을 견딜 수 있는 구조에 전자기파 흡수 기능을 설계할 수 있다. 이를 위해 나노 물질 첨가량에 따라 전자기파 흡수 성능에 영향을 끼치므로 전자기파 흡수 구조체 설계에 있어서 다양한 전자기 특성을 갖도록 복합재료를 제조하는 것이 효과적인 방법이다.In recent years, composites can be applied as multifunctional materials. They have advantages such as specific strength and specific stiffness compared to conventional materials such as iron and aluminum, and are attracted to military and civilian fields have. Composites are composed of fiber and matrix. Typically, the fibers are glass fibers and carbon fibers, and the base is a polymer compound. Above all, it can be applied to various fields as a multifunctional structure. In particular, it can be used as a radar-absorbing structure, and it is currently in operation in advanced countries with more than 40% applied to a low-energy fighter. In other words, it is possible to distribute additional functional fillers to these bases. That is, nano-sized materials having electromagnetic properties can be added to existing composite materials to design electromagnetic wave absorption function in a structure capable of withstanding loads. Therefore, it is an effective method to manufacture composite materials having various electromagnetic characteristics in the design of electromagnetic wave absorbing structure, because it affects the electromagnetic wave absorption performance depending on the amount of nanomaterials added.
또한 나노 물질의 필터링 효과란 나노 물질이 특정 필터에 의해 걸러지는 현상이다. 여기서 언급한 특정 필터는 프리프레그와 성형 부자재를 말하며 특히, 성형 부자재는 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film)과 브리더(bleeder)를 말한다. 이러한 필터에 의해 나노 물질이 온전히 밖으로 빠지지 않도록 함으로써 나노물질이 복합재료에 남도록 하는 효과이다.In addition, the filtering effect of nanomaterials is a phenomenon in which nanomaterials are filtered by specific filters. The specific filter mentioned here refers to a prepreg and a forming part, and in particular, the forming part refers to a peel ply, a perforated release film and a bleeder. By such a filter, the nanomaterial is prevented from falling out completely so that the nanomaterial remains in the composite.
전자파흡수구조의 설계 방법으로 기지(matrix)에 필러(filler)로써 나노손실물질(nano-sized lossy materials)을 첨가하여 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)를 변화시켜 전자파의 에너지를 산란 및 흡수하는 방법인 Dallenbach layer 흡수체(absorber)가 있다. 도 1은 단층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면으로서, 한 층으로 이루어진 구조로 한 종류의 복합재료를 사용하여 단층형 설계를 하는 것이다. 반면에 도 2는 다층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면으로서, 여러 층으로 쌓아 전자파를 흡수하는 원리인 다층형 흡수체는 도 2와 같이 두 가지 이상의 재료를 이용하여 다층형 설계를 하는 것을 말한다.As a design method of electromagnetic wave absorption structure, nano-sized lossy materials are added as a filler to a matrix to change permittivity and permeability to scatter and absorb energy of electromagnetic waves There is a method called the Dallenbach layer absorber. Fig. 1 is a view showing the principle of a single-layer type absorber, in which a single-layer type design is made by using one type of composite material. On the other hand, Fig. 2 shows the principle of a multilayer absorber. The multilayer absorber, which is a principle of absorbing electromagnetic waves by stacking several layers, is a multilayer type design using two or more materials as shown in Fig.
단층형 및 다층형 흡수체의 성능은 재료의 전자기적 특성에 따라서 변화한다. 즉, 유전율 혹은 투자율 값에 따라 흡수체의 두께가 결정되기 때문에 전자기적 특성을 다양하게 확보하면 할수록 성능이 좋은 흡수체를 설계 및 제작 할 수 있을 것이다. The performance of the monolayer and multilayer absorber varies with the electromagnetic characteristics of the material. That is, since the thickness of the absorber is determined according to the permittivity or the permeability value, the more various electromagnetic characteristics can be secured, the better the performance of the absorber can be designed and manufactured.
한 가지 재료에서 얻을 수 있는 유전율과 투자율이 정해져 있으며 이것은 재료의 특성으로서 변하지 않는 고유한 값으로 알려져 있다. 복합재료를 이용한 유전율 관련 많은 연구가 진행이 되었으며 나노물질을 첨가물(filler)로써 사용하여 수지에 분산시켜 프리프레그를 만들어 복합재료를 제작하여 유전율 또는 투자율을 측정한 연구는 극히 제한적이다. The permittivity and permeability that can be obtained from a single material are defined and are known to be unique values that do not change as a characteristic of the material. Numerous studies on dielectric constant using composite materials have been carried out. Research on the measurement of dielectric constant or permeability by using a nanomaterial as a filler and dispersing it in a resin to make a prepreg to produce a composite material is extremely limited.
또한 나노 물질을 분산시킨 복합재료의 유전율값은 주파수에 지배적이며 온도와 습도 등에 영향을 받지만 특정 환경에서의 유전율은 변화가 없어 기존의 전자기파 흡수 구조체 제조방법은 설계 요구사항에 따라 나노 물질의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 이는 수지에 나노 물질을 분산시킨 후 프리프레그를 생산하는 작업에 있어서 불확실도(uncertainty)가 많기 때문에 프리프레그의 다양한 제작에 한계가 존재한다.In addition, the dielectric constant of a composite material in which nanomaterials are dispersed is dominant in frequency, and is influenced by temperature and humidity. However, since the permittivity in a specific environment does not change, a conventional method of manufacturing an electromagnetic wave absorbing structure requires that the content of nanomaterials It is inefficient because it is expensive and time consuming because it is necessary to design and manufacture the absorber after checking suitability of the material and adjusting it. This is because there are many uncertainties in the process of producing prepregs after dispersing nanomaterials in the resin, and thus there are limitations in various production of prepregs.
특히, 한 예로 탄소나노튜브(carborn nano tube: CNT)가 모재에 첨가된 섬유강화 복합재의 유전율은 CNT의 분산도에 영향을 받고, CNT의 첨가량이 증가함에 따라 거의 선형적인 증가를 보인다. 하지만 CNT를 에폭시 수지에 분산하는 경우, 분산하면서 점도가 증가하여 2~3wt.% 이상에서는 분산이 어려운 문제점이 있다. 첨가물(filler)의 분산이 어려워짐에 따라 다양한 프리프레그를 생산하기 위한 비용 및 시간 소모가 증가한다. In particular, the dielectric constant of fiber - reinforced composites containing carbon nanotubes (carborn nano tube: CNT) is affected by the degree of dispersion of CNTs and increases linearly with increasing CNT addition. However, when CNT is dispersed in epoxy resin, the viscosity increases while dispersing, and dispersion is difficult at 2 to 3 wt.% Or more. As the dispersion of the filler becomes more difficult, the cost and time consumption for producing various prepregs increases.
