KR20170117248A - 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄의 경량성을 유지하면서 기계적 강도를 증가시키기 위하여 내부에 탄소섬유를 분산시킨 복합재료를 비교적 간단하게 제조할 수 있는 방법으로서, 복수의 금속 코팅 탄소섬유를 알루미늄부재 사이에 배치하는 단계; 및 상기 알루미늄부재의 외측을 가압부재로 압착하면서 열에너지를 공급하여 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 용융되어 상기 탄소섬유 사이에 침투되도록 하는 단계; 를 포함한다.

Description

알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법{Method for fabricating aluminum -carbon composites}
본 발명은 복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄은 자동차 제조 분야, 항공기 제조 분야 및 각종 전기 기기 분야 등에서 다용도로 사용되고 있다. 알루미늄은 철의 중량의 1/3 정도로 가볍고, 다른 금속과 합금을 시킬 경우 뛰어난 강도를 갖는다. 또한 알루미늄 표면에는 화학적으로 안정한 산화막이 존재하여 수분이나 산소 등에 의해 부식이 진행되는 것이 방지되므로 화학적으로 안정하다. 그러나 알루미늄은 철에 비해 인장 강도가 약 40 % 정도밖에 되지 않아 구조용재로 사용할 경우 구조용 알루미늄 관이나 판재의 두께가 매우 두꺼워지고, 이는 결국 재료가 과다하게 소요되고, 과다한 재료비를 필요로 하는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 인장 강도가 우수한 탄소 재료와 알루미늄의 복합재료를 제조하기 위한 연구가 활발하다. 탄소재료와 알루미늄과의 복합체를 제조하기 위해서는 해결되어야 하는 몇 가지 문제점들이 있다. 일례로, 탄소재료 반데르발스(van der Waals) 힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기 어려운 문제점이 있다. 또한, 탄소재료와 알루미늄 사이에는 표면장력 차이로 인하여 탄소 재료와 알루미늄이 잘 섞이지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 알루미늄의 경량성을 유지하면서 기계적 강도를 증가시키기 위하여 내부에 탄소섬유를 분산시킨 복합재료를 비교적 간단하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 제공한다. 상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법은 복수의 금속 코팅 탄소섬유를 알루미늄부재 사이에 배치하는 단계; 및 상기 알루미늄부재의 외측을 가압부재로 압착하면서 열에너지를 공급하여 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 용융되어 상기 탄소섬유 사이에 침투되도록 하는 단계; 를 포함한다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에서, 상기 열에너지를 공급하는 방법은 가열된 상기 가압부재를 상기 알루미늄부재와 직접 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가열된 가압부재는 가열된 금형을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에서, 상기 열에너지를 공급하는 방법은 상기 가압부재와 상기 알루미늄부재 사이에 가열된 중간부재를 개재시킨 후 상기 가열된 중간부재를 상기 알루미늄부재와 직접 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가압부재는 적어도 한 쌍의 압연 롤을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에서, 상기 금속 코팅 탄소섬유는 니켈이 코팅된 탄소섬유일 수 있다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법은, 상기 탄소섬유 사이에 용융되어 침투된 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 상기 니켈과 반응하여 니켈-알루미늄 합금을 형성하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에서, 상기 복수의 금속 코팅 탄소섬유는 다발 형태로 제공될 수 있다.
상기 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법에서, 상기 알루미늄-탄소 복합재료는 알루미늄 기지에 상기 탄소섬유가 강화재로 분산된 복합재료이며, 상기 알루미늄 기지의 적어도 일부는 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 용융되어 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄의 경량성을 유지하면서 기계적 강도를 증가시키기 위하여 내부에 탄소섬유를 분산시킨 복합재료를 비교적 간단하게 제조할 수 있는 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 순차적으로 도해하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법으로 구현된 실험예를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 알루미늄-탄소 복합재료의 단면을 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 도해하는 순서도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 순차적으로 도해하는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법은 복수의 금속 코팅 탄소섬유(230)를 알루미늄부재(210) 사이에 배치하는 단계(S100); 및 알루미늄부재(210)의 외측을 가압부재(120)로 압착하면서 열에너지를 공급하여 알루미늄부재(210)의 적어도 일부가 용융되어 복수의 금속 코팅 탄소섬유(230) 사이에 침투되도록 하는 단계(S200);를 포함한다.
