KR20220035502A - 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현저한 음성 푸아송 비 효과를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료 및 이의 제조 방법을 제공한다. 상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 적어도 하나의 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비된다. 상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 다단 이질 섬유 프리폼은 복수의 다단 이질 섬유에 의해 경사 및 위사로 평직되어 형성된다. 본 발명에 따른 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 충격 손상에 대한 저항 능력을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 높은 충격 에너지를 흡수할 수 있고, 충돌 및 충격 과정에서 단단한 충격력이 내부 인원에게 피해를 주는 것을 방지하여 개인의 안전을 최대한 보호하며 사회적으로 중요한 의미가 있다.
Description
본 발명은 재해 방지 및 경감과 방호 엔지니어링 재료 분야에 속하며, 방폭 및 방충격 재료에 관한 것으로, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 고속열차 충돌, 선박 충돌, 항공기 충돌, 탄도 관통, 재래식 무기 폭발, 가스 폭발, 지하 통합관 갤러리 가스 폭발과 같은 건축 및 교통 엔지니어링 방호 등 분야에 적용할 수 있다.
최근 몇 년간 국내외에서는 폭발, 고속 충돌 사고가 빈번하게 발생하면서 건물은 물론 사람의 생명과 재산 등에 심각한 위협을 주고 있다. 이는 주로 폭발 사고나 충돌 사고의 발생 시간이 짧고 충격 하중이 매우 크며 변화 시간이 매우 빨라 피해를 줄이기 위한 효과적인 대책을 마련하기 어렵기 때문이다. 이를 기반으로 현재 관련 분야에서는 방호 재료의 성능에 대한 요구사항이 점점 높아지고 있다. 구체적으로, 고속열차 충돌, 지하 통합관 갤러리 가스 폭발, 항공기 충돌, 탄도 관통, 재래식 무기 폭발, 가스 폭발, 교통 엔지니어링 등 분야에서 단일 균질 재료는 무겁고 사용하기 불편할 뿐만 아니라 높은 강도와 높은 인성 간의 모순을 해결할 수 없으며, 오랫동안 사람들의 요구사항을 충족시키지 못하였다. 세라믹 재료는 높은 경도, 높은 강도, 높은 압축 강도 및 고온 저항 성능을 갖고, 금속은 높은 인성과 높은 가소성을 가지므로, 섬유 강화 복합 재료는 단위 중량 또는 면적 밀도에서 높은 충격 에너지 흡수 능력을 갖는다.
발명 특허 ZL200610113399.X는 "섬유 강화 금속/세라믹 층상 복합 재료 보호판"을 공개하였다. 상기 발명은 섬유 강화 금속/세라믹 층상 복합 재료 보호판을 제공하며, 상기 보호판은 적어도 하나의 금속층/섬유층/세라믹층의 샌드위치 구조를 갖고, 상기 샌드위치 구조는 고온하에 능동 주조 공정, 분말 소결 공정 또는 능동 금속 브레이징 공정을 통해 금속층, 섬유층 및 세라믹층을 함께 용접한 것이다. 상기 보호판은 경도가 높고 인열 저항 능력이 우수하며, 인성이 우수하고 중량이 가벼우며, 고속 탄환 타격에 대한 우수한 방호 능력을 구비하고, 방탄복, 장갑차 및 장갑 방호가 필요한 항공기에 널리 적용할 수 있다. 그러나 상기 특허에 따른 복합 재료 보호판은 여전히 다음과 같은 문제가 있다. (1) 샌드위치 구조의 인접한 두 층 사이는 파라미터의 차이가 크며, 이는 고속 충격 하중의 작용을 받을 때 층 사이의 약한 연결과 낮은 결합 강도로 인해 박리 현상을 일으키기 쉽고, 따라서 우수한 방충격 능력을 구현할 수 없다. (2) 각 층의 성능은 여전히 충격 에너지의 대폭적인 흡수를 구현하기에 충분하지 않고, 고속 탄환이나 폭발 충격파의 작용하에 강한 동적 하중 에너지를 흡수하는 효과가 이상적이지 않다.
종래기술에서 방폭 및 방충격 복합 재료에 존재하는 문제에 대해, 본 발명은 음성 푸아송 비 구배 설계를 통해 방폭 및 방충격 능력을 크게 향상시키는 현저한 음성 푸아송 비 효과를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 재료 및 이의 제조 방법을 제공한다.
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 적어도 하나의 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 페놀 수지(phenolic resin), 비스페놀 A형 에폭시 수지(bisphenol A epoxy resin), 유기실리콘 수지(organicsilicone resin), 알키드 수지(alkyd resin), 폴리에스테르 수지(polyester resin) 중 하나 이상이다. 상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지, 우레아-포름알데히드 수지(urea-formaldehyde resin), 유기실리콘 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리우레아(polyurea) 중 하나 이상이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼은 1 내지 4층이고, 인접한 상기 다단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 2 mm 내지 20 mm이다.