종래의 기술로서, 특허문헌 1은 광대역 전자파차폐용 복합재에 관한 것으로, 저주파 대역의 전자파에 대한 흡수차폐와 고주파 대역의 전자파에 대한 반사차폐를 동시에 만족하는 광대역 전자파차폐용 복합재를 제안하고 있으나, 단일 복합재료를 이용하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 없다.As a conventional technique,
본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래의 전자기파 흡수 구조체의 한계를 극복하고자 레진 함량(resin content)에 따라 브리더(bleeder)에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체를 제공하고자 한다.Disclosure of the Invention The present invention has been made in view of the above needs, and it is an object of the present invention to overcome the limitations of the conventional electromagnetic wave absorbing structure and to provide a resin composition, A method of manufacturing a composite material having various electromagnetic characteristics using electromagnetic characteristics, and an electromagnetic wave absorbing structure including the same.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법은, 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량을 조절하는 단계, 상기 프리프레그에 필프라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film)과 브리더(bleeder)를 적층하는 단계 및 이에 압력을 가함으로써, 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여, 레진 함량에 따라 나노 물질의 필터링 효과에 의한 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.The method for producing a composite material having various electromagnetic properties according to the present invention for the purpose of solving the above problems is characterized in that the resin content is controlled in a prepreg including a resin made of a polymer series resin and a nanomaterial and a reinforcing fiber A step of laminating a prepreg on a peel ply, a perforated film and a bleeder, and a step of applying pressure to the prepreg, thereby allowing the resin to flow out to the breather to form an autoclave molding The ratio of resin and nanomaterial of the polymer series flowing out to the breeder due to the filtering effect of the nanomaterial varies according to the content of the resin, thereby changing the electromagnetic characteristics.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 레진 함량 조절단계는 강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시키는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of regulating the content of the resin may include dispersing the nanomaterial in a weight fraction in a mixture of reinforcing fiber and polymer resin.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 상기 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절하는 것을 특징으로 한다.As an embodiment of the present invention, it is possible to control the filtering effect of the nanomaterial by changing the gap size of the fiber structure constituting the prepreg and the forming member, and to change the lamination direction and order of the prepreg and the forming member Thereby adjusting the size and direction of the filter.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그와 성형 부자재 적층 단계는 전자기파 흡수 구조체를 성형할 수 있는 몰드를 준비하는 단계, 상기 몰드 위에 이형필름(release film)을 적층하는 단계, 상기 이형필름 위에 상기 프리프레그를 적층하는 단계, 상기 프리프레그 위에 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film), 브리더(bleeder) 및 진공 백 필름(vacuum bag film) 순으로 적층하는 단계 및 상기 몰드와 상기 진공 백 필름 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)를 사용하여 상기 진공 백 필름과 상기 몰드 사이를 밀폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of laminating the prepreg and the molding material includes the steps of preparing a mold capable of forming an electromagnetic wave absorbing structure, laminating a release film on the mold, Laminating the prepreg in the order of peel ply, perforated release film, bleeder, and vacuum bag film on the prepreg; And sealing between the vacuum bag film and the mold using a vacuum bag sealant tape between the vacuum bag films.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그, 필플라이, 천공이형필름 및 브리더는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the prepreg, the fillet, the perforated release film, and the breather are formed to have a gradually increasing area so that the lower layer is not exposed.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 일정한 두께로 전자기파 흡수 구조체를 성형하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the autoclave forming step is characterized in that the electromagnetic wave absorbing structure is formed with a constant thickness.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 진공압을 가하는 단계 및 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the autoclave forming step comprises connecting a hose connected to a vacuum pump to a vacuum bag connector to apply vacuum pressure to the laminated prepreg and forming member, And a heating and pressurizing step of placing the leg and the molding material into the autoclave and applying heat and pressure.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 다층형 전자기파 흡수 구조체는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법에 따라 제조된 복합재료를 적어도 한층 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-layered electromagnetic wave absorbing structure including at least one composite material produced according to a method of manufacturing a composite material having various electromagnetic characteristics according to a resin content.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 성형 후 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.The composite material having various electromagnetic properties according to the resin content of the present invention for the above-mentioned problem to be solved in the present invention is characterized in that in a prepreg including a resin made of a polymer series resin and a nanomaterial and a reinforcing fiber, Is changed.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 레진 함량은 37 내지 46%인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the resin content is 37 to 46%.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 나노 물질은 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the nanomaterial is characterized by comprising a dielectric loss material, a magnetic loss material, or a mixture thereof.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 유전성 손실재료는 카본블랙(carbon black), 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 유전율이 변하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the dielectric lossy material comprises carbon black, carbon nano fiber, carbon nanotube, or a mixture thereof, wherein the resin content of the prepreg The dielectric constant is changed according to the following formula.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 자성 손실재료는 페라이트계 산화물, 금속나노분말 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 투자율이 변하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the magnetic loss material includes a ferrite-based oxide, a metal nano-powder, or a mixture thereof, wherein the magnetic permeability varies depending on the resin content of the prepreg.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 페라이트계 산화물은 스피넬계 페라이트(spinel ferrite) 또는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)을 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the ferrite-based oxide includes spinel ferrite or hexagonal ferrite.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 금속나노분말은 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 금속분말 또는 금속합금분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the metal nano powder may include a metal powder of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or a metal alloy powder.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the reinforcing fiber includes carbon fiber, glass fiber, or aramid fiber.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 강화섬유는 단방향 강화섬유(unidirectional fiber) 또는 평직강화섬유(plane weave fiber)를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the reinforcing fiber includes a unidirectional fiber or a plane weave fiber.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)을 포함하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the resin may include an epoxy resin, a phenolic resin, or a unsaturated polyester resin.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 다층형 전자기파 흡수 구조체는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료를 적어도 한층 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-layered electromagnetic wave absorber comprising at least one composite material having various electromagnetic characteristics according to a resin content.
본 발명은 나노 물질의 필터링 효과를 이용한 프리프레그의 레진 함량에 따라 변화되는 복합재료 전자기 특성을 갖도록 제작할 수 있다. The present invention can be fabricated to have composite material electromagnetic properties that vary depending on the resin content of the prepreg using the filtering effect of nanomaterials.
또한, 다양한 전자기 특성에 따라 변화하는 전자기파 흡수 구조체의 설계 가능 범위를 폭 넓게 확보 할 수 있다.In addition, a designable range of the electromagnetic wave absorbing structure which varies according to various electromagnetic characteristics can be widely secured.
또한, 동일한 흡수 대역의 요구사항에서 다양한 형태의 설계가 가능하며 한 가지 흡수 대역이 아닌 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 재료로 설계할 수 있다.In addition, various types of designs are possible in the same absorption band requirements and can be designed as a single material to fit various absorption bands rather than one absorption band.
또한, 고분자 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 모두 적용이 가능하고, 나노 물질은 유전성 손실재료 및 자성 손실재료 모두 적용이 가능하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다.In addition, polymer resins can be applied to both thermoplastic resins and thermosetting resins, and nanomaterials can be applied to both dielectric lossy materials and magnetic lossy materials, so that various electromagnetic wave absorption structures can be designed.
따라서, 전자기파 흡수 구조체는 전자기 특성을 바탕으로 설계해야 하므로 다양한 전자기 특성을 확보하는 본 발명의 제조 방법으로 인해 다양하고 향상된 성능의 설계를 할 수 있다.Therefore, since the electromagnetic wave absorbing structure must be designed based on the electromagnetic characteristics, various and improved performance can be achieved due to the manufacturing method of the present invention which assures various electromagnetic characteristics.
도 1은 단층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면.
도 2는 다층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면.
도 3은 평판형 전자기파 흡수 구조체 설계 요소를 나타낸 도면.
도 4는 레진 함량에 따라 성형 전후의 강화섬유, 수지 및 나노 물질의 함량 비율의 변화를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면.
도 6는 본 발명에 따른 프리프레그와 성형 부자재의 모식도를 나타낸 도면.
도 7은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량에 따른 유전율을 나타낸 그래프.
도 8은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량과 복소 유전율의 혼합법칙을 나타낸 그래프.
도 9는 glass/CNT1.8-ep 복합재료를 사용한 단층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프.
도 10은 glass/CNT1.8-ep와 glass/ep 복합재료를 사용한 이층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view showing the principle of a monolayer type absorber.
2 is a view showing the principle of a multilayer absorbing body.
3 is a view showing a planar electromagnetic wave absorbing structure design element.
Fig. 4 is a graph showing changes in the content ratio of reinforcing fibers, resins and nanomaterials before and after molding according to the resin content; Fig.
5 shows a molding method of a composite material according to the present invention.
6 is a schematic view of a prepreg and a molding member according to the present invention.
7 is a graph showing dielectric constants according to resin contents of glass / CNT1.8-ep composite material.
8 is a graph showing a mixing rule of a resin content and a complex dielectric constant of a glass / CNT1.8-ep composite material.
9 is a graph showing return loss according to resin content of a single-layer type electromagnetic wave absorbing structure using a glass / CNT1.8-ep composite material.
10 is a graph showing return loss according to the resin content of a two-layer type electromagnetic wave absorbing structure using glass / CNT1.8-ep and a glass / ep composite material.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features of the invention in order to facilitate clarity of the invention, and the accompanying drawings are not intended to be construed in a limiting sense.
본 발명에 따른 복합재료는 강화섬유, 고분자계열의 수지 및 나노 물질을 포함하는 프리프레그의 레진 함량(resin content)에 따라 전자기 특성이 변하여 동일한 흡수대역의 요구사항에 대하여 다양한 형태의 설계가 가능하고, 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 복합재료를 이용하여 전자기파 흡수 구조체 설계가 가능하다.The composite material according to the present invention can be designed in various forms with respect to the requirements of the same absorption band by changing the electromagnetic characteristics according to the resin content of the prepreg including the reinforcing fiber, the polymer resin and the nanomaterial , It is possible to design an electromagnetic wave absorbing structure using a single composite material to suit various absorption bands.
프리프레그(prepreg)는 Pre-impregnated Material의 약어이며, 모재(matrix)를 강화섬유(reinforced fiber)에 미리 함침시킨 제품으로 복합재료(composite) 제품의 중간 재료이다. 상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)가 사용될 수 있고, 상기 강화섬유는 단방향 섬유(unidirectional fiber) 또는 평직 섬유(plain weave fiber)로 직조되어 사용될 수 있으며, 상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 등의 열경화성 수지(thermoset resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)등의 열가소성 수지가 사용될 수 있다. A prepreg is an abbreviation of Pre-impregnated Material, which is a pre-impregnated reinforced fiber matrix and is an intermediate material for composite products. The reinforcing fiber may be carbon fiber, glass fiber or aramid fiber. The reinforcing fiber may be a unidirectional fiber or a plain weave fiber. The resin may be a thermoplastic resin such as an epoxy resin, a thermoset resin such as a phenolic resin, or a unsaturated polyester resin.
상기 프리프레그는 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노물질을 포함하고, 유전성 손실재료를 포함하면 레진 함량에 따라 유전율(permittivity)이 변하고, 자성 손실재료를 포함하면 레진 함량에 따라 투자율(permeability)이 변할 수 있다.The prepreg includes a nanomaterial consisting of a dielectric lossy material, a magnetic lossy material, or a mixture thereof. The permittivity varies depending on the content of the resin when the dielectric lossy material is included. When the magnetic lossy material is included, The permeability may vary.
