KR20210142422A - Fiber reinforced composite material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a fiber-reinforced composite material. The method for manufacturing a fiber-reinforced composite material comprises: a first step (S100) of causing carbon fibers or silicon carbide fibers to be impregnated in a polymer solution and curing the polymer solution to form a fiber molded body; a second step (S200) of increasing the temperature of the fiber molded body from the room temperature to a first temperature in an air atmosphere while performing first carbonization heat treatment; and a third step (S300) of performing second carbonization heat treatment while increasing the temperature of the first carbonized heat-treated fiber molded body from the first temperature to a second temperature in an inert gas atmosphere. According to one embodiment of the present invention, the method for manufacturing a fiber-reinforced composite material can improve the carbonization yield and utilize various polymers.

Description

섬유강화 복합소재 및 그의 제조방법{Fiber reinforced composite material and manufacturing method thereof}Fiber reinforced composite material and manufacturing method thereof

본 발명은 섬유강화 복합소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fiber-reinforced composite material and a method for manufacturing the same.

기술이 발전함에 따라 기존 소재의 물성의 한계를 뛰어넘는 새로운 소재의 필요성이 대두되었고, 고에너지효율 및 고신뢰성을 달성하기 위해서 재료의 초경량화 및 초고온화를 이룰 수 있는 극한 환경용 소재의 개발이 필요하게 되었다.As technology advances, the need for new materials that go beyond the physical properties of existing materials has emerged, and to achieve high energy efficiency and high reliability, the development of materials for extreme environments that can achieve ultra-lightweight and ultra-high temperature materials became necessary

그러한 필요성에 따라 세라믹 또는 탄소 매트릭스에 고강도의 탄소 섬유나 실리콘카바이드 섬유를 강화재로 하는 섬유강화 복합재료의 개발이 이루어졌다. 실용화가 이루어진 소재로는 탄소섬유강화 탄소(Carbon fiber reinforced Carbon; C/C) 복합재, 탄소섬유강화 실리콘카바이드(Carbon fiber reinforced Silicon carbide; C/SiC) 복합재, 실리콘카바이드섬유강화 실리콘카바이드(Silicion carbide fiber reinforced Silicon carbide; SiC/SiC) 복합재가 있다.In accordance with such a necessity, the development of fiber-reinforced composite materials using high-strength carbon fibers or silicon carbide fibers as reinforcing materials in a ceramic or carbon matrix has been made. Materials that have been put into practical use include carbon fiber reinforced carbon (C/C) composites, carbon fiber reinforced silicon carbide (C/SiC) composites, and silicon carbide fiber reinforced silicon carbide fibers. There are reinforced silicon carbide (SiC/SiC) composites.

탄소섬유강화 탄소(Carbon fiber reinforced Carbon; C/C) 복합재는 탄소섬유를 강화재로 하고 탄소를 매트릭스로 한 것이고, 불활성 분위기에서 3000 ℃까지 단시간 사용 가능하다.Carbon fiber reinforced carbon (C/C) composites are made of carbon fiber as a reinforcing material and carbon as a matrix, and can be used for a short time up to 3000 °C in an inert atmosphere.

탄소섬유강화 실리콘카바이드(Carbon fiber reinforced Silicon carbide; C/SiC) 복합재는 탄소섬유에 실리콘카바이드를 매트릭스로 한 것이고, 불활성 및 산화성 분위기하에서 2000 ℃까지 장, 단시간 동안 사용 가능하다.Carbon fiber reinforced silicon carbide (C/SiC) composites are made of carbon fiber and silicon carbide as a matrix, and can be used for long and short periods up to 2000 °C in an inert and oxidizing atmosphere.

실리콘카바이드섬유강화 실리콘카바이드(Silicion carbide fiber reinforced Silicon carbide; SiC/SiC) 복합재는 실리콘카바이드섬유에 실리콘카바이드를 매트릭스로 한 것이고, 산화성 분위기가 강한 극한 환경 하에서 장시간 사용이 가능하다.Silicon carbide fiber reinforced silicon carbide (SiC/SiC) composites are made of silicon carbide fibers and silicon carbide as a matrix, and can be used for a long time in an extreme environment with a strong oxidizing atmosphere.

이들은 에너지, 국방, 우주 항공, 환경, 자동차, 반도체 및 일반 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있다.They are widely used in energy, defense, aerospace, environment, automobile, semiconductor and general industries.

