KR20160057404A - 고온 복합재 탄환 총열 - Google Patents

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KR20160057404A
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데이비드 비. 큐리스
제이슨 이. 링컨
마이클 케이. 디거네스
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프루프 리서치, 인코포레이션.
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Abstract

더 높은 온도에도 적응 가능한 고분자 복합 재료 외곽 셸을 포함하는 복합재 탄환 총열이 개시된다. 일 실시형태에 따르면, 본 발명은 탄소 섬유와 500℉보다 큰 유리 전이 온도를 갖는 폴리이미드 수지로 제조된 외곽 셸을 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 수지 혼합물은 열전도성 첨가제로서 거의 구 형태이며, 약 0.1 내지 10 마이크론 직경을 갖는 다수 크기의 알루미늄 입자를 포함한다.

Description

고온 복합재 탄환 총열{HIGH TEMPERATURE COMPOSITE PROJECTILE BARREL}
본 발명은 고온 복합재 탄환 총열에 관한 것이다.
사람들은 내구성과 신뢰성을 갖춘 경량 총기 시스템(gun systems)을 오랫동안 갈망해왔다. 일반적으로 강철, 알루미늄 등의 금속으로 제조된 총기의 다양한 부분을 비강화 및 강화 폴리머(polymer), 연속 유리 섬유(continuous glass fiber) 또는 탄소섬유 복합 재료와 같은 상대적으로 강하나 가벼운 물질로 대체하는 것이 알려져 있다. 총 무게의 상당 부분을 차지하는 총열에 관심이 집중되어 있다. 예로, 수지를 포함한 탄소 섬유 강화 고분자 복합 재료(polymer matrix composite, PMC) 외곽 셸로 둘러싸인 강철 내부 라이너를 갖는 총열을 제조하는 것이 알려져 있다. 이러한 조합은 총열의 강도와 강성을 좋게 유지하면서 총을 가볍게 한다.
PMC 외곽 셸에 사용되는 탄소 섬유는 원하는 강성, 강도 및 열전도도를 제공하는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하다. 일반적으로 PMC 총열로는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 프리커서(precursor) 탄소섬유나 피치(pitch) 프리커서 탄소섬유가 사용된다. 탄소 섬유는 마른 탄소 섬유 가닥들 (strands)이나 “습식” 딥 팬 프로세스(“wet” dip pan process)에서 수지와 결합한 토우가 적용될 수 있다. 그런 다음 내부 라이너의 둘레에 감길 수 있다. 또는, 셸은 사전에 별도의 과정에서 수지가 함침된(“토우프레그” 또는 “프리프레그”) 탄소 섬유 토우, 단방향 테이프 또는 섬유로 제작될 수 있다. 그런 다음 내부 라이너에 적용될 수 있다. 건식으로 적용되든 습식으로 적용되든 매트릭스 수지는 일반적으로 에폭시이다. 그런 다음 복합재 총열은 경화되고, 가공된 후 리시버와 스톡(stock)에 결합될 수 있다. 그러한 탄소 섬유/에폭시 수지 매트릭스 복합 재료는 많은 일반적인 무기들에 적절한 열적 성능, 기계적 물성 및 가공 특성을 제공할 수 있다.
복합재 총열이 고속이나 지속된 발사에 의해 고열에 놓이게 되는 경우, 복합재 총열은 일반적으로 고체 강철 총열보다 덜 견고하다. 예로, 반자동 또는 자동 라이플의 총열 내 온도는 쉽게 500℉를 넘을 수 있다. 700℉ 이상을 초과할 수도 있다. 전적으로 강철 및 이와 유사한 물질로 제조된 총열을 갖는 총기는 그러한 발사에 적용될 수 있을 정도로 견고하고 열을 빨리 발산시키는 충분히 높은 열전달 특성을 갖는다. 기존의 총열 복합재 쉘은 강철보다 낮은 반지름방향 열전도도를 가진다. 따라서 복합 재료는 실질적으로 열 부도체처럼 동작한다. 총열에 사용되는 일반적인 강철류들은 약 20~40 W/m·K의 열 전도도를 갖는다. 일반적인 PAN 탄소 섬유 에폭시 복합 재료는 두께 방향(“through thickness” direction) 또는 총열의 반지름 방향으로 단지 약 0.5 W/m·K의 열 전도도를 갖는다. 이러한 복합 재료의 평면에서(섬유 방향)의 일반적인 값은 단지 1~5 W/m·K이다. 아래에서 설명된 대로, PMC 재료는 강철보다 저온에서 열화된다.
미국특허공보 U.S. 6,889,464호(Degerness)에는 딥 팬 배쓰(dip pan bath) 과정에서 습식 에폭시 수지 혼합물로부터 인출된 탄소 섬유 필라멘트나 토우가 나선형으로 감겨진 강철 내부 라이너로 이루어진 총열이 개시되어 있다. Degerness에서는 써멀그래프(Thermalgraph®)로 상업화된, 촙트(chopped) /밀드(milled) 피치 탄소 섬유로 이루어진 에폭시 수지에 열전도성 물질을 추가한다. 경화된 총열은 상당히 높은 열전도도와 총열로부터 PMC를 통과하여 대기로의 향상된 열방사 성능을 보여준다. 그러나, 열전도성의 촙트 탄소 피치를 첨가한다 하더라도, 탄소 섬유 복합재 총열을 갖춘 총기로 속사하는 것은 총열의 온도가 에폭시 수지의 사용 가능 범위를 초과하게 만들 수 있다. 지속 발사로 총열에서 열이 남에 따라, 총열은 경화 에폭시 수지 혼합물의 유리 전이 온도, Tg를 넘어설 수 있다. Tg에서 PMC는 상당히 부드러워지고 복합재 총열의 기계적 완전성은 저하된다. 총열이 더 높은 온도로 가열됨에 따라, 경화 에폭시 매트릭스의 비가역적 열분해가 일어나고, 총열의 구조적 완전성은 더욱 저하된다. 바람직한 공정 특성과 열적, 기계적 특성을 갖는 에폭시 수지는 일반적으로 140~400℉의 유리 전이 온도를 보여준다. 그리고 일반적으로 500℉ 이상의 온도에서 열분해가 나타난다.
이론적으로, 수지 혼합물에서 써멀그래프나 그래핀, 그라파이트, 카본 나노튜브, 세라믹 입자 또는 금속 입자와 같은 열전도물질의 비율을 증가시킴으로써 PMC의 열전도도를 향상시키고 열 축적을 지연시키는 것은 가능할 것이다. 열전도성 첨가제의 바람직한 특성은 높은 열전도도, 낮은 밀도 그리고 적당한 크기와 강화 섬유들 사이에서 공간을 차지하기 위한 크기 분포이다. 그러나, 이러한 열전도성 첨가제는 수지의 점도를 매우 증가시키는 경향이 있기 때문에, 열전도성 첨가제의 높은 농도는 수지 혼합물을 더욱 끈적거리게 만들고, 수지와 탄소 섬유 토우의 완전한 코팅을 방해하며, 제조를 더욱 어렵게 만들고 덜 균일하게 한다. 또한, 일반적으로 전도성 첨가제를 많이 넣으면 복합 재료의 기계적 물성, 예로 강도이 감소된다.