어떠한 매질에서의 전자기파 거동은 매우 복잡한 현상을 보이게 된다. 미시적 관점에서 전자기파는 매질을 이루고 있는 원자들과의 상호 관계를 통해 매질에 반응하게 된다. 하지만, 이러한 매질 내에서의 전자기파 특성을 미시적 관점에서 기술하게 되면 너무나도 복잡하게 되어 그 의미조차 파악하기 힘들어지게 된다. The electromagnetic wave behavior in any medium is very complicated. From a microscopic point of view, electromagnetic waves react to the medium through interactions with the atoms forming the medium. However, describing the characteristics of electromagnetic waves in the medium from a microscopic point of view makes it too complicated to understand even its meaning.
따라서, 매질에서 전자기파의 특성을 나타낼 수 있는 거시적 관점에서의 파라미터가 필요하게 되는데, 이러한 파라미터가 유전율과 투자율이다. 물질의 전기적, 자기적 특성은 유전율과 투자율로 대표되고, 유전율이라는 것은 물질이 전기력을 함유할 수 있는 크기(capacity)를 의미한다. 분자적 측면에서 보면, 유전체(dielectric material) 내에 임의의 방향으로 각자 흩어져있던 쌍극자들이 전자기장에 의해 얼마나 민감하게 잘 정렬되는가의 정도를 유전율이라 표현할 수 있다. 유전율에 따른 전자기적 특성을 예를 들면, 유전율이 낮은 흙에서는 전기가 잘 흐르지 않고 전자기파는 잘 투과하지만, 수분에 젖어 유전율이 상승된 토양의 경우는 점차 전기가 흐르기 시작하며 전자기파는 잘 투과되지 않는다. 유전율은 다음과 같이 정의한다.Therefore, a parameter in the macroscopic viewpoint that can characterize the electromagnetic wave in the medium is required, and these parameters are the permittivity and the permeability. The electrical and magnetic properties of a material are represented by permittivity and permeability, and the permittivity means the capacity with which a substance can contain an electric force. From a molecular point of view, the degree of how well the dipoles, which were scattered in random directions within a dielectric material, are aligned well by the electromagnetic field can be expressed as the permittivity. For example, in the case of low permittivity soil, electricity does not flow well and electromagnetic waves penetrate well. However, in the case of a soil with a high permittivity due to moisture, electricity starts to flow gradually and the electromagnetic waves are not easily transmitted . The dielectric constant is defined as follows.
일반적으로 자연계에 존재하는 모든 매질은 복소수 형태의 유전율을 갖는다. 실수항은 랜덤하게 배열되어있는 쌍극자들이 전자장에 얼마나 잘 반응하는지를 나타내며, 허수항은 유전 손실항(dielectric lossy component)로 유전체에 전자장이 인가되었을 때, 분자들간의 진동에 의한 열, 그리고 유전체에 포함되어 있는 자유전자들에 의한 저항손(ohmic loss)을 나타내는 항이다. In general, all media present in the natural world have a complex-form permittivity. The real number term indicates how well the randomly arranged dipoles react to the electromagnetic field, and the imaginary term is a dielectric lossy component, which when applied to an electromagnetic field, is due to vibrations between molecules, Is a term that represents the ohmic loss due to the free electrons.
투자율은 매질에 따른 자속(magnetic flux)의 통과하기 쉬운 정도로 만약 어떤 물질의 비투자율이 100이라면 진공상태보다 100배 자속이 잘 통과함을 의미한다. 투자율은 다음과 같은 식으로 나타낸다.The permeability means that the magnetic flux according to the medium is easy to pass. If the specific permeability of a substance is 100, it means that the magnetic flux passes 100 times as much as the vacuum state. The permeability is expressed by the following equation.
허수항이 나타내는 자성손실은 일반적인 재료에서는 나타나지 않고, 페라이트(ferrite)와 같은 분자 쌍극자를 가지는 재료에서 발생한다. 어떤 특정한 주파수가 되면 이 쌍극자가 공명(resonance)을 일으키며 스핀(spin)을 일으키고 이때 분자간에 충돌하며 발생하는 마찰열로 손실이 발생한다. 이러한 자성을 이용하는 방법은 유전적 성질을 이용하는 방법보다 훨씬 전자파 흡수에 뛰어난 성능을 보이지만, 공명주파수 대역이 비교적 저주파인 MHz대역에 치우쳐 있고 이 지점 이후로는 손실값이 급격히 줄어들기 때문에 X-band에서는 그 성능을 다 발휘하기가 어렵고, 최소한의 성능을 발휘하기 위해서는 손실값이 1이상이 되어야 한다.The magnetic loss represented by the imaginary term does not occur in general materials but occurs in materials having molecular dipoles such as ferrite. At a certain frequency, this dipole causes resonance and spinning, which in turn causes friction losses between the molecules. This method using magnetism is superior to the method using the genetic property, but the resonance frequency band is shifted to the relatively low frequency MHz band, and since the loss value is sharply reduced after this point, the X-band It is difficult to exert all of the performance, and the loss value should be 1 or more in order to perform the minimum performance.
그러나 이 경우에도 자성체만으로는 전자기파 흡수 구조의 정합두께를 박층화 시키기는 어렵고 유전적 특질까지 함께 이용하여야 한다. 기존의 일반 페라이트 계열의 재료는 대부분 10 GHz정도에서 1 미만의 아주 작은 손실값을 갖게 되는데, 전자기파 흡수 구조에 사용하기 위해서는 공명주파수 이후로부터 떨어지는 손실 정도를 완화시킬 수 있는 특수한 처리가 필요하다. In this case, however, it is difficult to make the matching thickness of the electromagnetic wave absorbing structure thin by only the magnetic body, and the genetic property should be used together. The conventional ferrite material has a very small loss value of less than 1 at 10 GHz. In order to use it in the electromagnetic wave absorption structure, special treatment is required to mitigate the loss from the resonance frequency.
본 발명에 따른 복합재료는 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 단층형 및 다층형 흡수체 설계에 적용할 수 있다. The composite material according to the present invention can be applied to the design of a single-layer type or multi-layer type absorber using the electromagnetic characteristics that vary depending on the ratio of resin and nanomaterials of the polymer series flowing out to the breider depending on the resin content due to the filtering effect of the nanomaterial have.
프리프레그는 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노 물질을 포함할 수 있다. 유전성 손실재료를 포함하면 유전율(permittivity)이 변하고, 자성 손실재료를 포함하면 투자율(permeability)이 변할 수 있다.The prepreg may comprise a nanomaterial consisting of a dielectric lossy material, a magnetic lossy material, or a mixture thereof. When a dielectric loss material is included, the permittivity changes and the permeability may change if it includes a magnetic loss material.
유전성 손실재료는 카본블랙(carbon black), 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특히, 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nano tube)는 무게의 측면에서 아주 큰 장점을 가지며, 기계적 강도가 우수하여 첨가물(filler)로 사용하여 유전특성을 조절할 수 있다.The dielectric lossy material may include carbon black, carbon nano fiber, carbon nano tube, or mixtures thereof. In particular, the multi-wall carbon nanotube has a great advantage in terms of weight and has excellent mechanical strength and can be used as a filler to control the dielectric properties.
자성 손실재료는 페라이트계 산화물, 금속나노분말 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 페라이트계 산화물은 스피넬계 페라이트(spinel ferrite) 또는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)을 포함하고, 상기 금속나노분말은 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 금속분말 또는 금속합금분말을 포함할 수 있다. The magnetic loss material includes a ferrite-based oxide, a metal nano-powder, or a mixture thereof, wherein the ferrite-based oxide includes spinel ferrite or hexagonal ferrite, and the metal nano- Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) based metal powder or metal alloy powder.
페라이트의 전자파 흡수 재료로의 사용은 손실이 많은 자연공명주파수 이상의 영역에서 사용을 하기 때문에 재료의 화학조성에 따라서 그 사용 주파수가 달라진다. 일반적으로 스피넬계 페라이트(spinel ferrite)는 낮은 자기이방성으로 인해 1 GHz 미만의 대역에서 자연공명주파수(natural resonance frequency)가 나타나는 반면, 높은 자기이방성을 갖는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)는 자연공명주파수가 대부분 1 GHz 이상에서 나타나기 때문에 GHz 이상의 대역에서 전파흡수재로 사용이 가능하다. Since the use of ferrite as an electromagnetic wave absorbing material is performed in a region above a natural resonance frequency with a large loss, the frequency of use varies depending on the chemical composition of the material. In general, spinel ferrite exhibits a natural resonance frequency in the band below 1 GHz due to its low magnetic anisotropy, while hexagonal ferrite with high magnetic anisotropy exhibits a natural resonance frequency Most of them appear above 1 GHz, so they can be used as radio wave absorbers in the band above GHz.
스피넬 페라이트는 Ni-Zn 페라이트, Mn-Zn 페라이트 또는 Cu-Zn 페라이트로 이루어진 스피넬 구조의 페라이트로 이루어지고, 상기 육방정 페라이트는 바륨(Ba) 페라이트 또는 스트론튬(Sr) 페라이트로 이루어진 육방정 구조의 페라이트로 이루어 질 수 있다. 또한, 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 등과 같은 강자성계물질을 자성 손실재료로 사용할 수 있고, 페라이트계 산화물과 금속나노분말의 단순 혼합물 또는 도금을 이용한 코팅 등의 방식으로 화학적으로 결합한 화합물을 자성 손실재료로 사용할 수 있다.The spinel ferrite is made of a ferrite of a spinel structure made of Ni-Zn ferrite, Mn-Zn ferrite or Cu-Zn ferrite, and the hexagonal ferrite is a hexagonal ferrite composed of barium (Ba) ferrite or strontium (Sr) ferrite . Further, ferromagnetic materials such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and the like can be used as the magnetic loss material, and a simple mixture of ferrite oxide and metal nano powder, Can be used as a magnetic loss material.