상기 다단 이질 섬유프리폼은 복수의 다단 이질 섬유에 의해 경사 및 위사로 평직되어 형성된다. 상기 다단 이질 섬유는 다단 보조 섬유에 의해 코어 섬유에 감겨 형성된다. 상기 코어 섬유는 저모듈러스 섬유이고, 상기 다단 보조 섬유는 탄성 계수가 상이한 고모듈러스 섬유이다. 인접한 상기 다단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 2 mm 내지 50 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유의 탄성 계수는 50 MPa 내지 50 GPa이고; 상기 고모듈러스 섬유의 탄성 계수는 ≥ 50 GPa이다. 상기 보조 섬유는 단(stage)을 나누어 코어 섬유에 감기며; 상기 다단 보조 섬유 중의 1단 보조 섬유의 탄성 계수는 50 GPa 내지 90 GPa이고; 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 탄성 계수비는 1.1 내지 9.6이며, N = 2 내지 7이고; 상기 코어 섬유와 1단 보조 섬유의 직경비는 1.5 내지 3.0이며, 코어 섬유와 제N단 보조 섬유의 직경비는 2.5 내지 15.0이고, 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 직경비는 0.5 내지 0.9이며, N은 2 내지 7이고; 상기 제1단 보조 섬유의 나선각은 2°내지 8°이며, 제N단 보조 섬유의 나선각은 제N-1단 보조 섬유에 비해 3°내지 15°증가하고, 제N단 보조 섬유의 나선각은 5°내지 60°이며, N은 2 내지 7이다. 상기 보조 섬유는 나선각과 탄성 계수가 구배로 분포된 다단 고모듈러스 섬유를 사용하며, 내구성이 우수하고 인장 강도가 높으며, 미세균열 발생시 균열의 확장을 억제하고, 매트릭스 재료의 내부 응력의 균일한 분포를 촉진하여, 중간 탄성층의 압축 강도 및 방충격 성능을 향상시킬 수 있다. 코어 섬유로서의 저모듈러스 섬유의 유연성은 섬유 메쉬 직물 구조 및 매트릭스 재료의 인장, 굴곡, 전단 성능을 향상시킬 수 있고, 거시적 균열 발생시 작용을 충분히 발휘하여 매트릭스 재료의 급격한 손상을 방지할 수 있다. 다단 이질 섬유 프리폼이 비 평행적인 외력의 충격을 받을 때, 프리폼 중 각 단(stage)의 보조 섬유는 탄성 계수가 비교적 높고 파단 신장율이 비교적 낮기 때문에 직선 상태가 되는 경향이 있으며; 코어 섬유는 탄성 계수가 비교적 낮고 신장율이 비교적 크게 변하기 때문에 나선 상태가 되는 경향이 있다. 여기서, 코어 섬유의 직경은 보조 섬유의 직경보다 크고, 응력의 작용하에서 나선형 섬유 구조는 횡방향으로 넓어지는 반면, 섬유 프리폼은 격자의 공극이 경위 방향으로 축소되는 것을 보여주며, 중간 탄성체에 균열이 발생하는 경우, 중간 탄성체의 완전성을 유지할 뿐만 아니라 복합 감쇠 재료의 전반적인 인열 저항 및 강한 동적 하중 저항과 같은 역학적 성질을 향상시킨다.
바람직하게는, 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 탄성 계수비는 1.1 내지 7.5이고, N은 2 내지 7이며; 상기 코어 섬유와 1단 보조 섬유의 직경비는 1.5 내지 2.5이고, 코어 섬유와 제N단 보조 섬유의 직경비는 2.5 내지 10.0이며, 제N단 보조 섬유의 나선각은 10°내지 60°이고, N은 2 내지 7이다.
여기서, 상기 저모듈러스 섬유는 폴리에틸렌 섬유(polyethylene fiber), 폴리비닐알코올 섬유(polyvinyl alcohol fiber), 폴리비닐포르말 섬유(polyvinyl formal fiber), 폴리염화비닐 섬유(polyvinyl chloride fiber), 폴리프로필렌 섬유(polypropylene fiber), 폴리아크릴로니트릴 섬유(polyacrylonitrile fiber), 폴리아미드 섬유(polyamide fiber), 폴리이미드 섬유(polyimide fiber), 폴리에스테르 섬유(polyester fiber), 폴리우레탄 섬유(polyurethane fiber), 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber), 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유(polytetrafluoroethylene fiber) 및 폴리페닐렌 설파이드 섬유(polyphenylene sulfide fiber) 중 하나 이상이고; 상기 고모듈러스 섬유는 아라미드 섬유(aramid fiber), 폴리벤즈이미다졸 섬유(polybenzimidazole fiber), 폴리벤조디옥사졸 섬유(polybenzodioxazole fiber), 폴리아릴레이트 섬유(polyarylate fiber), 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 유리 섬유(glass fiber), 탄소 섬유(carbon fiber), 강 섬유(steel fiber), 연속 현무암 섬유(continuous basalt fiber), 탄화규소 섬유(silicon carbide fiber), 산화마그네슘 섬유(magnesium oxide fiber), 산화알루미늄 섬유(alu minium oxide fiber), 실리카 섬유(silica fiber), 석영 섬유(quartz fiber), 규산알루미늄 섬유(alu minium silicate fiber), 그래핀 섬유(graphene fiber) 및 보론 섬유(boron fiber) 중 하나 이상이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 유기실리콘 수지, 폴리우레탄, 폴리우레아 중 하나 이상이다.
상기 내부 강성층은 탄성 계수가 220 GPa 내지 460 GPa인 세라믹 재료이며, 구체적으로 탄화규소(silicon carbide), 탄화붕소(boron carbide), 질화규소(silicon nitride), 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(alu minum nitride), 산화알루미늄(alu minum oxide) 및 산화지르코늄(zirconium oxide) 세라믹 중 하나 이상이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이며; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a이고, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.3a 내지 0.7a이며, 상기 오목 홀의 높이 h는 a 내지 2.4a이고; 하나의 상기 오목 홀의 부피는 100 내지 1000 mm3이다. 상기 금속은 알루미늄(alu minum), 니켈(nickel), 마그네슘(magnesium), 티타늄(titanium) 및 이들의 합금 중 하나 이상이다. 오목 홀 구조의 설계는 금속의 저장 탄성률을 크게 향상시켜 폭발 하중 에너지에 저항하고 흡수하는 능력을 크게 향상시킨다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8 내지 1.0:1.2이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0% 내지 10.0%이며, 경화될 때까지 50℃ 내지 80℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르 수지, 디올(diol), 폴리올(polyol), 방향족 아민(aromatic a mine)계, 지방족 아민(aliphatic a mine)계 경화제 중 하나 이상이고; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무(Carboxylated NBR), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌 에테르 케톤(polyphenylene ether ketone) 중 하나 이상이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트(pit)를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.005 내지 Ra0.015로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 1단 보조 섬유인 상기 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 0.1% 내지 5.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8 내지 1.0:1.2이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0% 내지 10.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 50℃ 내지 80℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 티타네이트 커플링제(titanate coupling agent), 알루미네이트 커플링제(aluminate coupling agent), 바이메탈 커플링제(bimetallic coupling agent) 및 실란 커플링제(silane coupling agent) 중 하나 이상이고; 상기 경화제는 폴리아미드, 폴리에스테르 수지, 디올, 폴리올, 방향족 아민계, 지방족 아민계 경화제 중 하나 이상이며; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무, 폴리비닐부티랄, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌 에테르 케톤 중 하나 이상이다.