에폭시보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 수지들이 있다. 그러나 이들을 가지고 PMC 물품을 만드는 것은 일반적으로 어렵고, 이들은 에폭시보다 상당히 더 비싸다. 폴리이미드의 화학적 성질을 갖는 수지들은 에폭시 수지와 비교하였을 때 더 높은 유리 전이 온도, 더 나은 열전도도, 그리고 향상된 열적 안정성을 갖는 것으로 알려져 있다. 폴리이미드 수지는 에폭시 수지와 비교하였을 때 우수한 열적 성능을 가짐에도 불구하고, 제조과정에서 사용되는 솔벤트와 단량체들(monomers)에 의해 상대적으로 높은 독성을 갖는다. 일반적으로, 솔벤트 내의 반응성 단량체로 이루어진 폴리이미드 수지의 열경화성 수지 종류는 “중합될 수 있는 단량체 반응제” 또는 PMR 폴리이미드로 알려져 있다. 미국등록특허공보 U.S. 5,171,822(저독성 고온 PMR 폴리이미드)에는 저독성 폴리이미드 수지가 개시되어 있다. 그리고 RP46이라는 명칭으로 상업화되었다. 그러나 PMC를 제조하기에 충분한 고체 농도에서의 RP46 수지는 실온에서 반고체 상태이다. 높은 점도는 습식 권선 섬유 필라멘트 토우를 가지고 작업하는 것을 매우 어렵게 한다.
에폭시보다 높은 유리 전이 온도와 유용한 공정 특성을 갖는 PMR 폴리이미드 수지가 미국 등록특허공보 제6,889,464(Lincoln)에서 개시되었다. Lincoln의 화학적 성질을 갖는 수지가 P2SI® 635LM라는 이름으로, 오하이오 모레인, 랜스 드라이브 2711의 퍼포먼스 폴리머 솔루션(Performance Polymer Solutions, Inc.)사에서 제조되었다. P2SI® 635LM 수지는 635℉의 적당히 높은 유리 전이 온도를 가진다. 그러나 일반적인 습식 필라멘트 권선 에폭시 수지보다 실온에서 점도가 상당히 더 높다. 이는 총열의 내부 라이너 위에 수지가 주입된 섬유 토우를 복수 레이어로 감으려 할 때와 같이 필라멘트 권선에 사용하는 것을 방해한다.
필라멘트 권선에 P2SI® 635LM 수지와 같은 폴리이미드 수지를 사용할 때의 또 다른 문제는 갓 권선된 총열을 경화시키는 과정의 어려움과 관계가 있다. 용매화된 폴리이미드 수지로 이루어진 폴리이미드 매트릭스 탄소 섬유 복합재 총열을 경화할 때, 수지의 휘발성 물질들이 방출된다. 편평하거나 큰 반경의 패널을 경화할 때, 이러한 가스들은 패널의 표면이나 모서리로 쉽게 이동하여 원치 않는 공극(void)이 거의 없는 복합 재료 물품을 만드는 것을 쉽게 한다. 본질적으로 최소한의 모서리를 갖는 총열을 경화할 때, 휘발성 물질과 가스들은 연속적인 필라멘트 권선 사이에 가둬지기 때문에 이들을 제거하는 것은 어렵다는 것이 입증되었다. 큰 평면을 갖는 패널을 경화하는 것과 다르게, 갓 감겨진 폴리이미드 수지 복합재 총열로부터 방출된 휘발성 가스들의 이동 경로는 복합재의 두께를 통해 바깥으로 향하는 반경방향(일부의 길이방향 이동을 포함)이다. 이러한 문제는 더 높은 점도의 폴리이미드 수지를 사용할 때 더 심각해진다. 작은 캘리버(caliber) 총열과 같은 얇은 원통을 감싸는 폴리이미드 수지를 사용할 때의 이점에도 불구하고, 프리프레그, 토우프레그 및 수지 이동 주입과 같은 대체 복합재 제조 기술을 가지고도, PMC에 폴리이미드 수지를 사용하는 것은 편평하거나 상대적으로 큰 곡률의 탄소 섬유 시트나 패널의 사용에 국한되었다.
상대적으로 높은 유리 전이 온도를 갖는 수지 종류는 폴리에텔에텔케톤(polyetheretherketone, PEEK)이다. PEEK는 에폭시보다 상당히 고가이다. 또한 PEEK의 유리 전이 온도는 단지 약 290℉이다. 약 315℉에서 유리 전이를 보여주는 더 높은 온도 변형을 갖는다. 이러한 유리 전이 온도는 속사 무기에서 요구되는 온도보다 여전히 더 낮다. PEEK는 고분자량 고분자라는 것을 의미하는 열가소성 수지이다. 이것은 흐름과 강화를 위해 Tg보다 높은 온도에서 용융 상태로 진행된다. 따라서 단단한 구조적 상태에 고온과 저온이 가해진다. 반면에, 일반적인 에폭시와 PMR 폴리이미드는 열경화성 수지이므로 낮은 점도로 적용되며 실온 또는 실온에 근접한 온도에서 단량체 수지이며, 결과적으로 종종 밀집된 크로스 링크트(cross-linked) 고분자량 구조체를 형성하기 위해 승강된 온도 및/또는 압력 조건에서 짧은 시간에 경화되는 것을 의미한다. PEEK와 같은 열가소성 수지는 열경화성 수지와는 매우 다른 제조 기술과 장비를 필요로 한다.
PMC에서의 열전도는 섬유의 방향에 크게 영향을 받는 경향이 있다. 가로로 횡단하는 것보다 필라멘트의 길이축 방향이 더 높다. 어떤 특정한 탄소 섬유가 사용되는지에 따라, PAN 섬유의 열전도도는, 예를 들어, 길이방향에서 강철(약 20~40 W/m·K)보다 높을 수 있다. 그러나 가로방향이나 반지름 방향에서는 10 W/m·K보다 낮다. 경화된 PMC에서 섬유들 사이의 수지는 섬유의 가로방향 열전도도보다 열전도도가 더 낮을 수 있다. PMC가 총열의 외곽 셸로 사용될 때, 대부분의 열은 반경방향으로 전도되어 총열의 외곽면과 대기로 배출되어야 하므로, 즉, 복합재료 셸을 통과하여 열이 수지를 통해 전달되고 각각의 섬유를 가로로 횡단하여야 하므로, 열 문제를 해결하는 것은 어렵다.