또한, 프리프레그는 유전성 손실재료과 자성 손실재료의 혼합물로 이루어진 나노 물질을 포함할 수 있다. 탄소나노입자와 페라이트 계열의 나노입자를 단순 혼합 또는 화학적으로 결합하여 첨가물(filler)로 사용하는 경우 유전율 및 투자율이 가변될 수 있어 다양한 흡수대역을 가지는 전자기파 흡수 구조체를 개발할 수 있다.In addition, the prepreg may comprise a nanomaterial comprised of a mixture of a dielectric lossy material and a magnetic lossy material. When carbon nanoparticles and ferrite nanoparticles are simply mixed or chemically bonded and used as an additive, dielectric constant and permeability can be varied to develop an electromagnetic wave absorbing structure having various absorption bands.
본 발명에 따른 다층형 전자기파 흡수 구조체는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 나노 필터링 효과가 다르게 적용됨으로써 전자기 특성이 다양하게 변하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료를 적어도 한층 포함할 수 있다.In the multilayered electromagnetic wave absorbing structure according to the present invention, the nano-filtering effect is differently applied depending on the content of the resin in the resin composed of the polymer type resin and the nanomaterial and the prepreg including the reinforcing fiber, And may include at least one composite material having various electromagnetic properties.
다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조방법은, 프리프레그(prepreg)의 레진 함량 조절단계, 상기 프리프레그에 필프라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film) 및 브리더(bleeder)를 적층하는 단계 및 이에 압력을 가함으로써 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여 상기 프리프레그의 나노 물질 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 전자기 특성이 변하는 다양한 복합재료를 제조할 수 있다.A composite material manufacturing method having various electromagnetic characteristics includes a step of adjusting a resin content of a prepreg, a step of laminating a peel ply, a perforated film and a bleeder on the prepreg, And a method of controlling the electromagnetic characteristics by controlling the electromagnetic properties of the resin by discharging the resin to the breather by applying a pressure thereto. Thus, various composites having varying electromagnetic characteristics according to the resin content can be manufactured by the effect of filtering the nanoparticles of the prepreg.
상기 레진 함량 조절단계는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량을 조절하는 단계이다. 상기 프리프레그는 강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시켜 준비할 수 있다.The step of regulating the content of the resin is a step of regulating the content of the resin in a prepreg including a resin composed of a polymer series resin and a nanomaterial and a reinforcing fiber. The prepreg can be prepared by dispersing the nanomaterial in a weight fraction in a mixture of reinforcing fiber and polymer series resin.
도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면으로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 상기 프리프레그(30)에 천공필름(perforated film)(50)과 브리더(bleeder)(60)를 적층하여 압력을 가함으로써, 브리더(60)에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 단계이다. 일정한 두께로 복합재료를 성형하는 경우, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변할 수 있다. 5 is a view illustrating a method of molding a composite material according to the present invention. In the autoclave molding step, a
기존의 복합재료은 설계 요구사항에 따라 나노 물질의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 하지만 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법의 경우 레진 함량을 조절하고, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다. Conventional composites are inefficient because they require costly and time-consuming design and manufacture of absorbers after checking the suitability of the materials by adjusting the content of nanomaterials according to design requirements. However, in the case of the method for producing a composite material according to the present invention, the resin content is controlled and the ratio of the resin and nanomaterial of the polymer series flowing out to the breather is varied according to the resin content by the filtering effect of the nanomaterial, Various electromagnetic wave absorbing structures can be designed.
프리프레그의 레진 함량을 조절함으로써 단일재료를 이용하면서 동시에 전자기 특성을 변화시키고 각 레진 함량에 해당하는 전자기 특성을 이용하여 단층형 및 다층형 흡수체 설계에 적용 가능하기 때문에 최적의 흡수성능을 구현할 수 있다. 프리프레그의 불확실도를 줄여 설계 범위가 폭넓게 확장이 된다는 점에서 비용과 시간이 상당히 줄어들 수 있다.By adjusting the resin content of the prepreg, it is possible to realize the optimum absorption performance by changing the electromagnetic characteristics at the same time while using a single material and applying it to the design of single-layer type and multilayer type absorption body by using the electromagnetic characteristics corresponding to each resin content . Cost and time can be significantly reduced in that the design range is broadened by reducing the uncertainty of the prepreg.
본 발명에 따른 복합재료의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성은 2가지 특이점으로 인해 발생한다. 첫번째로는 복합재료 제작시 흡출 기술(bleedout technique)을 사용한다. 이는 프리프레그의 레진을 빼는 기술을 말하며 레진 함량이 특정 범위(예: 37.5% 내지 46%)를 벗어나지 않는다면 최종적으로 제작되는 복합재료의 두께는 동일하게 나타난다. 따라서 레진이 많은 프리프레그의 성형 후 복합재료의 레진과 레진이 적은 프리프레그의 성형 후 복합재료의 레진은 동일한 양이 된다. 다시 말해 많은 레진을 갖는 프리프레그의 성형 후 제거되는 레진의 양은 적은 레진을 갖는 프리프레그의 성형 후 제거되는 레진 양 보다 많게 된다.The various electromagnetic properties according to the resin content of the composites according to the invention arise due to two singularities. First, bleedout technique is used in composites production. This refers to the technique of removing the resin from the prepreg, and if the resin content does not deviate from a certain range (eg, 37.5% to 46%), the thickness of the final composite material will be the same. Therefore, after the molding of the prepreg with a lot of resin, the resin of the composite material and the resin of the composite material after molding of the prepreg with little resin become the same amount. In other words, the amount of resin removed after molding of a prepreg having a large number of resins is greater than the amount of resin removed after molding of a prepreg having a small resin.
두번째로는 나노손실재료(lossy material)의 필터링(filtering) 효과가 적용된다는 점이다. 필터링은 특정 재료를 여과시키는 것을 말하며 본 연구에서는 수지 내에 존재하는 고상의 나노소재가 특정 필터에 의해 액상의 수지와 달리 여과되는 것을 말한다. 즉, 나노 물질은 프리프레그와 성형부자재 등의 필터에 의해 여과되며 이러한 필터의 사이즈 및 위치 그리고 적층 순서와 적층 방향 등에 따라 액상 수지가 제거되는 양과 달리 고상의 나노 물질이 여과되는 양이 차이가 나면서 발생하는 필터링 현상이 적용된다.The second is the filtering effect of the nano-lossy material. Filtering refers to filtration of a specific material. In this study, a solid nanomaterial in a resin is filtered by a specific filter, unlike a liquid resin. That is, the nanomaterial is filtered by a filter such as a prepreg and a molding material, and the amount of the nanomaterial to be filtered is different from the amount of the liquid resin removed depending on the size and position of the filter, the stacking order, The resulting filtering phenomenon is applied.
도 4는 레진 함량이 적은 프리프레그(RC1l)와 레진 함량이 많은 프리프레그(RC1h)의 성형 전후 강화섬유, 수지 및 나노 물질의 함량 비율을 나타낸 도면이다. 도 4(a)는 탄소나노튜브, 에폭시 및 유리섬유로 이루어진 3상의 프리프레그 복합재료(multi-phase composites)의 모식도이고, 도 4(b)는 성형 전의 복합재료, 도 4(c)는 성형 후의 모식도이다. FIG. 4 is a graph showing the content ratios of reinforcing fibers, resins and nanomaterials before and after molding of a prepreg (RC 1l ) having a small resin content and a prepreg (RC 1h ) having a large resin content. Fig. 4 (a) is a schematic view of a three-phase prepreg composite made of carbon nanotubes, epoxy and glass fiber, Fig. 4 (b) Fig.
프리프레그(RC1l) 및 프리프레그(RC1h)의 레진함량(resin content)은 다르지만 첨가된 탄소나노튜브의 무게 분율(weight fraction, wf, wt.%)은 동일하다. 성형 후 최종 두께가 같아지기 때문에 초기 레진함량이 많으면 많을수록 빠진 레진의 양은 많아 진다. 이 때 탄소나노튜브의 필터링 효과로 인해 수지와 탄소나노튜브의 무게분율이 동일하게 나타나지 않게 된다. 즉, 최종 제작된 복합재료의 탄소나노튜브의 무게 분율은 필터링 효과를 더욱 많이 적용된 레진함량이 많은 프리프레그(RC1h)에서 크게 나타난다. 따라서 초기 레진 함량에 따라 최종 제작된 레진 함량과 무게 분율이 달라지고 이로 인해 유전율이 차이가 발생하게 된다. 이러한 메커니즘은 앞서 언급한 나노물질 및 수지 그리고 강화섬유에서 모두 적용할 수 있다.Prepreg (RC 1l) and the prepreg resin content (RC 1h) (resin content) are different, but the added weight fraction of carbon nanotubes (weight fraction, f w, wt.%) Are the same. Since the final thickness is the same after molding, the larger the initial resin content, the greater the amount of missing resin. In this case, the weight fraction of the resin and the carbon nanotube does not appear the same due to the filtering effect of the carbon nanotube. That is, the weight fraction of the carbon nanotubes of the finally fabricated composite material is large in the prepreg (RC 1h ), which has a large amount of resin with a larger filtering effect. Therefore, the final resin content and the weight fraction vary depending on the initial resin content, resulting in a difference in dielectric constant. This mechanism can be applied to both the above-mentioned nanomaterials and resins and reinforcing fibers.