(c) N단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 N단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 N단 이질 섬유 구조를 얻으며, N은 2 내지 7이다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 N단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 N단 이질 섬유 프리폼을 얻으며, N은 2 내지 7이다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 0.2% 내지 2.0%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 2 mm 내지 20 mm의상기변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 0 내지 3회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면연결층-내부 강성층-계면연결층-중간 탄성층-계면연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 150℃ 내지 220℃로 가열하여 기공 및 섬유에 중합체가 균일하게 침투되도록 하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 20 min 내지 30 min 동안 압력(1 내지 5 MPa)을 유지하며; 고분자 연결층이 오목 금속의 다공성 구조에 충분히 침투도되록 보장하여 구배 연결을 형성하고; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
본 발명의 유익한 효관느 다음과 같다.
(1) 종래기술과 비교하면, 본 발명에 따른 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 충격 손상에 대한 저항 능력을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 높은 충격 에너지를 흡수할 수 있고, 충돌 및 충격 과정에서 단단한 충격력이 내부 인원에게 피해를 주는 것을 방지하여 개인의 안전을 최대한 보호하며 사회적으로 중요한 의미가 있다.
(2) 본 발명에 따른 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료에서 외부 표면 고강도층은 오목 홀 구조를 갖는 금속을 사용하고, 중간 탄성층은 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼을 사용하며; 내부 표면 점탄성층은 점탄성 고분자 재료를 사용하고; 또한 계면연결층을 설치하며, 화학 공정을 결합하여 각 층 사이의 구배 연결을 구현함으로써, 방폭 및 방충격 성능을 크게 향상시킨다.
(3) 종래기술과 비교하면, 본 발명에 따른 방폭 및 방충격 복합 재료는 또한 내부 강성층을 추가 설치하고, 세라믹 재료와 섬유층의 복합은 세라믹 자체의 높은 경도, 높은 강성 및 높은 탄성 계수를 유지할 뿐만 아니라 세라믹 재료의 취성을 극복하며; 충격 하중이 세라믹층에 도달하는 경우 충격 하중의 지속적인 충격 작용을 효과적으로 감소할 수 있고, 동일한 금속/하이브리드 섬유 강화 탄성층/세라믹 복합 재료와 비교하여 방충격 성능이 268.3% 향상될 수 있으며, 방충격 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
(4) 본 발명에 따른 복합 재료의 제조 방법에서, 수지에 커플링제를 첨가하여 섬유와 섬유, 섬유와 금속, 세라믹의 계면 구조를 개선하고, 각 계면 사이의 결합력을 증강시켜 계면의 접합 강도와 같은 역학적 성질을 향상시키며; 아울러, 강인화제의 첨가는 수지 분자 사이의 작용력을 감소시키고, 수지의 강성을 향상시키며 인성을 증가시켜, 수지의 방충격 성능을 향상시키는 동시에 섬유층이 일정한 탄성을 갖도록 확보한다.
도 1은 3단 이질 섬유 구조 모식도이고, 여기서 a는 코어 섬유이며, b1은 1단 보조 섬유이고, b2는 2단 보조 섬유이며, b3은 3단 보조 섬유이고, θ는 보조 섬유와 코어 섬유 사이의 나선각이며, D는 코어 섬유의 직경이고, d는 보조 섬유의 직경이다.
도 2는 3단 이질 섬유 작용력 변형 모식도이고, 여기서 A1은 자유 초기 상태의 3단 이질 섬유의 정면도이며, A2는 자유 초기 상태의 3단 이질 섬유의 방사상 단면도이고, B1은 최대 응력 상태의 3단 이질 섬유의 정면도이며, B2는 최대 응력 상태의 3단 이질 섬유의 방사상 단면도이다.
도 3은 다단 이질 섬유 프리폼 중 섬유의 경사 및 위사 평직 구조 모식도이고, 여기서 x, y는 다단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리이다.
도 4는 오목 홀의 구조 모식도이고, a는 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이이며, d는 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이이고, h는 캐비티의 높이이며, c는 정육각뿔의 높이이고, α는 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각이다.
도 5a는 음성 푸아송 비 구배 복합 감쇠 재료의 구조 모식도이고, 도 5b는 도 5a의 단면 부분의 확대도이며; 여기서 1은 오목 홀이 있는 금속층(외부 표면 고강도층)이고, 2는 음성 푸아송비 다단 이질 섬유 프리폼 복합체(중간 탄성층)이며, 3은 세라믹층(내부 강성층)이고, 4는 점탄성층(내부 표면 점탄성층)이며, 화살표는 충격 하중의 방향이다.
도 2는 3단 이질 섬유 작용력 변형 모식도이고, 여기서 A1은 자유 초기 상태의 3단 이질 섬유의 정면도이며, A2는 자유 초기 상태의 3단 이질 섬유의 방사상 단면도이고, B1은 최대 응력 상태의 3단 이질 섬유의 정면도이며, B2는 최대 응력 상태의 3단 이질 섬유의 방사상 단면도이다.
도 3은 다단 이질 섬유 프리폼 중 섬유의 경사 및 위사 평직 구조 모식도이고, 여기서 x, y는 다단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리이다.
도 4는 오목 홀의 구조 모식도이고, a는 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이이며, d는 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이이고, h는 캐비티의 높이이며, c는 정육각뿔의 높이이고, α는 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각이다.