열전도도는 수지, 섬유 및 첨가제의 종류와 이들의 상대 비율뿐만 아니라 섬유와 첨가제 입자의 크기에 영향을 받는다. 예로, 일반적인 개별 PAN 탄소 섬유는 약 5 내지 10 마이크론의 직경을 가질 수 있다. 탄소 섬유 필라멘트 토우는 다수의 섬유로 이루어진다. 총열에 일반적으로 사용되는 각 토우는 약 6,000 내지 24,000개의 개별 섬유를 갖는다. 수지가 코팅된 탄소 섬유 토우가 총열의 둘레에 감기고 경화된 후, 수지는 기계적 완전성과 내구성을 제공하기 위해 모든 연속적인 강화 섬유와 결합될 것이다. 이상적으로 경화된 수지는 각각의 탄소 섬유 사이의 모든 공간을 채울 것이다. 따라서 “채워지지 않은 부피나 공간”(unoccupied volume or space), “섬유사이의 부피(inter-fiber volume)”, “틈새 공간(interstitial space)”이라고 불리는 각각의 탄소 섬유 사이의 부피나 공간은 이상적으로 PMC에서 경화된 수지에 의해 채워질 것이다. 마이크로 레벨(즉, 약 10 마이크론의 섬유 직경 크기)에서 뜨거운 강철 내부 라이너에서 PMC를 통해 열을 전달하는 것의 중요한 장애 요소는 섬유들 사이 수지의 낮은 열전도도, 폴리머 매트릭스-섬유 인터페이스에서의 열전달 저항, 그리고 폴리머 첨가제 입자 인터페이스의 열전달 저항이다.
열전도성 필러 입자(thermally conductive filler particle)의 수지 점도에의 영향은 크기와 크기 분포, 형상 및 입자 상호간 및 수지와의 상호작용과 같은 많은 요소에 영향을 받는다. 이상적으로, 열전도성 첨가제의 효과적인 존재는 틈새 공간 도처에서 수지 혼합물에 균일하게 분산되는 것일 것이다. 그러나 틈새 공간은 균일하지 않다. 그 공간은 예로 약 1 마이크론에서 50 마이크론 범위에 분포한다. 그러므로 더 작은 틈새 공간을 채우기에 충분할 정도로 작은 크기의 입자들의 효과적인 수량은 수지 혼합물의 점도를 지나치게 높이는 경향이 있다. 그리고 작은 첨가제 입자들이 큰 틈새 공간에서 무리를 이룰 때 또는 그런 곳에서 국부적으로 매트릭스를 약화시킨다. 반면에, 열전도성 물질의 입자들이 너무 크면, 즉, 유효한 틈새 공간보다 크면 그들은 작은 틈새 공간에 맞지 않을 것이다. 따라서, 연속적인 섬유의 강화를 막는다. 이것은 낮은 복합재 섬유 부피율을 야기하고, 기계적 물성을 저하시키며, PMC 도처에서 열전도도를 낮춘다.
미국등록특허공보 제6,889,464호(2005.05.10)
본 발명은 제조 가능하고, 경화되었을 때 높은 작동 온도를 견디고/또는 속사나 지속 발사에 의해 발생하는 열을 효과적으로 대기로 전달하며, 가볍고 강성과 강도를 갖는 복합재 총열의 외곽 셸을 위한 PMC 수지 혼합물을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 축방향 구멍을 한정하는 내부 라이너와, 내부 라이너를 감싸며 내부 라이너에 직접 접촉되는 외곽 셸을 포함하는 배출되는 탄환의 경로를 안내하기 한 총열로 이루어진다. 여기서 외곽 셸은 고분자 복합 재료로 제작되고, 고분자 복합 재료는 섬유와 수지 혼합물을 포함하며, 수지 혼합물은 500℉보다 높은 유리 전이 온도(Tg)를 갖는다.
다른 실시형태에 따르면, PMC를 통한 열전달은 약 0.1 내지 10.0 마이크론의 직경을 갖는 대체로 구형인 금속 입자로 이루어진 수지 혼합물 내의 열전도성 첨가제에 의해 촉진된다.
본 발명에 따르면, 총열의 외곽 셸이 높은 작동 온도를 견디며 속사나 지속 발사에 의해 발생하는 열을 효과적으로 대기로 전달하며, 가볍고 강성과 강도를 갖는다.
도 1은 복합재 총열을 갖춘 라이플을 도시한다.
도 1A는 도 1에 도시된 복합재 총열 일부의 내부가 보이도록 한 것이다.
도 2는 수지 토우 권선 시스템을 도시한다.
도 3은 건식 토우프레그 권선 시스템을 도시한다.
도 4는 복합재 총열의 일 실시형태를 보여주는 내부도이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 고분자 복합 재료의 단면도를 확대한 것이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 후술하는 실시 예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 구성요소들의 형상이나 크기 등은 실제보다 과장될 수 있다. 그리고 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그 공지 기술에 대한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예들을 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 리시버(12), 스톡, 방아쇠, 총열(14) 및 다른 관련된 구성들을 갖춘 볼트 액션 라이플(10)을 보여준다. 도시된 실시형태에서, 총열(14)은 나사산(16)에 의해 리시버(12)에 견고하게 체결된다. 작동 시, 탄약 카트리지가 리시버에 삽입된다. 카트리지는 건 파우더 차지(gunpowder charge) 및 총알과 같은 배출되는 탄환을 포함하는 베이스부를 갖는다. 발사자가 방아쇠를 당길 때, 공이가 카트리지의 베이스를 타격한다. 건 파우더 차지(gunpowder charge)를 연소하고 총알이 축방향 구멍(24)을 통해 방출되게 하며 총구(18) 밖으로 나가게 한다.
도 1A에 도시된 것처럼, 총열(14)은 내부 라이너(22)와 외곽 셸(20)로 이루어진다. 일 실시형태로 내부 라이너(22)는 강철 합금 같은 금속으로 제작된다. 스테인리스 스틸과 같은 금속 내부 라이너는 총열의 브리치(breech) 끝단 및/또는 총구에 나사산을 제작하는 것뿐만 아니라 축방향 구멍을 따라 라이플링 랜드(rifling lands)와 그루브(grooves)를 제작하는 것을 용이하게 한다. 내부 라이너는 세라믹이나 폴리머 기반의 물질 같은 비금속 물질일 수 있다. 외곽 셸(20)은 아래에서 더욱 자세히 설명된 것과 같이 탄소 섬유와 수지 혼합물로 이루어진 경화 고분자 복합 재료(polymer matrix composite, PMC)이다. 내부 라이너(22)는 균일하게 원통형일 필요는 없다. 예로, 내부 라이너(22)는 리시버(12)에의 삽입을 위해 나사산(16)을 형성할 수 있도록 약실 끝이 반경 방향으로 확장될 수 있으며, 총구(18)가 바깥방향으로 테이퍼지거나, 바람직한 총의 특성에 따라 다른 구성을 포함할 수 있다.
