KR20180087339A - 섬유 보강된 복합재에서의 또는 이와 관련된 개선 - Google Patents

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KR20180087339A
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안드레아스 가버
에스테반 빌라론
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헥셀 컴포지츠 에스.아.에스.
핵셀 홀딩 게엠베하
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Abstract

본 발명은 스택을 형성시키는 복수의 보강 복합 물질 층을 포함하는 보강 복합재로서, 스택의 사용 중 응력 평가에 따라, 스택 내 다른 위치에 비해 상승된 사용 중 응력을 받는 스택 내 위치에서 사용되는 복합 물질의 층 개수 및/또는 배향이, 증가된 사용 중 응력 위치에서 제공되는 추가의 복합 물질 층으로 증가되는 보강 복합재에 관한 것이다.

Description

섬유 보강된 복합재에서의 또는 이와 관련된 개선
본 발명은 섬유 보강된 복합재에서의 또는 이와 관련된 개선에 관한 것이다.
섬유 보강된 물질을 포함하는 복합재 및 특히 섬유 및 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그(prepreg)는 적층되어 예비성형체(preform)를 형성시킬 수 있다. 이러한 예비성형체는 후속적으로 모울드(mould) 또는 진공 백(vacuum bag)에서 경화되어 보강된 복합 물질을 형성시킨다. 그러한 복합 물질은 경량이고 고강도이며, 다수의 구조적 적용에서, 예컨대, 자동차 및 항공우주 산업에서, 및 산업적 적용, 예컨대, 윈드 터빈(wind turbine) 부품, 예컨대, 스파(spar) 및 터빈 블레이드를 제조하는데 사용되는 쉘(shell)에서 사용되는 것으로 알려져 있다.
프리프레그는 경화되지 않은 상태의 경화될 준비가 된 수지로 함침된 섬유 및/또는 패브릭을 기술하기 위해 사용되는 용어이다. 섬유는 토우(tow) 또는 패브릭의 형태일 수 있다. 토우 또는 패브릭은 일반적으로 필라멘트라 불리는 복수의 얇은 섬유를 포함한다. 프리프레그에 사용되는 섬유 물질 및 수지의 선택은 경화된 복합 물질에 요구되는 특성 및 또한 복합재가 놓일 용도에 좌우된다.
다양한 방법이 프리프레그를 제조하는데 제안되어 왔으며, 바람직한 방법 중 하나는 움직이는 섬유 웹을 액체, 용융된, 또는 반고체의 경화되지 않은 열경화성 수지로 함침시키는 것이다. 이 방법에 의해 제조된 프리프레그는 이후 요망하는 치수의 섹션으로 절단되고, 이러한 섹션의 스택은 모울딩되고, 가열에 의해 경화되어 최종 섬유 보강된 라미네이트가 제조된다. 경화는 풍력 에너지 구조물, 예컨대, 블레이드를 위한 쉘 및 스파의 제작에서 바람직하기 때문에 경화용 모울드에 배치될 수 있는 진공 백에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 스택이 폐쇄된 모울드에서 형성되고 모울드에서 가열에 의해 직접 경화될 수 있다(압축 모울딩).
그러한 적용에서 사용하기 위한 한 가지 바람직한 부류의 수지는 경화가능한 에폭시 수지이고, 경화제 및 경화제 가속화제는 일반적으로 경화 사이클 시간을 단축시키기 위해 수지에 포함된다. 에폭시 수지는 매우 적합한 수지이지만, 이들은 경화 후에 취성이 되어 최종 라미네이트가 충격 시에 균열되거나 파열되게 할 수 있고, 그에 따라서 실제로 에폭시 수지에서 열가소성 물질 또는 고무와 같은 강인화 물질을 포함하는 것이 일반적이다.
프리프레그는 보강 물질의 통합 층의 형태일 수 있거나, 이는 유사-등방성(quasi-isotropic) 물질 층을 형성시키는 무작위 방향으로 배향된 엘리먼트의 형태일 수 있다. 다중 프리프레그 층 또는 엘리먼트는 통상적으로 복합 라미네이트 구조물을 형성시키도록 조합된다. 프리프레그 층은 평행하게 무작위로 면내 방향으로(유사-등방성) 또는 등방성 또는 유사 등방성 프리프레그 엘리먼트로서 배열될 수 있다.