도 5a는 음성 푸아송 비 구배 복합 감쇠 재료의 구조 모식도이고, 도 5b는 도 5a의 단면 부분의 확대도이며; 여기서 1은 오목 홀이 있는 금속층(외부 표면 고강도층)이고, 2는 음성 푸아송비 다단 이질 섬유 프리폼 복합체(중간 탄성층)이며, 3은 세라믹층(내부 강성층)이고, 4는 점탄성층(내부 표면 점탄성층)이며, 화살표는 충격 하중의 방향이다.
이하, 실시예를 결부하여 본 발명을 더 설명한다.
실시예 1
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 페놀 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 에폭시 수지이다.
상기 내부 강성층은 탄화규소 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 2단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 페놀 수지이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 2단 이질 섬유 프리폼은 2층이고, 인접한 상기 2단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 15 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 2단 이질 섬유 프리폼은 복수의 2단 이질 섬유에 의해 경사 및 위사로 평직되어 형성된다. 상기 2단 이질 섬유는 다단 보조 섬유에 의해 코어 섬유에 감겨 형성되고; 상기 코어 섬유는 폴리에스테르 섬유이며; 폴리에스테르 섬유는 직경이 450 μm인 섬유 다발로, 파단 신장율은 18%이고, 탄성 계수는 13.5 GPa이며, 밀도는 1.38 g/cm3이고, 우수한 내산성 및 내알칼리성을 갖는다. 상기 1단 보조 섬유는 아라미드 섬유로, 탄성 계수는 50 GPa이고, 직경은 150 μm이며, 나선각은 8°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 규산알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 480 GPa이며, 직경은 75 μm이고, 나선각은 20°이다. 인접한 상기 2단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 15 mm이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=2.7 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.7a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 a이며; 하나의 오목 홀의 부피는 103 mm3이고; 상기 금속은 알루미늄 합금이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0%이며, 경화될 때까지 50℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 폴리아미드이고; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.005로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 1단 보조 섬유인 상기 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 0.1%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 50℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 티타네이트 커플링제이고; 상기 경화제는 폴리아미드이며; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무이다.
(c) 2단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 2단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 2단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 2단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 2단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 0.4%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 20 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 1회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면 연결층-내부 강성층-계면 연결층-중간 탄성층-계면 연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 150℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 20 min 동안 압력(1 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
실시예 2
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 비스페놀 A형 에폭시 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 페놀 수지이다.
상기 내부 강성층은 탄화붕소 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 3단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 에폭시 수지이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 3단 이질 섬유 프리폼은 3층이고, 인접한 상기 3단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 5 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 3단 이질 섬유 프리폼에서 인접한 상기 3단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 5 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유는 폴리에틸렌 섬유이고; 직경이 380 μm인 섬유 다발로, 탄성 계수는 4 GPa이며, 파단 신장율은 15%이고, 밀도는 0.91g/cm3이다. 상기 1단 보조 섬유는 아라미드 섬유로, 탄성 계수는 85 GPa이고, 직경은 243 μm이며, 나선각은 7°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유로, 탄성 계수는 130 GPa이며, 직경은 149 μm이고, 나선각은 20°이며; 상기 제3단 보조 섬유는 강 섬유 및 탄소 섬유이되, 강 섬유의 탄성 계수는 205 GPa이고, 탄소 섬유의 탄성 계수는 205 GPa이며, 강 섬유 및 탄소 섬유의 직경은 모두 141 μm이고, 탄소 섬유 및 강 섬유의 나선각은 모두 35°이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이며; 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=3.0 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.4a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 2.1a이며; 하나의 상기 오목 홀의 부피는 142 mm3이고; 상기 금속은 알루미늄이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.9이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 6.0%이며, 경화될 때까지 55℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 폴리에스테르 수지이고; 상기 강인화제는 폴리비닐부티랄이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.007로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 상기 1단 보조 섬유인 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 1.5%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.9이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 6.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 55℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 알루미네이트 커플링제이고; 상기 경화제는 폴리에스테르 수지이며; 상기 강인화제는 폴리비닐부티랄이다.
(c) 3단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 3단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 3단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 3단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 3단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 0.6%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 15 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 2회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면연결층-내부 강성층-계면연결층-중간 탄성층-계면연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 160℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 22 min 동안 압력(2 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
실시예 3
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 유기실리콘 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 우레아-포름알데히드 수지이다.
상기 내부 강성층은 질화규소 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 4단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 유기실리콘 수지이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 4단 이질 섬유 프리폼은 4층이고, 인접한 상기 4단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 4 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 4단 이질 섬유 프리폼에서 인접한 상기 4단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 25 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유는 폴리페닐렌 설파이드 섬유이고; 직경이 415 μm인 섬유 다발로, 탄성 계수는 5.94 GPa이며, 파단 신장율은 30%이다. 상기 1단 보조 섬유는 폴리아릴레이트 섬유로, 탄성 계수는 50 GPa이고, 직경은 272 μm이며, 나선각은 6°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 폴리벤조디옥사졸 섬유로, 탄성 계수는 56 GPa이며, 직경은 223 μm이고, 나선각은 11°이며; 상기 제3단 보조 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유로, 탄성 계수는 65 GPa이고, 직경은 145 μm이며, 나선각은 18°이고; 상기 제4단 보조 섬유는 산화알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 455 GPa이며, 직경은 125 μm이고, 나선각은 31°이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=4.0 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.5a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 1.7a이며; 하나의 상기 오목 홀의 부피는 336 mm3이고; 상기 금속은 니켈이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:1.0이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 7.0%이며, 경화될 때까지 60℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 폴리아미드이고; 상기 강인화제는 폴리에테르술폰이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.009로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 상기 1단 보조 섬유인 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 2.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:1.0이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 7.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 60℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 바이메탈 커플링제이고; 상기 경화제는 폴리아미드이며; 상기 강인화제는 폴리에테르술폰이다.