외곽 셸(20)은 인터페이스(26)에서 내부 라이너(22)와 직접 접촉한다. 그것은 인터페이스(26)에서 내부 라이너(22)와 PMC 외곽 셸(20) 간의 접촉력을 강화하거나 부식을 억제하기 위해 바람직할 수 있다. 발명의 설명과 청구항에서 “직접 접촉”은 인터페이스(26)에서 내부 라이너(22)의 외면이 외곽 셸(20)이 내부 라이너(22) 위에 제조되기 전에 적용되는 표면 처리를 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 예로, 비록 강철 라이너의 표면이 전기도금, 아노다이징 또는 페인트, 수지 또는 다른 물질과 같은 화학 복합물이나 혼합물로 코팅될지라도, PMC 외곽 셸(20)은 인터페이스(26)에서 강철 내부 라이너(22)와 직접 접촉한다.
도 2는 PMC 외곽 셸(20)을 구비한 복합재 총열(14)을 제조하는 데에 사용되는 토우 권선 시스템(tow winding system, 30)을 단순화한 것이다. 일 실시 형태에서, 외곽 셸(20)은 토우 스풀(tow spool, 32)에서 공급되는 연속된 섬유 필라멘트나 토우(34)를 포함한다. 다른 실시 형태(미도시)에서 섬유는 패브릭(fabric)이나 위브(weave)의 형태일 수 있다. 탄소 섬유는 일반적으로 높은 강성, 고강도, 저밀도를 갖기 때문에 PMC 총열에 사용하기에 유리하다. “탄소 섬유”는 제조 과정이나 전구물질(precursor)과 관계없이, 구체적으로 PAN 프리커서 탄소섬유와 피치 프리커서 탄소섬유를 모두 포함하는, 일반적으로 탄소와 그라파이트 섬유를 설명하는 데에 사용된다. 일 실시형태에서, 토우(34)는 코네티컷주 스탬포드(Stamford Connecticut)의 헥셀사(Hexcel Corporation)로부터 구할 수 있는 HexTwo IM2A와 같은 PAN 탄소 섬유 필라멘트 토우이다. 그러나, 토우(34)는 일본 도쿄의 일본 그라파이트 섬유 회사(Nippon Graphite Fiber Corporation, Tokyo, Japan)에서 구할 수 있는 GRANOC CN-60-A2S와 같은 피치계 탄소 섬유일 수 있으며 또는 케블라(Kevlar), 유리, 쿼츠, 세라믹, 미네랄, 탄소, 금속, 그라파이트 또는 단일 강화 섬유로부터는 얻을 수 없는 특성을 얻기 위하여 다른 종류의 섬유들을 혼합하여 형성된 섬유들의 잡종을 포함하는 복합재를 제조하기에 적합한 섬유일 수 있다.
토우(34)는 주축(mandrel)으로 기능하는 회전하는 내부 라이너(22)의 장력(tension) 하에서 토우 스풀(32)로부터 인출된다. 내부 라이너(22)는 척들(chucks, 47) 사이에 배치되고 축방향 구멍(24) 주위를 회전한다. 회전하는 내부 라이너(22)는 수지 함침조(35)에 침수된 연속된 롤러들(38) 둘레로 토우(34)를 담그면서 수지 혼합물(36)을 통해 토우(34)를 끌어당긴다. 롤러들(38)은 수지 혼합물(36)을 토우(34)내로 밀어 넣는 것을 도와준다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 수지를 토우에 적용하는 다양한 방법이 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시형태(미도시)에서, 토우(34)는 수지로 젖은(wetted with resin) 반침수된(semi-immersed) 회전 드럼의 상면을 거치면서 인출될 수 있다.
수지 혼합물(36)을 통한, 그리고 롤러(38) 둘레로의 토우(34)의 빠른 움직임은 수지 혼합물(36) 내에서 수지 고체와 다른 미립자가 부유 상태를 유지하는 데에 도움을 주는 흐름과 난류를 형성한다. 선택적으로, 수지함침조(35)에 배치된 교반기(미도시)는 수지, 솔벤트 및 다른 추가 미립자나 수지 혼합물(36)에 고체상태로 추가된 다른 열전도성 물질의 균일한 점도와 섞임을 용이하게 하는 데에 사용될 수 있다. 교반기는 모터에 의해 구동되는 기계적 패들(paddle)이 될 수 있고, 펌프에 의해 구동되는 수지 혼합물 재순환 시스템, 초음파 교반기 또는 고체와 미립자가 부유 상태를 유지하는 데에 필요한 수단일 수 있다.
필라멘트가 수지 혼합물(36)로 포화된 후, 잉여 수지 혼합물은 토우에서 제거된다. 잉여 수지 혼합물은 적당한 갭 셋팅(gap setting), 스크레이퍼(미도시), 적당한 크기의 다이들(dies, 미도시) 및/또는 이 기술분야에서 알려진 수단들을 갖는 닙 롤러들(nip rollers, 40)에 의해 토우로부터 제거될 수 있다.
수지가 주입된 토우(42)는 수지함침조(35)를 나간다. 그리고 필라멘트 가이드 구조물(44)에 의해 제어되는 필라멘트 가이드 오리피스(filament guide orifice, 46)를 통과하도록 끌어당겨진다. 선택적으로, 수지가 주입된 토우(42)가 가열 유닛(48)에 의해 수지함침조(35)를 나간 후, 하나 이상의 가열 부재(48)가 수지 혼합물(36)에 존재하는 제1단계 휘발성 물질을 플래시오프(flash off)할 수 있다. 가열 유닛은 수지가 주입된 토우(42)에 존재하는 일부 또는 대부분의 솔벤트를 휘발시킬 수 있다. 가열 부재(48)는 주축 내부 라이너(22) 그 자체를 가열하는 것을 포함하여 수지가 주입된 토우(42)의 경로 어디에든 배치될 수 있다. 가열 부재는 복사 가열기, 튜브 난방로(furnace)/가열기, 대류 가열기 또는 수지가 주입된 토우(42)를 가열하는 다른 수단이 될 수 있다. 가열 부재는 다양한 종류의 가열기 조합을 포함할 수 있다.
잉여 수지 혼합물(36)이 기계적으로 제거되고 선택적으로 가열된 후, 수지가 주입된 토우(42)는 내부 총열의 둘레에 원하는 나선형 형상과 직경으로 감긴다. 필라멘트 가이드 구조물(44)은 축방향 구멍(24)에 대체로 평행한 필라멘트 가이드 오리피스(46)를 횡으로 움직이게 하는 매커니즘을 포함한다. 그리하여 수지가 주입된 토우(42)가 회전하는 내부 라이너(22)를 따라 앞뒤로 이동하도록 안내한다. 그래서 수지가 주입된 토우(42)는 내부 라이너에 나선형 형상으로 감기게 된다. 필라멘트 가이드 오리피스(46) 그 자체가 회전하거나 필라멘트 가이드 구조물(44)에 대해 이동될 수 있다.