금속 코팅 탄소섬유(230)는 탄소섬유의 외주부에 금속물질이 코팅되어 있으며, 예를 들어, 니켈이 코팅된 탄소섬유를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료에서 탄소섬유와 기지(matrix) 간의 계면 결합력을 증가시키기 위하여 일반 탄소섬유에 금속을 코팅할 수 있다. 알루미늄-탄소 복합재료를 구성하는 강화재(reinforcing material)로서의 탄소섬유의 계면 결합력을 증가시키기 위하여 산, 염기성 전해용액을 이용한 전기화학적 산화방법이나 기상산화 방법을 사용하여 탄소섬유를 표면처리할 수 있으나, 이 경우에는 탄소섬유 표면자체가 손상되는 문제점이 있는 바, 본 발명자는 니켈을 코팅한 탄소섬유를 도입하여 탄소섬유와 기지 간의 계면 결합력을 확보하였다.
복수의 금속 코팅 탄소섬유(230)는 다발(bundle) 형태로 제공될 수 있다. 하나의 탄소섬유와 다른 하나의 탄소섬유 사이의 적어도 일부는 알루미늄부재(210)의 적어도 일부가 용융되어 침투될 수 있는 공간을 포함할 수 있다. 용융된 알루미늄의 탄소섬유 사이의 공간에 침투할 수 있는 구동력은 가압부재(120)로 압착하는 압력을 포함할 수 있으며, 탄소섬유 사이의 미세한 공간을 채우는 모세관력을 더 포함할 수도 있다.
알루미늄부재(210)의 적어도 일부를 용융시켜 용융 알루미늄을 구현하기 위하여 상기 열에너지를 공급하는 예시적인 방법은 가압부재(120)를 먼저 가열한 후에, 가열된 가압부재(120)를 알루미늄부재(210)와 직접 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 가열된 가압부재(120)는 가열된 고온의 금형을 포함할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 알루미늄 판재(210) 사이에 니켈이 코팅된 탄소섬유(230) 다발을 배치시킨 샌드위치 구조체를 준비하고, 가열된 고온의 금형(120)을 직접 알루미늄 판재(210)에 접촉시킨 후 서로 압착하여 알루미늄 판재(210)를 순간적으로 용융시켜 탄소섬유(230) 다발 사이로 용융된 알루미늄을 침투시킴으로써 알루미늄-탄소 복합재료(250)를 제조할 수 있다.
알루미늄부재(210)의 적어도 일부를 용융시켜 용융 알루미늄을 구현하기 위하여 상기 열에너지를 공급하는 예시적인 또 다른 방법은 가압부재(120)와 알루미늄부재(210) 사이에 가열된 중간부재(미도시)를 개재시킨 후 상기 가열된 중간부재를 알루미늄부재(210)와 직접 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 가압부재(120)는 적어도 한 쌍의 압연 롤을 포함할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 알루미늄 판재(210) 사이에 니켈이 코팅된 탄소섬유(230) 다발을 배치시킨 샌드위치 구조체를 먼저 형성하고, 가열된 중간판재(미도시) 사이에 알루미늄 판재(210)/니켈 코팅 탄소섬유(230)/알루미늄 판재(210)로 이루어진 상기 샌드위치 구조체를 삽입함으로써 피압연 대상물을 구비한다. 적어도 한 쌍의 압연 롤(120)을 이용하여 상기 피압연 대상물을 압연하면, 고온 압착된 알루미늄 판재(210)가 순간적으로 용융되고, 탄소섬유(230) 다발 사이로 용융된 알루미늄이 침투되어, 알루미늄-탄소 복합재료(250)를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법으로 구현된 실험예를 나타낸 사진이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 알루미늄-탄소 복합재료의 단면을 확대 촬영한 사진이다.