(c) 4단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 4단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 4단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 4단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 4단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 0.8%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 5 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 3회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면 연결층-내부 강성층-계면 연결층-중간 탄성층-계면 연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 170℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 25 min 동안 압력(5 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
실시예 4
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면 연결층은 커플링제가 첨가된 알키드 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 유기실리콘 수지이다.
상기 내부 강성층은 질화붕소 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 5단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 우레아-포름알데히드 수지이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 5단 이질 섬유 프리폼은 2층이고, 인접한 상기 5단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 8 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 5단 이질 섬유 프리폼에서 인접한 상기 5단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 30 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유는 폴리에스테르 섬유이고; 폴리에스테르 섬유의 직경은 670 μm이며, 밀도는 1.34 g/cm3이고, 탄성 계수는 13.55 GPa이며, 파단 신장율은 20%로, 연성 사슬 섬유이다. 상기 1단 보조 섬유는 아라미드 섬유로, 탄성 계수는 50 GPa이고, 직경은 230 μm이며, 나선각은 7°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 석영 섬유로, 탄성 계수는 78 GPa이며, 직경은 125 μm이고, 나선각은 10°이며, 상기 제3단 보조 섬유는 폴리아릴레이트 섬유로, 탄성 계수는 87 GPa이고, 직경은 90 μm이며, 나선각은 24°이고, 상기 제4단 보조 섬유는 현무암 섬유로, 탄성 계수는 111 GPa이고, 직경은 77 μm이며, 나선각은 35°이고; 상기 제5단 보조 섬유는 산화알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 459 GPa이며, 직경은 71 μm이고, 나선각은 50°이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=5.0 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.6a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 1.35a이며; 하나의 상기 오목 홀의 부피는 657 mm3이고; 상기 금속은 니켈 합금이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:1.1이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 8.0%이며, 경화될 때까지 65℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 폴리에테르아민이고; 상기 강인화제는 폴리페닐렌 에테르 케톤이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.011로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 1단 보조 섬유인 상기 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 4.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:1.1이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 8.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 65℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 실란 커플링제이고; 상기 경화제는 폴리에테르아민이며; 상기 강인화제는 폴리페닐렌 에테르 케톤이다.
(c) 5단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 5단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 5단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 5단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 5단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 1.2%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 10 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 1회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면 연결층-내부 강성층-계면 연결층-중간 탄성층-계면 연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 180℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 30 min 동안 압력(1 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
실시예 5
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 폴리에스테르 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 폴리우레탄이다.
상기 내부 강성층은 질화알루미늄 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 6단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 에폭시 수지이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 6단 이질 섬유 프리폼은 3층이고, 인접한 상기 6단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 6 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 6단 이질 섬유 프리폼에서 인접한 상기 6단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 40 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유는 폴리비닐알코올 섬유이고; 폴리아미드 섬유는 긴 섬유로, 직경은 485 μm이며, 파단 신장율은 24%이고, 탄성 계수는 5.23 GPa이며, 밀도는 1.16 g/cm3이다. 상기 1단 보조 섬유는 아라미드 섬유로, 탄성 계수는 72 GPa이고, 직경은 285 μm이며, 나선각은 7°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 폴리아릴레이트 섬유로, 탄성 계수는 120 GPa이며, 직경은 226 μm이고, 나선각은 15°이며; 상기 제3단 보조 섬유는 강 섬유로, 탄성 계수는 210 GPa이고, 직경은 180 μm이며, 나선각은 25°이고; 상기 제4단 보조 섬유는 탄화규소 섬유로, 탄성 계수는 290 GPa이며, 직경은 142 μm이고, 나선각은 34°이며; 상기 제5단 보조 섬유는 산화알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 373 GPa이거, 직경은 114 μm이며, 나선각은 40°이고; 상기 제6단 보조 섬유는 규산알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 481 GPa이며, 직경은 100 μm이고, 나선각은 50°이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=6.0 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.7a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 a이며; 하나의 오목 홀의 부피는 상기 오목 홀의 부피는 578 mm3이고; 상기 금속은 마그네슘 합금이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:1.2이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 9.0%이며, 경화될 때까지 70℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 에틸렌글리콜이고; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.013으로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 상기 1단 보조 섬유인 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0: 1.2이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 9.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 70℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 티타네이트 커플링제이고; 상기 경화제는 에틸렌글리콜이며; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무이다.
(c) 6단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 6단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 6단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 6단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 6단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 1.6%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 8 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 1회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면연결층-내부 강성층-계면연결층-중간 탄성층-계면연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 200℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 20 min 동안 압력(5 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
실시예 6
음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료는 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성된다. 상기 복합 감쇠 재료의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 비스페놀 A형 에폭시 수지이다.
상기 내부 표면 점탄성층은 강인화제가 첨가된 폴리우레아이다.
상기 내부 강성층은 산화알루미늄 세라믹이다.
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 7단 이질 섬유 프리폼을 포함한다. 상기 매트릭스 재료는 강인화제가 첨가된 폴리우레아이다. 상기 음성 푸아송 비 효과를 갖는 7단 이질 섬유 프리폼은 4층이고, 인접한 상기 7단 이질 섬유 프리폼의 층 간격은 20 mm이다. 음성 푸아송 비 효과를 갖는 7단 이질 섬유 프리폼에서 인접한 상기 7단 이질 섬유의 코어 섬유 간의 거리는 50 mm이다. 상기 저모듈러스 섬유는 폴리이미드 섬유이고; 여기서, 탄성 계수는 12 GPa이며, 밀도는 2.35 g/cm3이고, 직경은 600 μm이며, 파단 신장율은 29%이다. 상기 1단 보조 섬유는 내알칼리성 유리 섬유로, 탄성 계수는 74 GPa이고, 직경은 305 μm이며, 나선각은 5°이고; 상기 제2단 보조 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유로, 탄성 계수는 100 GPa이며, 직경은 200 μm이고, 나선각은 14°이며; 상기 제3단 보조 섬유는 탄화규소 섬유로, 탄성 계수는 174 GPa이고, 직경은 152 μm이며, 나선각은 24°이고; 상기 제4단 보조 섬유는 강 섬유로, 탄성 계수는 202 GPa이며, 직경은 124 μm이고, 나선각은 33°이며; 상기 제5단 보조 섬유는 탄소 섬유로, 탄성 계수는 245 GPa이고, 직경은 102 μm이며, 나선각은 40°이고; 상기 제6단 보조 섬유는 산화알루미늄 섬유로, 탄성 계수는 351 GPa이며, 직경은 76 μm이고, 나선각은 50°이며; 상기 제7단 보조 섬유는 탄화규소 섬유이고, 탄성 계수는 462 GPa이며, 직경은 41 μm이고, 나선각은 60°이다.