만약 내부 라이너(22)가 일정한 속도로 회전하면, 필라멘트 가이딩 구조물(44)의 빠른 횡방향 움직임은 수지가 주입된 토우(42)의 축방향 구멍(24)에 대해 작은 권선각으로 특징지어지는 나선형 권선 형상을 야기할 것이다. 빠른 횡방향 속도에서는, 수지가 주입된 토우의 나선형 와이딩 각은 작을 것이며 축방향 구멍에 대해 거의 길이 방향일 것이다. 반대로, 필라멘트 가이딩 구조물(44)의 느린 횡방향 움직임은 축방향 구멍(24)에 대해 큰 나선형 권선각을 야기할 것이다. 매우 낮은 횡방향 속도에서, 수지가 주입된 토우(42)의 권선각은 거의 원주방향 테(circumferential hoop)일 것이다. 즉 거의 90도이다. 그럼에도 불구하고 본 명세서에서 거의 원주방향 테는 “나선형”이다. 토우 권선 시스템(30)은 컴퓨터 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 그래서 내부 라이너(22)의 회전 속도, 필라멘트 가이드 구조물(44)의 횡방향 움직임, 필라멘트 가이드 오리피스(46)의 움직임, 토우(34)에 걸리는 장력, 그리고 다른 측면들은 원하는 권선각의 형상과 순서, 레이어의 수, 레이어의 두께를 제조하기 위해 사용자에 의해 프로그래밍될 수 있다. 그러한 시스템은 예로, 위스콘신 주 쇼필드(Schofield) 로스 애비뉴(Ross Avenue) 300번가 McLean Anderson에서 구할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 수지 혼합물(36)은 열경화성 PMR 폴리이미드 수지로 이루어진다. 그러나, 현재까지 구할 수 있는 폴리이미드 수지는 솔벤트의 과도한 추가없이 토우(34)에 만족하게 코팅하기에는 실온에서 너무 점도가 높다. 또한, 수지 고체물이나 미립자와 같은 다른 구성물이 수지 혼합물(36)로부터 분리될 수 있다. 따라서 점도를 낮추고 토우(34)의 만족할만한 주입을 위해 가열이나 수지 혼합물(36)의 용매화(solvating)같은 추가적인 조치가 필요하다.
수지함침조(35)는 물같은 고온 유체로 하여금 수지함침조(35)를 감싸는 재킷(jacket)을 통과하게 순환시키는 것과 같이 이 기술분야에서 알려진 기술을 이용하여 수지 혼합물(36)을 가열하도록 형성될 수 있다. 수지함침조(36)의 바닥이나 측면에 가열 부재를 적용할 수도 있다. 수지 혼합물(36)에 침수된 가열 코일(heating coil)을 통해 가열할 수도 있다. 열경화성 폴리이미드 수지로 이루어진 수지 혼합물(36)은 약 200℉까지 가열될 수 있다. 정확한 온도는 수지의 특성과 사용되는 솔벤트의 휘발성에 의존될 수 있다. 다소 낮은 온도가 바람직하다. 높은 온도는 수지 혼합물(36)의 점도를 낮춰준다. 그리하여 더 나은 주입과 더 균일한 권선이 이루어지게 한다. 그러나 솔벤트의 손실을 가속화하고 폴리이미드 수지의 이른 경화 반응을 가속화(즉, 이미다이제이션(imidization))하여 수지의 가용시간(pot life)을 단축한다.
수지 혼합물(36)은 바람직하게는 솔벤트를 포함한다. 알코올, 반 양성자용 용해(aprotic solvent) 및 그들의 혼합물을 포함하는 많은 솔벤트는 폴리이미드 수지가 덜 끈적거리게 하는 데에 사용될 수 있다. 일반적으로 PMR 폴리이미드 수지는 솔벤트로 작용하는 알코올 상호 반응물을 포함한다. 낮은 끓는점(즉, 높은 휘발성)을 갖는 솔벤트는 가열 유닛(48)과 같은 수지가 주입된 토우(42)를 더 쉽게 플래시 오프(flash off)될 수 있기 때문에 일반적으로 더욱 바람직하다. 메탄올과 에탄올은 선호되는 솔벤트이다. 발명자들은 P2SI 635LM PMR 폴리이미드 수지 혼합물(36)을 수지함침조(35)에서 약 40℃에서 60℃로 가열하는 것과 수지 혼합물의 점도를 감소시키기 위해 메탄올 솔벤트를 약 1000cP 추가하는 것은 양호한 수지 주입과 균일한 필라멘트 권선을 형성한다는 것을 알아내었다. 솔벤트를 더 넣음으로써 낮은 점도와 좋은 핸들링 특성을 얻는 것이 가능하다. 그러나, 너무 많은 솔벤트는 탄소 섬유 토우(34)에 수지를 적절히 주입시키기에 불충분한 수지 혼합물(36)의 수지 고체를 만들 것이다. 수지의 점도를 낮추기 위해 너무 높은 온도를 사용하면 폴리이미드 폴리머 매트릭스의 기계적 성능과 경화된 열적 성능을 감소시키는 원치 않는 부작용을 야기한다.
수지 혼합물(36)의 메탄올과 같은 솔벤트는 폴리이미드 수지보다 낮은 끓는점을 갖는다. 수지가 주입된 토우(42)의 솔벤트 상당 부분 또는 대부분이 그 다음의 토우의 권선에 의해 덮이기 전에 플래시 오프(flash off)되는 것이 좋다. 위에서 설명된 것처럼, 가열 수단은 하나 이상의 복사 가열기, 튜브 가열기, 대류 가열기, 가열된 주축으로부터 시작되는 전도열, 또는 다른 가열 수단일 수 있다. 일 실시형태에서, 튜브 가열기는 수지가 주입된 토우(42)를 감싸며 약 300℉까지 가열된 공기를 수지함침조(35)를 향해 토우를 따라 불어준다. 그리고 복사 가열기는 회전하는 내부 라이너(22)를 직접 가열한다.
젖은 수지를 통과시켜 토우를 당기는 것보다, 건조된 토우프레그(즉, 사전에 높은 유리 전이 온도를 갖는 수지가 주입되거나 코팅된 섬유)가 회전하는 내부 라이너(22)위에 감길 수 있다. 그런 다음 압력이나 열에 의해 경화된다.