그러나, 상기 섬유강화 복합재료는 기공이 다수 존재하기 때문에, 함침 탄화 과정을 반복하면서 밀도를 높이는 과정이 필요하다. 현재 탄화 공정은 불활성 분위기에서 500℃ 내지 2000℃의 온도에서 수행되고 있으며, 고분자의 종류에 따라 탄화 수율이 다양한데, 실제적으로 탄화 수율을 높이기 위해 사용할 수 있는 고분자 종류에 제약이 크다.However, since the fiber-reinforced composite material has a large number of pores, it is necessary to increase the density while repeating the impregnation and carbonization process. Currently, the carbonization process is carried out at a temperature of 500° C. to 2000° C. in an inert atmosphere, and the carbonization yield varies depending on the type of polymer. In practice, there is a large restriction on the type of polymer that can be used to increase the carbonization yield.

이와 같은 탄화 공정에서 탄화 수율을 높여서 공정의 반복을 피하여 경제성을 도모하고, 다양한 고분자를 사용함으로써 기존의 설비를 사용하여 비용을 낮출 수 있는 기술을 연구할 필요성이 있다.In such a carbonization process, there is a need to increase the carbonization yield to avoid the repetition of the process to promote economy, and to research a technology that can lower the cost by using various polymers using existing facilities.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0066176호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0066176

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보다 공정의 반복을 피하고 다양한 고분자를 활용할 수 있는 경제적인 섬유강화 복합소재 제조방법 및 그에 의해 제조된 섬유강화 복합소재를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an economical method for manufacturing a fiber-reinforced composite material capable of avoiding repetition of processes and utilizing various polymers, and a fiber-reinforced composite material manufactured thereby.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 섬유강화 복합소재 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a fiber-reinforced composite material.

본 발명의 실시예에 있어서 섬유강화 복합소재 제조방법은, 탄소섬유 또는 탄화규소섬유를 고분자 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성하는 제1단계; 상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 제1 온도까지 승온하면서 제1 탄화 열처리하는 제2단계; 및 상기 제1 탄화 열처리된 섬유 성형체를 불활성 가스 분위기에서 상기 제1 온도에서 제2 온도까지 승온하면서 제2 탄화 열처리하는 제3단계; 를 포함한다.In an embodiment of the present invention, the method for manufacturing a fiber-reinforced composite material comprises: a first step of impregnating carbon fibers or silicon carbide fibers in a polymer solution and curing them to form a fiber molded body; a second step of heating the fiber molded body to a first temperature in an air atmosphere while performing a first carbonization heat treatment; and a third step of performing a second carbonization heat treatment while heating the first carbonized heat-treated fiber molded body from the first temperature to a second temperature in an inert gas atmosphere; includes

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유, 레이온계 섬유 또는 피치계 섬유일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the carbon fiber may be a polyacrylonitrile (PAN)-based fiber, a rayon-based fiber, or a pitch-based fiber.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄화규소섬유는 전구체법, 분말압출법 또는 화학기상증착법(CVD)에 의해 제조될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the silicon carbide fiber may be manufactured by a precursor method, a powder extrusion method, or a chemical vapor deposition (CVD) method.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고분자 용액은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the polymer solution may include a thermosetting resin or a thermoplastic resin.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 함침은 수지이송성형(RTM), 고속액상성형(High speed RTM) 또는 고압수지이송성형(HP-RTM), 진공수지이송성형(VARTM) 또는 진공함침(VI) 공정 으로 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the impregnation is resin transfer molding (RTM), high speed liquid molding (High speed RTM) or high pressure resin transfer molding (HP-RTM), vacuum resin transfer molding (VARTM) or vacuum impregnation (VI) process can be carried out.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 경화는 25℃ 내지 180℃의 온도로 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the curing may be performed at a temperature of 25 °C to 180 °C.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1단계와 상기 제2단계 사이에, 상기 섬유성형체를 Si, Zr, Ta, BN(boron nitride) 또는 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화물, 질화물 또는 산화물로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, between the first step and the second step, one or more carbides, nitrides or oxides selected from the group consisting of Si, Zr, Ta, BN (boron nitride) or Al It may further include the step of coating with.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1의 온도는300℃내지 600℃일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first temperature may be 300 °C to 600 °C.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2의 온도는 400℃ 내지 2000℃일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second temperature may be 400 °C to 2000 °C.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소(N) 또는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the inert gas may include nitrogen (N) or argon (Ar).

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제3단계 이후에, 실리콘을 고온에서 용융침투(LSI) 시켜 내부의 탄소를 세라믹으로 변환시키는 공정을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the third step, a process of converting internal carbon into a ceramic by melt-infiltrating silicon at a high temperature (LSI) may be further included.

본 발명의 실시예에 있어서, 목표 밀도를 달성할 때까지, 상기 제2탄화 열처리된 섬유 성형체에 대해 상기 제1단계 내지 제3단계를 반복 수행하여 섬유강화 복합소재를 밀도화할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the fiber-reinforced composite material may be densified by repeating the first to third steps for the second carbonized heat-treated fiber molded body until the target density is achieved.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기의 제조방법에 의해 제조되는 섬유강화 복합소재를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a fiber-reinforced composite material manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 실시예에 따르면, 섬유강화 복합소재 제조 공정에서 탄화 수율을 향상시킴으로써 밀도화 공정의 반복을 줄여서 경제적인 섬유강화 복합소재를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an economical fiber-reinforced composite material by reducing the repetition of the densification process by improving the carbonization yield in the fiber-reinforced composite material manufacturing process.

