KR20190021606A - 절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법 - Google Patents
절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법에 대해 개시한다. 절두 원추형 탄소복합재 제조장치는 내부에 수용공간이 형성되는 본체, 본체의 일측에 배치되고, 탄화수소가스를 유입하는 유입관, 본체의 타측에 배치되고, 탄화수소가스를 배출하는 배출관, , 외주면에 배치되는 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 가열하기 위한 히터, 히터의 일단에 구비되는 제1전극 및 히터의 타단에 구비되는 제2전극을 포함하고, 히터는, 내부에 형성되는 중공을 갖는 절두 원추형상의 중심히터 중심히터의 평면 중 단면적이 작은 일면으로부터 연장되어, 중심히터로부터 멀어질수록 단면이 같거나 줄어드는 형상으로 형성되는 제1연장히터 및 중심히터의 일면과 대향되는 타면에 원통형상으로 형성되는 제2연장히터를 포함한다.
Description
이하의 설명은 절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소복합재의 제조방법은 탄소섬유로 직조된 프리폼에 탄소기지물질을 형성시켜 주는 방법에 따라 액상함침법과 화학기상 침투방법으로 구분할 수 있는데, 이중 액상함침법은 프리폼에 수지를 함침시킨 후 그 수지를 열분해 시켜 탄소복합재를 제조하는 방법이며, 화학기상 침투방법은 탄소섬유로 제조된 탄소복합재 프리폼에 탄화수소가스를 침투 시키고, 탄화수소가스를 열분해하여 생성되는 열분해 탄소로, 탄소복합재 프리폼을 밀도화 시킴으로써 제조하는 방법이다.
화학기상 침투방법은 등온/등압 화학기상 침투방법(Isothermal/Isobaric chemical vapor infiltration, ICVI), 열구배 화학기상 침투방법(Thermal gradient chemical Vapor Infiltration, TG-CVI) 등이 있다.
이와 같이, 열구배 화학기상 침투방법으로 제조된 탄소복합재는 항공우주, 국방산업, 기계, 자동차, 스포츠용품, 토목 및 건축분야 등 다양한 산업분야로 활용될 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
실시 예의 목적은, 절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
실시예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치에 대해 설명한다.
절두 원추형 탄소복합재 제조장치는 내부에 수용공간이 형성되는 본체, 상기 본체의 일측에 배치되고, 탄화수소가스를 유입하는 유입관, 상기 본체의 타측에 배치되고, 탄화수소가스를 배출하는 배출관, 절두 원추형상의 중심히터를 포함하고, 외주면에 배치되는 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 가열하기 위한 히터, 상기 히터의 일단에 구비되는 제1전극 및 상기 히터의 타단에 구비되는 제2전극을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 중심히터는 내부에 형성되는 중공을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 히터는, 상기 중심히터의 평면 중 단면적이 작은 일면으로부터 상기 일면의 둘레와 동일한 외주 면의 둘레를 가지고 연장되어 원통형상으로 형성되는 제1연장히터 및 상기 중심히터의 일면과 대향되는 타면에 원통형상으로 형성되는 제2연장히터를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 중심히터의 두께는 상기 제2연장히터의 두께보다 작게 형성되어, 상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 제2연장히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 크게 형성되어, 상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 중심히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 작게 형성되고, 상기 제2연장히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 크게 형성되어, 상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 중심히터의 두께는 상기 타면으로부터 상기 일면으로 갈수록 증가할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 히터는 상기 제1전극 및 제2전극에 각각 탈부착이 가능할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 히터는 가열온도가 950℃ 내지 1200℃로 형성될 수 있다.
한편, 절두 원추형 탄소복합재 제조장치는 내부에 수용공간이 형성되는 본체, 절두 원추형상의 중심히터와, 상기 중심히터의 상측으로 연장되는 상부히터와, 상기 중심히터의 하측으로 연장되는 하부히터를 포함하고, 상기 본체의 내부에 수용되는 히터, 상기 상부히터와 전기적으로 연결되는 상부전극 및 상기 하부히터와 전기적으로 연결되는 하부전극을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 상부히터는 상기 중심히터로부터 상측으로 갈수록 단면적이 같거나 줄어들 수 있다.
일측에 따르면, 상기 상부히터는 상기 상부전극에 탈부착 가능할 수 있다.