라미네이트의 형성 후, 이는 요망되는 모양으로 절단될 수 있다. 이는 낭비적이고 비용이 많이 들 수 있는 오프-컷(off-cut)을 생성시킨다.
복합재는 자동차, 항공기, 철도 차량, 보트 및 선박과 같은 물품에 강도 및 보강을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 이들은 구체적으로 부품의 중량을 감소시키면서도 보강을 제공하기 위해 금속 부품에 라미네이션(lamination)될 수 있다. 요망되는 보강 정도는 부품의 길이에 따라 또는 폭에 걸쳐 달라질 수 있다. 예를 들어, 부품 내 특정 영역에는 충돌에 더 취약할 수 있기 때문에 추가 강도가 필요할 수 있거나, 이들은 물품에 적용될 수 있는 어떠한 외부 힘이 다른 위치에서보다 큰 위치에 있을 수 있다.
지금까지, 최대 보강이 부품의 특정 위치에서만 필요할 수 있을지라도 복합재가 최대 필요한 보강을 제공하는 양으로 전체 부품에 걸쳐 제공되었다. 이는 필요한 것보다 더 많은 복합 물질이 사용되므로 낭비적이고 비용이 많이 들며, 또한 불필요하고 바람직하지 않은 부품 중량 증가를 초래한다. 이는 차량의 연료 소비 증가 등으로 이어질 수 있다.
자동차, 및 보트 등과 같은 차량의 설계에서, 차량이 받을 수 있는 응력이 평가되고, 이에 따라 특정 면적에 필요한 보강 정도가 조절된다.
복합재는 추가로 특정 적용에 맞도록 절단에 의해 조정될 수 있다. 이는 낭비적이고 비효율적일 수 있는 스크랩 복합 물질을 형성시킨다는 단점을 지닌다.
본 발명은 상술된 문제들을 없애거나 적어도 완화시키고/거나 일반적으로 개선을 제공하는 것을 목표로 한다.
본 발명에 따르면, 첨부된 청구항 중 어느 하나에 정의된 보강 복합재, 보강된 기재, 자동차 부품, 화합물 및 방법이 제공된다.
또 다른 방법에 따르면, 응력을 받게 될 가능성이 있는 위치에서 사용되는 보강 복합 물질의 층 개수는 그러한 위치에서 평가되는 잠재 응력에 따라 결정되고, 더 많은 복합 물질 층이 더 높은 응력의 가능성이 있는 위치에 제공된다.
첫 번째 양태에서, 본 발명은 복수의 보강 복합 물질 층을 포함하는 보강 복합재로서, 응력을 받게 될 가능성이 있는 위치에서 사용되는 보강 복합 물질 층의 개수가 그러한 위치에서 평가되는 잠재 응력에 따라 결정되고, 더 많은 복합 물질 층이 더 높은 응력의 가능성이 있는 위치에 제공되는 보강 복합재를 제공한다.
보강 복합재는 어떠한 기재에 대한, 특히 금속 기재, 목재 기재 및 플라스틱 기재에 대한 강화 물질로서 제공될 수 있다. 기재는 자동차, 보트, 및 항공우주 비행체 등에서 사용되는 부품일 수 있다. 따라서, 본 발명은 추가로 복합 물질과의 라미네이션에 의해 보강되는 기재를 제공하고, 여기서 복합 물질의 두께는 기재의 표면에 걸쳐 달라지며, 더 두꺼운 복합 물질 섹션이 더 높은 응력을 받을 가능성을 갖는 기재에 대한 위치에서 제공된다.
보강 복합재의 두께는 기재의 표면에 걸쳐 다양한 위치에서 제공되는 보강 복합 물질 층의 개수를 조절함으로써 달라질 수 있다. 보강 복합 물질은 사전-제조되고, 경화된 후 보강될 기재에 라미네이션될 수 있거나, 경화되지 않은 보강 복합 물질(프리프레그) 층은 기재 상에 레이 업(lay up)되고 경화되어 복합재를 형성시키기도 하고 기재에 복합재를 접착시키기도 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 보강 복합재는 기재를 보강하기 위해 사용될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 보강 복합재는 추가로 기재에 복합재를 접착시키기 위한 접착제를 포함한다. 접착제는 보강 복합재와 기재 물질 간의 결합을 개선시킨다.