또한, 매트릭스(matrix)로 사용할 수 있는 고분자 수지 종류에 제한되지 않고 다양한 고분자 수지를 사용할 수 있어서, 기존에 구축된 FRP수지 시스템을 활용할 수 있도록 하여 제조 단가를 낮출 수 있고, 저공해 고분자의 사용 가능성을 넓힐 수 있다.In addition, it is not limited to the type of polymer resin that can be used as a matrix, and a variety of polymer resins can be used. can be expanded

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 섬유강화 복합소재 제조방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 열처리 분위기 제어에 따른 에폭시 수지의 TGA 그래프이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 분위기에서의 페놀 수지의 TGA 그래프이다.
1 is a flowchart of a method for manufacturing a fiber-reinforced composite material according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a TGA graph of the epoxy resin according to the heat treatment atmosphere control, according to an embodiment of the present invention.
3 is a TGA graph of a phenolic resin in a nitrogen atmosphere, according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합소재 제조방법을 설명한다.A method for manufacturing a fiber-reinforced composite material according to an embodiment of the present invention will be described.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 섬유강화 복합소재 제조방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method for manufacturing a fiber-reinforced composite material according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하면 섬유강화 복합소재 제조방법은, 탄소섬유 또는 탄화규소섬유를 고분자 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성하는 제1단계(S100); 상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 제1 온도까지 승온하면서 제1 탄화 열처리하는 제2단계(S200); 및 상기 제1 탄화 열처리된 섬유 성형체를 불활성 가스 분위기에서 상기 제1 온도에서 제2 온도까지 승온하면서 제2 탄화 열처리하는 제3단계(S300); 를 포함한다.Referring to FIG. 1, the method for manufacturing a fiber-reinforced composite material includes: a first step (S100) of impregnating carbon fibers or silicon carbide fibers in a polymer solution and curing them to form a fiber molded body; a second step (S200) of heating the fiber molded body to a first temperature in an air atmosphere while performing a first carbonization heat treatment; and a third step (S300) of performing a second carbonization heat treatment while heating the first carbonized heat-treated fiber molded body from the first temperature to a second temperature in an inert gas atmosphere; includes

제1단계에서, 탄소섬유 또는 탄화규소섬유를 고분자 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성한다(S100).In the first step, carbon fibers or silicon carbide fibers are impregnated in a polymer solution and cured to form a fiber molded body (S100).

상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계 섬유, 레이온(rayon)계 섬유 또는 피치(pitch)계 섬유일수 있으며, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴계 섬유일 수 있으나, 이 분야에서 이용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.The carbon fiber may be a polyacrylonitrile (PAN)-based fiber, a rayon-based fiber, or a pitch-based fiber, for example, a polyacrylonitrile-based fiber, but used in this field It is not particularly limited as long as it becomes

상기 탄화규소섬유는 전구체법, 분말압출법(carborundum) 또는CVD(chemical vapor deposition, 화학기상증착)법에 의해 제조될 수 있고, 예를 들어 전구체법으로 제조될 수 있으나, 이 분야에서 이용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.The silicon carbide fiber may be manufactured by a precursor method, a powder extrusion method (carborundum) or a CVD (chemical vapor deposition) method, for example, it may be prepared by a precursor method, but if it is used in this field It is not particularly limited.

상기 전구체법으로는 유기 규소 폴리머인 폴리카보실란(polycarbosilane, PCS) 전구체를 용융 방사(Melt Spinning) 및 열분해를 거쳐서 SiC 섬유를 제조할 수 있다.As the precursor method, a polycarbosilane (PCS) precursor, which is an organosilicon polymer, may be subjected to melt spinning and thermal decomposition to manufacture SiC fibers.

상기 CVD법으로는 석영 반응관 내로 일정한 속도로 mercury contact를 통하여 심선(텅스텐 와이어 또는 탄소 섬유)를 이송하고, 투입된 심선에 전류를 흘려 자기 발열이 일어난 상태에서 메틸다이클로로실란(methyl dichlorosilane) 등의 실란 가스와 분위기 가스인 Ar, H2가스를 투입하여 SiC를 증착시켜서 제조할 수 있다.In the CVD method, a core wire (tungsten wire or carbon fiber) is transferred into a quartz reaction tube at a constant speed through a mercury contact, and an electric current flows through the input core wire to generate self-heating, such as methyl dichlorosilane. It can be manufactured by depositing SiC by adding silane gas and atmospheric gases Ar and H 2 gas.