실시 예에 따른 원추형 탄소복합재 제조방법에 대해 설명한다. 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 준비하는 단계, 상기 준비된 탄소복합재 프리폼의 내주면이, 절두 원추형상의 중심히터를 포함하는 히터의 외주면에 배치되도록 거치하는 단계, 상기 히터를 가열시켜 상기 히터에 거치된 상기 탄소복합재 프리폼의 내주면에서 외주면 방향으로 열구배를 형성하는 단계, 상기 열구배가 형성된 탄소복합재 프리폼에 탄화수소가스를 공급하여, 밀도화하는 단계 및 상기 탄소복합재 프리폼이 밀도화된 탄소복합재를 상기 히터로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 준비하는 단계는 절두 원추형상의 맨드릴(Mandrel)에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니들펀칭(Needle punching)하여 상기 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 준비하는 단계는 절두 원추형상의 맨드릴에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니팅(Knitting) 및 소잉(Sewing) 방법으로 스티칭(Stitching)하여 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 혼합탄소섬유웹은 탄소섬유가 직조되어 형성되는 탄소섬유직물과, 짧게 끊어진 탄소섬유가 무작위로 얽혀져 형성되는 탄소섬유웹이 번갈아 적층된 후, 니들펀칭되어 형성될 수 있다.
실시 예에 따른, 절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법에 의하면, 탄소복합재를 절두 원추형상으로 제조하기 때문에, 원통형의 탄소복합재를 원추형상으로 가공하는 공정을 배제할 수 있어, 제조시간이 단축될 수 있다.
또한, 탄소복합재를 절두 원추형상으로 제조하기 때문에, 추가적인 가공 과정 및 가공 비용을 최소화하면서도 추진 기관 등에 사용될 수 있다. 따라서, 재료의 낭비를 방지하여 제조단가를 낮출 수 있다.
또한, 절두 원추형상의 탄소복합재 프리폼을 탄소복합재로 밀도화 시키므로, 전력소비를 줄일 수 있으며, 밀도화 시간의 단축될 수 있다. 또한, 절두 원추형상의 탄소복합재는 열구배 화학기상 침투방법으로 제조될 수 있으므로, 유사한 강성의 초고장력 강판에 비해 중량이 경량이며, 고온에서도 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있다. 또한, 탄소복합재는 열 및 화학적 침식환경에서 우수한 내식성 및 내열성을 가지며, 우수한 마찰 및 마모특성을 가진다.
도 1은 일 실시 예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치의 모습을 개략적으로 보여주는 정단면도이다.
도 2는 히터의 온도분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치에서 제조되는 탄소복합재의 모습을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7은 실시 예들에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 히터의 온도분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치에서 제조되는 탄소복합재의 모습을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 히터의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7은 실시 예들에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 실시 예들을 설명하기에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 밀도화란 탄소복합재 프리폼에 열분해탄소가 증착되는 과정을 의미한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치의 모습을 개략적으로 보여주는 정단면도이다.
도 1을 참조하면, 절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10)는 본체(100) 내부에 배치된 히터(400)에 탄소복합재 프리폼(P)을 거치하고, 히터(400)를 가열함으로써, 본체(100) 내부에 유입된 탄화수소가스가 히터(400)의 열에 의해 분해되어, 열분해탄소가 탄소복합재 프리폼(P)의 내부부터 바깥쪽 방향으로 증착되어 탄소복합재(M)를 형성할 수 있다.
여기서, 탄소복합재 프리폼(P)은 혼합탄소섬유웹으로 형성되는 절두 원추형상일 수 있다. 예를 들어, 탄소복합재 프리폼(P)은 절두 원추형상의 맨드릴(Mandrel)에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니들펀칭(Needle punching)하여 절두 원추형상으로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소복합재 프리폼(P)은 절두 원추형상의 맨드릴에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니팅(Knitting) 및 소잉(Sewing) 방법으로 스티칭(Stitching)하여 형성될 수 있다.
혼합탄소섬유웹은 탄소섬유가 직조되어 형성되는 탄소섬유직물과, 짧게 끊어진 탄소섬유가 무작위로 얽혀져 형성되는 탄소섬유웹이 번갈아 적층된 후, 니들펀칭되어 형성될 수 있다.
탄소섬유는 레이온(Rayon)계, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 또는 핏치(Pitch)계 등의 재질이나, 이들을 혼합한 재질을 포함할 수 있다.
