KR20220097521A - 복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법 - Google Patents

복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

탄소 섬유에 부착된 CNT에서 유래되어 특성을 보다 높일 수 있는 복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법을 제공한다. 복합 소재(10)는, 그것을 구성하는 탄소 섬유 다발(12)의 각 탄소 섬유(11)의 표면에 복수의 카본 나노튜브(17)로 구성된 구조체(14)가 형성되어 있다. 카본 나노튜브(17)는, 구부러진 형상의 것이다. 카본 나노튜브(17)는, 곡면인 탄소 섬유(11)의 표면에 대하여 다양한 자세로 부착되고, 또한 카본 나노튜브(17)와 탄소 섬유(11)의 표면 사이나 부착된 카본 나노튜브(17)끼리의 사이 등에 형성된 공간(간극)에 다른 카본 나노튜브(17)가 들어감으로써, 보다 많은 카본 나노튜브(17)로 구조체(14)가 형성되어 있다.

Description

복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법
본 발명은, 복합 소재, 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소 섬유와, 그 탄소 섬유의 표면에 부착된 복수의 카본 나노튜브(이하, CNT라 칭함)로 구성된 구조체를 갖는 복합 소재가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1). 복합 소재의 구조체는, 복수의 CNT가 서로 접속된 네트워크 구조를 형성하고 있음과 함께, 탄소 섬유의 표면에 부착되어 있다. 이러한 복합 소재를 강화 섬유로 하여 수지를 강화한 탄소 섬유 강화 성형체는, 탄소 섬유를 포함함으로써 수지 단체보다도 높은 강도나 강성이 얻어짐과 함께, CNT에서 유래되어, 전기 도전성, 열전도성, 기계적 특성이 향상된다.
일본 특허 공개 제2013-76198호 공보
탄소 섬유 강화 성형체는, 항공기, 자동차, 일반 산업, 스포츠 용품 등, 다양한 분야로 용도가 확대되고 있다. 이러한 탄소 섬유 강화 성형체에 있어서는, 기계적 특성 등에 대한 요구는, 보다 한층 더 높은 것으로 되어 가고 있다. 이 때문에, 탄소 섬유의 표면에 복수의 CNT가 부착된 복합 소재에 있어서도, CNT에서 유래되어 특성을 보다 높일 수 있는 것이 요망되고 있다.
본 발명은, 탄소 섬유에 부착된 CNT에서 유래되어 특성을 보다 높일 수 있는 복합 소재, 이것을 사용한 탄소 섬유 강화 성형체 및 복합 소재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 복합 소재는, 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발과, 복수의 카본 나노튜브로 구성되며, 상기 카본 나노튜브끼리가 직접 접촉한 네트워크 구조를 형성함과 함께, 상기 탄소 섬유의 표면에 부착되는 상기 카본 나노튜브가 상기 탄소 섬유의 표면에 직접 부착되어, 상기 탄소 섬유의 각각에 형성된 구조체를 구비하고, 상기 카본 나노튜브를, 굴곡부를 갖는 구부러진 형상으로 하고, 상기 구조체를, 두께가 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내로 한 것이다.
본 발명의 복합 소재의 제조 방법은, 굴곡부를 갖는 구부러진 형상의 복수의 카본 나노튜브가 분산된 분산액에 초음파 진동을 인가하는 초음파 공정과, 초음파 진동이 인가되고 있는 상기 분산액에 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발을 침지하고, 상기 탄소 섬유에 상기 복수의 카본 나노튜브를 부착시켜, 상기 탄소 섬유의 각각의 표면에 구조체를 형성하는 부착 공정을 갖고, 상기 부착 공정은, 상기 탄소 섬유 다발을 개섬하여 침지하고, 상기 탄소 섬유를 상기 분산액 중에서 주행시켜, 상기 탄소 섬유가 주행하는 상기 분산액의 액면으로부터의 깊이를 D, 상기 초음파 공정에 의해 상기 분산액 중에 발생하는 초음파 진동의 정재파 파장을 λ라 하고, n을 1 이상의 정수로 하였을 때, n·λ/2-λ/8≤D≤n·λ/2+λ/8을 충족하는 것이다.
본 발명의 탄소 섬유 강화 성형체는, 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발과, 상기 탄소 섬유 다발에 함침된 상태에서 경화되어 있는 매트릭스 수지와, 굴곡부를 갖는 구부러진 형상의 복수의 카본 나노튜브로 구성되며, 상기 카본 나노튜브끼리가 직접 접촉한 네트워크 구조를 형성함과 함께, 상기 탄소 섬유의 표면에 부착되는 상기 카본 나노튜브가 상기 탄소 섬유의 표면에 직접 부착되어, 상기 탄소 섬유의 각각에 형성된 구조체, 및 이 구조체에 함침된 상태에서 경화되어 있는 상기 매트릭스 수지로 이루어지고, 두께가 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내인 복합 영역과, 상기 탄소 섬유간의 상기 복합 영역의 일부가 서로 고착되어 탄소 섬유끼리를 가교하는 가교부를 구비하는 것이다.
본 발명에 따르면, 탄소 섬유 다발의 탄소 섬유에 부착되어 있는 카본 나노튜브가 굴곡부를 갖는 구부러진 형상으로서, 두께가 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내의 구조체를 갖는 것이기 때문에, 매트릭스 수지가 구조체에 함침되어 경화된 복합 영역끼리의 결합에 의한 가교가 많아져, 카본 나노튜브에서 유래되어 특성을 보다 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 탄소 섬유를 소정의 조건을 충족하는 깊이에서 분산액 중에서 주행시키면, 부직포의 섬유와 같이 짜여진 구조로, 굴곡부를 갖는 구부러진 형상의 카본 나노튜브를 탄소 섬유 다발의 탄소 섬유의 표면에 부착시켜 복합 소재가 제조되므로, 탄소 섬유에 부착되는 카본 나노튜브의 개수를 보다 많게 할 수 있어, 카본 나노튜브에서 유래되어 특성을 보다 높인 복합 소재를 제조할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 관한 복합 소재의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 2는 CNT에 대한 사이징제의 부착 상태를 도시하는 설명도이다.
도 3은 CNT끼리가 접촉하고 있는 접촉부에 있어서의 사이징제의 부착 상태를 도시하는 설명도이다.
도 4는 탄소 섬유에 CNT를 부착하는 부착 장치의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 5는 가이드 롤러 상에서 개섬된 상태의 탄소 섬유 다발을 도시하는 설명도이다.
도 6은 분산액 중에 있어서의 탄소 섬유의 통과 위치를 도시하는 설명도이다.
도 7은 프리프레그의 구성을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 8은 탄소 섬유 강화 성형체를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 9는 탄소 섬유가 가교된 상태를 도시하는 설명도이다.
도 10은 복합 영역의 경도를 측정하기 위한 측정편을 도시하는 설명도이다.
도 11은 측정편의 제작 수순을 도시하는 설명도이다.
도 12는 실시예에 사용한 재료 CNT의 구부러진 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 13은 사이징제가 CNT의 표면에 부착된 상태의 구조체의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 14는 CNT의 표면에 부착된 사이징제의 상태를 확대하여 나타내는 SEM 사진이다.
도 15는 CNT가 형성하는 일부의 공극부가 사이징제로 폐색된 구조체의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 16은 탄소 섬유의 표면에 형성된 구조체를 나타내는 탄소 섬유의 단면 SEM 사진이다.
도 17은 구조체를 확대하여 나타내는 탄소 섬유의 단면 SEM 사진이다.
도 18은 탄소 섬유 강화 성형체의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 19는 복합 영역끼리가 결합한 부분의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 20은 굽힘 피로 특성의 평가에 사용한 시험편을 도시하는 사시도이다.
도 21은 굽힘 피로 특성의 측정에 사용한 장치를 도시하는 사시도이다.
도 22는 시험 시에 있어서의 시험편의 굽힘 상태를 도시하는 설명도이다.
도 23은 반복수와 응력 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 24는 반복 주파수가 1Hz일 때의 굽힘 변형과 굽힘 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 25는 반복 주파수가 10Hz일 때의 굽힘 변형과 굽힘 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 26은 반복 주파수가 20Hz일 때의 굽힘 변형과 굽힘 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 27은 실시예 3 및 비교예 2의 압입 경도의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 28은 실시예 3 및 비교예 2의 각 측정편의 평균의 부하 곡선 및 제하 곡선을 나타내는 그래프이다.
[복합 소재]
도 1에 있어서, 복합 소재(10)는, 복수의 연속한 탄소 섬유(11)를 통합한 탄소 섬유 다발(12)을 포함한다. 각 탄소 섬유(11)의 표면에는, 각각 구조체(14)가 형성되어 있고, 구조체(14)에는, 사이징제(15)(도 2 참조)가 부착되어 있다.
탄소 섬유 다발(12)을 구성하는 탄소 섬유(11)는, 실질적으로 서로 얽히지 않고 각 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향이 정렬되어 있다. 섬유축 방향은, 탄소 섬유(11)의 축의 방향(연장된 방향)이다. 이 예에서는, 탄소 섬유 다발(12)은, 1만 2천개의 탄소 섬유(11)로 구성되어 있다. 탄소 섬유 다발(12)을 구성하는 탄소 섬유(11)의 개수는, 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 1만 이상 10만개 이하의 범위 내로 할 수 있다. 또한, 도 1에서는, 도시의 편의상, 십수개만의 탄소 섬유(11)를 도시하고 있다.
탄소 섬유 다발(12) 중에 있어서의 탄소 섬유(11)의 서로 얽힘은, 탄소 섬유(11)의 흐트러짐의 정도에 의해 평가할 수 있다. 예를 들어, 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 의해 탄소 섬유 다발(12)을 일정 배율로 관찰하여, 관찰되는 범위(탄소 섬유 다발(12)의 소정 길이의 범위)에 있어서의, 소정의 개수(예를 들어 10개)의 탄소 섬유(11)의 길이를 측정한다. 이 측정 결과로부터 얻어지는 소정의 개수의 탄소 섬유(11)에 대한 길이의 변동, 최댓값과 최솟값의 차, 표준 편차에 기초하여, 탄소 섬유(11)의 흐트러짐의 정도를 평가할 수 있다. 또한, 탄소 섬유(11)가 실질적으로 서로 얽혀 있지 않은 것은, 예를 들어 JIS L1013:2010 「화학 섬유 필라멘트사 시험 방법」의 교락도 측정 방법에 준하여 교락도를 측정하여 판단할 수도 있다. 측정된 교락도가 작을수록, 탄소 섬유 다발(12)에 있어서의 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘은 적게 된다.