이미드화된(imidized) 토우프레그는 폴리이미드 수지를 다음의 방법으로 부분적으로 경화된 상태로 제1프로세싱하여 제조될 수 있다. 중합가능한(polymerizable) 모노머의 폴리이미드 수지는 수지를 이미드화하기 위해, 그래서 올리고머들이 형성되도록 하기 위해 약 30분에서 4시간 내에서 약 300~500℉까지 가열된다. 그래서 반응 엔드캡들(endcaps)을 갖는다. 바람직하게는 올리고머들 위의 엔드캐핑(endcapping) 에이전트들이 중요한 반응과 크로스 링킹(cross linking)을 시작하기 전에 열은 회수되고 수지는 냉각된다. 현재 고체 형태인 이미드화된 폴리이미드 수지는 그런 다음 미세한 분말로 분쇄될 수 있다. 이 분말은 섬유나 스필릿 테이프(split tape) 위에 정전기적으로 코팅될 수 있다. 그런 다음 선택적으로 재스풀링하기 전에 섬유나 테이프에 열적으로 융합될 수 있다.
도 3은 도 2의 토우 권선 시스템과 유사한 토우프레그 권선 시스템을 보여준다. 섬유 스풀(32, fiber spool)은 바로 위에서 설명된 대로 준비된, 부분적으로 경화된 토우프레그(37)의 공급물을 나른다. 수지함침조 대신, 토우프레그(37)에 기 결합된 부분 경화 폴리이미드 수지를 유연하게 하기 위해 회전하는 내부 라이너(22)에 적용하는 동안 및/또는 그 전에 토우프레그는 가열된다. 이를 통해 부분 경화 폴리이미드 수지가 흐르고 결합이 용이하게 된다. 도 3은 튜브 가열기(39)와 복사 가열기(41)를 포함한 다양한 가열 기술들을 보여준다. 다른 열원으로는 적외선 가열기, 핫 에어 제트(hot air jet) 및 레이저 가열을 포함한다. 토우프레그와 회전하는 내부 라이너(22)는 토우프레그와 내부 라이너가 멜트/멜트 접촉(melt/melt contact)하도록 폴리머의 녹는점 위로 가열될 수 있다. 예로, 회전하는 내부 라이너(22)는 복사 가열기(41) 및/또는 축방향 구멍(24)에 배치된 카트리지 히터(미도시)에 의해 가열될 수 있다. 앞에 기술된 히터들은 토우프레그 및/또는 내부 라이너를 가열하기 위해 단독으로 또는 함께 사용될 수 있다. 그리하여 토우프레그는 내부 라이너와 양호하게 멜트 접촉(melt contact)할 수 있다. 연화되고 가열된 토우프레그(43)는 상기한 웨트 수지 토우 권선 시스템을 위해 기술된 것과 유사한 방법으로 내부 라이너의 둘레에 권선된다.
도 4는 내부 라이너(22) 둘레에 수지가 주입된 토우(42)나 가열된 토우프레그(43)를 감아서 생성된 복수의 권선 레이어들을 나타내기 위해 점진적으로 절단된 PMC 외곽 셸(20)를 포함하고, 설명된 권선 시스템에 의해 제조된 총열(14)의 예를 보여준다. 도시된 실시형태에서, 각 권선 레이어는 서로 다른 나선형 래핑각(wrapping angle)을 갖는다. 제1레이어(50)는 제1래핑각(58)을 갖고, 제2레이어(52)는 제2래핑각(60)을 가지며, 제3레이어(54)는 제3래핑각(62)을 갖는다. 레이어의 개수는 몇 개라도 무방하다. 각 레이어의 권선각과 깊이는 비슷하게 변할 수 있다.
다른 실시형태에서, 수지 혼합물(36) 또는 건조된 부분적으로 경화된 토우 프레그(37)는 열전도성 첨가제의 입자들을 더 포함할 수 있다. 첨가제 입자는 PMC내의 수지보다 더 높은 열전도도를 갖는 금속, 세라믹 또는 촙트 피치(chopped pitch) 탄소 섬유와 같은 어떤 고체를 이론상 포함할 수 있다. 그래핀 혈소판, 그라운드 그라파이트 폼(ground graphite form) 또는 카본 나노튜브도 좋은 열 전도도를 갖는다. 경화된 PMC내에서의 상대적으로 낮은 밀도, 높은 열전도도, 가격 그리고 다른 뛰어난 특성 때문에 금속은 선호되는 열전도성 첨가제 물질이다. 더욱 바람직하게는 알루미늄이 될 수 있다.
위에서 기술된 것처럼, 열전도성 첨가제를 상당량 첨가하는 것은 반대로 수지 혼합물(36)의 점도를 증가시킨다. 예로, 그래핀 혈소판은 뛰어난 열전도도를 나타내나 용납할 수 없을 정도로 수지 혼합물을 끈적거리게 만든다. 그래핀 혈소판은 (X-Y 치수로) 1 내지 50 마이크로미터(㎛)의 어떤 면적을 가질 수 있으나 두께는 단지 약 50 내지 100 나노미터(nm)를 가질 수 있다. 이는 1000:1에 육박하는 종횡비를 만든다.
그런 높은 종횡비를 갖는 입자들은 위에서 설명된 폴리이미드 수지를 괴롭히는 점성 문제를 악화시킨다. 발명자는 최고의 열전도도를 갖는 첨가제 물질에 집중하기 보다는 첨가제의 면적 대비 첨가제의 부피를 최대화하는 물질을 채택하기로 마음먹었다. 이러한 접근은 첨가제 입자가 대략 구 형태이어야 한다는 것을 제시한다.
일 실시형태에서, 첨가제 입자는 금속이고 대체로 구 형태를 갖는다. 금속의 구들은 수지 혼합물 무게의 대략 0.2%에서 50%(부피로는 0.1%에서 25%)를 차지한다. 다른 실시형태에서 첨가제 입자들은 공정 특성에 최소한의 영향을 미치며 복합재의 열전도도를 효과적으로 증가시키기 위해 두 개 이상의 사이즈로 이루어진 것일 수 있다. 수지 혼합물(36)의 적어도 두 개의 사이즈를 갖는 열전도성 입자들은 수지의 점도에 적은 영향을 미치면서 틈새 공간들내에서 입자 패킹(packing)을 향상시킨다. 결과적으로 점도를 관리할 수 있는 수준으로 유지하면서 열 전달 특성을 향상시킨다.
도 5는 일 실시형태에 따른 경화된 고분자 복합 재료(cured polymer matrix composite, 70)의 확대 단면도이다. 고분자 복합 재료(70)는 토우프레그에 적용된 웨트 권선 수지(wet winding resin) 또는 부분적으로 경화된 권선 수지 중 하나에 의해 제조될 수 있다. 도 5는 경화된 수지(74)에 의래 둘러싸이고 서로 대체로 평행하게 배열된 개별 파이버 스트랜드(fiber strands)/필라멘트(72)의 절단 단부를 보여준다. 수지(74)는 파이버 스트랜드들(72) 사이의 공간을 차지한다. 개별 파이버 스트랜드들은 대체로 평행하며 대략 3에서 15 마이크론(㎛)의 직경을 갖는다. 틈새 공간들은 약 1 마이크론에서 50 마이크론일 수 있다. 일 실시형태에서, 다양한 크기의 열전도성 첨가제 입자들, 바람직하게는 구형의 금속 입자들이 수지(74)와 파이버 스트랜드들(72)내의 틈새 공간들과 수지들(72) 내부의 틈새 공간에 분포된다.