절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10)는 본체(100), 유입관(200), 배출관(300), 히터(400), 제1전극(500) 및 제2전극(600)을 포함할 수 있다.
본체(100)는 내부에 수용공간을 형성할 수 있다. 본체(100)는 탄소복합재 프리폼(P)에 열분해탄소가 증착되는 반응로로서, 내부의 수용공간은 탄소복합재 프리폼(P)이 밀도화되는 공간일 수 있다.
유입관(200)은 본체(100)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유입관(200)은 본체(100)의 하단에 본체(100)의 내부와 연통하며 배치될 수 있다. 이와 같은, 유입관(200)은 반응가스로 탄화수소가스를 본체(100) 내부로 유입할 수 있다.
탄화수소가스는 열이 가해지면 열분해되어 열분해탄소가 발생되고, 발생된 열분해탄소는 탄소복합재 프리폼(P)에 증착될 수 있다. 이와 같은, 탄화수소가스는 증착속도가 높아 밀도화하는 시간을 단축시킬 수 있다.
배출관(300)은 본체(100)의 타측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 배출관(300)은 본체(100)의 상단에 본체(100)의 내부와 연통하며 배치될 수 있다. 배출관(300)은 열분해되고 남은 탄화수소가스를 배출할 수 있다.
히터(400)는 외주면에 배치되는 탄소복합재 프리폼(P)을 가열할 수 있다. 예를 들어, 히터(400)의 외주면에 탄소복합재 프리폼(P)을 거치하고, 히터(400)를 가열하여 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면을 가열할 수 있다.
히터(400)는 전기가 통전되면 가열되는 발열체 일 수 있다. 예를 들어, 히터(400)는 전기가 통전되면 저항에 의해 발열하는 흑연을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
히터(400)는 중심히터(410), 제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430)를 포함할 수 있다.
중심히터(410)는 절두 원추형상으로 형성된다. 이와 같은 형상에 의하면, 프리폼(P)을 별도의 고정 수단 없이도 중심히터(410)를 이용하여 형상적으로 지지할 수 있다. 중심히터(410)는 내부에 중공을 형성할 수 있다. 예를 들어, 중심히터(410)는 단면적이 작은 일면으로부터 대향되는 타면으로 점차 넓어지는 형태로 중공이 형성될 수 있다. 즉, 중심히터(410)의 절두된 상면으로부터 저면으로 점차 넓어지는 형태로 중공이 형성될 수 있다. 예를 들면, 중심히터(410)의 외주면과 내주면이 형성하는 두께가 일정 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 한편, 중심히터(410)의 저면 테두리는 막혀있는 형태로 형성될 수 있으며, 저면 중앙에는 후술하는 제2연장히터(430)의 중공과 동일한 크기의 중공이 형성될 수 있다.
제1연장히터(420)는 중심히터(410)의 평면 중 단면적이 작은 일면으로부터 연장되어 형성될 있다. 예를 들어, 제1연장히터(420)는 중심히터(410)의 상측으로부터 일면의 둘레와 동일한 외주 면의 둘레를 가지고 연장되어 원통형상으로 형성될 수 있다. 즉, 히터(400)가 수직방향으로 길이방향을 가질 경우, 제1연장히터(420)는 중심히터(410)의 상측으로 연장되는 상부히터일 수 있다.
실시 예에서는 제1연장히터(420)가 원통형상인 것을 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 제1연장히터(420)는 중심히터(410)로부터 상측으로 갈수록 외주면의 둘레가 줄어드는 형상일 수 있다. 즉, 제1연장히터(420)가 중심히터(410)로부터 상측으로 갈수록 단면적이 줄어드는 형상도 가능할 수 있다.
다시 말하면, 제1연장히터(420)는, 중심히터(410)로부터 상측으로 갈수록 단면적이 같거나 줄어드는 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 형상에 의하면, 프리폼(P)을 제1연장히터(420)를 통하여 쉽게 삽입할 수 있다.
제2연장히터(430)는 중심히터(410)의 평면 중 일면과 대향되는 타면에 원통형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2연장히터(430)는 중심히터(410)의 하면에서 연장되는 원통형상일 수 있다. 즉, 제2연장히터(430)는 히터(400)가 수직방향으로 길이방향을 가질 경우, 제2연장히터(430)는 중심히터(410)의 하측으로 연장되는 하부히터일 수 있다.