탄소 섬유(11)끼리가 실질적으로 서로 얽혀 있지 않거나, 혹은 서로 얽힘이 적은 탄소 섬유 다발(12)은, 탄소 섬유(11)를 균일하게 개섬하기 쉽다. 이에 의해, 각 탄소 섬유(11)에 CNT(17)를 균일하게 부착시키기 쉽고, 또한 프리프레그 또는 탄소 섬유 강화 성형체를 제조할 때, 탄소 섬유 다발(12)에 수지가 균일하게 함침되어, 탄소 섬유(11)의 각각이 강도에 기여한다.
탄소 섬유(11)는, 특별히 한정되지는 않고, 폴리아크릴니트릴, 레이온, 피치 등의 석유, 석탄, 콜타르 유래의 유기 섬유의 소성에 의해 얻어지는 PAN계, 피치계의 것, 목재나 식물 섬유 유래의 유기 섬유의 소성에 의해 얻어지는 것 등을 사용할 수 있다. 또한, 탄소 섬유(11)의 직경에 대해서도, 특별히 한정되지는 않고, 직경이 약 5㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위 내의 것을 바람직하게 사용할 수 있고, 5㎛ 이상 10㎛ 이하의 범위 내의 것을 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 탄소 섬유(11)는, 긴 것이 사용되고, 그 길이는, 50m 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100m 이상 100000m 이하의 범위 내, 더욱 바람직하게는 100m 이상 10000m 이하의 범위 내이다. 또한, 프리프레그, 탄소 섬유 강화 성형체로 하였을 때, 탄소 섬유(11)가 짧게 절단되어 있어도 상관없다.
상술한 바와 같이 탄소 섬유(11)의 표면에는, 구조체(14)가 형성되어 있다. 구조체(14)는, 복수의 카본 나노튜브(이하, CNT라 칭함)(17)가 서로 얽힌 것이다. 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)는, 탄소 섬유(11)의 표면의 거의 전체에서 균등하게 분산되어 서로 얽힘으로써, 복수의 CNT(17)가 서로 얽힌 상태에서 접속된 네트워크 구조를 형성한다. 여기에서 말하는 접속이란, 물리적인 접속(단순한 접촉)과 화학적인 접속을 포함한다. CNT(17)끼리는, 그것들 사이에 계면 활성제 등의 분산제나 접착제 등의 개재물이 존재하지 않고, CNT(17)끼리가 직접 접촉하는 직접 접촉이다.
구조체(14)를 구성하는 일부의 CNT(17)는, 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 부착되어 고정되어 있다. 이에 의해, 탄소 섬유(11)의 표면에 구조체(14)가 직접 부착되어 있다. CNT(17)가 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 부착된다란, CNT(17)와 탄소 섬유(11)의 표면 사이에 계면 활성제 등의 분산제나 접착제 등이 개재되지 않고, CNT(17)가 탄소 섬유(11)에 직접 부착되어 있는 것이며, 그 부착(고정)은 반데르발스힘에 의한 결합에 의한 것이다. 구조체(14)를 구성하는 일부의 CNT(17)가 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 부착되어 있음으로써, 분산제나 접착제 등이 개재되지 않고, 직접 탄소 섬유(11)의 표면에 구조체(14)가 접촉하는 직접 접촉한 상태로 되어 있다.
또한, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)에는, 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 접촉하지 않고, 다른 CNT(17)와 얽힘으로써 탄소 섬유(11)에 고정되어 있는 것도 있다. 또한, 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 부착됨과 함께 다른 CNT(17)와 얽힘으로써 탄소 섬유(11)에 고정되어 있는 것도 있다. 이하에서는, 이들 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 고정을 통합하여 탄소 섬유(11)에 대한 부착이라 칭하여 설명한다. 또한, CNT(17)가 얽히거나 또는 서로 얽히는 상태에는, CNT(17)의 일부가 다른 CNT(17)에 압박 접촉되어 있는 상태를 포함한다.
구조체(14)를 구성하는 CNT(17)는, 상기와 같이 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 부착되는 것 외에, 탄소 섬유(11)의 표면에 직접 접촉하고 있지 않지만 다른 CNT(17)와 서로 얽히는 것 등으로 탄소 섬유(11)에 고정되는 것이 있다. 이 때문에, 이 예의 구조체(14)는, 종래의 복합 소재의 구조체와 같이 탄소 섬유의 표면에 직접 부착된 CNT만으로 구성되는 것보다도 많은 CNT(17)로 구성된다. 즉, 탄소 섬유(11)에 CNT(17)가 부착되는 개수가 종래의 것보다도 많게 되어 있다.
상기와 같이, 복수의 CNT(17)가 서로의 표면에 개재물 없이 서로 접속되어 구조체(14)를 구성하고 있으므로, 복합 소재(10)는, CNT 유래의 전기 도전성, 열전도성의 성능을 발휘한다. 또한, CNT(17)가 탄소 섬유(11)의 표면에 개재물 없이 부착되어 있으므로, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)는, 탄소 섬유(11)의 표면으로부터 박리되기 어렵고, 복합 소재(10) 및 그것을 포함하는 탄소 섬유 강화 성형체는, 그 기계적 강도가 향상된다.
후술하는 바와 같이 탄소 섬유 강화 성형체에서는, 구조체(14)가 형성된 복수의 탄소 섬유(11)로 구성되는 탄소 섬유 다발(12)에 매트릭스 수지가 함침되어 경화되어 있다. 구조체(14)에 매트릭스 수지가 함침되므로, 각 탄소 섬유(11)의 구조체(14)가 탄소 섬유(11)의 표면과 함께 매트릭스 수지에 고정된다. 이에 의해, 각 탄소 섬유(11)가 매트릭스 수지에 강고하게 접착된 상태로 되어, 복합 소재(10)와 매트릭스 수지의 박리 강도가 향상된다. 또한, 이와 같은 매트릭스 수지와의 접착이 복합 소재(10)의 전체에 걸침으로써, 탄소 섬유 강화 성형체의 전체에서 섬유 강화의 효과가 얻어진다.
또한, 탄소 섬유 강화 성형체에 외력이 부여되어, 그 내부에 변위가 발생하였을 때에는, 탄소 섬유 강화 성형체 내부의 탄소 섬유(11)에 변위가 발생한다. 탄소 섬유(11)의 변위에 의해, 구조체(14)에 신장이 발생하고, 그 CNT(17)의 네트워크 구조에 의해, 구속 효과가 얻어진다. 이에 의해, CNT의 특성이 발휘되어 탄소 섬유 강화 성형체의 탄성률이 높아진다.
나아가, 탄소 섬유 강화 성형체 내의 각 탄소 섬유(11)의 주위에는, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)에 매트릭스 수지가 함침되어 경화된 영역(이하, 복합 영역이라 함)(18)(도 9 참조)이 형성되어 있다. 이 복합 영역(18)은, 외부로부터의 기계적 에너지를 효율적으로 흡수한다. 즉, 탄소 섬유(11) 간에서 진동 등의 에너지가 전반되는 경우에는, 그 전반되는 진동의 에너지가 각각의 탄소 섬유(11)의 주위의 복합 영역(18)의 마찰에 의해 흡수되어 감쇠된다. 이 결과, 탄소 섬유 강화 성형체의 예를 들어 진동 감쇠 특성(제진성)이 향상된다.
복수의 탄소 섬유(11)에 각각 형성된 구조체(14)는, 서로 독립된 구조이며, 하나의 탄소 섬유(11)의 구조체(14)와 다른 탄소 섬유(11)의 구조체(14)는, 동일한 CNT(17)를 공유하고 있지 않다. 즉, 하나의 탄소 섬유(11)에 마련된 구조체(14)에 포함되는 CNT(17)는, 다른 탄소 섬유(11)에 마련된 구조체(14)에 포함되지 않는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 사이징제(15)는, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)의 표면에 고착되어 있다. 사이징제(15)는, CNT(17)의 표면을 덮고 있고, CNT(17)끼리가 접촉하고 있는 접촉부에서는, 그 접촉부를 감싸는 포함부(15a)를 형성하고 있다. 이 포함부(15a)에 의해, CNT(17)끼리가 접촉하고 있는 상태를 보다 강고한 것으로 하여, 구조체(14)를 보다 붕괴되기 어렵게 하고 있다.
또한, 구조체(14)에서는, 복수개의 CNT(17)에 의해, 그것들이 둘러싸는 공극부(메시)(19)를 형성하지만, 구조체(14) 내로의 매트릭스 수지의 함침을 방해하지 않기 위해, 사이징제(15)는, 그 공극부(19)를 폐색하지 않도록 하는 것이 바람직하고, 이 예에서도 그와 같이 하고 있다. 공극부(19)를 폐색하지 않도록 하기 위해, 사이징제(15)는, 그 체적이 구조체(14)의 CNT(17)의 체적에 대하여 30％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 포함부(15a)에서는, 사이징제(15)는, 접촉하고 있는 CNT(17)끼리의 사이에 들어가지 않는 상태에서 각 CNT(17)에 고착되어 있기 때문에, CNT(17)의 접촉부에 있어서의 CNT(17)끼리가 직접 접촉하고 있다. 사이징제(15)는, 반응 경화성 수지, 열경화성 수지, 열가소성 수지의 경화물, 혹은 미경화물로 이루어진다. 사이징제(15)는, 사이징 처리를 실시하여 형성된다.
또한, 사이징제(15)는, CNT(17)의 표면에 형성된 것이며, 구조체(14)의 내부에 들어가 탄소 섬유(11)에 CNT(17)를 고정하는 후술하는 고정 수지부와는 다른 것이다.
탄소 섬유(11)에 부착된 CNT(17)는, 구부러진 형상이다. 이 CNT(17)의 구부러진 형상은, CNT(17)의 그래파이트 구조 중에 탄소의 5원환과 7원환 등의 존재에 의해 굴곡된 부위(굴곡부)를 갖는 것에 의한 것이며, SEM에 의한 관찰로 CNT(17)가 만곡되어 있다, 꺾여 구부러져 있다 등으로 평가할 수 있는 형상이다. 예를 들어, CNT(17)의 구부러진 형상은, CNT(17)의 후술하는 이용 범위의 평균의 길이당 적어도 1개소 이상에 굴곡부가 있는 것을 말한다. 이와 같은 구부러진 형상의 CNT(17)는, 그것이 긴 경우라도, 곡면인 탄소 섬유(11)의 표면에 대하여 다양한 자세로 부착된다. 또한, 구부러진 형상의 CNT(17)는, 그것이 부착된 탄소 섬유(11)의 표면과의 사이나 부착된 CNT(17)끼리의 사이에 공간(간극)이 형성되기 쉽고, 그 공간에 다른 CNT(17)가 들어간다. 이 때문에, 구부러진 형상의 CNT(17)를 사용함으로써, 직선성이 높은 형상의 CNT를 사용한 경우에 비해, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착 개수(구조체(14)를 형성하는 CNT(17)의 개수)가 커진다.