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이다. 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된다. 상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120도이고; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a(a=7 mm)이며, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.5a이고, 상기 오목 홀의 높이 h는 1.7a이며; 하나의 오목 홀의 부피는 상기 오목 홀의 부피는 920 mm3이고; 상기 금속은 티타늄 합금이다.
상기 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법은 하기와 같은 단계를 포함한다.
(1) 내부 표면 점탄성층의 제조 단계: 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.9이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 10.0%이며, 경화될 때까지 80℃로 가열하여 점탄성층을 얻는다. 상기 경화제는 헥사메틸렌디아민이고; 상기 강인화제는 폴리비닐부티랄이다.
(2) 내부 강성층의 가공 제조 단계: 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써, 흩어진 작은 피트를 형성하여 세라믹의 접합 면적 및 기계적 결합력을 증가시키며, 거칠기를 Ra0.015로 유지한다.
(3) 중간 탄성층의 제조 단계는 하기와 같은 단계를 포함한다.
(a) 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계: 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 1단 보조 섬유인 상기 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는다.
(b) 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계: 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 3.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.9이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 7.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 80℃로 가열하여 1단 이질 섬유 배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는다. 상기 커플링제는 실란 커플링제이고; 상기 경화제는 헥사메틸렌디아민이며; 상기 강인화제는 폴리비닐부티랄이다.
(c) 7단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계: 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 7단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 7단 이질 섬유 구조를 얻는다.
(d) 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계: 얻은 7단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 7단 이질 섬유 프리폼을 얻는다.
(e) 중간 탄성층의 제조 단계: 질량 분율이 0.3%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 4 mm의 상기 변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 3회 중복하여 중간 탄성층을 얻는다.
(4) 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계: 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는다.
(5) 내부 표면 점탄성층-계면 연결층-내부 강성층-계면 연결층-중간 탄성층-계면 연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 220℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 28 min 동안 압력(3 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는다.
대조 실시예 1
다공성 금속/하이브리드 섬유 강화 탄성층/세라믹 층상 복합 재료를 제조하는 바, 구체적인 제조 방법은 하기와 같다.
(1) 동일한 사양 및 품질의 촙드(chopped) 폴리이미드 섬유, 촙드 내알칼리성 유리 섬유, 촙드 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 촙드 탄화규소 섬유, 촙드 강 섬유, 촙드 탄소 섬유, 촙드 산화알루미늄 섬유, 촙드 탄화규소 섬유를 실시예 6과 동일한 조성 및 두께의 변성 폴리우레아 매트릭스에 완전하고 균일하게 분산시켜 중간 탄성층을 얻는다.
(2) 3D 프린팅 기술을 사용하여 공극률, 공극도 분포 및 두께를 갖는 티타늄 합금층을 제조한다.
(3) 실시예 6의 층간 두께비에 따라 다공성 티타늄 합금/중간 탄성층/산화알루미늄 세라믹을 적층 배치하고, 층 사이에 실란 커플링제가 첨가된 비스페놀 A형 에폭시 수지를 코팅한 후, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 220℃로 가열하고; 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 28 min 동안 압력(3 MPa)을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜, 다공성 금속/하이브리드 섬유 강화 탄성층/세라믹 층상 복합 재료를 얻고, 이의 충격 강도를 테스트의 기준으로 사용한다.
대조 실시예 1과 실시예 1 내지 6에서 제조된 복합 재료 샘플 각각에 대해 상응한 충격 강도 테스트를 수행한다.
섬유 역학적 성질 테스트: 만능 기계 시험기를 사용하며, 인장 속도는 5 mm/min이고, 섬유 길이는 250 mm이다.
푸아송 비 테스트: 디지털 스펙클 상관 방법은 만능 기계 시험기의 테스트 및 계산과 함께 사용되며, 기계 시험기의 하중 속도는 5 mm/min이다.
복합 재료의 충격 강도 테스트: GB/T1451에 따라 만능 시험기로 테스트하여 복합 재료의 충격 강도를 얻는다.
표 1 대조 실시예 1의 섬유 및 실시예 1 내지 6에서 제조된 섬유 프리폼의 파라미터
표 2 대조 실시예 1 및 실시예 1 내지 6에서 제조된 방폭 및 방충격 복합 재료의 충격 강도
표 1로부터 알 수 있다시피, 실시예 1 내지 6에서 제조된 섬유 프리폼의 푸아송 비는 -6.25 내지 -11.39이고, 대조 실시예에 따른 섬유의 푸아송 비는 0.4이다. 이로부터 알 수 있다시피, 종래기술의 섬유와 비교하여 본 발명에 따른 다단 섬유 프리폼의 푸아송 비 효과는 보다 더 현저하고; 섬유 프리폼에서 보조 섬유의 단수(stage number)가 증가함에 따라 음성 푸아송 비 효과도 점차 증가한다.
표 2로부터 알 수 있다시피, 대조 실시예 1과 비교하여 실시예 1 내지 6에서 제조된 복합 재료의 충격 강도는 현저히 향상되고, 이는 방폭 및 방충격 성능이 크게 향상되었음을 나타낸다. 동일한 시스템의 금속/하이브리드 섬유 강화 탄성층/세라믹 복합 재료와 비교하여, 본 발명에서 제조된 복합 재료의 방충격 성능은 268.3%로 증폭되고, 이는 상기 복합 재료의 섬유 프리폼과 오목 홀 금속의 설계 및 다단 재료 사이의 구배 결합 방식이 방충격 및 방폭 성능을 향상시키는 데 현저한 효과가 있음을 나타낸다.