도시된 실시형태에서, 파이버 스트랜드들(72)은 직경이 대략 7㎛이고 열전도성 첨가제는 대략 구형인 세 개 사이즈의 알루미늄 입자로 이루어진다. 가장 작은 입자들(76)의 직경이 약 0.1~1㎛이고, 중간 입자들(78)은 직경이 1~3㎛이며, 가장 큰 입자들(80)은 직경이 3~4㎛이다. 이러한 입자 사이즈는 예를 들어 섬유의 크기에 따라 변할 수 있다. 예로, 가장 큰 입자는 10㎛일 수 있다. 첨가제의 대부분은 작은 입자들(76)이나 중간 크기의 입자들(78)로 이루어진다; 큰 사이즈의 입자들(80)는 상당히 작은 비율이다. 열전도성 첨가제를 이런 식으로 형성하고 배치함으로써, 대부분의 입자들은 매우 가깝게 배치되거나 서로 접촉될 것이다. 바람직하게는 인접하는 파이버 토우들(72)과 가깝게 배치되며 그리고/또는 접촉된다. 큰 입자들은 큰 틈새 공간을 차지하는 경향이 있고, 작은 입자들은 작은 공동을 차지하는 경향이 있다. 작은 공동은 경화 과정에서 휘발되는 솔벤트나 수지 혼합물(36)의 휘발성 부분이 차지하던 것이다. 열전도성 첨가 물질은 수지(74)보다 높은 열전도성을 갖는다. 따라서, PMC가 열전달을 더 잘하게 만든다. 평균적으로, 다양한 크기의 열전도성 첨가 구들(spheres)은 PMC 내에 존재하는 틈새 공간의 더 높은 부피율을 차지한다. 그리하여 외곽 셸(20)의 높은 열 전도도를 유도한다.
웨트 수지 토우(wet resin tow, 42)나 가열된 토우프레그(43)를 권선한 후, 복합재 총열(14)은 척들(chucks, 47)로부터 제거되며 가열될 수 있게 된다. 그리고/또는 열경화성 폴리이미드 수지를 완전히 경화하기 위해 압력을 받을 수 있게 된다. 웨트 수지 시스템(wet resin systems)에서, 경화 과정을 시작하기에 앞서 휘발성 물질의 비율에 따라, 완전한 경화는 갓 권선된(freshly wound) PMC 구조체 질량의 약 15%를 제거하는 것을 필요로 할 수 있다. 매트릭스에서 공동의 형성을 최소화하기 위해 경화 과정의 초기에 휘발성분을 제거하는 것이 좋다.
토우가 내부 라이너(22)에 습식으로 감기든 건식으로 감기든, 일반적인 에폭시 기반의 수지보다 폴리이미드 수지의 구조물들을 경화하는 것이 더 어렵다. 특히 습식 수지에서, 공동을 생성하지 않고 섬유 수지 매트릭스로부터 휘발성분을 제거하는 것은 어렵다. 편평하거나 큰 반경의 패널과 함께 폴리이미드 수지가 사용될 때, 휘발성 물질은 표면의 개방된 모서리로 탈출할 수 있기 때문에 휘발성 트랜스포트(volatile transport)는 더 쉽다. 그리고/또는 더욱 쉽게 섬유 레이어 사이에서 이동한다. 그러나, 필라멘트 권선(filament winding)에서는, 이러한 가스들은 연속적인 권선들 사이에 가둬질 수 있다.
PMC의 공동들은 강도, 강성 및 열전도도를 저하시키는 바람직하지 않은 효과를 갖는다. 편평한 주입 섬유 시트를 경화하는 것에 비해, 필라멘트를 권선하여 제작된 물건을 경화할 때 만족할만한 결과를 얻기가 더 어렵다. 불침투성의 내부 라이너(22)는 휘발성분으로 하여금 복수의 밀집되게 감긴 레이어(총열(14)의 총구(18)와 브리치로 이동하는 적은 양의 휘발성분을 가지고)를 통해 반경방향으로 바깥으로 이동되게 한다. 경화 문제는 수지 혼합물(36)에 열전도성 첨가제가 존재할 때 더 악화될 수 있다.
일 실시형태에 따른 경화된 외곽 셸(22)은 P2SI635LM 폴리이미드 수지와 1 내지 5 마이크론 크기의 구형 알루미늄 입자가 약 40% 무게 농도로 혼합된 수지 혼합물(36)과 PAN 탄소 섬유를 포함한 갓 권선된(freshly wound) 총열을 마련하여 제조된다. 그러한 수지 혼합물(35)은 경화 뒤에 약 635℉의 유리 전이 온도를 갖는다. 웨트 파이버 토우들(wet fiber tows, 42)은 위에서 설명한 튜브 가열기를 통과한다. 그러고 나서 다수의 권선각으로 다수의 권선 레이어를 형성하기 위해 도 2에 도시된 웨트 수지 시스템을 이용하여 내부 라이너 주위에 감긴다. 갓 권선된 총열은 오븐이나 오토클레이브(autoclave)에 배치되며 연속적으로 경화된다.
제1단계에서, 오토클레이브의 온도는 5시간에서 10시간에 걸쳐 약 350℉로 점진적으로 상승한다. PMC 밖으로의 휘발성 트랜스포트(volatile transport)를 돕기 위해, 이 단계에서 총열(14)에 진공이 적용될 수 있다. 제2단계에서, 반응성 앤드캡들(endcaps)을 갖는 올리고머들을 형성하기 위한 PMR 폴리이미드 수지 혼합물 솔루션을 이미드화(imidize)하기 위해 오븐이나 오토클레이브의 온도는 2시간 내지 8시간동안 약 500-536℉까지 증가한다. 이 단계에서, 모든 휘발성 물질은 필수적으로 복합재 쉘로부터 제거되고, 올리고머의 앤드캡핑(endcapping) 에이전트들(agents)이 반응과 크로스 링킹(cross linking)을 시작할 수 있다. 경화의 제2단계동안, 10 내지 400psi의 압력이 강화(consolidation)를 촉진하기 위해 적용될 수 있다. 바람직하게는 200psi의 압력이 적용될 수 있다. 제3단계에서, 최종 경화를 위해, 즉, 앤드캡핑 에이전트들의 반응에 의해 이미드화된(imidized) 폴리이미드의 크로스-링킹(cross-linking)을 실질적으로 완성하기 위해서, 그리고 탄소 섬유/수지 혼합물 매트릭스의 안정화를 위해서 오븐이나 오토클레이브 내의 온도는 약 600~700℉까지 상승된다. 바람직하게는 적어도 4시간동안 상승된다. 오븐이나 오토클레이브 내에서의 총 경화 시간은 바람직하게는 14 내지 24시간이다. 오토클레이브는 제2단계와 제3단계에서 여압(與壓) 상태로 유지될 수 있다.