기재 물질과 보강 복합재는 통합 모울딩 물질을 형성시키도록 함께 접합된다. 통합 모울딩 물질은 통합 모울딩 물질을 요망되는 모양으로 모울딩시키도록 조정되는 압출 모울딩에 위치된 후에 경화되거나, 동시에 통합 모울딩 물질이 경화된다.
통합 모울딩 물질은 추가로 모울딩 표면으로부터 모울딩 물질을 이형시키기 위한 이형 물질을 포함할 수 있다. 적합한 이형 물질은 폴리올레핀 필름 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 폴리올레핀 필름 물질은 C2 (폴리에틸렌) 내지 C6 범위의 다양한 폴리올레핀 폴리머 및/또는 이들의 코폴리머의 다중 층을 포함할 수 있다. 그 밖의 적합한 이형 물질은 불화 열가소성 필름(예컨대, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 불화 에틸렌 프로필렌(FEP), 에틸렌 테트라플루오르에틸렌(ETFE), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 염화 열가소성 필름, 예컨대, 폴리비닐클로라이드(PVC), 저 표면 에너지 열가소성 필름(예컨대, 폴리메틸펜텐 PMP), 저 표면 에너지를 지니도록 화학적으로 개질된 열가소성 필름(예컨대, 실록산 처리된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 얇은 금속 호일(예컨대, 알루미늄), 사전-경화된 열경화성 섬유 보강된 라미네이트, 저 용융 온도 왁스(예컨대, 파라핀 왁스) 또는 합성 왁스(예컨대, 치환된 아미드 왁스) 또는 지방산의 염(예컨대, 칼슘 스테아레이트)의 필름, 저 용융 온도 왁스(예컨대, 파라핀 왁스) 또는 합성 왁스(예컨대, 치환된 아미드 왁스) 또는 지방산의 염(예컨대, 칼슘 스테아레이트)가 주입된 직조 섬유 또는 베일 층 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 이형 필름은 이형 면 및 비-이형 면을 지닐 수 있다.
적합한 접착제 물질은 페이스트로서 필름 형태로 적용되고, 분무될 수 있고, 열경화성 수지, 예컨대, 에폭시, 시아네이트 에스테르, 및 페놀계 수지로 이루어진 군으로부터, 또는 열가소성 결합 접착제, 예컨대, 폴리우레탄, 폴리비닐아세테이트(PVA) 및 PVC로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 적합한 에폭시 수지는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르, 에폭시 노볼락 수지 및 N-글리시딜 에테르, 글리시딜 에스테르, 지방족 및 지환족 글리시딜 에테르, 아미노페놀의 글리시딜 에테르, 어떠한 치환된 페놀의 글리시딜 에테르 및 이들의 배합물을 포함한다. 또한, 상기 언급된 열경화성 폴리머의 개질된 배합물이 포함된다. 이러한 폴리머는 전형적으로 고무 또는 열가소성 물질 첨가, 예컨대, 카복시 종결된 부틸 고무(CTBN/RAM) 조합물에 의해 개질되고, 여기서 개질제가 향상시키는 올레핀성 성질은 기재 표면으로부터 오일을 흡수하고 보다 우수한 결합을 형성시키는 접착제의 능력을 가능하게 한다. 이러한 폴리머는 흔히 추가로 계면활성제 또는 접착 증진 화학물질에 의해 개질된다. 어떠한 적합한 촉매가 사용될 수 있다. 촉매는 사용되는 수지에 상응하도록 선택될 것이다. 에폭시 수지와 사용하기에 적합한 한 가지 촉매는 디시안디아미드 경화제이다. 촉매는 가속화될 수 있다. 디시안디아미드 촉매가 사용되는 경우, 치환된 우레아가 가속화제로서 사용될 수 있다. 적합한 가속화제는 디우론(Diuron), 모뉴론(Monuron), 페뉴론(Fenuron), 클로르톨우론(Chlortoluron), 톨루엔디이소시아네이트의 비스-우레아 및 그 밖의 치환된 동족체를 포함한다. 에폭시 경화제는 댑손(Dapsone: DDS), 디아미노-디페닐 메탄(DDM), BF3-아민 복합체, 치환된 이미다졸, 가속화된 무수물, 메타페닐렌 디아민, 디아미노디페닐에테르, 방향족 폴리에테르아민, 지방족 아민 부가물, 지방족 아민 염, 방향족 아민 부가물 및 방향족 아민 염으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 접착제는 에폭시 수지, 디시안디아미드(DICY) 경화제, 치환된 우레아 가속화제 및 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함한다.