도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면으로서, 프리프레그 및 성형부자재 적층 단계 및 오토클레이브 성형단계는 복합재료를 성형할 수 있는 몰드(10)를 준비하는 단계, 상기 몰드(10) 위에 이형필름(release film)(20)을 적층하는 단계, 상기 이형필름(20) 위에 상기 프리프레그(30)를 적층하는 단계, 상기 프리프레그(30) 위에 필플라이(peel ply)(40), 천공이형필름(perforated release film)(50), 브리더(bleeder)(60), 진공 백 필름(vacuum bag film)(70) 순으로 적층하는 단계, 상기 몰드(10)와 상기 진공 백 필름(70) 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)(80)를 사용하여 상기 진공 백 필름(70)과 상기 몰드(10) 사이를 밀폐하는 단계, 진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 진공압을 가하는 단계 및 상기 몰드를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함한다. Fig. 5 shows a method of forming a composite material according to the present invention, wherein the prepreg and forming part laminating step and the autoclave forming step are the steps of preparing a
이형필름(20)은 에폭시와 같은 레진과 쉽게 떨어지도록 하는 역할을 하고, 필플라이(40)는 복합재료의 이차 결합(secondary bonding) 혹은 도장(painting)을 하는데 도와주도록 복합재료의 표면에 약간의 요철을 형성한다. The
천공이형필름(50)은 천공필름으로 레진을 빼기 위해 사용하는 이형 필름으로 레진이 빠지기 위한 구멍 역할을 하며, 이형 필름의 역할로 브리더(bleeder)(60)와 필플라이(40)를 서로 분리할 수 있다. The
브리더(bleeder)(60)는 진공성형이므로 진공을 뽑기 위해 모든 것을 덮어 모든 공기가 다 빠질 수 있도록 내부 공기를 완전히 빼는 솜 또는 쿠션과 같은 역할을 하고, 프리프레그(30)의 레진을 빼면서 빠진 레진을 충분히 저장하는 저장장치(capacitor)와 같은 역할을 한다. 이와 유사한, 브리더(breather)는 일정부분 이상 연속적으로 진공의 경로 역할을 하는 느슨하게 짠 직물 또는 부직포 재료로 본 발명에서 브리더(bleeder)를 대체할 수 있다. 진공 백 필름(70)은 오토클레이브 성형 시 복합재료 및 부자재 전체의 진공을 뽑는 역할을 한다. The
또한, 상기 프리프레그(30), 필플라이(40), 천공이형필름(50) 및 브리더(60)는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층할 수 있다. 오토클레이브 공정에 천공필름을 사용한다. 이는 프리프레그의 레진의 양을 조절하기 위해 사용되며 재료가 순수 수지(neat resin)의 프리프레그가 아닐 때 이용하는 공정방법이다. 기재로 사용된 고분자계열의 수지는 일정 온도에서 물처럼 흐름성이 생기며 브리더(60)에 의해 흡수될 수 있다. In addition, the
도 6은 본 발명에 따른 프리프레그 및 성형부자재의 모식도를 나타낸 도면이다. 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절할 수 있다. 프리프레그를 구성하는 강화섬유 또는 필 플라이 필름을 이루는 섬유는 도 6의 필터와 같은 짜임으로 형성되어 나노 물질의 필터링 효과를 만들 수 있다. 일정한 두께로 복합재료를 성형하는 경우, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 필터의 갭(gap) 크기에 따라 필터 효과의 정도가 달라질 수 있으며 또한 여러 필터의 적층 순서와 방향에 따라서 달라질 수 있다.6 is a schematic view of a prepreg and a molded part according to the present invention. It is possible to control the filtering effect of the nanomaterial by changing the gap size of the fiber structure constituting the prepreg and the molding material, and to adjust the size and direction of the filter by changing the lamination direction and order of the prepreg and the molding material . The reinforcing fibers constituting the prepreg or the fibers constituting the fill-ply film may be formed into the same structure as the filter of Fig. 6 to produce the filtering effect of the nanomaterial. When the composite material is molded with a certain thickness, the ratio of resin and nanomaterials of the polymer series flowing out to the breather depending on the resin content can be changed by the filtering effect of the nanomaterial, thereby changing the electromagnetic characteristics. The degree of the filter effect may vary depending on the gap size of the filter, and may vary depending on the order and direction of stacking of the filters.
프리프레그의 레진은 하부면을 제외한 모든 방향으로 빠져나가므로 프리프레그(30), 필플라이(40), 천공이형필름(50) 및 브리더(60)는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하여 성형함으로써 압력에 따라 빠져나오는 레진의 양을 일정하게 할 수 있다.Since the resin of the prepreg exits in all directions except for the lower surface, the
보다 구체적으로 도 7 내지 도 10과 실험예들을 통해 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조방법과 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체를 설명하면 다음과 같다.More specifically, a composite material manufacturing method having various electromagnetic characteristics according to the resin content of the present invention and an electromagnetic wave absorbing structure including the same will be described with reference to FIGS. 7 to 10 and experimental examples.
실험예Experimental Example 1 One
탄소나노튜브가 첨가된 에폭시 기지를 사용한 유리섬유강화 복합재료(Glass/CNT-Epoxy prepreg composites)와, 1.8wt.% 첨가된 탄소나노튜브를 사용하였으며, 레진함량은 37.5%에서 46.0%까지 총 8가지 경우에 대해 제작을 하였다. 제작된 복합재료의 유전율을 측정하여 전자파흡수구조 설계에 적용하여 단층형 흡수체와 이층형 흡수체의 흡수 성능을 해석적으로 확인하였다.We used glass / CNT-Epoxy prepreg composites with epoxy base with carbon nanotubes added and 1.8 wt.% Carbon nanotubes. Resin content ranged from 37.5% to 46.0% We fabricated the cases. The permittivity of the fabricated composites was measured and applied to the design of the electromagnetic wave absorption structure, so that the absorption performance of the single layer type absorber and the double layer type absorber was analytically confirmed.
도 7은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량에 따른 유전율을 나타낸 그래프로서, 레진 함량이 변함에 따라 복수 유전율(complex permittivity)이 변하는 것을 알 수 있다. 이는 유전율과 레진 함량이 밀접한 관계가 있음을 보여주며 또한 레진 함량이 증가함에 따라 유전율도 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 유전율은 탄소나노튜브의 첨가량과 밀접하게 관련되기 때문에 유전율이 증가는 곧 탄소나노튜브의 첨가량의 증가를 나타낸다.FIG. 7 is a graph showing the dielectric constant according to the content of the resin in the glass / CNT1.8-ep composite material. It can be seen that the complex permittivity varies depending on the resin content. This shows that the dielectric constant and the resin content are closely related to each other, and the dielectric constant also increases as the resin content increases. Since the dielectric constant is closely related to the addition amount of the carbon nanotubes, the increase in the dielectric constant indicates an increase in the amount of the carbon nanotubes added.
레진 함량이 증가하면서 유전율 또한 증가하는 경향을 보이며 이를 선형 근사(linear fitting)를 이용하여 계산하여 보았다. 유전율 실수부(real permittivity)는 y=-0.15+0.26x이며 유전율 허수부(imaginary permittivity)는 y=-13.29+0.48x이다. 복소 유전율의 실수부와 허수부 모두 선형 근사로 인해 증가하는 경향은 보였다. As the resin content increases, the dielectric constant also tends to increase, which is calculated using linear fitting. The real permittivity is y = -0.15 + 0.26x and the imaginary permittivity is y = -13.29 + 0.48x. Both the real part and the imaginary part of the complex permittivity tend to increase due to the linear approximation.
하지만 유전율 허수부의 기울기가 유전율 실수부의 기울기보다 크기 때문에 증가하는 정도에서 차이를 보인다. 이는 레진 함량이 증가함에 따라 유전율 실수부의 증가보다 유전율 허수부의 증가에 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있다. 따라서 프리프레그의 레진 함량에 따라 레진이 빠지면서 동시에 빠져나가는 CNT의 양이 동일하지 않아 남는 CNT의 양이 서로 상이하기 때문에 최종적으로 복합재료의 유전율이 다르게 된다. However, since the slope of the dielectric constant imaginary part is larger than the slope of the dielectric constant real part, the difference is increased. It can be seen that as the resin content increases, the increase of the permittivity is more affected than the increase of the permittivity real part. Therefore, depending on the resin content of the prepreg, the amounts of the CNTs that are exiting at the same time are different from the amounts of the CNTs that are exiting at the same time, so that the permittivity of the composite material is finally different.