상기 분말압출법으로는 서브마이크론 SiC분말과 소결조제를 적절한 폴리머와 함께 혼합하여 용융방사가 가능한 컴파운드를 만들고 이를 압출하여 원하는 직경으로 연신하고 소결하여 SiC섬유를 제조할 수 있다.In the powder extrusion method, submicron SiC powder and a sintering aid are mixed with an appropriate polymer to make a melt-spinning compound, extruded, stretched to a desired diameter, and sintered to manufacture SiC fibers.

상기 탄소섬유 또는 탄화규소섬유의 형태는 이 분야에서 이용되는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 후 공정에서 수행하는 함침 공정을 위해 방적, 제적, 면조 등에 의하여 느슨하게 직조된 직포인 것이 바람직하다. 상기 탄소섬유 또는 탄화규소섬유는 2차원 직포의 적층에 의해 제조된 것이 보다 바람직하나, 3차원 또는 4차원으로 직조하여도 무방하다.The form of the carbon fiber or silicon carbide fiber is not particularly limited as long as it is used in this field, but it is preferably a woven fabric loosely woven by spinning, weaving, cotton weaving, etc. for the impregnation process performed in the subsequent process. The carbon fiber or silicon carbide fiber is more preferably manufactured by lamination of a two-dimensional woven fabric, but may be woven in a three-dimensional or four-dimensional manner.

상기 고분자 용액은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.The polymer solution may include a thermosetting resin or a thermoplastic resin.

상기 열경화성 수지는 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터, 페놀 또는 폴리이미드를 포함할 수 있으며, 이 분야에서 이용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.The thermosetting resin may include epoxy, polyester, vinyl ester, phenol, or polyimide, and is not particularly limited as long as it is used in this field.

상기 열가소성 수지는 나일론, 열가소성 폴리에스테르(PET, PBT), 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리페닐설파이드 또는 폴리에테르이미드를 포함할 수 있으며, 이 분야에서 이용되는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.The thermoplastic resin may include nylon, thermoplastic polyester (PET, PBT), polyacetal, polyamide, polypropylene, polycarbonate, polyamide-imide, polyether ether ketone, polyphenyl sulfide or polyether imide. , it is not particularly limited as long as it is used in this field.

예를 들어, 상기 고분자 용액은 에폭시를 포함할 수 있다.For example, the polymer solution may include epoxy.

기존의 탄화 방법에서 상기 고분자 용액으로 에폭시 수지를 활용하면 탄화수율이 낮아 사용이 용이하지 않았으나, 본 제안 발명에서는 향상된 탄화수율을 얻는 방법을 제시함으로써 다양한 고분자 수지를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이는 기존의 FRP(fiber reinforced plastic) 수지 시스템을 활용할 수 있도록 하여 제조 단가를 낮출 수 있고 저공해 고분자의 사용 가능성을 넓힐 수 있다.In the conventional carbonization method, when an epoxy resin is used as the polymer solution, it is not easy to use because the carbonization yield is low. This can make use of the existing fiber reinforced plastic (FRP) resin system, which can lower the manufacturing cost and expand the use of low-pollution polymers.

또한, 상기 고분자 용액은 첨가제나 용매를 포함할 수도 있다.In addition, the polymer solution may contain an additive or a solvent.

상기 첨가제는 실리콘 분말일 수 있고, 성형체 내부에서 1차적으로 탄화규소 입자를 형성하는 반응을 하여 최종 생산품이 더 치밀하게 제조될 수 있다.The additive may be a silicon powder, and the final product may be manufactured more densely by reacting primarily to form silicon carbide particles in the molded body.

상기 함침은 수지이송성형(Resin Transfer Molding, RTM), 고속액상성형(High speed RTM) 또는 고압수지이송성형(High pressure RTM, HP-RTM), 진공수지이송성형(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding , VARTM) 또는 진공함침(Vacuum Impregnation, VI) 공정 으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 함침은 RTM 공정으로 수행될 수 있다.The impregnation is resin transfer molding (RTM), high speed liquid molding (High speed RTM) or high pressure resin transfer molding (High pressure RTM, HP-RTM), vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) Alternatively, it may be performed by a vacuum impregnation (VI) process, but is not limited thereto. For example, the impregnation may be performed by an RTM process.

상기 경화는 25℃ 내지 180℃의 온도로 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 경화는 120℃에서 수행될 수 있다. 상기 경화 단계를 수행하면 함침된 섬유 성형체의 형상을 고정시키는 효과가 나타난다.The curing may be performed at a temperature of 25° C. to 180° C., but is not limited thereto. For example, the curing may be performed at 120°C. When the curing step is performed, the effect of fixing the shape of the impregnated fiber molded body appears.