접착제 층은 바람직하게는 직물 또는 스크림(scrim)을 포함한다. 스크림은 모울딩 물질와 기재 물질 사이의 결합선 두께를 제어한다. 이는 시트 모울딩 화합물 또는 블랭크가 모울딩 동안 압력을 받을 때에 기재의 표면으로부터 접착제가 확실히 달라붙을 수 없게 한다. 스크림은 접착제 층의 적용 전에 모울딩 물질 상에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 보강 복합재는 보강 복합재를 생성시키도록 경화되는 보강 물질과 수지 물질의 복합재를 포함할 수 있다. 경화 공정은 가교 공정에 의해 플라스틱 물질로부터 수지를 변환시킨다. 강성의 3-D 구조물로 링킹하는 화학적 활성 부위에서 분자 사슬이 반응하게 하는 에너지 및/또는 촉매가 첨가된다. 가교 공정은 더 큰 분자량을 지니는 분자를 형성시켜 더 높은 융점을 지니는 물질을 생성시킨다. 반응 동안, 분자량은 융점이 주변의 주위 온도보다 높아지고, 물질이 고체 물질로 형성되는 값까지 증가된다.
본 발명에서 사용되는 보강 복합 물질에 사용하기에 적합한 수지 물질은 열경화성 수지, 예컨대, 에폭시, 시아네이트 에스테르 및 페놀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 적합한 에폭시 수지는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 F의 디슬리시딜 에테르, 에폭시 노볼락 수지 및 N-글리시딜 에테르, 글리시딜 에스테르, 지방족 및 지환족 글리시딜 에테르, 아미노페놀의 글리시딜 에테르, 어떠한 치환된 페놀의 글리시딜 에테르 및 이들의 배합물을 포함한다. 또한, 상기 언급된 열경화성 폴리머들의 개질된 배합물이 포함된다. 이러한 폴리머는 전형적으로 고무 또는 열가소성 물질 첨가에 의해 개질된다. 어떠한 적합한 촉매가 사용될 수 있다. 촉매는 사용되는 수지에 상응하도록 선택될 것이다. 에폭시 수지와 사용하기에 적합한 한 가지 촉매는 디시안디아미드 경화제이다. 촉매는 가속화될 수 있다. 디시안디아미드 촉매가 사용되는 경우, 치환된 우레아가 가속화제로서 사용될 수 있다. 적합한 가속화제는 디우론, 모뉴론, 페뉴론, 클로르톨우론, 톨루엔디이소시아네이트의 비스-우레아 및 그 밖의 치환된 동족체를 포함한다. 에폭시 경화제는 댑손(DDS), 디아미노-디페닐 메탄(DDM), BF3-아민 복합체, 치환된 이미다졸, 가속화된 무수물, 메타페닐렌 디아민, 디아미노디페닐에테르, 방향족 폴리에테르아민, 지방족 아민 부가물, 지방족 아민 염, 방향족 아민 부가물 및 방향족 아민 염으로부터 선택될 수 있다. 수지는 추가로 디시안디아미드(DICY) 경화제, 치환된 우레아 가속화제를 함유할 수 있다. 이들은 또한 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머를 함유할 수 있다.
수지 물질은 강인화제(toughening agent)를 포함할 수 있다. 적합한 강인화제는 액체 고무(예컨대, 아크릴레이트 고무, 또는 카복실-종결된 아크릴로니트릴 고무), 나노 또는 마크로 크기 범위의 고체 고무(예컨대, 고체 니트릴 고무, 또는 코어-쉘 고무), 열가소성 물질(예컨대, 폴리(에테르설폰), 폴리(이미드)), 블록 코폴리머(예컨대, 스티렌-부타디엔-메타크릴레이트 트리블록), 나노 또는 마크로 크기 범위의 고 모듈러스 입자(예컨대, 실리카) 또는 이들의 배합물로부터 선택될 수 있다.
