WO2018056723A1 - 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품 - Google Patents

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WO2018056723A1
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fiber
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fiber reinforcement
resin
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오애리
최한나
박종성
김희준
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(주)엘지하우시스
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Definitions

  • the present invention relates to a reinforcement composite and an article including the same, which are applied to a vehicle, an aircraft, and the like to supplement strength and rigidity.
  • Plastics generally have a specific gravity of about 1/4 to about 1/5 of metals, so that a light weighting effect can be obtained and fuel efficiency can be improved.
  • the metal has a high resistance to breakage, which delays the complete rupture of the material even after reaching the maximum strength through permanent deformation by external force, saves energy, and has a large deformation.
  • the plastic material exhibits a behavior of rapid breaking after showing the maximum strength of the material at a very small elongation. When an external force is applied, the plastic material does not undergo permanent deformation before breaking and has a small degree of deformation. .
  • One embodiment of the present invention provides a reinforcement composite having improved impact resistance due to high elongation and energy absorption performance while securing the required mechanical properties in terms of strength and rigidity.
  • Another embodiment of the present invention relates to an article including the reinforcement composite, and can realize fuel efficiency improvement effect and light weight effect with excellent impact absorption performance.
  • at least one second fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement having an orientation in a second direction having an angle of -1 ° to -44 ° with respect to the reinforcement request direction, wherein the surface material is a metal sheet of a network structure. It provides a reinforcement composite comprising a.
  • an article comprising said reinforcing composite.
  • the reinforcing composite material may provide an improved impact absorption performance to the article to which it is applied based on high elongation and high energy absorption performance while securing a certain level or more of mechanical properties in terms of strength and rigidity.
  • the article to which the reinforcement composite is applied may have a high degree of deformation against external force, and may have excellent impact resistance.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exploded view of a reinforcement composite according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of a fiber reinforced sheet according to one embodiment of the invention.
  • a laminate of a plurality of fiber reinforced sheets And a surface material on at least one surface of the laminate, wherein the surface material includes a metal sheet of a network structure.
  • the fiber reinforcing sheet is a fiber reinforcing material having an orientation; And a resin matrix, wherein the plurality of fiber reinforcement sheets include at least one first fiber reinforcement sheet and at least one second fiber reinforcement sheet.
  • the first fiber reinforcement sheet is a fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 1 ° to + 44 ° with respect to a Reinforcement required direction
  • the second fiber reinforcement The sheet is a fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement material having an orientation in a second direction having an angle of -1 ° to -44 ° with respect to the reinforcement request direction.
  • the term 'reinforcement required direction' refers to an external force or load applied externally when the article to which the reinforcement composite is applied is mounted on a vehicle or an aircraft, or when the vehicle or the aircraft is operated and moved after installation. In consideration of the above, it means a predetermined direction in which strength and rigidity need to be complemented. This reinforcement request direction may be determined by the restraint position, installation conditions, etc. when the article to which the reinforcement composite material is applied is mounted to a component such as a vehicle or an aircraft, and most importantly, one direction in which strength and rigidity need to be compensated for. it means.
  • the reinforcement composite material is a laminate in which a plurality of two types of fiber reinforcement sheets having an angle in the above-described range with respect to the reinforcement request direction and a surface material disposed on at least one surface of the laminate include a metal sheet having a network structure.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exploded view of a reinforcement composite according to an embodiment of the present invention.
  • the reinforcement composite material includes a laminate in which a plurality of fiber reinforcement sheets 10 are stacked, and a surface material 40 disposed on one surface of the laminate.
  • the fiber reinforcing sheet 10 is a fiber reinforcing material (20) having an orientation; And a resin matrix 30.
  • having 'orientation' means that the single fiber strands of the fiber reinforcement 20 are arranged side by side in one direction.
  • the fiber reinforcement sheet 10 including such a fiber reinforcement 20 is also called a unidirection sheet or UD prepreg. That is, the reinforcement composite material 100 may include a stack of a plurality of UD sheets or a plurality of UD prepregs.