또한, 상기 경화는 프레스 공정(press) 오토클레이브(autoclave)공정으로 수행될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.In addition, the curing may be performed by a press process (press autoclave) process, but is not limited thereto.

상기 섬유 성형체를 형성하는 제1단계와 상기 제1 탄화 열처리하는 제2단계 사이에, 상기 섬유성형체를 Si(규소), Zr(지르코늄), Ta(탄탈늄), BN(boron nitride, 질화붕소) 또는 Al(알루미늄)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화물, 질화물 또는 산화물로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.Between the first step of forming the fiber molded body and the second step of performing the first carbonization heat treatment, the fiber molded body is formed of Si (silicon), Zr (zirconium), Ta (tantalum), BN (boron nitride, boron nitride). Alternatively, the method may further include coating with one or more carbides, nitrides or oxides selected from the group consisting of Al (aluminum).

상기 섬유 성형체는 Si, Zr, Ta, BN 또는 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화물, 질화물 또는 산화물로 코팅될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열분해 탄소(PyC: pyrolytic carbon) 및 탄화규소를 이용하여 1회 이상 코팅할 수 있다. 탄소 섬유는 산소 존재 하에 고온 노출 시 산화될 수 있으므로, 상기 코팅은 산화를 억제하는 역할을 할 수 있다.The fiber molded body may be coated with one or more carbides, nitrides or oxides selected from the group consisting of Si, Zr, Ta, BN or Al, but is not limited thereto. For example, it may be coated one or more times using pyrolytic carbon (PyC) and silicon carbide. Since carbon fibers can be oxidized when exposed to high temperatures in the presence of oxygen, the coating can serve to inhibit oxidation.

제2단계에서, 상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 제1 온도까지 승온하면서 제1 탄화 열처리한다(S200).In the second step, a first carbonization heat treatment is performed while the temperature of the fiber molded body is raised to a first temperature in an air atmosphere (S200).

상기 제1의 온도는300℃내지 600℃일 수 있다.The first temperature may be 300 °C to 600 °C.

상기 공기는 산소를 포함하고 있고, 산소 농도는 대기압 수준이거나 그 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 산소의 농도는 총 대기 부피 대비 약 21부피%일 수 있다.The air contains oxygen, and the oxygen concentration may be at or above atmospheric pressure. For example, the concentration of oxygen may be about 21% by volume based on the total atmospheric volume.

예를 들어, 상기 섬유 성형체를 공기분위기에서 상온에서 500℃ 까지 승온하면서 가열하여 제1 탄화시킬 수 있다.For example, the fiber molded body may be first carbonized by heating while raising the temperature from room temperature to 500° C. in an air atmosphere.

상기 제1 탄화 열처리에 의해 수득된 제1 탄화 수율은 예를 들어, 50%일 수 있다.The first carbonization yield obtained by the first carbonization heat treatment may be, for example, 50%.

제3단계에서, 상기 제1 탄화 열처리된 섬유 성형체를 불활성 가스 분위기에서 상기 제1 온도에서 제2 온도까지 승온하면서 제2 탄화 열처리한다(S300).In the third step, the second carbonization heat treatment is performed while the temperature of the first carbonized heat-treated fiber molded body is raised from the first temperature to the second temperature in an inert gas atmosphere (S300).

상기 제2의 온도는 400℃ 내지 2000℃일 수 있다.The second temperature may be 400 °C to 2000 °C.

상기 불활성 가스는 질소(N) 또는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다.The inert gas may include nitrogen (N) or argon (Ar).

예를 들어, 제1 탄화 열처리된 섬유 성형체를 질소 분위기에서 500℃에서 1000℃ 까지 승온하면서 가열하여 제2 탄화시킬 수 있다.For example, by heating the first carbonized heat-treated fiber molded body while raising the temperature from 500 °C to 1000 °C in a nitrogen atmosphere, the second carbonization can be achieved.

상기 제2 탄화 열처리에 의해 수득된 제2 탄화 수율은 예를 들어, 19%일 수 있다.The second carbonization yield obtained by the second carbonization heat treatment may be, for example, 19%.

상기 제2 온도는 상기 제1 온도 보다 높을 수 있고, 연속적으로 승온하면서 탄화시키는 공정일 수 있다.The second temperature may be higher than the first temperature, and may be a process of carbonizing while continuously increasing the temperature.

상기 제1 온도에서는 질소 분위기 보다 공기 분위기에서 탄화 수율이 높으며, 상기 제2 온도에서는 공기 분위기 보다 질소 분위기에서의 탄화 수율이 높다. 그래서 가스 분위기와 온도를 적절하게 조절하면서 고분자의 탄화 수율을 높여서, 밀도화 시키기 위해 상기 단계를 반복하는 공정을 줄일 수 있다.At the first temperature, the carbonization yield is higher in an air atmosphere than in a nitrogen atmosphere, and at the second temperature, the carbonization yield is higher in a nitrogen atmosphere than in an air atmosphere. Therefore, it is possible to reduce the process of repeating the above steps in order to increase the carbonization yield of the polymer while appropriately controlling the gas atmosphere and temperature, thereby densifying the polymer.