보강 복합 물질은 어떠한 섬유 물질, 예컨대, 천연 섬유(예를 들어, 아마, 대마, 짚, 건초, 해초, 현무암), 유리 섬유, 아라미드, PAN 또는 탄소 섬유(이들의 혼합물, 예컨대, 탄소 섬유와 유리 섬유의 혼합물 포함)를 포함할 수 있다. 논의되는 바와 같이, 섬유 보강 물질은 또한 다중 섬유 물질 층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 섬유 보강 층은 배향성 섬유(oriented fibre)를 포함한다.
섬유 물질 층은 55 내지 10000 gsm (g/m2), 바람직하게는 100 내지 8000 gsm, 더욱 바람직하게는 150 내지 4000 gsm 범위의 중량을 지닐 수 있다. 섬유 층의 두께는 0.05 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 0.1 mm 내지 8 mm의 범위일 수 있다.
섬유 물질은 단방향성, 직조, 절단, 이축 또는 삼축일 수 있다. 섬유 길이는 1 mm 내지 몇 미터, 바람직하게는 5 mm 내지 100 mm, 더욱 바람직하게는 10 mm 내지 100mm 이하로 다양할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 보강 복합재 중의 섬유는 보강 복합재에서의 어떠한 특정 위치에서 사용되는 다양한 물질 층에 상이한 방향으로 정렬된다. 예를 들어, 균일한 두께인 복합 물질의 베이스 섹션은 여러 층을 포함할 수 있고, 층 내 섬유의 배향은 평행하거나 서로에 대해 90°로 되어 있을 수 있다. 고응력 가능성이 있는 것으로 여겨지는 위치에서 제공되는 추가의 복합 물질 층은 베이스 층에서 섬유에 대해 90°로 정렬될 수 있다. 하기 표 1은 단방향성 섬유를 기초로 한 모울딩 물질 층이 상이한 배향으로 섬유와 어떻게 레이 업될 수 있는지를 예시하고 있다.
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그러나, 본 발명은 층 내 섬유가 무작위 배향을 지니거나 모든 층에서 평행한 복합재에 동등하게 적용가능하다. 예를 들어, 섬유는 직물로서 제공될 수 있다.
본 발명의 보강 복합재는 섬유 보강재와 보강 복합재가 부착된 기재 간의 갈바닉 커플링(galvanic coupling)을 방지하는 절연 층을 포함할 수 있다. 이는 특히 금속 기재 및 탄소 섬유 보강재가 금속의 부식을 방지하는데 특히 유리하다.
접착제 층은, 사용되는 경우, 또한 기재 물질과 섬유 보강재 물질 간의 갈바닉 커플링을 방지하는 절연 층을 포함할 수 있다. 접착제 층에서 절연 층은 접착제에 의해 또는 또 다른 물질에 의해 형성될 수 있다. 접착제에서 절연 층 물질은 모울딩 물질의 절연 층 물질과 상이할 수 있다.
절연 층은 1 S.m-1 이하, 바람직하게는 0.1 S.m-1 이하, 더욱 바람직하게는 0.01 S.m-1 이하, 또는 상기 언급된 범위의 조합의 전도도를 지니는 적합한 절연 층 물질을 포함할 수 있다. 적합한 절연 물질은 유리 섬유, 아마, 대마, 고무, 열가소성 물질, 예컨대, 폴리아미드, 또는 에틸렌/비닐 아세테이트 코폴리머를 포함할 수 있다. 절연 물질은 베일의 형태로 패브릭의 스크림일 수 있다.
보강 물질의 경화는 단일 스테이지 또는 다중 스테이지, 예컨대, 2개, 3개 이상의 스테이지로 일어날 수 있다. 경화는 압축 모울딩 후에 또는 압축 모울딩 동안 일어날 수 있다. 경화가 다중 스테이지로 발생하는 경우, 1개 이상의 스테이지가 압축 모울딩과 동시에 일어날 수 있다.