제2연장히터(430)의 외주면의 둘레는 중심히터(410)의 저면의 둘레보다 작은 둘레로 형성될 수 있다. 제2연장히터(430)의 외주면의 둘레는 제1연장히터(420)의 외주면의 둘레와 동일한 크기일 수도 있다.
제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430)의 둘레는 각각 제1전극(500) 및 제2전극(600)에 결합이 가능하도록 제1전극(500) 및 제2전극(600)의 면적보다 작게 형성될 수 있다.
제1전극(500)은 히터(400)의 일단에 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(500)은 제1연장히터(420)의 일단 즉, 제1연장히터(420)의 상면에 구비될 수 있다.
제2전극(600)은 히터(400)의 타단에 구비된다. 예를 들어, 제2전극(600)은 제2연장히터(430)의 타단, 즉, 제2연장히터(430)의 하면에 구비될 수 있다.
제1전극(500) 및 제2전극(600)은 히터(400)가 가열되도록 히터(400)에 전기를 통전시킬 수 있다. 예를 들어, 제1전극(500)은 양극으로 구성되고, 제2전극(600)은 음극으로 구성되어, 히터(400)에 전기를 통전시켜 히터(400)의 저항에 의해 히터(400)가 가열되도록 구성이 가능할 수 있다.
예를 들어, 히터(400)는 가열온도가 950℃ 내지 1200℃로 형성될 수 있다. 가열온도가 950℃미만인 경우에는 탄화수소가스가 균일하게 열분해 되지 않아 탄소복합재 프리폼(P)에 증착이 되지 않을 수 있으며, 1200℃이상인 경우에는 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면부터 증착이 되지 않아 내주면에 탄화수소가스가 침투하지 못해 내주면은 밀도화 되지 않을 수 있다.
제1전극(500) 또는 제2전극(600) 중 어느 하나는 히터(400)와 탈착이 가능하게 구비될 있다. 이러한 제1전극(500) 또는 제2전극(600)은 히터(400)를 탈착시켜 탄소복합재 프리폼(P)의 거치를 용이하게 할 수 있다. 이와 같은, 제1전극 (500)및 제2전극(600) 모두가 히터(400)와 탈착이 가능하게 구비되는 것도 가능할 수 있다.
절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10)는 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면을 히터(400)가 가열하면, 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면부터 탄화수소가스가 열분해되어 증착이 이루어질 수 있다. 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면은 증착에 의해 밀도가 높아져 열전도도가 높아지게 되며, 열전도도에 의해 반응온도범위가 내주면에서 외주면으로 점차 확대되어 탄화수소가스가 열분해되어 증착되어 탄소복합재 프리폼(P)의 외주면방향으로 열분해탄소의 증착이 균일하게 이루어 질 수 있다. 따라서, 히터(400)는 균일한 온도구배를 형성할 경우 원추형 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면 전체에 보다 균일한 증착이 이루어지도록 할 수 있다. 다시 말하면, 히터(400)에 균일한 온도구배를 형성하면, 균일한 증착 과정을 통해 최종적으로 제조된 탄소복합재(M)의 물성 편차를 줄일 수 있고, 따라서, 탄소복합재(M)의 내구성이나 기계적 물성, 예를 들면, 전단 강도 또는 인장 강도 등을 향상시킬 수 있으므로, 결과적으로 탄소복합재(M)의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 2는 히터의 온도분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 히터(400)의 각 부분들, 다시 말하면, 중심히터(410), 제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430)의 단면적의 차이 또는 형상적인 측면에서 온도 편차가 발생하였음을 확인할 수 있다.
예를 들어, 절두 원추형상의 중심히터(410)의 경우 나머지 제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430) 각각의 단면적보다 넓은 단면적을 가지므로, 발열온도가 상대적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 중심히터(410)는 제1연장히터(420)로부터 제2연장히터(430)로 갈수록 넓어지는 형상을 포함하고, 그 결과 도 1을 기준으로 중심히터(410)의 상측에서 제1연장히터(420)로 전달되는 열보다 중심히터(410)의 하측에서 제2연장히터(430)로 전달되는 열이 더 많을 것임을 알 수 있다. 도 2에 도시된 그래프에서는 제1연장히터(420)의 온도보다 제2연장히터(430)의 온도가 더 높으므로 이와 같은 예상 결과를 확인할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 균일한 증착을 위하여는 히터(400)가 전 구역에서 균일한 온도구배가 형성하는 것이 바람직하므로, 히터(400)가 균일한 온도구배를 형성할 수 있는 실시 예들을 이하 제시하기로 한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 히터(400)의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 중심히터(410)의 두께(t1)는 제2연장히터(430)의 두께(t2)보다 작게 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면 제2연장히터(430)의 단면적을 증가시킴으로써, 중심히터(410)의 온도 및 제2연장히터(430)의 온도의 편차를 줄일 수 있다.