  • the plurality of fiber reinforcing sheets 10 includes a first fiber reinforcing sheet 11 including a fiber reinforcing member having an orientation in a first direction having a + ⁇ angle with respect to the reinforcing demanding direction X. And a second fiber reinforcement sheet 12 including a fiber reinforcement material having an orientation in a second direction having a - ⁇ angle with respect to the reinforcement request direction X.
  • the ⁇ may be about 1 ° to about 44 °, for example, about 20 ° to about 40 °, for example, about 25 ° to about 40 °. Improvement in elongation and energy absorption performance may be maximized by the orientation angle of the fiber reinforcing member in the reinforcing request direction satisfying the above range, and the article to which the reinforcing composite is applied may implement excellent impact resistance.
  • the orientation angle (+ ⁇ ) with respect to the reinforcement request direction of the fiber reinforcement material of the first fiber reinforcement sheet 11 is an orientation angle (- ⁇ with respect to the reinforcement request direction of the fiber reinforcement material of the second fiber reinforcement sheet 12. )
  • the absolute value can be the same. Since the first fiber reinforcing sheet 11 and the second fiber reinforcing sheet 12 include a fiber reinforcing material having the same absolute value of the orientation angle with respect to the direction of the reinforcement request of the article, the rear deformation is compared with the case where the absolute value is different. The effect of preventing may be excellent.
  • the reinforcement composite may not contain a fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement having an orientation in a direction having an angle of 0 ° or 90 ° to the direction of the reinforcement demand. That is, the fiber reinforcing material of the fiber reinforcing sheet constituting the laminate has no orientation in the direction or the vertical direction coinciding with the reinforcing request direction.
  • the fiber reinforcement When the fiber reinforcement has an orientation of 0 ° with respect to the direction of the reinforcement request of the article, it can be greatly improved in terms of strength and rigidity, but there is a problem in that the required level of shock absorption performance cannot be secured. In addition, when the fiber reinforcing material has an orientation of 90 degrees with respect to the direction of the reinforcement request of the article, there is a problem that the strength and rigidity is rather deteriorated.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets may include one or more layers of the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet, respectively, and may include, for example, 1 layer to 2000 layers, respectively. have.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheet may include the first fiber reinforcement sheet: the second fiber reinforcement sheet at a lay-up ratio of about 1: 2 to about 2: 1,
  • it may include a lamination ratio of about 1: 1.
  • a lay-up ratio means a number ratio of the number of the first fiber reinforcement sheets and the number of the second fiber reinforcement sheets.
  • the lamination ratio is 2: 3, that is, 1: 1.5.
  • the laminate of the plurality of fiber reinforcement sheets may be obtained by alternately laminating the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet, or may be a plurality of continuously laminated first plurality of fiber reinforcement sheets.
  • the second fiber reinforcement sheet may be laminated.
  • the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet may be laminated alternately. That is, the first fiber reinforcement sheet and the second fiber reinforcement sheet may be alternately stacked one by one.
  • the reinforcing composite material can realize a uniform shock absorption performance in all directions as a whole, and the interlayer interface peeling of the laminate compared to the case where each of the first fiber reinforcing sheet and the second fiber reinforcing sheet is continuously laminated. Can be effectively prevented.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of a fiber reinforced sheet 10 according to one embodiment of the invention.
  • the fiber reinforcement sheet 10 includes a fiber reinforcement 20 and a resin matrix 30 having orientation.
  • the fiber reinforcement sheet 10 may have a structure in which the resin matrix 30 is impregnated in the fiber reinforcement 20.
  • the fiber reinforcement 20 is a single fiber is oriented side by side in one direction, the resin matrix 30 may be impregnated between the single fiber strands.
  • the resin matrix serves to maintain the orientation of the fiber reinforcement well, it is possible to obtain an advantage that it is easy to control the orientation angle of the fiber reinforcement with respect to the direction of the reinforcement request.
  • the fiber reinforcement may be a continuous fiber.
  • the term 'continuous fiber' refers to a fiber that is not structurally cut and is long and continuous, and refers to a fiber that is present in a continuous form without breaking inside depending on the overall size of the fiber reinforcing sheet. Since the fiber reinforcing material is used in the form of continuous fibers, it is possible to form and maintain the orientation better than when using non-continuous fibers cut to have a predetermined length, such as long fibers or short fibers, to improve impact resistance The control of the orientation angle with respect to the direction of the reinforcement request of the article can be made easier.