상기 제2 탄화 열처리하는 단계 이후에, 실리콘을 고온에서 용융침투(Liquid Silicon Infiltration, LSI) 시켜 내부의 탄소를 세라믹으로 변환시키는 공정을 더 포함할 수 있다.After the second carbonization heat treatment, a process of converting internal carbon into a ceramic by performing liquid silicon infiltration (LSI) into silicon at a high temperature may be further included.

상기 LSI 법은 탄소섬유 또는 탄화규소섬유 또는 섬유 직물의 탄소원으로 이루어진 슬러리(slurry) 또는 탄소원/탄화규소 분말로 이루어진 슬러리(slurry)를 사용하여 기지상을 형성시켜 프리프래그를 제조 및 이를 적층하여 성형체를 제조한 후 용융 Si을 침윤시켜 탄화규소 기지상을 형성하는 방법이다.The LSI method uses a slurry made of carbon fiber or silicon carbide fiber or a carbon source of a fiber fabric or a slurry made of a carbon source/silicon carbide powder to form a matrix phase to prepare a prepreg and laminate it to form a molded body. It is a method of forming a silicon carbide matrix phase by infiltrating molten Si after manufacturing.

상기 LSI 공정에 의해, 상기 제2 탄화 열처리된 섬유 성형체의 내부 탄소가 SiC로 전환되어 내화성 또는 산화저항성이 증가된 C/SiC(탄소섬유 강화재에 SiC를 매트릭스로 함) 또는 SiC/SiC(탄화규소섬유 강화재에 SiC를 매트릭스로 함) 복합재가 형성될 수 있다. By the LSI process, the internal carbon of the fiber molded body subjected to the second carbonization heat treatment is converted to SiC, so that the fire resistance or oxidation resistance is increased C/SiC (SiC is used as a matrix in carbon fiber reinforcement) or SiC/SiC (silicon carbide) A composite material can be formed (with SiC as a matrix in the fiber reinforcement).

상기 탄소를 세라믹으로 변환시키는 공정은 LSI에 제한되지 않고, CVI (Chemical Vapor Infiltration) 또는 PIP(Polymer Infiltration and Pyrolysis) 공정으로 수행될 수도 있다.The carbon-to-ceramic conversion process is not limited to LSI, and may be performed by a Chemical Vapor Infiltration (CVI) or Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP) process.

목표 밀도를 달성할 때까지, 목표 밀도를 달성할 때까지, 상기 제2탄화 열처리된 섬유 성형체에 대해 상기 제1단계 내지 제3단계를 반복 수행하여 섬유강화 복합소재를 밀도화(densification)할 수 있다.Until the target density is achieved, the fiber-reinforced composite material can be densified by repeating the first to third steps for the second carbonized heat-treated fiber molded body until the target density is achieved. have.

예를 들어, 상기 제1단계 내지 제3단계를 거친 제2 탄화 열처리된 섬유 성형체를 고분자 용액에 재함침하고 경화하는 제1단계, 제1 탄화 열처리 하는 제2단계 및 제2 탄화 열처리를 하는 제3단계를 다시 반복 수행하여 섬유강화 복합소재를 제조할 수 있다.For example, the first step of re-impregnating and curing the second carbonized heat treatment-treated fiber molded body that has undergone the first to third steps in a polymer solution, the second step of performing the first carbonization heat treatment, and the second step of performing a second carbonization heat treatment Step 3 may be repeated again to manufacture a fiber-reinforced composite material.

상기 밀도화 공정에 의해 섬유강화 복합소재의 기공을 탄소 매트릭스로 채워서, 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.By filling the pores of the fiber-reinforced composite material with a carbon matrix by the densification process, mechanical properties can be improved.

본 발명은 탄화 수율을 높여서 상기 밀도화 공정의 횟수를 줄여서 경제적으로 섬유강화 복합소재를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for economically manufacturing a fiber-reinforced composite material by increasing the carbonization yield to reduce the number of densification processes.