다중스테이지 경화의 경우, 섬유 보강된 복합재 층에 대한 전형적인 초기 경화 사이클은 주위 온도에서 30 내지 200℃, 바람직하게는 30 내지 160℃ 이하의 온도로의 온도 증가를 포함하고, 그 후에 30 내지 200℃, 바람직하게는 50 내지 160℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 150℃ 범위의 고정된 온도에서 1 초 내지 10 시간, 바람직하게는 10 초 내지 1 시간, 1 분 내지 1 시간, 1 분 내지 45 분 또는 1 분 내지 30 분 또는 1 내지 30 분 범위의 기간 및/또는 상기 언급된 기간의 조합 동안의 드웰 스테이지(dwell stage)가 이어질 수 있다. 드웰 스테이지 후, 온도는 추가로 60 내지 200℃, 바람직하게는 60 내지 160℃ 이하의 온도로 증가되고, 그 후에 60 내지 200℃, 바람직하게는 60 내지 160℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 160℃ 범위의 고정된 온도에서 1 초 내지 10 시간, 바람직하게는 10 초 내지 1 시간, 1 분 내지 1 시간, 1 분 내지 45 분 또는 1 분 내지 30 분 또는 1 내지 30 분 범위의 기간 및/또는 상기 언급된 기간들의 조합 동안의 경화 스테이지가 이어진다.
초기 경화 사이클 및 모울딩 물품이 주위 온도로 냉각된 후의 어느 시점에, 이는 이의 전체 열 및 기계적 특성을 발달시키는 두 번째 "후속 경화" 단계를 거칠 수 있다. 모울딩 물질에 대한 전형적인 후속 경화 사이클은 주위 온도에서 30 내지 200℃, 바람직하게는 30 내지 160℃ 이하의 온도로의 온도 증가를 포함하고, 그 후에 30 내지 200℃, 바람직하게는 50 내지 160℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 150℃ 범위의 고정된 온도에서 1 초 내지 10 시간, 바람직하게는 10 초 내지 1 시간, 1 분 내지 1 시간, 1 분 내지 45 분 또는 1 분 내지 30 분 또는 1 내지 30 분 범위의 기간 및/또는 상기 언급된 기간의 조합 동안의 드웰 스테이지가 이어질 수 있다. 드웰 스테이지 후, 온도는 추가로 60 내지 200℃, 바람직하게는 60 내지 160℃ 이하의 온도로 증가되고, 그 후에 60 내지 200℃, 바람직하게는 60 내지 160℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 160℃ 범위의 고정된 온도에서 1 초 내지 10 시간, 바람직하게는 10 초 내지 1 시간, 1 분 내지 1 시간, 1 분 내지 45 분 또는 1 분 내지 30 분 또는 1 내지 30 분 범위의 기간 및/또는 상기 언급된 기간들의 조합 동안의 경화 스테이지가 이어진다.
그러나, 바람직하게는 그리고 유리하게는, 물품은 60 내지 200℃, 바람직하게는 80 내지 160℃ 범위의 온도에서 20 초 내지 8 분, 바람직하게는 40 초 내지 3 분, 더욱 바람직하게는 60 초 내지 120 초의 기간 및/또는 상기 언급된 기간들의 조합에 걸쳐 단일 단계로 모울딩된다. 물품은 경화되거나 부분 경화될 수 있다. 부분 경화된 물품에는 어셈블리 또는 코팅과 같은 다른 후속 생산 단계 동안 경화가 진행될 수 있다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 고응력에 취약한 것으로 여겨지는 위치에서 제공되는 추가의 복합 물질 층 중 적어도 하나는 오프 컷 또는 스크랩 물질, 예컨대, 프리프레그가 구조물에 대하여 기초 보강을 제공하도록 요망되는 모양으로 절단되는 경우에 얻어지는 물질일 수 있다. 이러한 방식으로, 요망되는 국소적 보강의 증가를 제공하는 동시에 낭비가 감소될 수 있다.
오프-컷 또는 스크랩은 시트 물질에 통합될 수 있다. 오프-컷 또는 스크랩은 이들의 통합 전에 다중 섬유 엘리먼트로 절단될 수 있다. 시트 물질은 적용되어 돌출부, 채널 또는 복잡한 곡률의 표면을 형성시킬 수 있다.
본 발명은 추가 플라이(ply)를 포함하는 선택된 영역과 테이프 물질의 다중 플라이를 포함하는 라미네이트를 사용할 수 있다. 각각의 플라이는 서로에 대해 평행하게 배치된 테이프의 하나 이상의 섹션(또한 코스(course)라 불림)을 함유하고, 각각의 플라이는 하나 이상의 기저 플라이로 융합된다. 각각의 플라이의 모양 및 라미네이트에서 다른 플라이 중의 섬유에 대한 플라이 중의 섬유의 배향 또는 각도는 최종 생산된 물품이 이의 표면에 전체에 걸쳐 요망되는 구조적 특징을 지니도록 선택된다.