한편, 제1연장히터(420)의 두께(t3) 및 제2연장히터(430)의 두께(t2)를 서로 동일하게 설계하더라도, 앞서 서술한 바와 같이 중심히터(410)가 제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430) 각각에 미치는 영향의 차이에 따라서, 제1연장히터(420) 및 제2연장히터(430) 사이에 온도 편차가 발생할 수 있다. 다시 말하면, 중심히터(410)의 저면의 발열에 의해 제2연장히터(430)의 온도가 제1연장히터(420)의 온도보다 높아질 수 있으므로, 제2연장히터(430)의 두께(t2)를 제1연장히터(420)의 두께(t3)보다 더 두껍게 하여, 제2연장히터(430)의 저항값을 제1연장히터(420)의 저항 값보다 작게 함으로써, 제2연장히터(430)의 온도와 제1연장히터(420)의 온도의 편차를 줄일 수 있다.
이와 같은 설계 조건을 통하여 히터(400)의 전 영역에서 발열되는 온도의 편차를 줄여줌으로써, 원추형 탄소복합재 프리폼(P)에 비교적 균일한 온도구배를 형성시킬 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10)에서 제조되는 탄소복합재(M)의 모습을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 절두 원추형 탄소복합재(M)는 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)이 중심히터(410)에 거치되고, 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P) 일부가 제1연장히터(420)의 외주면까지 거치되어 증착이 이루어질 수 있다. 따라서, 절두 원추형 탄소복합재(M)의 외주면은 절두 원추형상으로 형성되고, 내주면의 상단이 제1연장히터(420)의 외주면과 동일하고, 그 외의 내주면은 중심히터(410)의 외주면과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은, 절두 원추형 탄소복합재(M)는 주로 연소관, 배기구, 추진 기관 등에 사용될 수 있다.
한편, 원추형상의 탄소복합재를 원통형으로 제작한 뒤에 커팅 또는 연마 등의 작업을 거쳐 절두 원추형상으로 가공하여 사용할 수도 있지만, 원통형 탄소복합재는 형상의 특성상 기계적 강도가 우수하여, 원추형으로 가공하기 위해서는 많은 시간이 필요하다. 또한, 원통형 탄소복합재는 가공되어 버려지는 부분까지 열분해탄소를 증착하여 밀도화하여야 하기 때문에, 전력소비가 상승하며 밀도화하는 시간이 길어진다. 게다가, 원통형 탄소복합재를 가공하므로 버려지는 부분이 많이 발생하여 제조단가가 상승될 수 있다. 또한, 원통형 탄소복합재를 원추형상으로 가공하는 과정에서 축적되는 내부 응력 등의 문제로 인하여, 처음부터 원추형상으로 가공하는 경우에 비하여 강성 등 기계적인 물성이 저하되는 문제도 발생될 수 있다. 그러나 실시 예에 따르면 이와 같은 문제를 방지할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여, 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치에 대해 설명한다. 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치는 일 실시예의 원추형 탄소복합재 제조장치(10)에 비해 구성요소가 동일하나 히터(700)의 형상이 다른 점에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 구성요소에 대해 일 실시예의 도면부호 및 설명을 원용한다.
또한, 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치의 본체(100), 유입관(200), 배출관(300), 제1전극(500) 및 제2전극(600) 구성은 일 실시 예와 비교하여 동일한 구성요소를 포함하고 있어, 설명 및 도면을 생략한다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 히터(700)의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 중심히터(710)의 두께(t1)는 제1연장히터(720)의 두께(t3)보다 작게 형성됨으로써, 중심히터(710) 및 제1연장히터(720) 사이의 온도 편차를 줄일 수 있다. 또한, 제2연장히터(730)의 두께(t2)는 제1연장히터(720)의 두께(t3)보다 크게 형성됨으로써, 제2연장히터(730) 및 제1연장히터(720) 사이의 온도 편차를 줄일 수 있다.