Claims (10)
- 적어도 하나의 내부 표면 점탄성층-내부 강성층-중간 탄성층-외부 표면 고강도층의 층상 단위 구조로 구성되는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료로서,
상기 중간 탄성층은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 구비된 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼을 포함하며; 상기 섬유 프리폼은 복수의 다단 이질 섬유에 의해 경사 및 위사로 평직되어 형성되고; 상기 다단 이질 섬유는 다단 보조 섬유에 의해 코어 섬유에 감겨 형성되며; 상기 코어 섬유는 저모듈러스 섬유이고, 상기 다단 보조 섬유는 코어 섬유에 순차적으로 감긴 탄성 계수가 상이한 고모듈러스 섬유를 포함하며; 상기 다단 보조 섬유 중의 1단 보조 섬유의 탄성 계수는 50 GPa 내지 90 GPa이고; 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 탄성 계수비는 1.1 내지 9.6이며, N = 2 내지 7이고; 상기 코어 섬유와 1단 보조 섬유의 직경비는 1.5 내지 3.0이며, 코어 섬유와 제N단 보조 섬유의 직경비는 2.5 내지 15.0이고, 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 직경비는 0.5 내지 0.9이며, N은 2 내지 7이고; 상기 제1단 보조 섬유의 나선각은 2°내지 8°이며, 제N단 보조 섬유의 나선각은 제N-1단 보조 섬유에 비해 3°내지 15° 증가하고, 제N단 보조 섬유의 나선각은 5°내지 60°이며, N은 2 내지 7인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제1항에 있어서,
상기 중간 탄성층에서 음성 푸아송 비 효과를 갖는 다단 이질 섬유 프리폼은 1층 내지 4층이고; 인접한 상기 다단이 질 섬유 프리폼의 층 간격은 2 mm 내지 20 mm이며; 인접한 상기 다단 이질 섬유의 코어 섬유간의 거리는 2 mm 내지 50 mm이고; 상기 저 모듈러스 섬유의 탄성 계수는 50 MPa 내지 50 GPa이며; 상기 고모듈러스 섬유의 탄성 계수는 ≥ 50 GPa이고; 제N단 보조 섬유와 제N-1단 보조 섬유의 탄성 계수비는 1.1 내지 7.5이며, N은 2 내지 7이고; 상기 코어 섬유와 1단 보조 섬유의 직경비는 1.5 내지 2.5이며, 코어 섬유와 제N단 보조 섬유의 직경비는 2.5 내지 10.0이고, 제N단 보조 섬유의 나선각은 10°내지 60°이며, N은 2 내지 7인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제2항에 있어서,
상기 저모듈러스 섬유는 폴리에틸렌 섬유(polyethylene fiber), 폴리비닐알코올 섬유(polyvinyl alcohol fiber), 폴리비닐포르말 섬유(polyvinyl formal fiber), 폴리염화비닐 섬유(polyvinyl chloride fiber), 폴리프로필렌 섬유(polypropylene fiber), 폴리아크릴로니트릴 섬유(polyacrylonitrile fiber), 폴리아미드 섬유(polyamide fiber), 폴리이미드 섬유(polyimide fiber), 폴리에스테르 섬유(polyester fiber), 폴리우레탄 섬유(polyurethane fiber), 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber), 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유(polytetrafluoroethylene fiber) 및 폴리페닐렌 설파이드 섬유(polyphenylene sulfide fiber) 중 하나 이상이고; 상기 고모듈러스 섬유는 아라미드 섬유(aramid fiber), 폴리벤즈이미다졸 섬유(polybenzimidazole fiber), 폴리벤조디옥사졸 섬유(polybenzodioxazole fiber), 폴리아릴레이트 섬유(polyarylate fiber), 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 유리 섬유(glass fiber), 탄소 섬유(carbon fiber), 강 섬유(steel fiber), 연속 현무암 섬유(continuous basalt fiber), 탄화규소 섬유(silicon carbide fiber), 산화마그네슘 섬유(magnesium oxide fiber), 산화알루미늄 섬유(alu minium oxide fiber), 실리카 섬유(silica fiber), 석영 섬유(quartz fiber), 규산알루미늄 섬유(alu minium silicate fiber), 그래핀 섬유(graphene fiber) 및 보론 섬유(boron fiber) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구배 복합 감쇠 재료 중의 인접한 두 층 사이에는 모두 계면연결층이 구비되고, 상기 계면연결층은 커플링제가 첨가된 페놀 수지(phenolic resin), 비스페놀 A형 에폭시 수지(bisphenol A epoxy resin), 유기실리콘 수지(organicsilicone resin), 알키드 수지(alkyd resin), 폴리에스테르 수지(polyester resin) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제4항에 있어서,
상기 내부 표면 점탄성층 및 중간 탄성층의 매트릭스 재료는 모두 강인화제가 첨가된 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지, 우레아-포름알데히드 수지(urea-formaldehyde resin), 유기실리콘 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 및 폴리우레아(polyurea) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제4항에 있어서,
상기 외부 표면 고강도층은 다수의 오목 홀 구조를 갖는 금속층이며; 상기 오목 홀은 중심 대칭의 2개의 정육각뿔대 구조로 구성되고, 상기 오목 홀의 상단 및 하단은 정육각뿔대의 저부이며, 2개의 상기 정육각뿔대의 최상부는 서로 연결된 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제6항에 있어서,