층들은 함께 고정될 수 있고, 층들을 함께 고정시키는데 이용되는 방법 및 이들이 고정되는 정도는 상이한 구체예에서 달라질 수 있는 또 다른 변수이다. 코스들을 기저 플라이에 고정시키기 위한 방법은 접촉 가열, 초음파 용접, 유도 용접, 레이저 가열, 고온 가스, 또는 플라이를 서로에 대해 접착시키는 다른 방법을 포함할 수 있다. 또한, 방법은 관절형 헤드 또는 움직이는 기재 표면, 또는 두 가지 포지셔닝 접근의 조합과 이용될 수 있다. 본원에 기재된 구체예에는 x 및 y 방향으로 움직일뿐만 아니라 회전할 수 있는 평평한 기재 표면 위에 위치되는 고정된 물질 배치 헤드가 사용되지만, 배치 헤드와 기재 표면 사이의 상대 운동이 또한 배치 헤드를 움직이거나 이 둘의 조합으로 달성될 수 있다.
또 다른 본 발명에 따르면, 스택을 형성시키는 복수의 보강 복합 물질 층을 포함하는 보강 복합재로서, 적어도 하나의 복합 물질 층이 배향성 수지 함침된 섬유 엘리먼트를 포함하는 모울딩 화합물을 포함하고, 섬유 엘리먼트가 스택에서의 이의 배치 전에 보강 복합 물질을 절단함으로써 얻어지는 오프-컷 또는 스크랩 물질로부터 수득되는 보강 복합재가 제공된다.
바람직한 구체예에서, 오프-컷 또는 스크랩 물질은 오프-컷 또는 스크랩 물질을 포함하는 다중 보강 복합 물질 층을 분리함으로써 얻어진다. 이는 스크랩 물질이 재사용되는 것을 가능하게 한다. 오프-컷 또는 스크랩 물질은 바람직하게는 섬유 엘리먼트로 절단된다.
추가의 구체예에서, 모울딩 화합물은 섬유 엘리먼트가 무작위로 배향되는 시트 또는 층의 형태이다. 바람직하게는, 섬유 엘리먼트는 단방향 섬유를 포함한다.
추가의 구체예에서, 섬유 엘리먼트는 배향 후에 통합된다.
모울딩 화합물 층은, 스택의 사용 중 응력 평가에 따라, 스택 내 다른 위치에 비해 상승된 사용 중 응력을 받는 스택 내 하나 이상의 위치에서 사용된다.
본 발명의 추가의 또 다른 구체예에서, 배향성 수지 함침된 섬유 엘리먼트를 포함하는 모울딩 화합물로서, 섬유 엘리먼트가 스택을 형성시키는 복수의 보강 복합 물질 층을 포함하는 보강 복합재를 절단함으로써 얻어지는 오프-컷 또는 스크랩 물질로부터 수득되는 모울딩 화합물이 제공된다. 바람직하게는, 오프-컷 또는 스크랩 물질은 오프-컷 또는 스크랩 물질을 포함하는 다중 보강 복합 물질 층을 분리함으로써 얻어진다.
모울딩 화합물은 하나 이상의 돌출부, 마찰부, 채널 및 복잡한 곡률의 모양을 포함하는 모울딩된 복합재 부분의 특정 양태를 형성하도록 조정될 수 있다.
섬유 엘리먼트는 가열에 의해 시트를 형성시키도록 통합될 수 있다. 엘리먼트는 60 내지 80℃의 온도로 가열된다.
섬유 엘리먼트는 배향 후에 통합된다.
마지막으로, 추가의 양태에서, 모울딩 화합물을 제조하는 방법으로서,
a) 복수의 보강 복합 물질 층을 제공하는 단계;
b) 스택을 형성시키는 단계;
c) 스택을 절단하여 오프-컷 또는 스크랩 물질을 수득하는 단계;
d) 오프-컷 또는 스크랩 물질을 섬유 엘리먼트로 분리하는 단계;
e) 섬유 엘리먼트를 배향시키는 단계; 및
f) 층을 형성시키도록 섬유 엘리먼트를 통합하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
바람직한 구체예에서, 적어도 하나의 복합 물질 층은 스택 내에 모울딩 화합물을 위치시키는 단계를 포함하는 본 발명의 방법에 의해 수득되는 모울딩 화합물을 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 예시된다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 복합 보강 물질의 4개의 보강 파트를 보여주는 것이다.