CNT(17)의 길이는, 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. CNT(17)는, 그 길이가 0.1㎛ 이상이면, CNT(17)끼리가 서로 얽혀 직접 접촉 내지는 직접 접속된 구조체(14)를 보다 확실하게 형성할 수 있음과 함께, 전술한 바와 같이 다른 CNT(17)가 들어가는 공간을 보다 확실하게 형성할 수 있다. 또한 CNT(17)의 길이가 10㎛ 이하이면, CNT(17)가 탄소 섬유(11) 간에 걸쳐 부착되는 일이 없다. 즉, 상술한 바와 같이, 하나의 탄소 섬유(11)에 마련된 구조체(14)에 포함되는 CNT(17)가 다른 탄소 섬유(11)에 마련된 구조체(14)에 포함되는 일이 없다.
CNT(17)의 길이는, 보다 바람직하게는 0.2㎛ 이상 5㎛ 이하의 범위 내이다. CNT(17)의 길이가 0.2㎛ 이상이면, CNT(17)의 부착 개수를 증가시켜 구조체(14)를 두껍게 할 수 있고, 5㎛ 이하이면, CNT(17)를 탄소 섬유(11)에 부착시킬 때, CNT(17)가 응집되기 어려워, 보다 균등하게 분산하기 쉬워진다. 이 결과, CNT(17)가 보다 균일하게 탄소 섬유(11)에 부착된다.
또한, 탄소 섬유(11)에 부착되는 CNT로서, 직선성이 높은 CNT가 혼재되는 것이나, 상기와 같은 길이의 범위 외의 CNT가 혼재되는 것을 배제하는 것은 아니다. 혼재가 있어도, 예를 들어 CNT(17)로 형성되는 공간에 직선성이 높은 CNT가 들어감으로써, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT의 부착 개수를 많게 할 수 있다.
CNT(17)는, 평균 직경이 1㎚ 이상 15㎚ 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3㎚ 이상 10㎚ 이하의 범위 내이다. CNT(17)는, 그 직경이 15㎚ 이하이면, 유연성이 풍부하여, 탄소 섬유(11)의 표면을 따라 부착되기 쉽고, 또한 다른 CNT(17)와 얽혀 탄소 섬유(11)에 고정되기 쉽고, 나아가 구조체(14)의 형성이 보다 확실해진다. 또한, 10㎚ 이하이면, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)끼리의 결합이 강고해진다. 또한, CNT(17)의 직경은, 투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope) 사진을 사용하여 측정한 값으로 한다. CNT(17)는, 단층, 다층을 불문하지만, 바람직하게는 다층의 것이다.
상기와 같이 CNT(17)를 구부러진 형상으로 함으로써, 직선성이 높은 CNT를 사용한 경우에 비해, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착 개수를 많게 할 수 있어, 구조체(14)의 두께를 크게 할 수 있음과 함께, CNT(17)가 부직포의 섬유와 같이 짜여진 구조체(14)가 구성된다. 이 결과, 기계적 강도가 보다 높아지는 것은 물론이며, 탄소 섬유 강화 성형체에 외력이 부여되어, 탄소 섬유(11)가 변위되는 경우의 구조체(14)에 의한 구속 효과가 커서, 탄성률이 보다 높아진다. 또한, 탄소 섬유(11)의 주위의 복합 영역(18)에 의한 기계적 에너지의 흡수 효과도 커져, 탄소 섬유 강화 성형체의 진동 감쇠 특성이 보다 높아진다.
향상되는 기계적 강도의 하나로서, 반복 굽힘에 대한 내구성의 향상을 들 수 있다. 상술한 바와 같이, 탄소 섬유(11)의 표면에 CNT(17)가 부착된 복합 소재(10)를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체에서는, 구조체(14)가 개재되는 것에 의한 박리 강도의 향상의 효과 및 복합 영역(18)에 의한 기계적 에너지의 흡수 효과에 의해, 반복 굽힘에 대한 내구성이 높아진다고 생각된다. 이 박리 강도의 향상 및 기계적 에너지의 흡수 효과가, 탄소 섬유(11)의 표면에 부착되는 CNT(17)의 개수가 증가되는 것에 수반하여, 보다 높아짐으로써 반복 굽힘에 대한 내구성이 보다 높아진다. 이와 같은 특성을 갖는 복합 소재(10)는, 하중이 반복하여 부여되는 코일 스프링이나 판 스프링 등의 스프링 재료 등으로서 적합하고, 복합 소재(10)를 포함하는 탄소 섬유 강화 성형체를 코일 스프링이나 판 스프링 등의 각종 스프링에 적용할 수 있다.
복합 소재(10)를 포함하는 탄소 섬유 강화 성형체는, 상세를 후술하는 3점 굽힘 피로 시험에서, 응력 진폭이 1100㎫ 이상 1300㎫ 이하의 범위 내일 때 압박 시의 하중이 0이 될 때까지의 압박의 반복수가 92000회 이상 1000000회 이하의 범위 내가 되는 것이 바람직하다.
탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착 개수는, 구조체(14)의 두께(탄소 섬유(11)의 직경 방향의 길이)로 평가할 수 있다. 구조체(14)의 각 부의 두께는, 예를 들어 탄소 섬유(11)의 표면의 구조체(14)의 일부를 셀로판 테이프 등에 접착하여 박리하고, 탄소 섬유(11)의 표면에 남은 구조체(14)의 단면을 SEM 등으로 계측함으로써 취득할 수 있다. 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향을 따른 소정 길이의 측정 범위를 거의 균등하게 망라하도록, 측정 범위의 10개소에서 구조체(14)의 두께를 각각 측정한 것의 평균을 구조체(14)의 두께로 한다. 측정 범위의 길이는, 예를 들어 상술한 CNT(17)의 길이의 범위의 상한의 5배의 길이로 한다.
상기와 같이 하여 얻어지는 구조체(14)의 두께(평균)는, 10㎚ 이상 300㎚ 이하의 범위 내, 바람직하게는 15㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내, 보다 바람직하게는 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내이다. 구조체(14)의 두께가 200㎚ 이하이면, 탄소 섬유(11) 간의 수지의 함침성이 보다 양호하다.
또한, 탄소 섬유(11)의 단위 중량당의 부착되어 있는 CNT(17)의 중량인 중량비를 사용하여, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착 상태를 평가할 수 있다. 소정의 길이의 탄소 섬유(11)만의 중량(이하, CF 중량이라 함)을 Wa, 그 탄소 섬유(11)에 부착되어 있는 CNT(17)의 중량(이하, CNT 중량이라 함)을 Wb라 하였을 때, 중량비 R은, 「R=Wb/(Wa+Wb)」로 얻어진다.
CNT(17)는, 탄소 섬유(11)에 균일하게 부착되어 있는 것이 바람직하고, 탄소 섬유(11)의 표면을 덮도록 부착되어 있는 것이 바람직하다. 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 균일성을 포함하는 부착 상태는, SEM에 의해 관찰하고, 얻어진 화상을 눈으로 보아 평가할 수 있다. 이 경우, 섬유축 방향을 따라서 탄소 섬유(11)의 소정의 길이의 범위(예를 들어 1㎝, 10㎝, 1m의 범위)를 거의 균등하게 망라하도록 복수 개소(예를 들어 10개소)에 대하여 관찰하여 평가하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 중량비를 사용하여, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착의 균일성을 평가할 수 있다. 중량비 R은, 0.0005 이상 0.01 이하인 것이 바람직하다.
중량비 R이 0.0005 이상이면, 탄소 섬유 강화 성형체로 하였을 때, 상기와 같은 구조체(14)에 의한 큰 구속 효과, 복합 영역(18)에서의 기계적 에너지의 큰 흡수 효과를 확실하게 얻을 수 있어, CNT 유래의 특성이 향상된다. 중량비 R이 0.01 이하이면, 구조체(14)에 대한 매트릭스 수지의 수지 함침이 확실하게 이루어진다. 또한, 중량비 R이 0.001 이상 0.01 이하인 것이 보다 바람직하다. 중량비 R이 0.001 이상이면, 거의 모든 탄소 섬유(11) 간에서 구조체(14)(CNT(17))가 보다 확실하게 기능한다. 중량비 R이 0.01 이하이면, 구조체(14)에 대한 매트릭스 수지의 수지 함침이 확실하게 이루어지고, 또한 탄소 섬유 강화 성형체에 있어서의 매트릭스 수지의 비율이 낮은 경우라도 구조체(14)가 보다 확실하게 기능한다. 또한, 중량비 R이 0.001 이상 0.005 이하인 것이 더욱 바람직하다. 0.005 이하이면 탄소 섬유 강화 성형체에 있어서의 매트릭스 수지의 비율이 낮은 경우라도 구조체(14)가 보다 확실하게 기능한다.
1개의 탄소 섬유(11)의 길이 1m의 범위(이하, 평가 범위라 칭함) 내에 설정되는 10점의 측정 부위의 각 중량비 R의 표준 편차 s가 0.0005 이하인 것이 바람직하고, 0.0002 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 표준 편차 s의 중량비 R의 평균에 대한 비율은, 40％ 이하인 것이 바람직하고, 15％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 10점의 측정 부위는, 평가 범위를 거의 균등하게 망라하도록 설정하는 것이 바람직하다. 표준 편차 s는, 탄소 섬유(11)에 부착된 CNT(17)의 부착 개수(부착량), 구조체(14)의 두께의 변동의 지표가 되며 변동이 작을수록 작은 값이 된다. 따라서, 이 표준 편차 s가 작을수록 바람직하다. CNT(17)의 부착 개수, 구조체(14)의 두께의 변동은, 복합 소재(10) 및 그것을 사용한 탄소 섬유 강화 성형체의 CNT에서 유래된 특성 차이로서 나타난다. 표준 편차 s가 0.0005 이하이면, 복합 소재(10) 및 탄소 섬유 강화 성형체의 CNT에서 유래된 특성을 보다 확실하게 발휘할 수 있고, 0.0002 이하이면, CNT에서 유래된 특성을 충분히 또한 확실하게 발휘할 수 있다. 또한, 표준 편차 s는, 식 (1)에 의해 구해진다. 식 (1) 중의 값 n은, 측정 부위의 수(이 예에서는 n=10), 값 Ri는, 측정 부위의 중량비이며, 값 Ra는 중량비의 평균이다.
Figure pct00001
중량비 R은, 그것을 구하려고 하는 측정 부위에 대하여 3㎜ 정도로 탄소 섬유 다발(12)(예를 들어 12000개 정도의 탄소 섬유(11))을 잘라내어 측정 시료로 하여, 하기와 같이 하여 구한다.
(1) CNT(17)의 분산매가 되는 액(이하, 측정액이라 함)에 측정 시료를 투입한다. 측정액으로서는, 예를 들어 아세톤에 분산제를 넣은 것을 사용한다.