다시 말해 서로 다른 비율로 빠지는 에폭시 수지와 CNT양에 의해 레진 함량이 증가할수록 더 많은 CNT가 복합재료에 남게 되어 유전율이 증가하는 요인이 되며 특히 CNT의 영향으로 유전율 실수부 보다 허수부에 급격한 변화를 보여준다.In other words, as the resin content increases due to the amount of epoxy resin and CNT, the more CNTs remain in the composite material, and the dielectric constant increases. In particular, Show.
도 7과 같이 8가지의 서로 다른 레진 함량을 가진 프리프레그의 CNT 무게 분율(weight fraction)은 모두 동일하게 1.8wt%로 같다. 레진 안에 있는 CNT 양은 레진 함량에 무관하게 동일한 무게 분율로 분산되어 있으므로 레진이 많을 경우 CNT가 많이 분산되어 있고, 반대로 레진이 적을 경우 CNT가 적게 분산되어 있을 것이다. 이는 레진 함량은 곧 프리프레그에서 섬유와 레진의 무게 관계이다. As shown in FIG. 7, the CNT weight fractions of the prepregs having eight different resin contents are all equal to 1.8 wt%. Since the amount of CNT in the resin is dispersed in the same weight fraction irrespective of the content of resin, CNTs are dispersed more when the resin is larger and conversely, CNTs are less dispersed when the resin is smaller. The resin content is the relationship between the fiber and the resin in the prepreg.
천공필름(perforated film)을 사용하는 공정은 레진을 제거하는 공정이므로 일반적인 프리프레그의 레진 함량은 35%내외에 해당한다. 상용되고 있는 유리섬유강화복합재료(Glass/Ep prerpeg, GEP118)는 레진 함량이 34%인 프리프레그이지만 CNT를 분산하면서 상대적으로 증가한 레진의 양이 37.5%에서 46.0%까지 변화시키면서 제작이 되었다. 이처럼 레진의 함량이 기존의 프리프레그보다 많지만 레진을 빼는 공정으로 인해 잉여레진들이 모두 제거가 되면서 결국 앞선 8가지 프리프레그 모두 거의 동일한 두께를 갖게 된다. Since the process using perforated film is a process to remove the resin, the resin content of general prepreg is about 35%. The glass fiber reinforced composite material (Glass / Ep prerpeg, GEP118), which is commonly used, is a prepreg having a resin content of 34%, but the relative amount of resin increased from 37.5% to 46.0% while dispersing CNT. Although the amount of resin is larger than that of the conventional prepreg, the excess resin is removed due to the process of removing the resin, so that all of the preceding eight prepregs have substantially the same thickness.
다시 말해 두께는 초기 B-stage prepreg의 레진 함량이 좌우하는 것이 아닌 프리프레그의 섬유에 따른 두께가 절대적(dominant)이라고 할 수 있다. 따라서 동일한 두께와 동일한 CNT 무게 분율에도 불구하고 서로 다른 유전율을 보이는 이유는 앞서 설명한 나노소재의 필터링(filtering) 효과라고 할 수 있다. In other words, the thickness is not dominated by the resin content of the initial B-stage prepreg but the thickness of the prepreg fiber is dominant. Therefore, the reason why different dielectric constants are shown despite the same thickness and the same CNT weight fraction can be said as the filtering effect of the nanomaterial described above.
프리프레그의 초기 레진 양에 관계없이 레진이 빠질 때 CNT도 또한 같은 비율로 빠진다면 모든 경우의 복합재료가 항상 같은 유전율을 보여야 한다. 하지만 필터링 효과로 인해 레진이 빠지면서 CNT가 빠지는 양은 같은 비율로 빠지지 않고 에폭시 수지가 빠지는 양에 비해 CNT가 빠져나가는 양이 상대적으로 적다는 것이다. 그러므로 많은 레진 함량을 갖는 프리프레그에서 빠지는 수지의 양에 비해 CNT가 빠지는 양의 비율이 적은 레진 함량을 갖는 프리프레그에서의 그 비율보다 적다는 것이다. Regardless of the amount of initial resin in the prepreg, if the CNTs also fall out at the same rate when the resin is removed, the composites in all cases should always have the same permittivity. However, due to the filtering effect, the amount of CNT is not dropped at the same rate as the resin is removed, and the amount of CNT is relatively smaller than the amount of epoxy resin to be released. Therefore, the proportion of the amount of CNTs missing in the prepreg having a large resin content is smaller than that in prepregs having a resin content that is smaller than the amount of the resin that is removed from the prepreg having a large resin content.
이러한 CNT 필터링 효과로 인해 레진 함량이 다른 프리프레그를 통해 복합재료를 제작할 경우 유전율 차이를 보이며 레진 함량이 많으면 많을수록 CNT 필터링 효과가 커져 유전율이 증가하는 경향을 보인다.Due to the CNT filtering effect, the permittivity difference is exhibited when a composite material is manufactured through prepregs having different resin contents. As the resin content increases, the CNT filtering effect becomes larger and the dielectric constant tends to increase.
기존에는 요구사항에 따라 적합한 CNT 함량이 분산된 프리프레그를 생산해야만 했다. 하지만 본 발명에 따른 복합재료 제조방법에 의하면 복합재료의 전자기 특성, 특히 유전율이 레진 함량(resin content)에 따라 변하기 때문에 다양한 전자파흡수구조 설계가 가능하다. Previously, it was necessary to produce a prepreg in which the CNT content was appropriately distributed according to the requirements. However, according to the method for producing a composite material according to the present invention, various electromagnetic wave absorbing structures can be designed because the electromagnetic characteristics, particularly the dielectric constant, of the composite material vary depending on the resin content.
프리프레그의 생산시 레진 함량을 조절함으로써 동일한 재료를 이용하여 여러 번의 작업을 거치지 않음으로써 설계 요구사항에 맞게 다양한 설계가 가능하다. 이 또한 전자파흡수대역에서 X-band (8.2GHz-12.4GHz)가 아닌 Ku-band (12.4GHz-18GHz)와 C-band (4GHz-8GHz)와 같이 다양한 주파수영역에 대해 원하는 설계가 가능하다.By controlling the resin content in the production of prepregs, it is possible to design various designs according to the design requirements by not using the same material several times. It is also possible to design for various frequency ranges such as Ku-band (12.4GHz-18GHz) and C-band (4GHz-8GHz) rather than X-band (8.2GHz-12.4GHz) in the electromagnetic wave absorption band.
실험예 2Experimental Example 2
도 8은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량과 복소 유전율의 혼합법칙을 나타낸 그래프이다. 실험예 1의 결과와 같이, 레진 함량이 다른 프리프레그를 이용하여 복합재료를 적층할 경우 레진 함량이 많을수록 유전율이 증가한다. 이러한 경향을 통해 서로 다른 레진 함량을 갖는 두 종의 프리프레그를 반반씩 교차 적층할 경우 최종 적층된 복합재료의 레진 함량은 중간값이 나와야 한다. 실제 그 중간값에 해당하는 레진 함량을 갖는 복합재료의 유전율을 혼합법칙(rule of mixture)을 이용하여 계산한 이론값과 실제 두 종을 이용하여 적층한 복합재료의 유전율의 실험값이 동일하게 나타나는지를 도 8을 통해 확인할 수 있다. 8 is a graph showing a mixing rule of a resin content and a complex dielectric constant of a glass / CNT1.8-ep composite material. As shown in Experimental Example 1, when the composite material is laminated using prepregs having different resin contents, the dielectric constant increases as the resin content increases. Through this tendency, when two types of prepregs having different resin contents are cross-laminated in half, the resin content of the final laminated composite material should be a middle value. Theoretical values calculated using the rule of mixture of the dielectric constant of the composite material having the intermediate value of the actual value and whether the experimental values of the dielectric constant of the composite material laminated using the two kinds of materials are the same It can be confirmed from FIG.
서로 다른 유전율을 갖는 A와 B를 이용할 경우 각각을 14장씩 적층한 복합재료의 성형 후 복소 유전율은 각각 11.89-j8.52와 10.23-j4.33을 나타낸다. 이 두 종의 프리프레그를 각각을 7장씩 번갈아가며 적층 할 경우 혼합법칙(mixture rule)에 의해 계산된 복소 유전율은 11.06-j*6.42를 나타내며 실제 제작한 복합재료의 복소 유전율은 10.48-j*6.03를 보여준다. When using A and B with different permittivities, the complex dielectric constants of the composites obtained by laminating each of 14 sheets are 11.89-j8.52 and 10.23-j4.33, respectively. The complex permittivity calculated by the mixture rule is 11.06-j * 6.42 when the two types of prepregs are alternately laminated by seven sheets each. The complex permittivity of the composite material produced is 10.48-j * 6.03 Lt; / RTI >
예측값과 실험값을 비교할 경우 복소 유전율 차이는 0.58-j*0.39가 났다. 이는 5%내의 값으로 유전율 측정시 발생할 수 있는 오차 범위에 존재한다. 따라서 서로 다른 레진 함량을 갖는 두 종의 프리프레그를 가지고 절반씩 교차 적층해서 제작할 경우 성형된 복합재료의 유전율은 각각을 따로 제작하여 만든 복합재료의 유전율의 평균값을 보이는 것을 알 수 있다.
When the predicted value and experimental value are compared, the difference in complex permittivity is 0.58-j * 0.39. This is within a range of error that can occur when measuring the dielectric constant within a value of 5%. Therefore, when two types of prepregs having different resin contents are produced by cross-lamination in half, the dielectric constants of the molded composite materials show the average values of the dielectric constants of the composite materials produced separately.