상기 2개의 정육각뿔대 최상부의 연결 부분의 오목각 α는 120°이며; 상기 정육각뿔대 저부의 육각형의 변의 길이는 a이고, 상기 정육각뿔대 최상부의 육각형의 변의 길이 d는 0.3a 내지 0.7a이며, 상기 오목 홀의 높이 h는 a 내지 2.4a이고; 하나의 상기 오목 홀의 부피는 100 mm3 내지 1000 mm3이며; 상기 금속은 알루미늄(alu minum), 니켈(nickel), 마그네슘(magnesium), 티타늄(titanium) 및 이들의 합금 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제4항에 있어서,
상기 내부 강성층은 탄성 계수가 220 GPa 내지 460 GPa인 세라믹 재료이며, 구체적으로 탄화규소(silicon carbide), 탄화붕소(boron carbide), 질화규소(silicon nitride), 질화붕소(boron nitride), 질화알루미늄(alu minum nitride), 산화알루미늄(alu minum oxide) 및 산화지르코늄(zirconium oxide) 세라믹 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법으로서,
상기 제조 방법은,
(1) 매트릭스 재료에 경화제와 강인화제를 첨가하며, 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8 내지 1.0:1.2이고, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0% 내지 10.0%이며, 경화될 때까지 50℃ 내지 80℃로 가열하여 점탄성층을 얻는, 내부 표면 점탄성층의 제조 단계;
(2) 세라믹 표면에 대해 거칠기 개선 처리를 수행하고, 레이저 식각 기술을 사용하여 고에너지의 레이저로 세라믹을 조사하여 표면을 용융 및 재퀀칭함으로써 흩어진 작은 피트(pit)를 형성하며, 거칠기를 Ra0.005 내지 Ra0.015로 유지하는, 내부 강성층의 가공 제조 단계;
(3) 중간 탄성층의 제조 단계;
(4) 선택적 레이저 소결법을 사용하여, UG 소프트웨어로 오목 홀 금속의 3차원 모델을 구축하고, 모델을 STL 포맷으로 변환하여 레이저 분말 소결 쾌속 성형 시스템에 입력하며, 소결 성형하여 오목 홀 구조를 갖는 금속층을 얻는, 외부 표면 고강도층의 가공 제조 단계; 및
(5) 내부 표면 점탄성층-계면 연결층-내부 강성층-계면 연결층-중간 탄성층-계면 연결층-외부 표면 고강도층을 아래에서 위의 순서로 적층하여 배치하고, 진공 열압착 확산 결합 방법을 사용하여, 적층된 재료를 열압착로의 열압착 몰드에 넣어 3단 진공 추출을 수행하며, 진공도 추출이 완료된 후 150℃ 내지 220℃로 가열하고, 온도가 도달한 다음 균일하게 가압하여 20 min 내지 30 min 동안 압력을 유지하며; 열압착 성형이 완료되면 온도를 낮추어 냉각시켜 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료를 얻는 단계를 포함하되,
상기 단계 (3)은,
(a) 상기 1단 구조의 나선각에 따라, 1단 보조 섬유인 상기 고모듈러스 섬유를 코어 섬유인 저모듈러스 섬유에 감아, 1단 이질 섬유 배아 구조를 얻는, 1단 이질 섬유 배아 구조의 가공 제조 단계;
(b) 커플링제, 경화제 및 강인화제를 각각 중간 탄성층의 매트릭스 재료에 첨가하여 충분히 교반하되, 커플링제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 0.1% 내지 5.0%이고, 상기 경화제와 매트릭스 재료의 질량비는 1.0:0.8 내지 1.0:1.2이며, 강인화제의 양은 매트릭스 재료의 질량의 5.0% 내지 10.0%이고; 그 다음 단계 (a)에서 제조된 1단 이질 섬유 배아 구조를 침지시키며, 50℃ 내지 80℃로 가열하여 1단 이질 섬유배아 구조를 충분히 침지시킨 후 경화 시스템을 빼내고, 경화될 때까지 정치하여 1단 이질 섬유 구조를 얻는, 1단 이질 섬유 배아 구조의 경화 처리 단계;
(c) 단계 (b)에서 얻은 이질 섬유를 1단 구조로 사용하고, 상기 N단 구조의 나선각에 따라, 단계 (a) 및 단계 (b)를 중복하여 N단 이질 섬유 구조를 얻으며, N은 2 내지 7인, N단 이질 섬유 구조의 가공 제조 단계;
(d) 얻은 N단 이질 섬유를 경위 방향에 따라 경사 및 위사 평직법으로 경사 및 위사 평직 구조로 직조한 후, 단계 (b)에 따른 경화 시스템을 경사 및 위사 평직 구조의 모든 경사 및 위사 교차점에 충분히 코팅하고, 경화될 때까지 정치하여 N단 이질 섬유 프리폼을 얻으며, N은 2 내지 7인, 다단 이질 섬유 프리폼의 직조 제조 단계; 및
(e) 질량 분율이 0.2% 내지 2.0%인 수산화그래핀을 매트릭스 재료에 첨가하며, 초음파 분산으로 이를 충분히 분산시켜 변성 매트릭스를 얻고 비축하며; 내부 강성층의 표면에 한 층의 다단 이질 섬유 프리폼을 배치한 후, 2 mm 내지 20 mm의 상기변성 매트릭스를 붓거나 코팅하거나 또는 스프레이하여 경화하며; 상기 단계를 0 내지 3회 중복하여 중간 탄성층을 얻는, 중간 탄성층의 제조 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 커플링제는 티타네이트 커플링제(titanate coupling agent), 알루미네이트 커플링제(aluminate coupling agent), 바이메탈 커플링제(bimetallic coupling agent) 및 실란 커플링제(silane coupling agent) 중 하나 이상이고; 상기 경화제는 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르 수지, 디올(diol), 폴리올(polyol), 방향족 아민(aromatic a mine)계, 지방족 아민(aliphatic a mine)계 경화제 중 하나 이상이며; 상기 강인화제는 카르복실화 니트릴 고무(Carboxylated NBR), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌 에테르 케톤(polyphenylene ether ketone) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 음성 푸아송 비를 갖는 방폭 및 방충격 구배 복합 감쇠 재료의 제조 방법.
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