(2) 측정 시료를 투입하기 전의 측정액의 중량과 측정 시료를 포함하는 측정액의 중량의 차분을 계측하고, 이것을 측정 시료의 중량, 즉 탄소 섬유(11)의 CF 중량 Wa와 그 탄소 섬유(11)에 부착되어 있는 CNT(17)의 CNT 중량 Wb의 합(Wa+Wb)으로 한다.
(3) 측정 시료를 포함하는 측정액에 초음파 진동을 부여하여, 탄소 섬유(11)로부터 그것에 부착되어 있는 CNT(17)를 완전히 분리하고, CNT(17)를 측정액 중에 분산한다.
(4) 흡광 광도계를 사용하여, CNT(17)가 분산되어 있는 측정액의 흡광도(투과율)를 측정한다. 흡광 광도계에 의한 측정 결과와, 미리 작성해 둔 검량선으로부터 측정액 중의 CNT(17)의 농도(이하, CNT 농도라 함)를 구한다. CNT 농도는, 그 값을 C, 측정액의 중량을 W1, 이 측정액에 포함되는 CNT(17)의 중량을 W2라 하였을 때, 「C=W2/(W1+W2)」로 부여되는 중량 퍼센트 농도이다.
(5) 얻어지는 CNT 농도와 측정 시료를 투입하기 전의 측정액의 중량으로부터 측정액 내의 CNT(17)의 중량(Wb)을 구한다.
(6) (2)에서 구해지는 CF 중량 Wa와 CNT 중량 Wb의 합(Wa+Wb)과, CNT(17)의 중량(Wb)으로부터, 중량비 R(=Wb/(Wa+Wb))을 산출한다.
상기 흡광도의 측정에서는, 분광 광도계(예를 들어, SolidSpec-3700, 가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼제 등)를 사용할 수 있고, 측정 파장으로서는 예를 들어 500㎚ 등을 사용하면 된다. 또한, 측정 시에는, 측정액을 석영제의 셀에 수용하는 것이 바람직하다. 또한, 분산제 이외의 불순물을 포함하지 않는 분산매의 흡광도를 레퍼런스로서 측정하고, CNT(17)의 농도 C는, CNT(17)가 분산되어 있는 측정액의 흡광도와 레퍼런스의 차분을 사용하여 구할 수 있다. 또한, 중량비 R의 측정에 있어서는, 탄소 섬유 다발(12)로부터 제1 사이징제를 제거한 것을 사용해도 되고, 제거하지 않은 것을 사용해도 된다.
중량비 R에 의해 균일성을 평가하는 경우에는, 평가하는 탄소 섬유 다발(12)의 평가 범위(예를 들어, 길이 1m)를 거의 균등하게 망라하도록 10개소의 측정 부위를 설정한다. 이들 10개소의 측정 부위는, 평가 범위의 양단과 그 사이의 8개소로 하고, 각 측정 부위의 각각에 대하여, 상술한 수순으로 중량비 R을 구한다.
[복합 소재의 제조 방법]
탄소 섬유 다발(12)의 각 탄소 섬유(11)의 각각에 CNT(17)를 부착시켜 구조체(14)를 형성하기 위해서는, CNT(17)가 단리 분산된 CNT 단리 분산액(이하, 간단히 분산액이라 칭함) 중에 탄소 섬유 다발(12)을 침지하고, 분산액에 기계적 에너지를 부여한다. 단리 분산이란, CNT(17)가 1개씩 물리적으로 분리되어 서로 얽히지 않고 분산매 중에 분산되어 있는 상태를 말하고, 2개 이상의 CNT(17)가 다발상으로 집합된 집합물의 비율이 10％ 이하인 상태를 가리킨다. 여기서 집합물의 비율이 10％ 이상이면, 분산매 중에서의 CNT(17)의 응집이 촉진되어, CNT(17)의 탄소 섬유(11)에 대한 부착이 저해된다.
도 4에 일례를 나타내는 바와 같이, 부착 장치(21)는, CNT 부착조(22), 가이드 롤러(23 내지 26), 초음파 발생기(27), 탄소 섬유 다발(12)을 일정한 속도로 주행시키는 주행 기구(도시 생략) 등으로 구성된다. CNT 부착조(22) 내에는, 분산액(28)이 수용된다. 초음파 발생기(27)는, 초음파를 CNT 부착조(22)의 하측으로부터 CNT 부착조(22) 내의 분산액(28)에 인가한다.
부착 장치(21)에는, 구조체(14)가 형성되어 있지 않은 긴(예를 들어 100m 정도) 탄소 섬유 다발(12)이 연속적으로 공급된다. 공급되는 탄소 섬유 다발(12)은, 가이드 롤러(23 내지 26)에 차례로 권취되어, 주행 기구에 의해 일정한 속도로 주행한다. 부착 장치(21)에는, 각 탄소 섬유(11)에 사이징제가 부착되어 있지 않은 탄소 섬유 다발(12)이 공급된다. 또한, 여기에서 말하는 사이징제는, 탄소 섬유(11)의 얽힘 등을 방지하기 위해 탄소 섬유(11)의 표면에 부착되어 있는 것이며, 상술한 사이징제(15), 고정 수지부와는 다른 것이다.
탄소 섬유 다발(12)은, 개섬된 상태에서 가이드 롤러(23 내지 26)에 각각 권취되어 있다. 가이드 롤러(23 내지 26)에 권취된 탄소 섬유 다발(12)은, 적당한 장력이 작용함으로써 탄소 섬유(11)가 서로 얽힐 우려가 저감된다. 탄소 섬유 다발(12)의 가이드 롤러(24 내지 26)에 대한 권취는, 보다 작은 권취각(90° 이하)으로 하는 것이 바람직하다.
가이드 롤러(23 내지 26)는, 모두 평롤러이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 가이드 롤러(23)의 롤러 길이(축 방향의 길이) L1은, 개섬된 탄소 섬유 다발(12)의 폭 WL보다도 충분히 크게 되어 있다. 가이드 롤러(24 내지 26)에 대해서도, 가이드 롤러(23)와 마찬가지이며, 그것들의 롤러 길이는, 개섬된 탄소 섬유 다발(12)의 폭 WL보다도 충분히 크게 되어 있다. 예를 들어, 가이드 롤러(23 내지 26)는, 모두 동일한 사이즈이며, 롤러 길이 L1이 100㎜, 롤러의 직경(외경)이 50㎜이다. 개섬된 탄소 섬유 다발(12)은, 두께 방향(가이드 롤러의 직경 방향)으로 복수개의 탄소 섬유(11)가 나열된다.
가이드 롤러(23 내지 26) 중 가이드 롤러(24, 25)는, CNT 부착조(22) 내에 배치되어 있다. 이에 의해, 가이드 롤러(24, 25) 간에서는, 탄소 섬유 다발(12)은, 분산액(28) 중을 일정한 깊이로 직선적으로 주행한다. 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도는, 0.5m/분 이상 100m/분 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도가 높을수록, 생산성을 향상시킬 수 있고, 주행 속도가 낮을수록, CNT(17)의 균일 부착에 유효하고, 또한 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘의 억제에 효과적이다. 또한, 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘이 적을수록 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착의 균일성을 높일 수 있다. 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도가 100m/분 이하이면, 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘이 보다 효과적으로 억제됨과 함께, CNT(17)의 부착의 균일성을 보다 높게 할 수 있다. 또한, 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도는, 5m/분 이상 50m/분 이하의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.
초음파 발생기(27)는, 기계적 에너지로서의 초음파 진동을 분산액(28)에 인가한다. 이에 의해, 분산액(28) 중에 있어서, CNT(17)가 분산된 분산 상태와 응집된 응집 상태가 교호로 변화되는 가역적 반응 상태를 만들어 낸다. 이 가역적 반응 상태에 있는 분산액(28) 중에 탄소 섬유 다발(12)을 통과시키면, 분산 상태로부터 응집 상태로 이행할 때, 각 탄소 섬유(11)에 CNT(17)가 반데르발스힘에 의해 부착된다. CNT(17)에 대한 탄소 섬유(11)의 질량은, 10만배 이상으로 크고, 부착된 CNT(17)가 탈리하기 위한 에너지는, 초음파 진동에 의한 에너지보다 커진다. 이 때문에, 탄소 섬유(11)에 한 번 부착된 CNT(17)는, 부착 후의 초음파 진동에 의해서도 탄소 섬유(11)로부터 박리되지 않는다. 또한, CNT(17)끼리에서는, 모두 질량이 매우 작기 때문에, 초음파 진동에 의해 분산 상태와 응집 상태로 교호로 변화된다.
분산 상태로부터 응집 상태로의 이행이 반복하여 행해짐으로써, 각 탄소 섬유(11)에 많은 CNT(17)가 각각 부착되어 구조체(14)가 형성된다. 상술한 바와 같이, CNT(17)로서 구부러진 형상의 것을 사용함으로써, CNT(17)와 그것이 부착된 탄소 섬유(11)의 표면 사이나 부착된 CNT(17)끼리의 사이 등에 형성된 공간에 다른 CNT(17)가 들어감으로써, 보다 많은 CNT(17)가 탄소 섬유(11)에 부착되어, 구조체(14)가 형성된다.
분산액(28)에 인가하는 초음파 진동의 주파수는, 40㎑ 이상 950㎑ 이하인 것이 바람직하다. 주파수가 40㎑ 이상이면, 탄소 섬유 다발(12) 중의 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘이 억제된다. 또한, 주파수가 950㎑ 이하이면, 탄소 섬유(11)에 CNT(17)가 양호하게 부착된다. 탄소 섬유(11)의 서로 얽힘을 보다 저감하기 위해서는, 초음파 진동의 주파수는, 100㎑ 이상이 바람직하고, 130㎑ 이상이 보다 바람직하다. 또한, 초음파 진동의 주파수는, 430㎑ 이하가 보다 바람직하다.
또한, 탄소 섬유(11)에 부착되는 CNT(17)의 개수는, CNT(17)의 분산 상태로부터 응집 상태로의 이행 횟수가 65000회가 됨으로써, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착의 균일성을 확보하면서, 거의 최대가 되는 것을 발명자들은 알아냈다. 또한, 부착 개수의 최댓값은, 분산액(28)의 CNT 농도에 따라 변화되고, 분산액(28)의 CNT 농도가 높을수록 커진다. 단, 분산액(28)의 CNT 농도가, 초음파 진동을 인가하고 있을 때 CNT(17)가 분산 상태를 취할 수 없을 만큼의 고농도로 되면, 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착을 행할 수 없게 된다.