  • the fiber reinforcement includes one selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, polypropylene fibers, polyethylene terephthalate fibers, polybutylene terephthalate fibers, polyethylene fibers, natural fibers, and combinations thereof. can do.
  • the fiber reinforcement may include glass fiber or carbon fiber, in which case it is easy to build a facility, it may be advantageous in terms of securing price competitiveness compared to mechanical properties.
  • the fiber reinforcement refers to an aggregate of fiber single strands, each of which has a diameter of a cross section, for example, from about 1 ⁇ m to about 200 ⁇ m, for example from about 1 ⁇ m to about 50 Micrometers, for example, about 1 micrometer to about 30 micrometers, for example, about 1 micrometer to 20 micrometers.
  • Fiber single strands of the fiber reinforcing material may be arranged side by side in one layer to 30 ply while having an orientation by having a cross-sectional diameter of the above range, it may be easy to impregnate the resin matrix in the manufacturing process of the fiber reinforcement sheet. .
  • the fiber reinforcement sheet may be formed to an appropriate thickness.
  • the fiber reinforcing material is illustrated as an example in which a single fiber strand is arranged side by side in two layers, but is not limited thereto.
  • the resin matrix includes a resin, and various kinds of thermoplastic resins or thermosetting resins may be selected and used according to the type of the article and the required performance.
  • the resin base material is a thermoplastic resin, and selected from the group consisting of polypropylene (PP) resin, polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene (PE) resin, polyamide (PA) resin, and combinations thereof It may include.
  • the resin base material may include one selected from the group consisting of an epoxy resin, a phenol resin, a urea resin, a melamine resin, and a combination thereof as a thermosetting resin.
  • the reinforcement composite can be advantageously applied to articles in which shock absorbing performance is required.
  • the resin matrix may be formed from a composition further comprising one resin selected from the group consisting of the resin as a main material, a heat stabilizer, a coupling agent, a compatibilizer, a plasticizer, a crosslinking agent, and a combination thereof.
  • the fiber reinforcement sheet may include about 10% to about 90% by weight of the fiber reinforcement, for example, about 20% to about 70% by weight. Since the fiber reinforcing sheet contains the fiber reinforcing material in the above range, the reinforcing composite can supplement the strength and rigidity to a certain level or more, and by obtaining the appropriate number of layers of the fiber reinforcing sheet, the reinforcing material having improved elongation and energy absorption can be obtained. Can be.
  • the fiber reinforcement sheet may have a thickness of about 50 ⁇ m to about 10000 ⁇ m, for example, about 50 ⁇ m to about 2000 ⁇ m, for example, about 50 ⁇ m to about 1000 ⁇ m have.
  • the reinforcing composite material 100 includes a surface material 40 on at least one surface of a stack of the plurality of fiber reinforcing sheets 10, and the surface material 40 may be formed of a metal sheet having a network structure. Include.
  • the reinforcement composite material 100 may realize a suitable elongation and strength by disposing a surface material including a metal sheet of a network structure on the outermost surface, and greatly improves shock absorption performance.
  • the metal sheet of the network structure may have a lattice structure of about 2mesh to about 400mesh, for example, may have a lattice structure of about 2mesh to about 100mesh, for example, of about 5mesh to about 20mesh It may have a lattice structure.
  • the metal sheet may allow the reinforcement composite to exhibit appropriate tensile and energy absorption properties through such a network structure.
  • the metal sheet of the network structure includes one selected from the group consisting of iron, zinc, copper, nickel, aluminum, gold, silver, and combinations thereof. That is, it consists of a sheet
  • the surface material including the metal sheet of the network structure may have a total thickness of about 0.03 mm to about 2.00 mm, for example, about 0.10 mm to about 1.00 mm.
  • the surface material may be made of a single sheet of metal sheet having a thickness in the above range, or may be formed by stacking a plurality of sheets of metal sheet to have a thickness in the above range.
  • the thermal conductivity may be optimized and the handling may be performed as it is without sagging during thermoforming.
  • an article comprising said reinforcing composite.
  • the article may be a variety of components installed or applied to the exterior or interior of a vehicle, such as a vehicle, aircraft.