도 2는 도 1의 선 A-A에 대한 단면이다.
도 3은 도 1의 선 B-B에 대한 단면이다.
도 4는 도 1의 선 C-C에 대한 단면이다.
도 1은 물질의 섹션이 위치 (2)로부터 제거된 베이스 섹션 (1)을 각각 지니는 4개의 파트를 보여주는 것이다.
도 2, 3 및 4는 생성된 다층 복합재가 선 B-B를 따라 추가의 보강을 제공하고, 선 A-A 및 C-C를 따라 다양한 위치에서 국소화된 추가의 보강을 어떻게 제공하는지를 보여주는 것이다. 도 2, 3 및 4는 또한 다양한 층에서 섬유의 배향이 필요에 따라 어떻게 달라질 수 있는지를 예시하는 것이다.
나타나 있는 물질들은, 도 2 및 4에서 파트 1 및 3에 대하여 나타나 있는 바와 같이 국소화된 추가의 보강과 함께 구조적 보강을 제공하기 위한, 금속 자동차 부품과 같은 기재에 대한 라미네이션에 적합하다.

Claims (20)

  1. 복수의 보강 복합 물질 층을 포함하는 보강 복합재(reinforcing composite)로서, 응력을 받게 될 가능성이 있는 위치에서 사용되는 보강 복합 물질 층의 개수가 그러한 위치에서 평가되는 잠재 응력에 따라 결정되고, 더 많은 복합 물질 층이 더 높은 응력의 가능성이 있는 위치에 제공되는, 보강 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 기재에 강화 물질로서 제공되는, 보강 복합재.
  3. 제2항에 있어서, 기재가 금속 기재, 목재 기재 및 플라스틱 기재로부터 선택되는, 보강 복합재.
  4. 제3항에 있어서, 기재가 자동차, 보트 또는 항공우주 비행체에서 사용되는 부품인, 보강 복합재.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기재에 보강 복합재를 접착시키기 위한 접착제를 추가로 포함하는, 보강 복합재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 모울드 표면으로부터 보강 복합재를 이형시키기 위한 이형 물질을 포함하는, 보강 복합재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 경화되어 보강 복합재를 생성시키는 보강 물질과 수지 물질의 복합재를 포함하는, 보강 복합재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 열경화성 수지 매트릭스에 엠베딩(embedding)된 보강 섬유를 포함하는, 보강 복합재.
  9. 제8항에 있어서, 열경화성 수지가 에폭시 수지인, 보강 복합재.
  10. 제9항에 있어서, 수지 물질이 강인화제(toughening agent)를 포함하는, 보강 복합재.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 보강재가 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 보강 복합재.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 보강재가 단방향, 직조, 절단, 이축 또는 삼축인, 보강 복합재.
  13. 제12항에 있어서, 보강 복합재 중의 섬유가 보강 복합재에서 어떠한 특정 위치에 사용되는 다양한 물질 층에 상이한 방향으로 정렬되는, 보강 복합재.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 보강 복합재가 기재에 부착되는 경우 섬유 보강재와 기재 간의 갈바닉 커플링을 방지하는 절연 층을 포함하는, 보강 복합재.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 고응력에 취약한 것으로 여겨지는 위치에서 제공되는 추가의 복합 물질 층 중 적어도 하나가 오프 컷(off cut) 또는 스크랩(scrap) 물질인, 보강 복합재.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 테이프 물질의 추가의 플라이(ply)를 포함하는 선택된 영역과의 다중 플라이를 포함하는, 보강 복합재.
  17. 복합 물질과의 라미네이션에 의해 보강되는 기재로서, 복합 물질의 두께가 기재의 표면에 걸쳐 달라지고, 복합 물질의 더 두꺼운 섹션이, 더 높은 응력을 받을 가능성을 갖는 것으로 평가된 기재 상의 위치에서 제공되는, 기재.
  18. 제17항에 있어서, 기재가 금속을 포함하는, 보강 기재.
  19. 제18항에 있어서, 기재가 강철 또는 알루미늄을 포함하는, 기재.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 기재를 포함하는, 자동차 부품.
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