이 때문에, 탄소 섬유 다발(12)이 분산액(28) 중을 주행하고 있는 기간의 길이, 즉 가이드 롤러(24, 25) 사이를 주행하고 있는 시간(이하, 침지 시간이라 함)이, 분산액(28)에 인가하는 초음파 진동의 주기의 65000배 또는 그 이상이 되도록, 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도, 탄소 섬유 다발(12)이 분산액(28) 중을 주행하는 거리(가이드 롤러(24, 25)의 간격), 분산액(28)에 인가하는 초음파 진동의 주파수를 정하는 것이 바람직하다. 즉, 초음파 진동의 주파수를 fs(Hz), 침지 시간을 Ts(초)로 하였을 때, 「Ts≥65000/fs」를 충족하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 초음파 진동의 주파수가 130㎑, 탄소 섬유 다발(12)이 분산액(28) 중을 주행하는 거리가 0.1m이면, 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도를 12m/분 이하로 하면 된다. 또한, 탄소 섬유 다발(12)을 복수회로 나누어 분산액(28)에 침지하는 경우라도, 합계한 침지 시간이 초음파 진동의 주기의 65000배 또는 그 이상으로 하면 CNT(17)의 부착 개수를 거의 최대로 할 수 있다.
도 6에 모식적으로 도시한 바와 같이, 초음파 발생기(27)로부터 인가되는 초음파 진동에 의해 CNT 부착조(22) 내의 분산액(28)에는, 음압(진폭)의 분포가 정해진 정재파가 발생한다. 이 부착 장치(21)에서는, 분산액(28) 중에 있어서, 초음파 진동의 정재파의 절(節) 즉 음압이 극소가 되는 깊이를 탄소 섬유 다발(12)이 주행하도록, 가이드 롤러(24, 25)의 깊이 방향의 위치가 조정되어 있다. 따라서, 탄소 섬유 다발(12)이 분산액(28) 중을 주행하는 분산액(28)의 액면으로부터의 깊이는, 그 깊이를 D, 분산액(28) 중에 발생하는 초음파 진동의 정재파의 파장을 λ, n을 1 이상의 정수로 하였을 때, 「D=n·(λ/2)」를 충족하도록 정해져 있다. 또한, 정재파의 파장 λ는, 분산액(28) 중의 음속, 초음파 발생기(27)로부터 인가되는 초음파 진동의 주파수에 기초하여 구할 수 있다.
상기와 같이, 분산액(28) 중을 주행하는 탄소 섬유 다발(12)의 깊이를 조정함으로써, 음압에 의한 탄소 섬유(11)의 진동을 억제하여, 실 이완에 의한 실 흐트러짐을 방지할 수 있어, 탄소 섬유(11)끼리 혹은 각 탄소 섬유(11)의 표면에 부착되어 있는 CNT(14)끼리의 마찰을 억제하여, 두께가 큰 구조체(14)를 형성할 수 있다. 또한, 마찰이 억제됨으로써, 구조체(14)의 두께가 커도, 중량비 R의 변동이 억제되어, 상술한 표준 편차 s가 작아진다. 또한, 탄소 섬유 다발(12)이 분산액(28) 중을 주행하는 깊이는, 정재파의 절로부터 다소 어긋나도 되고, 그 경우에는 n·λ/2-λ/8 이상 n·λ/2+λ/8 이하의 범위 내(n·λ/2-λ/8≤D≤n·λ/2+λ/8)로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 탄소 섬유(11)의 실 이완에 의한 실 흐트러짐을 허용할 수 있는 범위로 할 수 있다.
탄소 섬유 다발(12)은, 분산액(28) 중으로부터 인출된 후에 건조된다. 건조된 탄소 섬유 다발(12)에 대하여 사이징 처리 및 건조를 순차적으로 행함으로써, 사이징제(15)가 구조체(14)에 부여된다. 이 사이징 처리는, 일반적인 방법에 의해 행할 수 있다.
사이징제(15)는, 특별히 한정되지는 않고, 상술한 바와 같이 다양한 반응 경화성 수지, 열경화성 수지, 열가소성 수지 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열경화성 수지로서는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 요소 수지(우레아 수지), 불포화 폴리에스테르, 알키드 수지, 열경화성 폴리이미드, 반응성기를 갖는 수지 등을 들 수 있다. 또한, 열가소성 수지로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴/스티렌(AS) 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS) 수지, 메타크릴 수지(PMMA 등), 염화비닐 등의 범용 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트 등의 엔지니어링 플라스틱, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르에테르케톤, 액정 폴리머, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드 등의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 들 수 있다. 사이징 처리에서는, 사이징제(15)가 되는 수지를 용해한 용액을 사용하는 것이 바람직하고, 그 용액을 탄소 섬유 다발(12)에 도포하거나 하여, 사이징제(15)를 구조체(14)의 CNT(17)에 부착시키는 것이 좋다.
[분산액]
탄소 섬유(11)에 CNT(17)를 부착시킬 때 사용하는 분산액(28)은, 예를 들어 긴 CNT(이하, 재료 CNT라 칭함)를 분산매에 첨가하고, 균질기나, 전단력, 초음파 분산기 등에 의해, 재료 CNT를 절단하여 원하는 길이의 CNT(17)로 함과 함께, CNT(17)의 분산의 균일화를 도모함으로써 조제된다.
분산매로서는, 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올류나 톨루엔, 아세톤, 테트라히드로푸란(THF), 메틸에틸케톤(MEK), 헥산, 노르말헥산, 에틸에테르, 크실렌, 아세트산메틸, 아세트산에틸 등의 유기 용매 및 이들의 임의의 비율의 혼합액을 사용할 수 있다. 분산액(28)은, 분산제, 접착제를 함유하지 않는다.
상술한 바와 같이 구부러진 형상의 CNT(17)의 기초가 되는 재료 CNT는, 구부러진 형상의 것이다. 이와 같은 재료 CNT는, 개개의 재료 CNT의 직경이 일치하고 있는 것이 바람직하다. 재료 CNT는, 절단에 의해 생성되는 각 CNT의 길이가 커도, CNT를 단리 분산할 수 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상술한 바와 같은 길이의 조건을 충족하는 CNT(17)를 단리 분산한 분산액(28)이 용이하게 얻어진다.
이 예의 복합 소재(10)에서는, 상술한 바와 같이, CNT(17)로서 구부러진 형상의 것을 부착시키고 있으므로, CNT(17)와 그것이 부착된 탄소 섬유(11)의 표면 사이나 부착된 CNT(17)끼리의 사이 등에 형성된 공간에 다른 CNT(17)가 들어간다. 이에 의해, 보다 많은 CNT(17)가 탄소 섬유(11)에 부착된다. 또한, 강고하게 CNT(17)가 탄소 섬유(11)에 부착되어 구조체(14)가 형성되므로, 탄소 섬유(11)로부터 CNT(17)가 보다 박리되기 어렵다. 그리고, 이와 같은 복합 소재(10)를 사용하여 제작되는 탄소 섬유 강화 성형체는, CNT에서 유래되어 특성이 보다 높게 되어 있다.
상기와 같이 복합 소재(10)를 사용하여 제작한 탄소 섬유 강화 성형체는, 종래의 복합 소재를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체에 비해 진동 감쇠 특성(제진성), 탄성률의 변화 특성이 향상된다. 탄성률의 변화 특성에 대해서는, 탄소 섬유 강화 성형체에 대한 충돌 속도의 증가에 대하여 탄소 섬유 강화 성형체의 탄성률의 증대가 억제된다.
분산액(28)의 CNT(17)의 농도는, 0.003wt％ 이상 3wt％ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 분산액(28)의 CNT(17)의 농도는, 보다 바람직하게는 0.005wt％ 이상 0.5wt％ 이하이다.
[프리프레그]
도 7에 있어서, 프리프레그(31)는, 탄소 섬유 다발(12)의 구조체(14)가 형성된 탄소 섬유(11)와, 이 탄소 섬유 다발(12)에 함침된 미경화의 매트릭스 수지(32)로 구성된다. 프리프레그(31)는, 개섬된 복합 소재(10)에 매트릭스 수지(32)를 함침하고, 두께 방향으로 탄소 섬유(11)가 복수개 나열된 띠상으로 형성된다. 복합 소재(10)는, 탄소 섬유 다발(12)에 있어서의 탄소 섬유(11)끼리의 서로 얽힘이 실질적으로 존재하지 않는 것이므로, 프리프레그(31)를 제조할 때, 탄소 섬유(11)를 균일하게 넓히기 쉽다. 프리프레그(31)의 각 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향은, 모두 동일한 방향(도 7의 지면 수직 방향)으로 정렬되어 있다. 프리프레그(31)는, 폭 방향(개섬한 방향)으로 복수의 개섬한 복합 소재(10)를 나열하여 형성함으로써, 폭이 넓은 것으로 할 수 있다.
매트릭스 수지(32)는, 특별히 한정되지는 않고, 다양한 열경화성 수지, 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 예를 들어, 열경화성 수지로서는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 요소 수지(우레아 수지), 불포화 폴리에스테르, 알키드 수지, 열경화성 폴리이미드, 시아네이트에스테르 수지, 비스말레이미드 수지, 비닐에스테르 수지 등을 들 수 있다. 또한, 열가소성 수지로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴/스티렌(AS) 수지, 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS) 수지, 메타크릴 수지(PMMA 등) 등의 범용 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 페녹시 수지 등의 엔지니어링 플라스틱, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 액정 폴리머, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드 등의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 들 수 있다.
[탄소 섬유 강화 성형체]
프리프레그(31)를 가압하면서 매트릭스 수지(32)를 가열 경화함으로써 탄소 섬유 강화 성형체가 제작된다. 복수매의 프리프레그(31)를 적층한 적층체를 가압 및 가열함으로써, 적층체를 일체화한 탄소 섬유 강화 성형체로 할 수도 있다. 이 경우, 적층체에 있어서의 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향은, 프리프레그(31)에 상당하는 층마다 임의의 방향으로 할 수 있다. 도 8에 도시한 탄소 섬유 강화 성형체(34)에서는, 프리프레그(31)에 상당하는 복수의 층(34a)에 있어서, 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향이 상하의 층(34a)에서 서로 직교하도록 형성되어 있다. 가열 및 가압하는 방법은, 프레스 성형법, 오토클레이브 성형법, 배깅 성형법, 시트 와인딩법 및 내압 성형법 등을 사용할 수 있다. 또한, 프리프레그(31)를 사용하지 않는 핸드 레이업법, 필라멘트 와인딩법, 인발 성형법 등에 의해, 탄소 섬유 다발(12)과 매트릭스 수지로부터 직접 탄소 섬유 강화 성형체를 제작해도 된다. 매트릭스 수지(32)의 체적 함유율은, 10 내지 40％가 바람직하고, 15 내지 33％가 보다 바람직하다. 매트릭스 수지(32)는, 탄성률이 2 내지 5GPa 정도인 것이 바람직하다.