이어지는 냉각단계에서, 경화된 총열(14)은 선반에 배치되며 다이아몬드 코팅 그라인딩(diamond-coated grinding)이나 폴리싱 휠(polishing wheel) 같은 연마 도구를 가지고 원하는 최종 직경으로 연마된다. 청구항과 발명의 설명에서 “내부 라이너를 감싸며 내부 라이너와 직접 접촉되는”이란 외곽 셸(20)이 총열(14) 축방향 길이부분의 적어도 일부분을 따라 내부 라이너(22)를 감싸며 내부 라이너와 직접 접촉하는 것을 의미한다. 내부 라이너의 일부분은 노출될 수 있다. 예를 들어, 총구(18), 나사산(16) 또는 총열(14)의 다른 원하는 위치가 노출될 수 있다.
위에서 설명된 PMC의 실시형태들은 500℉보다 큰 유리 전이 온도를 갖는 열경화성 폴리이미드 수지 혼합물들을 포함한다. 그리하여 총열(14)이 더 높은 온도에서 작동하는 것을 가능하게 한다. 그러한 수지들은 에폭시 기반의 수지 혼합물에 비해 뛰어난 열적 안정성을 보여준다. 에폭시 기반의 수지 혼합물은 일반적으로 약 140~400℉에서 유리 전이를 일으키며 상대적으로 낮은 열적 안정성을 갖는다. 총열(14)의 구조는 더 높은 온도를 견딜 수 있을 뿐만 아니라 또 다른 이점으로는 외곽 셸(20)의 외면과 대기의 더 높은 온도 차이 때문에 더 높은 작동 온도가 금속 라이너(22)에서 대기로의 열전달을 촉진시킨다는 것이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시형태들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시형태가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 볼트 액션 라이플 12: 리시버
14: 총열 18: 총구
20: 외곽 셸 22: 내부 라이너
24: 축방향 구멍 26: 인터페이스
30: 토우 권선 시스템 32: 토우 스풀
34: 토우 35: 수지함침조
36: 수지 혼합물 38: 롤러

Claims (21)

  1. 배출되는 탄환의 경로를 안내하는 총열에 있어서,
    축방향 구멍(axial bore)을 한정하는 내부 라이너; 및
    상기 내부 라이너를 감싸며 상기 내부 라이너에 직접 접촉되는 외곽 셸을 포함하며,
    상기 외곽 셸은 고분자 복합 재료(PMC)로 제작되고,
    상기 고분자 복합 재료는 섬유들과 수지 혼합물을 포함하며,
    상기 수지 혼합물은 500℉보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 수지로 이루어진 총열.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 라이너는 금속으로 이루어진 총열.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속은 강철 합금으로 이루어진 총열.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유들은 탄소 섬유를 포함하는 총열.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 내부 라이너의 둘레에 나선형으로 감겨진 복수 레이어의 탄소 섬유 토우를 포함하는 총열.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 레이어는 상기 축방향 구멍에 대한 복수의 권선각을 포함하는 총열.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수 레이어 중 적어도 한 레이어는 복수의 PAN 프리커서 탄소섬유로 이루어진 총열.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PAN 프리커서 탄소섬유는 약 3 내지 15 마이크론의 직경을 갖는 총열.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복수 레이어 중 적어도 한 레이어는 복수의 피치 프리커서 탄소섬유를 포함하는 총열.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피치 프리커서 탄소섬유는 약 3 내지 15 마이크론의 직경을 갖는 총열.
  11. 제1항에 있어서,
    수지는 열경화성 수지인 총열.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 폴리이미드 수지인 총열.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수지 혼합물은 적어도 하나의 열전도성 첨가제를 포함하는 총열.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열전도성 첨가제는,
    금속, 세라믹, 다이아몬드, 그래핀, 그라파이트, 탄소나노튜브 및 촙트 피치(chopped pitch) 탄소 섬유로 이루어진 그룹에서 선택된 총열.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 열전도성 첨가제는 알루미늄 입자들로 이루어진 총열.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄 입자들은 대체로 구 모양을 갖는 총열.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 알루미늄 입자들은 0.1에서 10.0 마이크론 직경의 다수 크기로 이루어진 총열.
  18. 배출되는 탄환의 경로를 안내하는 총열에 있어서,
    축방향 구멍을 한정하는 내부 라이너; 및
    상기 내부 라이너를 감싸며 상기 내부 라이너에 직접 접촉되는 외곽 셸을 포함하며,
    상기 외곽 셸은 고분자 복합 재료로 제작되고,
    상기 고분자 복합 재료는 섬유와 수지 혼합물을 포함하며,
    상기 수지 혼합물은 대체로 구 모양인 금속 입자들로 이루어지며, 상기 금속 입자들은 0.1에서 10.0 마이크론 직경의 다수 크기로 이루어진 총열.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속 입자들은 알루미늄인 총열.
  20. 리시버, 상기 리시버에 연결된 스톡, 상기 리시버에 연결된 총열을 포함하는 화기에 있어서,
    축방향 구멍을 한정하는 내부 라이너; 및
    상기 내부 라이너를 감싸며 상기 내부 라이너에 직접 접촉되는 외곽 셸을 포함하며,
    상기 외곽 셸은 고분자 복합 재료로 제작되고,
    상기 고분자 복합 재료는 섬유와 수지 혼합물을 포함하며,
    상기 수지 혼합물은 500℉보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 수지로 이루어진 총열.
  21. 배출되는 탄환의 경로를 안내하는 총열에 있어서,
    축방향 구멍을 정하는 강철 합금 내부 라이너; 및
    상기 내부 라이너를 감싸며 상기 내부 라이너에 직접 접촉되는 외곽 셸을 포함하며,
    상기 외곽 셸은 고분자 복합 재료로 제작되고,
    상기 고분자 복합 재료는 500℉보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 열경화성 폴리이미드 수지를 포함하며,
    상기 고분자 복합 재료는 상기 내부 라이너의 둘레에 축방향 구멍에 대해 복수의 권선각으로, 나선형으로 감겨진 복수 레이어의 탄소 섬유 토우를 포함하며,
    산기 탄소 섬유 토우는 복수의 PAN 프리커서 탄소섬유를 포함하고,
    각 탄소섬유는 약 3 내지 15 마이크론의 직경을 가지며,
    대체로 구형인 알루미늄 입자들은 상기 고분자 복합 재료의 도처에 산포되고, 상기 알루미늄 입자들은 약 0.1에서 10.0 마이크론 직경의 다수 크기로 이루어진 총열.
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