실험예 3Experimental Example 3
실험예 1 및 2로부터 서로 다른 레진 함량을 갖는 프리프레그를 8가지로 나눠 복합재료를 제작하여 유전율을 확인하였으며 이때 프리프레그의 레진 함량이 증가함에 따라 나노물질의 필터링이 증가하여 유전율이 증가한다는 것을 알았다. 따라서 동일한 재료를 이용하여 CNT의 무게 분율이 같지만 서로 다른 레진 함량을 갖는 프리프레그를 제작함으로써 유전율 차이를 볼 수 있었다.From Experimental Examples 1 and 2, a composite material was prepared by dividing the prepreg having different resin contents into 8 types and the permittivity was confirmed. At this time, as the resin content of the prepreg was increased, the filtering of the nanomaterial increased and the dielectric constant was increased okay. Therefore, the dielectric constant difference can be seen by making the prepreg having different resin contents with the same weight fraction of CNT using the same material.
본 예는 도 7에 의한 유전율 차이를 이용하여 도 1의 단층형 (dallenbach) 흡수체에 대한 다양한 설계 가능성에 대해 확인하였다. 이와 같이 단층형 흡수체의 설계두께 및 최대 흡수성능 결과가 표 1에 나타나 있다.This example confirms the various design possibilities for the dallenbach absorber of FIG. 1 using the dielectric constant difference from FIG. The design thickness and maximum absorption performance results of the single-layer type absorber are shown in Table 1.
표 1은 레진 함량에 따른 복합재료의 단층형 및 다층형 흡수체의 설계값과 최대 흡수성능을 나타낸다. Table 1 shows the design values and the maximum absorption performance of the single layer type and multilayer type absorbers of the composite material according to the resin content.
도 9는 glass/CNT1.8-ep 복합재료를 사용한 단층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다. 표 1의 8가지의 프리프레그를 통해 X-band에서 단층형 (Dallenbach layer) 흡수체를 설계할 경우, 도 9와 같은 흡수 성능을 보여준다.9 is a graph showing reflection loss according to a resin content of a single-layer type electromagnetic wave absorbing structure using a glass / CNT1.8-ep composite material. When a single-layered (Dallenbach layer) absorber is designed in the X-band through the eight prepregs shown in Table 1, the absorption performance as shown in FIG. 9 is shown.
단층형 전자파흡수구조(single layer radar absorbing structure)로 설계할 경우, 각각의 레진 함량에 따라 설계 두께가 다르며 성능 또한 모두 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. When the single layer radar absorbing structure is used, the design thickness varies depending on the resin content and the performance is also different.
레진의 함량이 37 내지 42% 인 경우 흡수성능이 우수하게 나타났다. 이와 같이 단층형 흡수체 경우 레진 함량이 가장 작은 39.0%일 때가 설계 두께 2.36mm로 흡수성능은 가장 좋았으며, 레진 함량이 가장 많은 46.0%일 때의 설계 두께가 2.12mm로 흡수성능은 가장 안 좋은 것을 알 수 있다. 이를 통해 흡수성능 면에서 가장 좋은 단층형 흡수체를 구현하기 위해서는 레진 함량이 39.0%일 때의 복합재료를 사용하여야 한다. 하지만 설계 두께 면에서는 흡수성능이 가장 좋지 않은 46.0%보다 0.24mm 두꺼운 것을 알 수 있다. 이처럼 90psi의 압력 조건으로 CNT를 1.8wt% 분산시켜 프리프레그를 통해 단층형 복합재료를 설계하기 위해서는 최적 설계값으로 프리프레그의 레진 함량이 39.0%인 경우 흡수성능이 우수함을 알 수 있다.When the resin content was 37 to 42%, the absorption performance was excellent. In the case of the single layer absorber, 39.0% of the minimum absorber had the best absorption performance with the design thickness of 2.36mm, and the absorptive performance was the worst with the design thickness of 2.12mm at the highest resin content of 46.0% Able to know. In order to realize the best single-layer absorber in terms of absorption performance, a composite material having a resin content of 39.0% should be used. However, it can be seen that the absorbing performance of the design thickness is 0.24 mm thicker than the lowest 46.0%. It can be seen that when the resin content of the prepreg is 39.0% as the optimum design value, the absorption performance is excellent in order to design the single-layer type composite material through the prepreg by dispersing the CNT at 1.8 wt% under the pressure of 90 psi.
실험예 4Experimental Example 4
실험예 3의 단층형 흡수설계와 같이 다층형 흡수체(multi-layer radar absorbing structure) 설계에 있어서도 각각의 재료를 이용하여 해석을 하였다. 이를 위해 Glass/Ep prepreg와 Glass/CNT1.8-Ep prepreg 두 재료를 흡수체 앞면과 뒷면으로 적용하여 제작할 경우 표 1과 같이 설계가 가능하며 이에 대한 흡수성능이 도 10에 나타나있다. As in the single-layer type absorption design of Experimental Example 3, the multi-layer type radar absorbing structure was also analyzed using the respective materials. For this purpose, glass / Ep prepreg and Glass / CNT1.8-Ep prepreg can be designed as shown in Table 1 and the absorption performance is shown in Fig.
도 10은 glass/CNT1.8-ep와 glass/ep 복합재료를 사용한 이층형 전자기파 흡수 구조체(double-layer radar absorbing structure)의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프로서, 단층형 흡수체에 비해 어느 레진 함량을 갖는 프리프레그라도 -10dB 이상의 흡수성능을 보이며 중심주파수에서 거의 -∞의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 그러므로 단층형보다 이층형 설계시 흡수성능 면에서 매우 유리한 것을 알 수 있다. 하지만 이층형으로 설계함으로써 흡수체의 설계 두께가 모두 2.83mm부터 3.19mm까지 증가하는 것을 알 수 있다. FIG. 10 is a graph showing reflection loss according to the content of a resin in a double-layered radar absorbing structure using glass / CNT1.8-ep and a glass / ep composite material. As compared with a single-layered absorber, The absorbance of -10 dB or more is exhibited even in the prepreg having the content and it is found that it has a value of almost -∞ at the center frequency. Therefore, it can be seen that it is very advantageous in terms of absorption performance in designing a double-layer type than a single layer type. However, it can be seen that the design thickness of the absorber increases from 2.83 mm to 3.19 mm by designing as a two-layer type.
앞선 단층형 흡수체의 최적 성능시 최대 설계 두께가 2.36mm였으므로 최소 0.47mm에서 최대 0.83mm까지 증가하는 것을 알 수 있다. 이처럼 단층형보다는 20%에서 35%까지 설계 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. 그러므로 X-band에서 -10dB이상의 전자파흡수를 발현하는 이층형 흡수체는 설계 두께면에서 가장 얇은 2.83mm의 설계 두께의 레진 함량이 39.0%의 복합재료가 사용되어야 한다. As the maximum design thickness of the advanced monolayer absorber was 2.36mm, it can be seen that it increased from minimum 0.47mm to maximum 0.83mm. It can be seen that the design thickness increases from 20% to 35% rather than the single layer type. Therefore, a two-layer type absorber exhibiting an electromagnetic wave absorption of -10 dB or more in the X-band should be a composite material having a resin content of 39.0% of the design thickness of 2.83 mm, which is the thinnest in the design thickness.
기존에는 CNT와 같은 나노물질을 분산시킴에 있어서 분산된 무게 분율(weight fraction)에 의해 유전율을 조절하면서 설계 및 제작을 하였다. 이로 인해 설계 요구사항에 따라 CNT의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 프리프레그 제작 및 흡수체 제작에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 이는 레진에 CNT를 분산시킨 후 프리프레그를 생산하는 작업에 있어서 불확실도(uncertainty)가 많아 프리프레그의 다양한 제작엔 한계가 존재하기 때문이다. In the past, the design and fabrication of nanomaterials such as CNTs were conducted by controlling the dielectric constant by a weight fraction that was dispersed. Therefore, it is inefficient because it is necessary to design and manufacture the absorber after adjusting the content of the CNT according to the design requirements and checking the suitability of the material. Therefore, it is costly and time consuming to manufacture the prepreg and to manufacture the absorber. This is because there are many uncertainties in the production of prepregs after dispersing CNTs in resin, and there are limitations in manufacturing various types of prepregs.
하지만 본 발명의 전자기파 흡수 구조체는 동일한 CNT 무게 분율을 갖는 프리프레그 이용하면서 레진 함량에 따라 복합재료 유전율이 변하는 것을 알 수 있었다. 이처럼 레진 함량에 의해 단층형 및 다층형 흡수체를 설계하는데 있어서 다양한 종류의 설계치를 얻을 수 있다. 무엇보다 CNT의 무게 분율을 완전히 정하지 않고서도 대략적인 설계 근사치만 있더라도 레진 함량을 조절하여 대량샌산을 위한 프리프레그 제작에 필요로 하는 시간과 비용을 절감할 수 있다. However, the electromagnetic wave absorbing structure of the present invention shows that the dielectric constant of the composite material changes depending on the content of the resin while using the prepreg having the same CNT weight fraction. Thus, various kinds of design values can be obtained in designing single-layer type and multilayer type absorbers by resin content. Above all, it is possible to reduce the time and cost required for manufacturing prepregs for large-volume sandals by adjusting the resin content even if the approximate design approximation is not required, even though the weight fraction of CNT is not fully defined.