상기 복합 소재(10)를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체에서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유(11) 사이의 복합 영역(18)의 일부가 서로 고착된 가교부 CL에 의해, 탄소 섬유(11)끼리가 가교된 가교 구조를 갖는다. 상술한 바와 같이 복합 영역(18)은, 구조체(14)와 이 구조체(14)에 함침되어 경화된 매트릭스 수지로 이루어지는 영역이다. 복합 영역(18)은, 경화된 매트릭스 수지 단체보다도 경도가 높아짐과 함께, 고탄성 즉 탄성 한계가 크다. 또한, 복합 영역(18)은, 매트릭스 수지보다도 내마모성이 높다. 이와 같은 복합 영역(18)끼리의 결합에 의해, 탄소 섬유(11)끼리의 결합이 강고한 것이 되어, 복합 소재(10)를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체의 반복 굽힘에 대한 내구성이 향상된다.
가교 구조는, 구조체(14)끼리가 접촉할 정도로 탄소 섬유(11) 간의 거리가 근접하고 있는 경우에 형성되기 때문에, 구조체(14)의 두께가 클수록, 가교를 많게 하는 데 있어서 유리하다. 단, 구조체(14)의 두께는, 균일한 두께에 의한 품질 안정성의 확보, 탄소 섬유로부터의 탈락의 방지 등의 관점에서, 크더라도 300㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. 특히, 구조체(14)의 두께를 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내로 하는 것이 좋다. 또한, 탄소 섬유(11)를 직물상으로 한 경우에는, 복합 영역(18)끼리가 서로 고착된 가교부 CL이 많아져, 가교 구조에 의한 효과가 커진다.
상기 복합 영역(18)은, ISO14577:2015에 준거한 나노인덴테이션(압입)법으로부터 측정되는 복합 영역(18)의 마르텐스 경도가, 매트릭스 수지만의 마르텐스 경도(이하, 기준 마르텐스 경도라 함)에 대하여 10％ 이상 크게 되어 있는 것이 바람직하고, 보다 큰 효과를 내기 위해 30％ 이상 크게 되어 있는 것이 보다 바람직하다. 또한 ISO14577에 준거한 나노인덴테이션법으로 측정되는 복합 영역(18)에 있어서의 소성 변형량이, 매트릭스 수지만의 소성 변형량(이하, 기준 소성 변형량이라 함)에 대하여 70％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
복합 영역(18)의 마르텐스 경도 및 소성 변형량은, 복합 영역(18)으로부터 직접 측정할 수 있는 경우에는, 그 값을 사용하면 되지만, 현실적이지는 않다. 그래서, 도 10에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유 강화 성형체의 복합 영역(18)과 동등한 조건(CNT(17)의 밀도, 매트릭스 수지의 종류, 경화 조건)에서 형성된 측정층(35)을 갖는 측정편 Mp를 제작하고, 이 측정편 Mp의 측정층(35)에 대하여 측정한 마르텐스 경도 및 소성 변형량을 복합 영역(18)의 마르텐스 경도 및 소성 변형량으로 간주한다. 또한, 측정층에 CNT(17)를 함유시키지 않는 것 외는, 측정편 Mp와 동일 조건에서 제작된 측정편(이하, 기준 측정편이라 함)을 사용하여, 이 기준 측정편의 측정층에 대하여 측정한 마르텐스 경도 및 소성 변형량을 기준 마르텐스 경도 및 기준 소성 변형량으로 한다.
측정편 Mp는, 수지층(36)의 표층에 측정층(35)을 형성한 것이다. 측정층(35)의 두께 t35는, 측정에 영향을 미치지 않는 두께를 확보할 수 있으면 되고, 나노인덴테이션법에 의한 측정 시의 압입 깊이의 4배 이상으로 하면 된다. 측정층(35)의 길이 L35, 폭 W35는, 측정에 영향을 미치지 않는 사이즈이면 적절히 설정할 수 있다. 1개의 측정층(35)의 표면을 복수의 측정 영역으로 구획하여, 복수의 측정 영역에서 각각 측정을 행할 수 있다. 이 경우의 측정 영역의 크기는, 각각의 측정 영역에서의 측정이 서로 영향을 미치지 않는 사이즈로 한다. 측정편 Mp(수지층(36))의 두께 t36은, 수지층(36)의 가대의 영향을 받지 않도록 하기 위해, 압입 깊이의 10배 이상으로 한다. 측정층(35)에 있어서의 CNT(17)의 밀도는, 구조체(14)에 있어서의 CNT(17)의 밀도와 동일하게 한다. 다음에 설명하는 바와 같이 CNT층(35a)(도 11 참조)을 형성함으로써 구조체(14)에 있어서의 CNT(17)의 밀도와 동일하게 할 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이, 측정편 Mp를 제작하는 경우에는, 예를 들어 이형제가 도포된 예를 들어 스테인리스제의 베이스판 PL 상에 구조체(14)에 상당하는 CNT층(35a)을 형성한다(도 11의 (A)). CNT층(35a)을 형성하기 위해, 탄소 섬유(11)에 CNT(17)를 부착시키는 것과 동일한 분산액(28)을 사용하여, 이 분산액(28)을 베이스판 PL의 이형제가 도포된 한쪽의 면에 도포하여 건조시킨다. 이에 의해, CNT층(35a)의 CNT(17)의 밀도는, 구조체(14)에 있어서의 CNT(17)의 밀도와 동일하게 된다. 또한, 베이스판 PL에 CNT(17)를 부착시킬 때, 분산액(28) 대신에, 분산액(28)의 분산매와 동등 성상(점도, 표면 장력)의 분산매에, 분산액(28)과 동일한 CNT 농도로 CNT(17)를 분산시킨 분산액을 사용할 수도 있다.
다음에, 탄소 섬유 성형체(또는 프리프레그(31))와 동일한 매트릭스 수지(36a)를 CNT층(35a)에 함침하면서, 베이스판 PL의 표면에 소정의 두께로 될 때까지 전개한다(도 11의 (B)). 이 후에, 탄소 섬유 강화 성형체와 동일한 경화 조건(압력, 온도, 시간)에서 매트릭스 수지(36a)를 경화시킨다. 이에 의해, 매트릭스 수지(36a)가 함침된 CNT층(35a)을 측정층(35)이라 하고, 매트릭스 수지(36a)의 다른 부분을 수지층(36)이라 하고, 이것을 베이스판 PL로부터 측정편 Mp로서 박리하여 측정에 사용한다(도 11의 (C)).
측정층(35)의 마르텐스 경도 및 소성 변형량은, 상술한 바와 같이 ISO14577에 준거한 나노인덴테이션법에 의해 측정된다. 마르텐스 경도(HM)는, 최대 압입 깊이(hmax)와, 시험 하중(F)과, 압자의 접촉 표면적(AS)으로부터 「HM=F/(AS·hmax 2)」으로서 구해진다. 또한, 소성 변형량(hp)은, 제하에 의해 시험 하중이 「0」이 되었을 때의 압입 깊이로서 구해진다.
측정 조건은 이하와 같다.
·압자: 베르코비치 삼각추 압자(축심에 대한 면각 65.03°)
·시험 하중: 2.000mN
·최대 하중 유지 시간: 5초
·측정 온도: 25℃
또한, 시험 하중은, 10초에 걸쳐 최대 하중까지 증대시키고, 최대 하중으로 최대 하중 유지 시간만큼 유지한 후에, 10초에 걸쳐 제하한다. 최대 압입 깊이(hmax)는, 최대 하중 유지 시간의 종료 시의 압입 깊이이다.
이 예에서는, 탄소 섬유(11)의 표면에 대한 CNT(17)의 고정은, 탄소 섬유(11)와 CNT(17)의 반데르발스힘에 의한 결합에 의한 것이지만, 이것에 더하여 탄소 섬유(11)의 표면에 대한 CNT(17)의 고정을 보강하는 결착부를 마련해도 된다. 결착부는, 예를 들어 탄소 섬유(11)와 이것에 직접 부착(접촉)된 CNT(17)의 각 표면(둘레면)의 사이에 형성되는 간극에 들어간 상태에서 경화된 에폭시 수지이다. 에폭시 수지는, 예를 들어 톨루엔, 크실렌, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤(MIBK), 부탄올, 아세트산에틸 또는 아세트산부틸 등의 용매에 용해하여 용액으로 하고, 이것에 구조체(14)가 형성된 탄소 섬유(11)를 포함하는 탄소 섬유 다발(12)을 침지한 후, 가열한다. 이에 의해, 탄소 섬유(11)와 CNT(17)의 각 표면의 사이에 형성되는 간극에 미경화의 에폭시 수지를 들어가게 하여 경화시킨다.
또한, 결착부의 형성 시에는, 결착부의 재료인 에폭시 수지의 용액을 에멀션화하여 사용해도 된다. 예를 들어, 에폭시 수지를 용매에 용해한 용액 중에, 비이온계 유화제 등의 유화제를 첨가함으로써, 에멀션화할 수 있다. 결착부로서는, 에폭시 수지 외에, 예를 들어 페놀 수지, 폴리우레탄 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 폴리이미드 수지 등이어도 된다. 또한, 실란 커플링제나 무기계의 접착제를 결착부로서 사용할 수도 있다.
CNT(17)를 탄소 섬유(11)의 표면에 부분적으로 고정해도 된다. 이 구성에서는, 경화된 고정 수지부가 탄소 섬유(11)의 표면에 점재하고, 구조체(14)를 형성하는 일부의 CNT(17)가 고정 수지부에 의해 탄소 섬유(11)의 표면에 고정된다. 탄소 섬유(11)의 표면에 있어서의 고정 수지부가 덮는 탄소 섬유(11)의 표면의 비율이 7％ 이상 30％ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 이와 같이 점재하는 고정 수지부에 의해 일부의 CNT(17)를 고정한 복합 소재는, CNT(17)의 효과를 충분히 발휘할 수 있어, 그 복합 소재를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체의 층간 박리 균열의 진전 저항을 보다 크게 할 수 있다.
상기 고정 수지부는, 예를 들어 입자경이 0.05 내지 1㎛인 액적상의 수지를 포함하는 에멀션 타입의 처리액의 도포 등과 수지의 경화로 형성할 수 있다. 입자경은, 레이저 해석법에 의해 구할 수 있다. 수지로서는, 예를 들어 반응성 수지를 들 수 있다.
실시예
복합 소재(10)로부터 프리프레그(31)를 거쳐, 후술하는 실시예 2에서 사용하는 탄소 섬유 강화 성형체(시험편)를 제작하여, 탄소 섬유 강화 성형체의 특성을 평가하였다. 복합 소재(10)는, 상기 수순에 의해 제작하였다. 또한, 실시예 1에서는, 제작한 복합 소재(10)의 탄소 섬유(11)에 대한 CNT(17)의 부착 상태, 사이징제(15)의 부착 상태 등을 확인하였다.