본 발명의 다른 실시예에 따른 상기의 제조방법(S100 내지 S300)으로 제조되는 섬유강화 복합소재를 설명한다.A fiber-reinforced composite material manufactured by the above manufacturing method (S100 to S300) according to another embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 섬유강화 복합소재는, 탄소섬유 또는 탄화규소섬유를 고분자 용액에 함침하고 경화하여 형성한 섬유 성형체를, 공기 분위기에서 제1 온도까지 승온하면서 제1 탄화 열처리하고, 다음으로 불활성 가스 분위기에서 제1 온도에서 제2 온도까지 승온하면서 제2 탄화 열처리하는 단계을 포함하여 제조함으로써, 탄화수율이 향상된 섬유강화 복합소재를 제공할 수 있다.The fiber-reinforced composite material of the present invention is a fiber molded article formed by impregnating carbon fiber or silicon carbide fiber in a polymer solution and curing it, while raising the temperature to a first temperature in an air atmosphere, a first carbonization heat treatment, and then in an inert gas atmosphere By manufacturing including the step of heat-treating the second carbonization while raising the temperature from the first temperature to the second temperature, it is possible to provide a fiber-reinforced composite material with an improved carbonization yield.

상기 섬유강화 복합소재의 탄화수율이 향상됨으로써, 밀도화 공정의 반복 수행을 줄일 수 있어서 경제적이고, 기존에는 탄화수율이 낮아서 사용할 수 없었던 다양한 고분자를 활용할 수 있다.By improving the carbonization yield of the fiber-reinforced composite material, it is possible to reduce the repetition of the densification process, which is economical, and it is possible to utilize various polymers that were not previously available due to the low carbonization yield.

제조예1Preparation Example 1

탄소섬유를 에폭시 수지를 포함하는 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성하였다. 상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 상온에서 400℃ 까지 가열하다가, 이후에 질소 분위기에서 400℃에서 1000℃ 까지 가열하여 탄화시켜서 섬유강화 복합소재를 제조하였다.The carbon fiber was impregnated in a solution containing an epoxy resin and cured to form a fiber molded body. The fiber molded body was heated from room temperature to 400° C. in an air atmosphere, and then carbonized by heating from 400° C. to 1000° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a fiber-reinforced composite material.

제조예2Preparation Example 2

탄소섬유를 에폭시 수지를 포함하는 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성하였다. 상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 상온에서 500℃ 까지 가열하다가, 이후에 질소 분위기에서 500℃에서 1000℃ 까지 가열하여 탄화시켜서 섬유강화 복합소재를 제조하였다.The carbon fiber was impregnated in a solution containing an epoxy resin and cured to form a fiber molded body. The fiber molded body was heated from room temperature to 500° C. in an air atmosphere, and then carbonized by heating from 500° C. to 1000° C. in a nitrogen atmosphere to prepare a fiber-reinforced composite material.

비교예1Comparative Example 1

에폭시 수지를 공기 분위기에서 상온에서1000℃ 까지 가열하여 탄화시켜서 섬유강화 복합소재를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material was prepared by carbonizing an epoxy resin by heating it at room temperature to 1000°C in an air atmosphere.

비교예2Comparative Example 2

에폭시 수지를 질소 분위기에서 상온에서1000℃ 까지 가열하여 탄화시켜서 섬유강화 복합소재를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material was prepared by carbonizing the epoxy resin by heating it at room temperature to 1000°C in a nitrogen atmosphere.

실험예Experimental example

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 열처리 분위기 제어에 따른 에폭시 수지의 TGA 그래프이다.2 is a TGA graph of the epoxy resin according to the heat treatment atmosphere control, according to an embodiment of the present invention.

도2를 참조하면, 제조예1 및 2, 비교예1 및 2의 TGA 곡선을 확인할 수 있다. 비교예1은 약 650℃에서 탄소가 전부 산화되어 남지 않았고, 비교예2는 1000℃ 까지 가열 시 남은 탄소는 1% 내지 2%이하인 반면, 제조예1 및 제조예2는 1000℃ 까지 가열시 남은 탄소가 각각 약 17% 및 19%인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, TGA curves of Preparation Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 can be confirmed. In Comparative Example 1, carbon was not completely oxidized at about 650°C, and in Comparative Example 2, the carbon remaining when heating to 1000°C was 1% to 2% or less, whereas Preparation Examples 1 and 2 were left when heating to 1000°C. It can be seen that carbon is about 17% and 19%, respectively.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 분위기에서의 페놀 수지의 TGA 그래프이다. 3 is a TGA graph of a phenol resin in a nitrogen atmosphere, according to an embodiment of the present invention.

도3을 참조하면, 질소 분위기에서 페놀 수지를 1000℃ 까지 가열시 잔탄량은 약 60%인 것을 알 수 있다. 현재 탄소 매트릭스가 요구되는 복합소재에는 페놀 수지가 가장 선호되는 유일한 고분자이다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the residual carbon amount is about 60% when the phenol resin is heated to 1000° C. in a nitrogen atmosphere. Currently, phenolic resin is the most preferred polymer for composite materials requiring a carbon matrix.

본 발명의 실시예에 따르면, 섬유강화 복합소재 제조 공정에서 탄화 수율을 향상시킴으로써 밀도화 공정의 반복을 줄여서 경제적인 섬유강화 복합소재를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an economical fiber-reinforced composite material by reducing the repetition of the densification process by improving the carbonization yield in the fiber-reinforced composite material manufacturing process.