이와 같은 설계 조건을 통하여 히터(700)의 전 영역에서 발열되는 온도의 편차를 줄여줌으로써, 원추형 탄소복합재 프리폼(P)에 비교적 균일한 온도구배를 형성시킬 수 있다.
이하에서는 도 6를 참조하여, 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치에 대해 설명한다. 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치는 일 실시예의 원추형 탄소복합재 제조장치(10)에 비해 구성요소가 동일하나 히터(800) 형상이 다른 점에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 구성요소에 대해 일 실시예의 도면부호 및 설명을 원용한다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치의 본체(100), 유입관(200), 배출관(300), 제1전극(500) 및 제2전극(600)의 구성은 일 실시 예와 비교하여 동일한 구성요소를 포함하고 있어, 설명 및 도면을 생략한다.
이하에서는 도 6를 참조하여, 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치에 대해 설명한다. 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치는 일 실시예의 원추형 탄소복합재 제조장치(10)에 비해 구성요소가 동일하나 히터(800) 형상이 다른 점에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 구성요소에 대해 일 실시예의 도면부호 및 설명을 원용한다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 원추형 탄소복합재 제조장치의 본체(100), 유입관(200), 배출관(300), 제1전극(500) 및 제2전극(600)의 구성은 일 실시 예와 비교하여 동일한 구성요소를 포함하고 있어, 설명 및 도면을 생략한다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 히터(800)의 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 중심히터(810)의 두께(t1)는 제2연장히터(830)에 가까운 타면으로부터 제1연장히터(820)에 가까운 일면으로 갈수록 증가할 수 있다. 중심히터(810)는 일면으로부터 타면으로 갈수록 지름이 커지는 형상을 가지므로, 만약 중심히터의 두께가 동일하면, 일면에서 타면으로 갈수록 단면적이 증가하고 그만큼 저항 값이 낮아지는 구조이기 때문에, 발열온도가 타면으로 갈수록 낮아질 수 있다. 따라서, 중심히터(810)의 두께(t1)를 도 6을 기준으로 하면에서 상면으로 갈수록 증가하도록 형성하여, 중심히터(810)의 단면적을 동일하게 형성하여, 중심히터(810) 전체의 발열온도가 균일하게 형성되게 할 수 있다.
이와 같은 설계 조건을 통하여 히터(800)의 전 영역에서 발열되는 온도의 편차를 줄여줌으로써, 원추형 탄소복합재 프리폼(P)에 비교적 균일한 온도구배를 형성시킬 수 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 상술된 절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10)를 사용하여, 절두 원추형 탄소복합재(M)를 제조하는 제조방법에 대해 설명한다.
도 7은 실시 예들에 따른 절두 원추형 탄소복합재 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 절두 원추형 탄소복합재 제조방법은 탄소복합재 프리폼(P)을 준비하는 단계, 탄소복합재 프리폼(P)을 히터(400,700,800)에 거치하는 단계, 열구배를 형성하는 단계, 밀도화 하는 단계 및 탄소복합재(M)를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
탄소복합재 프리폼(P)을 준비하는 단계(S10)는, 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이온(Rayon)계, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계, 핏치(Pitch)계 등의 재질 및 이들을 혼합한 재질을 포함하는 탄소섬유를 준비할 수 있다. 탄소섬유를 직조하여 탄소섬유직물을 형성하고, 짧게 끊어진 탄소섬유를 무작위로 얽히게 하여 탄소섬유웹을 형성할 수 있다. 탄소섬유직물과 탄소섬유웹을 번갈아 적층한 후, 니들펀칭하여 혼합탄소섬유웹을 형성할 수 있다. 혼합탄소섬유웹을 절두 원추형상의 맨드릴에 일정 두께로 감은 후, 니들펀칭하여 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)을 제조하여 준비할 수 있다.
절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)은 혼합탄소섬유웹을 니들펀칭하여 제조하는 방법 외에도 니팅(Knitting) 및 소잉(Sewing) 방법으로 스티칭(Stitching)하여 제조하는 방법도 가능할 수 있다.