복합 소재(10)를 제작할 때 사용한 분산액(28)은, 상술한 바와 같이 구부러진 형상을 갖는 재료 CNT를 사용하여 조제하였다. 도 12에 분산액(28)의 조제에 사용한 재료 CNT의 SEM 사진을 나타낸다. 이 재료 CNT는, 다층이며, 직경이 3㎚ 이상 10㎚ 이하의 범위였다. 재료 CNT는, 황산과 질산의 3:1 혼산을 사용하여 세정하여 촉매 잔사를 제거한 후, 여과 건조하였다. 분산액(28)의 분산매로서의 아세톤에 재료 CNT를 첨가하고, 초음파 균질기를 사용하여 재료 CNT를 절단하여, CNT(17)로 하였다. 분산액(28) 중의 CNT(17)의 길이는, 0.2㎛ 이상 5㎛ 이하였다. 또한, 분산액(28) 중의 CNT(17)는, 구부러진 형상으로 평가할 수 있는 것이었다.
분산액(28)의 CNT(17)의 농도는, 0.12wt％(=1200wt ppm)로 하였다. 분산액(28)에도 분산제나 접착제를 첨가하지 않았다.
탄소 섬유 다발(12)로서는, T700SC-12000(도레이 가부시키가이샤제)을 사용하였다. 이 탄소 섬유 다발(12)에는, 12000개의 탄소 섬유(11)가 포함되어 있다. 탄소 섬유(11)의 직경은 7㎛ 정도이고, 길이는 100m 정도이다. 또한, 탄소 섬유 다발(12)은, CNT(17)의 부착에 앞서서, 탄소 섬유(11)의 표면으로부터 탄소 섬유(11)의 얽힘 등을 방지하기 위한 사이징제를 제거하였다.
탄소 섬유 다발(12)을 개섬한 상태에서 가이드 롤러(23 내지 26)에 권취하여, CNT 부착조(22) 내의 분산액(28) 중을 주행시켰다. 탄소 섬유 다발(12)의 주행 속도는, 1m/분으로 하고, 분산액(28)에는, 초음파 발생기(27)에 의해 주파수가 200㎑인 초음파 진동을 부여하였다. 또한, 가이드 롤러(24, 25) 사이를 주행하고 있는 침지 시간은, 6.25초였다. 이 침지 시간은, 분산액(28)에 부여하는 초음파 진동의 1250000주기분이다. 분산액(28) 중에서는, 탄소 섬유 다발(12)은, 「D=n·(λ/2)」를 충족하는 분산액(28)의 액면으로부터의 깊이 D를 주행시켰다.
복합 소재(10)의 제작에서는, 분산액(28)으로부터 인출된 탄소 섬유 다발(12)을 건조시킨 후에, 사이징제(15)로서 에폭시 수지를 사용하여 사이징 처리를 실시하여, 구조체(14)를 구성하는 CNT(17)의 표면에 사이징제(15)를 부착시켰다. 이 사이징 처리에서는, 체적 비율로, 구조체(14)의 CNT(17)에 대하여 부착되는 사이징제(15)가 30％ 이하가 되도록, 사이징제(15)가 되는 수지를 용해한 용액의 그 수지의 농도를 조정하였다. 사이징 처리를 실시한 탄소 섬유 다발(12)을 건조시켜 복합 소재(10)를 얻었다.
복합 소재(10)로부터 탄소 섬유 강화 성형체를 제작할 때는, 프리프레그(31)는, 상기와 같이 제작한 복합 소재(10)를 개섬하고, 개섬한 상태에서 매트릭스 수지(32)로서의 에폭시 수지를 함침함으로써 제작하였다. 이 프리프레그(31)에 있어서의 매트릭스 수지(32)의 체적 함유율은, 30％였다. 또한, 프리프레그(31)에 있어서의 복합 소재(10)의 단위 면적당 중량은, 180g/㎡로 하였다. 프리프레그(31)에는, 그 두께 방향으로 10 내지 16개의 탄소 섬유(11)가 있었다. 또한, 프리프레그(31)를 적층한 적층체를 가압하면서 가열함으로써 탄소 섬유 강화 성형체를 제작하였다. 가압 및 가열에는 오토클레이브(단데라이온, 가부시키가이샤 하뉴다 뎃코죠제)를 사용하였다. 또한, 제작한 탄소 섬유 강화 성형체의 상세에 대해서는 후술한다.
또한, 후술하는 비교용 프리프레그로서, 각 탄소 섬유에 CNT를 부착시키지 않은 탄소 섬유 다발을 사용한 프리프레그를 제작하였다. 비교예 1에서는, 비교용 프리프레그를 사용하여 탄소 섬유 강화 성형체를 제작하였다.
비교용 프리프레그는, CNT의 부착의 유무 이외의 조건은, 상기 실시예용의 프리프레그(31)와 동일하다. 또한, 비교용 프리프레그를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체의 제작 조건은, 프리프레그가 다른 것 외는, 각 실시예의 프리프레그를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체와 동일하게 하였다.
<실시예 1>
SEM 관찰
사이징 처리 및 건조 후의 탄소 섬유 다발(12)의 일부를 잘라내어, 탄소 섬유(11)를 취득하였다. 취득한 각 탄소 섬유(11)에 복수의 CNT(17)가 균일하게 분산되어 부착되어 있음을 SEM 관찰하여 확인하였다.
탄소 섬유 다발(12)의 탄소 섬유(11)에는, 그 섬유축 방향의 좁은 범위(국소적)에서도, 또한 넓은 범위에서도 균일하게 CNT(17)가 부착되어 있음이 확인되었다. 또한, 직선적인 CNT를 탄소 섬유에 부착시킨 경우보다도, 많은 CNT(17)가 부착되어 있음을 확인할 수 있었다.
상기와 같이 제작된 탄소 섬유 다발(12)의 구조체(14)의 표면을 촬영한 SEM 사진을 도 13 및 도 14에 나타낸다. 또한, 도 14의 SEM 화상은, 도 13의 SEM 사진보다도 배율을 높게 한 것이다. 이들 SEM 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 구조체(14)는, 다수의 CNT(17)로 이루어지는 삼차원적인 메시 구조 즉 공극부(19)를 갖는 부직포상으로 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 구조체(14)에서는, 구조체(14)의 CNT(17)에 대한 사이징제(15)의 체적 비율을 30％ 이하가 되도록 조정함으로써, CNT(17)끼리가 사이징제(15)로 고정되어 있지만, 공극부(19)의 대부분이 사이징제(15)로 폐색되어 있지 않아, 매트릭스 수지를 용이하게 구조체(14)의 내부에 함침할 수 있음이 확인되었다. 도 13의 구조체(14)를 얻은 경우보다도, CNT(17)에 대한 사이징제(15)의 체적 비율을 조금 높게 하여 약 40％로 한 구조체(14)에서는, 도 15의 SEM 사진에 나타내는 바와 같이, 사이징제(15)로 폐색되어 있는 공극부(19)가 확인되었다. 이에 의해, 사이징제(15)의 체적 비율이 너무 높은 경우에는, 사이징제(15)로 폐색되는 공극부(19)가 많아져, 구조체(14)의 내부로의 매트릭스 수지의 함침이 곤란해지는 것이 확인되었다.
또한, 에폭시 수지를 구조체(14)에 함침시킨 탄소 섬유(11)의 단면을 SEM 관찰하였다. 이때의 SEM 사진을 도 16 내지 도 19에 나타낸다. 도 16, 도 17의 SEM 사진으로부터, 구조체(14)가 100㎚ 이상의 두께로 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 17의 SEM 사진은, 도 16의 단면의 일부를 더욱 확대한 것이다. 또한, 도 18의 SEM 사진으로부터, 구조체(14)를 포함하는 탄소 섬유(11)의 단면 형상이 진원에 가깝고, 또한 그 직경도 거의 동일하며, 탄소 섬유(11)의 표면에 구조체(14)가 균일하게 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 18의 SEM 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 탄소 섬유 다발(12)에는, 서로 접촉하고 있는 탄소 섬유(11)가 있음을 알 수 있다. 이와 같은 서로 접촉하고 있는 탄소 섬유(11) 간에서는, 도 19의 SEM 사진에 나타나는 바와 같이, 그것들의 각 복합 영역(18)의 일부가 서로 고착되어 탄소 섬유(11)끼리를 가교한 가교 구조를 갖는 것을 알 수 있다.
<실시예 2>
(피로 특성의 평가)
실시예 2로서, 도 20에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유 강화 성형체로서 판상의 시험편(61)을 제작하고, 3점 굽힘 피로 시험을 행하여 굽힘 피로 특성을 평가함과 함께, 3점 굽힘 시험에 의해 굽힘 특성을 확인하였다. 실시예 2의 시험편(61)은, 길이 L61을 20㎜ 이상으로 하고, 폭 D61을 15㎜, 두께 t61을 1.8㎜가 되도록 제작하였다. 시험편(61)의 제작에서는, 직사각형(L61×D61)으로 절단한 16매의 프리프레그(31)를 적층하고, 가압하면서 145℃에서 1시간 가열하여 매트릭스 수지(32)를 경화시켰다. 각 프리프레그(31)는, 길이 방향이 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향과 일치하도록 절단하였다. 따라서, 시험편(61)은, 그 길이 방향에 모든 탄소 섬유(11)의 섬유축 방향(도면 중 화살표 A 방향)이 일치하고 있다. 시험편(61)은, 14매 제작하고, 이 중 13매를 굽힘 피로 특성의 평가에 사용하고, 나머지 1매를 굽힘 특성의 평가에 사용하였다.
3점 굽힘 피로 시험은, 시험 장치로서 서보 펄서 EHF-LB-5kN(가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼제)을 사용하여 행하였다. 도 21에 도시한 바와 같이, 시험편(61)을, 그 길이 방향을 따라서 이격하여 배치된 한 쌍의 지지점(64)에서 시험편(61)이 하측으로부터 지지되도록 시험 장치에 세트하고, 로드셀(65)로 하중을 측정하면서, 한 쌍의 지지점(64)의 중앙(각 지지점(64)으로부터 등거리의 위치) 상방에 배치된 압자(66)로 시험편(61)을 하방으로 압박하도록 하였다. 한 쌍의 지지점(64)의 지점간 거리 X1은, 20㎜로 하였다.