3상 형태의 복합재료 특징을 이용하였기 때문에 실험예들에서 사용된 탄소나노튜브 재료 이외의 모든 나노물질과 에폭시 수지 이외의 모든 수지에도 모두 적용이 가능하다. 즉, 항상 정지해 있는 고체의 섬유 물질과 달리 나노사이즈의 고체와 수지의 액상이 서로 다른 유동 성질 가지고 있기 때문에 성형 후 최종적으로 복합재료에 남아 있는 세 가지 재료의 비율이 초기와는 달라지는 점을 이용할 수 있다. The present invention can be applied to all the nanomaterials other than the carbon nanotube materials used in the experimental examples and all the resins other than the epoxy resin. In other words, unlike the solid fiber material that is always stationary, since the nano-sized solid and the liquid phase of the resin have different flow properties, the ratio of the three materials remaining in the composite material after molding is different from the initial one .
따라서 실험예들에서 제시한 재료 이외에 동일한 성질을 갖는 모든 재료에 적용이 가능하다. 다시 말해, 나노손실재료로는 유전재료와 자성재료 모두 고체상태의 나노 사이즈로 분산이 된다면 탄소나노튜 대신 사용이 가능하다. 또한 수지로는 에폭시와 같은 열경화성 수지와 폴리에틸렌과 같은 열가소성 수지 모두 적용이 가능하다. 다양한 적용 가능성으로 인해 본 연구에서 제시한 방법을 이용하면 다양한 유전율 및 투과율을 얻을 수 있고 이를 통해서 다양한 전자파흡수구조체를 자유롭게 설계할 수 있을 것이다.Therefore, the present invention can be applied to all materials having the same properties other than those shown in the experimental examples. In other words, nano-loss materials can be used instead of carbon nanotubes if both the dielectric material and the magnetic material are dispersed in a solid state nano-size. As the resin, thermosetting resin such as epoxy and thermoplastic resin such as polyethylene can be applied. Because of various applicability, various permittivity and transmittance can be obtained by using the method proposed in this study, and it is possible to freely design various electromagnetic wave absorbing structures through this.
이와 같이, 본 발명은 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료로서, 나노 물질의 필터링 효과로 인한 레진 함량에 따른 복합재료 전자기 특성 변화를 이용한 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다. 또한, 동일한 흡수 대역의 요구사항에서 다양한 형태의 설계가 가능하며 또한 한 가지 흡수 대역이 아닌 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 재료로 설계할 수 있으며, 고분자 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 모두 적용이 가능하고, 나노 물질은 유전성 손실재료 및 자성 손실재료 모두 적용이 가능하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다.As described above, the present invention relates to a composite material having various electromagnetic properties depending on the content of a resin in a prepreg containing a polymer-based resin and a nanomaterial and a prepreg containing the reinforcing fiber, It is possible to design various electromagnetic wave absorbing structures using material electromagnetic characteristics change. In addition, it is possible to design various types from the requirements of the same absorption band, and it can be designed as a single material to fit various absorption bands instead of one absorption band. Polymer resin can be applied to both thermoplastic resin and thermosetting resin , Nanomaterials can be applied to both dielectric lossy materials and magnetic lossy materials to design various electromagnetic wave absorption structures.
이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.
10: 몰드 20: 이형필름
30: 프리프레그 40: 필플라이
50: 천공이형필름 60: 브리더
70: 진공 백 필름 80: 진공 백 실란트 테이프10: mold 20: release film
30: prepreg 40: peel ply
50: Perforated release film 60: Breather
70: Vacuum bag film 80: Vacuum bag sealant tape
Claims (18)
상기 프리프레그와 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film) 및브리더(bleeder)의 성형 부자재를 적층하는 단계 및
상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 압력을 가함으로써, 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여,
나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.Adjusting a resin content in a prepreg including a resin made of a polymer series resin and a nanomaterial and a reinforcing fiber;
Laminating the molding material of the prepreg and peel ply, perforated film and bleeder, and
And an autoclave forming step of controlling the electromagnetic characteristics by applying pressure to the laminated prepreg and the forming member by discharging the resin to the breather,
A method for manufacturing a composite material having various electromagnetic properties according to a resin content, characterized in that the ratio of the resin and nanomaterial of the polymer series flowing into the breather varies depending on the resin content due to the filtering effect of the nanomaterial.
강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시키는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.The method of claim 1, wherein the resin content adjustment step comprises:
Wherein the nanomaterial is dispersed in a weight fraction of a mixture of a reinforcing fiber and a polymer series resin, and having various electromagnetic properties according to the content of the resin.
상기 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 상기 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.The method according to claim 1,
Adjusting the filtering effect of the nanomaterial by changing the gap size of the fiber structure constituting the prepreg and the forming member, adjusting the size and direction of the filter by changing the lamination direction and order of the prepreg and the forming member Wherein the composite material has various electromagnetic properties according to the resin content.
일정한 두께로 전자기파 흡수 구조체를 성형하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the autoclave forming step comprises:
Wherein the electromagnetic wave absorbing structure is formed with a predetermined thickness.
전자기파 흡수 구조체를 성형할 수 있는 몰드를 준비하는 단계;
상기 몰드 위에 이형필름(release film)을 적층하는 단계;
상기 이형필름 위에 상기 프리프레그를 적층하는 단계;
상기 프리프레그 위에 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film), 브리더(bleeder) 및 진공 백 필름(vacuum bag film) 순으로 적층하는 단계 및
상기 몰드와 상기 진공 백 필름 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)를 사용하여 상기 진공 백 필름과 상기 몰드 사이를 밀폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the step of laminating the prepreg and the forming part comprises:
Preparing a mold capable of forming an electromagnetic wave absorbing structure;
Stacking a release film on the mold;
Laminating the prepreg on the release film;
A step of laminating a peel ply, a perforated release film, a bleeder and a vacuum bag film in this order on the prepreg, and
And sealing the mold between the vacuum bag film and the mold using a vacuum bag sealant tape between the mold and the vacuum bag film. Composite material.
상기 프리프레그, 필플라이, 천공이형필름 및 브리더는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.6. The method of claim 5,
Characterized in that the prepreg, the fill ply, the perforated release film and the breather are formed to have a gradually increased area so that the lower layer is not exposed, and the composite material having various electromagnetic properties according to the resin content according to the resin content Way.
진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 진공압을 가하는 단계 및
상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the autoclave forming step comprises:
Connecting the hose connected to the vacuum pump to a vacuum bag connector to apply vacuum pressure to the laminated prepreg and the forming member, and
And heating and pressing the laminated prepreg and the forming member in an autoclave and applying heat and pressure to the composite material.
상기 레진 함량은 37 내지 46%인 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.10. The method of claim 9,
Wherein the resin content is in the range of 37 to 46%.
상기 나노 물질은 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.10. The method of claim 9,
Wherein the nanomaterial comprises a dielectric lossy material, a magnetic lossy material, or a mixture thereof.
상기 유전성 손실재료는 카본블랙(carbon black), 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 유전율이 변하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.12. The method of claim 11,
Wherein the dielectric lossy material comprises carbon black, carbon nano fiber, carbon nanotube, or a mixture thereof, wherein the dielectric constant varies according to the resin content of the prepreg Composite materials having various electromagnetic properties according to the resin content.
상기 자성 손실재료는 페라이트계 산화물, 금속나노분말 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 투자율이 변하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.12. The method of claim 11,
Wherein the magnetic loss material comprises a ferrite-based oxide, a metal nano-powder, or a mixture thereof, wherein the magnetic permeability varies depending on the resin content of the prepreg.
상기 페라이트계 산화물은 스피넬계 페라이트(spinel ferrite) 또는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.14. The method of claim 13,
Wherein the ferrite-based oxide comprises spinel ferrite or hexagonal ferrite. 2. The composite material according to claim 1, wherein the ferrite-based oxide comprises spinel ferrite or hexagonal ferrite.
상기 금속나노분말은 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 금속분말 또는 금속합금분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.14. The method of claim 13,
Wherein the metal nanopowder comprises iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) based metal powder or metal alloy powder, and has various electromagnetic properties according to the resin content.
상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.10. The method of claim 9,
Wherein the reinforcing fiber comprises carbon fiber, glass fiber or aramid fiber. 2. The composite material according to claim 1, wherein the reinforcing fiber comprises carbon fiber, glass fiber or aramid fiber.
상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료.10. The method of claim 9,
Characterized in that the resin comprises an epoxy resin, a phenolic resin or a unsaturated polyester resin. The composite material according to claim 1, wherein the resin has an epoxy resin, a phenolic resin or a unsaturated polyester resin.
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| RU2747932C2 (en) * | 2019-04-16 | 2021-05-17 | Александр Андреевич Быков | Radio-absorbing composite material based on multilayer carbon nanotubes modified with ferrite nanoparticles |
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| KR20120050391A (en) * | 2010-11-10 | 2012-05-18 | 한국기계연구원 | A microwave absorbing structure composed of a dielectric lossy sheet and method thereof |
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