탄소복합재 프리폼(P)을 히터(400, 700, 800)에 거치하는 단계(S20)는, 제1전극(500) 또는 제2전극(600)을 히터(400, 700, 800)에서 분리하고, 히터(400, 700, 800)에 탄소복합재 프리폼(P)을 거치한 후, 제1전극(500) 또는 제2전극(600)과 히터(400, 700, 800)를 재결합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1전극(500) 또는 제2전극(600)을 히터(400, 700, 800)에서 분리하여, 히터(400, 700, 800)에 탄소복합재 프리폼(P)이 끼울 수 있도록 히터(400, 700, 800)를 분리할 수 있다. 분리된 히터(400, 700, 800)의 외주면에 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면을 거치할 수 있다. 즉, 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)의 중공을 상부히터(420, 720, 820)를 통과시킨 후, 중심히터(410, 710, 810)의 외주면에 거치할 수 있다. 다음으로, 탄소복합재 프리폼(P)이 거치된 히터(400, 700, 800)를 상부전극 또는 하부전극에 재결합할 수 있다.
열구배를 형성하는 단계(S30)는, 제1전극(500) 및 제2전극(600)에 전기를 인가하여, 히터(400, 700, 800)의에 전기를 통전시켜 히터(400, 700, 800)를 발열시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1전극(500) 및 제2전극(600)을 외부전원과 연결하여 전기를 인가하여 히터(400, 700, 800)를 발열시킬 수 있다. 히터(400, 700, 800)에서 발열되는 온도는 950℃ 내지 1200℃일 수 있다. 히터(400, 700, 800)는 일 실시예의 히터(400), 다른 실시예의 히터(700), 또 다른 실시예의 히터(800)의 형상으로 구비되어, 전체에 균일한 온도를 형성할 수 있다. 히터(400, 700, 800)는 탄소복합재 프리폼(P) 내주면 전체에 균일한 온도구배를 형성할 수 있다. 이 밖에도 절두 원추형 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면에 균일한 온도를 형성할 수 있는 모든 히터가 가능할 수 있다.
밀도화하는 단계(S40)는, 탄화수소가스를 공급하여 탄소복합재 프리폼(P)에 히터(400, 700, 800)의 열로 인해 분해된 열분해탄소를 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유입관(200)을 통해 탄화수소가스를 본체(100) 내부로 유입시킬 수 있다. 유입된 탄화수소가스는 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면에 히터(400, 700, 800)로 인해 형성되는 열에 의해 열분해되어 열분해가스가 형성될 수 있다. 열분해가스는 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면부터 증착이 시작될 수 있다. 증착된 탄소복합재 프리폼(P)의 내주면은 밀도화되어 열전도도를 가지게 되고, 열전도도에 의해 전달되는 히터(400, 700, 800)의 열에 의해 탄소복합재 프리폼(P)은 내주면부터 외주면방향으로 점차적으로 열분해가스가 증착되어 전체적으로 탄소복합재(M)로 형성될 수 있다.
탄소복합재를 분리하는 단계(S50)는, 제1전극(500) 또는 제2전극(600)을 히터(400, 700, 800)에서 분리하여 히터(400, 700, 800)의 결합을 해제하여 히터(400, 700, 800)에서 탄소복합재(M)를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 분리된 탄소복합재(M)를 본체(100)로부터 추출하여 표면의 가공 등을 거쳐 연소관, 배기구 또는 추진 기관 등의 제품으로 생산할 수 있다.
실시 예에 따른, 절두 원추형 탄소복합재 제조장치(10) 및 제조방법에 의하면, 탄소복합재(M)를 절두 원추형상으로 제조하기 때문에, 원통형의 탄소복합재를 원추형상으로 가공하는 공정을 배제할 수 있어, 제조시간이 단축될 수 있다.
또한, 탄소복합재(M)를 절두 원추형상으로 제조하기 때문에, 추가적인 가공 과정 및 가공 비용을 최소화하면서도 연소관, 배기구 또는 추진 기관 등에 사용될 수 있다. 따라서, 재료의 낭비를 방지하여 제조단가를 낮출 수 있다.
또한, 절두 원추형상의 탄소복합재 프리폼(P)을 탄소복합재(M)로 밀도화 시키므로, 전력소비를 줄일 수 있으며, 밀도화 시간의 단축될 수 있다. 또한, 절두 원추형상의 탄소복합재(M)는 열구배 화학기상 침투방법으로 제조될 수 있으므로, 유사한 강성의 초고장력 강판에 비해 중량이 경량이며, 고온에서도 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있다. 또한, 탄소복합재(M)는 열 및 화학적 침식환경에서 우수한 내식성 및 내열성을 가지며, 우수한 마찰 및 마모특성을 가진다.