도 22에 도시한 바와 같이, 압자(66)를 시험편(61)에 접촉시킨 위치로부터 압자(66)를 수직 강하시켜 시험편(61)을 하방으로 휘도록 변형시켜, 하중에 의한 응력이 소정의 값(응력 진폭)으로 된 시점에서, 하중이 「0」이 되는 위치까지 압자(66)를 상승시켜 압박을 해제하고, 그 후에 다시 압자(66)를 수직 강하시키는 동작을 반복하였다. 압자(66)의 상하 이동의 주파수는, 시험편(61)이 댐핑하지 않도록 10Hz 내지 20Hz의 범위에서 시험편(61)마다 조정하였다. 이와 같이, 편진동에 의한 3점 굽힘 피로 시험을 행하여, 압자(66)가 수직 강하하였을 때의 하중이 「0」이 될 때까지의 반복수를 계수하였다. 실시예 2에서는, 4매의 시험편(61)을 제작하여, 응력 진폭을 변화시켜 반복수를 계수하였다. 실시예 2의 결과를 도 23에 나타낸다.
비교예 1로서, 비교용 프리프레그를 사용하여 탄소 섬유 강화 성형체를 제작하고, 이 비교용 프리프레그를 사용한 탄소 섬유 강화 성형체인 시험편에 대하여, 상기 3점 굽힘 피로 시험을 행하여 굽힘 피로 특성을 평가하였다. 비교예 1의 시험편은, 13매 제작하고, 이 중의 12매를 굽힘 피로 특성의 평가에 사용하고, 나머지 1매를 굽힘 특성의 평가에 사용하였다. 비교예 1의 시험편은, 실시예 2의 시험편(61)과 동일한 수순, 동일한 사이즈로 제작한 것이며, 16매의 비교용 프리프레그를 적층하고, 가압하면서 가열하여 매트릭스 수지를 경화시켰다. 비교예 1의 3점 굽힘 피로 시험의 조건은, 실시예 2와 동일하게 하였다. 비교예 1의 시험편의 3점 굽힘 피로 시험의 결과를 도 23에 나타낸다.
도 23의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 응력 진폭이 동일한 경우, 실시예 2의 시험편(61)은, 탄소 섬유에 CNT를 부착시키지 않은 비교예 1의 시험편보다도 2자릿수 이상 반복수가 커서, 피로 수명이 긴 것을 알 수 있다.
또한, 3점 굽힘 시험에 의해, 실시예 2 및 비교예 1의 시험편의 각각에 대하여 굽힘 변형을 조사하였다. 이 3점 굽힘 시험에서는, 3점 굽힘 피로 시험과 마찬가지로 지점간 거리를 20㎜로 하여 시험편을 하측으로부터 지지하고, 압자의 상하 이동에 의해 편진동 하중에 의한 굽힘을 행하였다. 또한, 최대 굽힘 응력을 1200㎫로 하고, 부하 파형이 사인파가 되도록 하중 제어하였다. 하중의 반복 주파수는, 1Hz, 10Hz, 20Hz의 3종류로 하였다. 이 굽힘 변형의 측정에 사용한 각 시험편의 실제의 폭, 두께, 최대 굽힘 응력 시에 있어서의 하중, 및 아울러 측정한 반복 주파수마다의 굽힘 탄성률과 함께 표 1에 나타낸다.
Figure pct00002
상기 3점 굽힘 시험으로부터 얻어진, 각 반복 주파수에 관한 굽힘 응력과 굽힘 변형의 관계를 도 24 내지 도 26에 나타낸다. 도 24는 반복 주파수(f)가 1Hz, 도 25는 반복 주파수(f)가 10Hz, 도 26은 반복 주파수(f)가 20Hz인 경우를 각각 나타내고 있다. 이들 결과로부터, 실시예 2의 시험편(61)은, 하중에 대하여 비교예 1의 시험편과 마찬가지의 굽힘 변형이 발생한 것을 확인하였다. 즉, 상기 굽힘 피로 특성의 향상은, 3점 굽힘 시험의 결과로부터 시험편(61)에 굽힘이 발생하기 어려워지는 것에 기인한 것은 아님이 확인되었다.
<실시예 3>
ISO14577에 준거한 나노인덴테이션법으로부터 복합 영역(18)의 마르텐스 경도, 압입 경도, 소성 변형량을 측정하였다. 이들 측정을 위해, 상술한 제작 수순에 의해, 27매의 측정편 Mp를 제작하였다. 탄소 섬유 성형체의 매트릭스 수지가 에폭시 수지였기 때문에, 이것과 동일한 에폭시 수지를 사용하여, 측정편 Mp를 제작하였다. 또한, 측정편 Mp의 측정층(35)은, 길이 L35를 10㎜, 폭 W35를 10㎜로 하고, 두께 t35는, 2㎛ 내지 3㎛의 범위였다. 수지층(36)의 두께 t36은, 90㎛였다.
측정층(35)의 마르텐스 경도, 압입 경도, 소성 변형량의 측정은, 「초미소 압입 경도 시험기(ENF-1100S)((주)엘리오닉스사제)」를 사용하여, 상술한 나노인덴테이션법(ISO14577)의 수순에 의해 행하였다. 측정한 각 측정편 Mp의 측정층(35)의 마르텐스 경도(HM), 압입 경도(HIT), 소성 변형량(hp)을 표 2에 나타낸다.
Figure pct00003
비교예 2로서, CNT(17)를 포함하지 않는 것 외는, 측정편 Mp와 동일한 조건에서 제작한 27매의 측정편에 대하여, 마찬가지로 측정을 행하였다. 이 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 이 비교예 2에 대하여 측정된 마르텐스 경도 및 소성 변형량은, 실시예 3에 대한 기준 마르텐스 경도 및 기준 소성 변형량이 된다.
또한, 실시예 3과 비교예 2의 압입 경도의 평균을 도 27에 그래프로서 나타낸다. 또한, 상기 마르텐스 경도 및 압입 경도의 측정을 행하였을 때의, 실시예 3 및 비교예 2의 각 측정편의 평균의 부하 곡선 및 제하 곡선을 도 28에 각각 나타낸다.
이상의 측정 결과로부터, 실시예 3의 복합 영역(18)의 마르텐스 경도는, 비교예 2의 마르텐스 경도에 대하여 10％ 이상 큰 것을 알 수 있다. 또한, 복합 영역(18)은, 비교예 2의 소성 변형량에 대하여, 그 소성 변형량이 70％ 이하로 되어 있음을 알 수 있다.
상기 표 2, 도 27 및 도 28로부터, 탄소 섬유(11)의 주위에 형성되는 복합 영역(18)은, 매트릭스 수지만의 경우에 비해 변형되기 어렵고, 또한 소성 변형도 되기 어려운 것을 알 수 있다. 이에 의해, 탄소 섬유(11)끼리간의 결합이 복합 영역(18)끼리의 결합으로 강고한 것이 되어, 탄소 섬유 강화 성형체의 기계적 변형에 대한 피로가 발생하기 어려운 것을 알 수 있다.
<실시예 4>
실시예 3과 마찬가지의 측정편 Mp를 제작하고, 왕복 미끄럼 이동형 마찰 마모 시험기에 의해 마찰 마모 시험을 행하였다. 이 시험에서는, 압자를 측정편 Mp의 측정층(35)의 표면에 소정의 하중으로 압박한 상태에서 측정편 Mp를 왕복동시킴으로써 압자를 측정편 Mp에 미끄럼 이동시켜, 압자와 측정층(35) 사이의 운동 마찰 계수가 0.1을 초과할 때까지의 왕복 횟수를 계수하였다. 마찬가지로, CNT를 포함하지 않는 측정층에 대해서도 운동 마찰 계수가 0.1을 초과할 때까지의 왕복 횟수를 계수하였다. 운동 마찰 계수가 0.1을 초과할 때까지의 왕복 횟수는, CNT를 포함하지 않는 측정층에서 80회였던 것에 반해, 측정층(35)에서는 240회였다. 이 시험 결과로부터, 복합 영역(18)의 내마모성이 높음을 알 수 있다.
10: 복합 소재
11: 탄소 섬유
12: 탄소 섬유 다발
14: 구조체
17: 카본 나노튜브
18: 복합 영역
34: 탄소 섬유 강화 성형체

Claims (5)

  1. 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발과,
    복수의 카본 나노튜브로 구성되며, 상기 카본 나노튜브끼리가 직접 접촉한 네트워크 구조를 형성함과 함께, 상기 탄소 섬유의 표면에 부착되는 상기 카본 나노튜브가 상기 탄소 섬유의 표면에 직접 부착되어, 상기 탄소 섬유 각각에 형성된 구조체를
    구비하고,
    상기 카본 나노튜브는, 굴곡부를 갖는 구부러진 형상이며,
    상기 구조체는, 두께가 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는, 복합 소재.
  2. 굴곡부를 갖는 구부러진 형상의 복수의 카본 나노튜브가 분산된 분산액에 초음파 진동을 인가하는 초음파 공정과,
    초음파 진동이 인가되고 있는 상기 분산액에 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발을 침지하고, 상기 탄소 섬유에 상기 복수의 카본 나노튜브를 부착시켜, 상기 탄소 섬유의 각각의 표면에 구조체를 형성하는 부착 공정을
    갖고,
    상기 부착 공정은, 상기 탄소 섬유 다발을 개섬하여 침지하고, 상기 탄소 섬유를 상기 분산액 중에서 주행시켜, 상기 탄소 섬유가 주행하는 상기 분산액의 액면으로부터의 깊이를 D, 상기 초음파 공정에 의해 상기 분산액 중에 발생하는 초음파 진동의 정재파의 파장을 λ라 하고, n을 1 이상의 정수로 하였을 때, n·λ/2-λ/8≤D≤n·λ/2+λ/8을 충족하는 것을 특징으로 하는, 복합 소재의 제조 방법.
  3. 복수의 연속한 탄소 섬유를 갖는 탄소 섬유 다발과,
    상기 탄소 섬유 다발에 함침된 상태에서 경화되어 있는 매트릭스 수지와,
    굴곡부를 갖는 구부러진 형상의 복수의 카본 나노튜브로 구성되며, 상기 카본 나노튜브끼리가 직접 접촉한 네트워크 구조를 형성함과 함께, 상기 탄소 섬유의 표면에 부착되는 상기 카본 나노튜브가 상기 탄소 섬유의 표면에 직접 부착되어, 상기 탄소 섬유 각각에 형성된 구조체, 및 이 구조체에 함침된 상태에서 경화되어 있는 상기 매트릭스 수지로 이루어지고, 두께가 50㎚ 이상 200㎚ 이하의 범위 내인 복합 영역과,
    상기 탄소 섬유간의 상기 복합 영역의 일부가 서로 고착되어 탄소 섬유끼리를 가교하는 가교부를
    구비하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 강화 성형체.
  4. 제3항에 있어서,
    ISO14577에 준거하여 측정되는 상기 복합 영역의 마르텐스 경도가 상기 매트릭스 수지의 마르텐스 경도에 대하여 10％ 이상 큰 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 강화 성형체.
  5. 제3항에 있어서,
    ISO14577에 준거하여 측정되는 상기 복합 영역의 소성 변형량이, 상기 매트릭스 수지의 소성 변형량의 70％ 이하인 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 강화 성형체.
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