도 4에서 상대적으로 밝은 색을 가지는 층이 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 구현된 알루미늄-탄소 복합재료(250)는 알루미늄 기지(210a)에 금속 코팅 탄소섬유(230)가 강화재로 분산된 복합재료이다. 금속 코팅 탄소섬유(230)는 중앙부의 탄소섬유(230a)와 탄소섬유 외주부의 적어도 일부를 두르는 니켈 코팅층(230b)을 포함한다. 알루미늄 기지(210a)의 적어도 일부는 상술한 알루미늄부재(210)의 적어도 일부가 용융되어 금속 코팅 탄소섬유(230) 번들 사이의 빈 공간을 침투하여 충전(fill)됨으로써 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법은, 탄소섬유(230) 사이에 용융되어 침투된 알루미늄이 니켈 코팅층(230b)의 니켈과 반응하여 니켈-알루미늄 합금을 형성하는 단계; 를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 니켈 코팅 탄소섬유(230)가 강화재로 분산된 복합재료(250)의 기지는, 니켈을 고용하는 알루미늄 합금;이거나 니켈-알루미늄 합금;을 포함할 수 있다. 알루미늄과 니켈의 반응을 위한 열에너지는 단계(S200)에서 압착하는 과정에서 공급되는 열에너지일 수 있다. 또는, 알루미늄과 니켈의 반응을 위한 열에너지는 단계(S200) 이후에 별도로 수행되는 열처리에 의하여 제공될 수도 있다.
지금까지 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법을 설명하였다. 이에 따르면, 손쉽게 구할 수 있는 알루미늄 판재를 이용하여 알루미늄 기지에 탄소섬유가 강화재로 분산된 알루미늄-탄소 복합재료를 신속하고 경제적으로 제조할 수 있다. 이에 반하여, 알루미늄 기지에 탄소섬유가 강화재로 분산된 알루미늄-탄소 복합재료를 제조하는 방법으로서 탄소섬유 번들을 알루미늄 용탕에 침지하거나, 탄소섬유 번들 사이에 알루미늄 분말을 채우고 소결하는 제조방법들을 고려해 볼 수 있으나, 이러한 방법들은 상대적으로 비용이 높다는 점에서 본 발명이 상대적으로 유리하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복수의 금속 코팅 탄소섬유를 알루미늄부재 사이에 배치하는 단계; 및
    상기 알루미늄부재의 외측을 가압부재로 압착하면서 열에너지를 공급하여 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 용융되어 상기 탄소섬유 사이에 침투되도록 하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열에너지를 공급하는 방법은 가열된 상기 가압부재를 상기 알루미늄부재와 직접 접촉시키는 단계를 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열된 가압부재는 가열된 금형을 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열에너지를 공급하는 방법은 상기 가압부재와 상기 알루미늄부재 사이에 가열된 중간부재를 개재시킨 후 상기 가열된 중간부재를 상기 알루미늄부재와 직접 접촉시키는 단계를 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가압부재는 적어도 한 쌍의 압연 롤을 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 코팅 탄소섬유는 니켈이 코팅된 탄소섬유인, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소섬유 사이에 용융되어 침투된 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 상기 니켈과 반응하여 니켈-알루미늄 합금을 형성하는 단계; 를 더 포함하는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 금속 코팅 탄소섬유는 다발 형태로 제공되는, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄-탄소 복합재료는 알루미늄 기지에 상기 탄소섬유가 강화재로 분산된 복합재료이며, 상기 알루미늄 기지의 적어도 일부는 상기 알루미늄부재의 적어도 일부가 용융되어 형성된, 알루미늄-탄소 복합재료의 제조방법.
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