또한, 매트릭스(matrix)로 사용할 수 있는 고분자 수지 종류에 제한되지 않고 다양한 고분자 수지를 사용할 수 있어서, 기존에 구축된 FRP수지 시스템을 활용할 수 있도록 하여 제조 단가를 낮출 수 있고, 저공해 고분자의 사용 가능성을 넓힐 수 있다.In addition, it is not limited to the type of polymer resin that can be used as a matrix, and various polymer resins can be used, so that the existing FRP resin system can be utilized to lower the manufacturing cost, and the possibility of using low-pollution polymers can be expanded

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (13)

탄소섬유 또는 탄화규소섬유를 고분자 용액에 함침하고 경화하여 섬유 성형체를 형성하는 제1단계;
상기 섬유 성형체를 공기 분위기에서 제1 온도까지 승온하면서 제1 탄화 열처리하는 제2단계; 및
상기 제1 탄화 열처리된 섬유 성형체를 불활성 가스 분위기에서 상기 제1 온도에서 제2 온도까지 승온하면서 제2 탄화 열처리하는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
A first step of impregnating carbon fibers or silicon carbide fibers in a polymer solution and curing to form a fiber molded body;
a second step of heating the fiber molded body to a first temperature in an air atmosphere while performing a first carbonization heat treatment; and
a third step of heating the first carbonized heat-treated fiber molded body from the first temperature to a second temperature in an inert gas atmosphere while performing a second carbonization heat treatment; Fiber-reinforced composite material manufacturing method comprising a.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유, 레이온계 섬유 또는 피치계 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the first step,
The carbon fiber is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that the polyacrylonitrile (PAN)-based fiber, rayon-based fiber or pitch-based fiber.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
상기 탄화규소섬유는 전구체법, 분말압출법 또는 화학기상증착법(CVD)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the first step,
The silicon carbide fiber is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that produced by a precursor method, powder extrusion method or chemical vapor deposition (CVD) method.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
상기 고분자 용액은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the first step,
The polymer solution is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that it contains a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
상기 함침은 수지이송성형(RTM), 고속액상성형(High speed RTM) 또는 고압수지이송성형(HP-RTM), 진공수지이송성형(VARTM) 또는 진공함침(VI) 공정 으로 수행되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the first step,
The impregnation is characterized in that it is performed by a resin transfer molding (RTM), high speed liquid molding (High speed RTM) or high pressure resin transfer molding (HP-RTM), vacuum resin transfer molding (VARTM) or vacuum impregnation (VI) process. A method for manufacturing a fiber-reinforced composite material.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
상기 경화는 25℃ 내지 180℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
The method of claim 1, wherein in the first step,
The curing is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that carried out at a temperature of 25 ℃ to 180 ℃.
제1항에 있어서,
상기 제1단계와 상기 제2단계 사이에,
상기 섬유성형체를 Si, Zr, Ta, BN(boron nitride) 또는 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 탄화물, 질화물 또는 산화물로 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1,
Between the first step and the second step,
Fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that it further comprises the step of coating the fibrous body with one or more carbides, nitrides or oxides selected from the group consisting of Si, Zr, Ta, BN (boron nitride) or Al.
제1항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 제1의 온도는300℃내지 600℃인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1, In the second step,
The first temperature is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that 300 ℃ to 600 ℃.
제1항에 있어서, 상기 제3단계에서,
상기 제2의 온도는 400℃ 내지 2000℃인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1, In the third step,
The second temperature is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that 400 ℃ to 2000 ℃.
제1항에 있어서, 상기 제3단계에서,
상기 불활성 가스는 질소(N) 또는 아르곤(Ar)을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1, In the third step,
The inert gas is a fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that it contains nitrogen (N) or argon (Ar).
제1항에 있어서,
상기 제3단계 이후에, 실리콘을 고온에서 용융침투(LSI) 시켜 내부의 탄소를 세라믹으로 변환시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1,
Fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that after the third step, further comprising the step of converting the internal carbon into ceramic by melt infiltration (LSI) silicon at a high temperature.
제1항에 있어서,
목표 밀도를 달성할 때까지, 상기 제2탄화 열처리된 섬유 성형체에 대해 상기 제1단계 내지 제3단계를 반복 수행하여 섬유강화 복합소재를 밀도화 하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재 제조방법.
According to claim 1,
Until the target density is achieved, the fiber-reinforced composite material manufacturing method, characterized in that the fiber-reinforced composite material is densified by repeating the first to third steps for the second carbonized heat-treated fiber molded body.
제1항의 섬유강화 복합소재 제조방법으로 제조되는 섬유강화 복합소재.A fiber-reinforced composite material manufactured by the method of claim 1 .
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