이상과 같이 본 발명의 실시 예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 절두 원추형 탄소복합재 제조장치
100: 본체
200: 유입관
300: 배출관
400, 700, 800: 히터
410, 710, 810: 중심히터
420, 720, 820: 제1연장히터
430, 730, 840: 제2연장히터
500: 제1전극
600: 제2전극
P: 절두 원추형 탄소복합재 프리폼
M: 절두 원추형 탄소복합재
100: 본체
200: 유입관
300: 배출관
400, 700, 800: 히터
410, 710, 810: 중심히터
420, 720, 820: 제1연장히터
430, 730, 840: 제2연장히터
500: 제1전극
600: 제2전극
P: 절두 원추형 탄소복합재 프리폼
M: 절두 원추형 탄소복합재
Claims (6)
- 내부에 수용공간이 형성되는 본체;
상기 본체의 일측에 배치되고, 탄화수소가스를 유입하는 유입관;
상기 본체의 타측에 배치되고, 탄화수소가스를 배출하는 배출관;
외주면에 배치되는 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 가열하기 위한 히터;
상기 히터의 일단에 구비되는 제1전극; 및
상기 히터의 타단에 구비되는 제2전극;
을 포함하고,
상기 히터는,
내부에 형성되는 중공을 갖는 절두 원추형상의 중심히터;
상기 중심히터의 평면 중 단면적이 작은 일면으로부터 연장되어, 상기 중심히터로부터 멀어질수록 단면이 같거나 줄어드는 형상으로 형성되는 제1연장히터; 및
상기 중심히터의 일면과 대향되는 타면에 원통형상으로 형성되는 제2연장히터;
를 포함하는 절두 원추형 탄소복합재 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 중심히터의 두께는 상기 제2연장히터의 두께보다 작게 형성되어,
상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성되는 절두 원추형 탄소복합재 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2연장히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 크게 형성되어,
상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성되는 절두 원추형 탄소복합재 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 중심히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 작게 형성되고,
상기 제2연장히터의 두께는 상기 제1연장히터의 두께보다 크게 형성되어,
상기 히터 전체의 온도가 균일하게 형성되는 절두 원추형 탄소복합재 제조장치.
- 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 준비하는 단계;
상기 준비된 탄소복합재 프리폼의 내주면이, 절두 원추형상의 중심히터를 포함하는 히터의 외주면에 배치되도록 거치하는 단계;
상기 히터를 가열시켜 상기 히터에 거치된 상기 탄소복합재 프리폼의 내주면에서 외주면 방향으로 열구배를 형성하는 단계;
상기 열구배가 형성된 탄소복합재 프리폼에 탄화수소가스를 공급하여, 밀도화하는 단계; 및
상기 탄소복합재 프리폼이 밀도화된 탄소복합재를 상기 히터로부터 분리하는 단계;
를 포함하는 원추형 탄소복합재 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 준비하는 단계는,
절두 원추형상의 맨드릴(Mandrel)에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니들펀칭(Needle punching)하여 상기 절두 원추형 탄소복합재 프리폼을 형성하는 단계이거나,
절두 원추형상의 맨드릴에 혼합탄소섬유웹을 일정 두께로 감은 후, 니팅(Knitting) 및 소잉(Sewing) 방법으로 스티칭(Stitching)하여 형성하는 단계이고,
상기 혼합탄소섬유웹은,
탄소섬유가 직조되어 형성되는 탄소섬유직물과, 짧게 끊어진 탄소섬유가 무작위로 얽혀져 형성되는 탄소섬유웹이 번갈아 적층된 후, 니들펀칭되어 형성되는 원추형 탄소복합재 제조방법.
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| KR1020170106540A KR101963410B1 (ko) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 절두 원추형 탄소복합재 제조장치 및 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115181960A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-10-14 | 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 | 一种薄壁尖锥回转件的cvi导流装置及其使用方法 |
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- 2017-08-23 KR KR1020170106540A patent/KR101963410B1/ko active IP Right Grant
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| CN115181960B (zh) * | 2022-06-23 | 2023-11-24 | 西安鑫垚陶瓷复合材料股份有限公司 | 一种薄壁尖锥回转件的cvi导流装置及其使用方法 |
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