  • the overall material of these parts is made of metal.
  • Metal parts may be manufactured by replacing the body with a plastic composite material in order to realize the effect of weight reduction and fuel economy.
  • an article in which the main body is made of a plastic composite material that is, an article made of a lightweight plastic material does not have a large degree of deformation as compared with an article made of a metal material, and has a problem in that resistance to impact is not good.
  • the strength and rigidity of the metal article may be similarly secured or further improved, and at the same time, the elongation and energy absorption performance is greatly improved. Has the advantage of.
  • the reinforcing composite material may be disposed on the inner surface of the body of the article formed of a separate material, or may be utilized as the material itself forming the body of the article.
  • the reinforcement composite article when placed on the body inner surface of the reinforcement composite article, it may be placed on a surface inside the body of the article, ie, inside the body that is not exposed to the outside when mounted on a vehicle or aircraft.
  • the reinforcement composite material may serve to complement the physical properties without being exposed to the appearance by being disposed on the surface of the inside of the body of the article formed of a separate material, it is easy to form the body of the article at the same time easy to place the reinforcement composite can do.
  • the body of the article formed of a separate material may be formed by compression or injection molding the plastic composite material.
  • the term 'plastic composite material' means a material mainly composed of plastic.
  • the plastic composite material may be a fiber-reinforced plastic composite material including a fiber and a plastic resin including long fibers, short fibers or continuous fibers, the type of the fiber and plastic resin varies depending on the use of the article Can be chosen.
  • the reinforcement composite may be disposed in a mold in advance, and the plastic composite material is injected into a mold to be molded into a shape suitable for a purpose to manufacture the article to which the composite is applied. can do.
  • the reinforcing composite may be utilized as a material forming itself to form the body of the article.
  • the reinforcement composite may have the above-described features to ensure excellent moldability and post-strain resistance, thereby molding itself to make the article.
  • the reinforcement composite may be more advantageous in terms of improving physical properties than when the reinforcement composite is disposed on the inner surface of the body of the article formed of a separate material.
  • the article When the article is mounted on a vehicle, an aircraft, or the like, or when it is operated and used after installation, the article needs a reinforcement required direction as a predetermined direction in which strength and rigidity need to be compensated for according to the external force or load applied thereto.
  • This reinforcement demand direction can be determined by the restraint position, installation conditions, etc. when the article is finally mounted or applied, and most importantly means one direction in which the strength and rigidity need to be supplemented.
  • the article may include the reinforcement composite to obtain an advantage of simultaneously securing a certain level of strength and stiffness and excellent impact resistance.
  • the article has a reinforcement request direction X for external force and load, and the reinforcement composite 100 applied thereto has a first direction having a + ⁇ angle with respect to the reinforcement request direction X.
  • a first fiber reinforcement sheet comprising a fiber reinforcement having an orientation and a second fiber reinforcement sheet including a fiber reinforcement having an orientation in a second direction having a ⁇ angle with respect to the reinforcement demand direction X of the article.
  • the ⁇ may be 1 ° to 44 °, for example, about 20 ° to about 40 °, and for example, about 25 ° to about 40 °. Improvement in elongation and energy absorption performance can be maximized by the orientation angle ( ⁇ ⁇ ) of the fiber reinforcing member with respect to the reinforcing demand direction X of the fiber reinforcement, and the article to which the reinforcing composite is applied can implement excellent impact resistance. have.
  • Eight sheets of UD sheets in which a glass fiber having a diameter of 17 ⁇ m in cross section was impregnated into a polypropylene resin matrix were prepared.
  • the thickness of the UD sheet was made 300 ⁇ m.
  • a second fiber reinforcing sheet (B) comprising a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction is laminated so as to be alternately laminated at a lamination ratio of 1: 1, thereby forming an A / B / A / B / A / B / A / B structure.
  • the laminate was prepared to have. Subsequently, a pressure of 7 tons was applied at a temperature of 220 ° C. to laminate the UD sheets to prepare a laminate having a thickness of 2.4 mm.
  • a 0.8 mm thick iron sheet having a grid structure of 10 mesh was prepared, and the reinforcing composite material was manufactured by stacking the iron sheet on one surface of the laminate to form a surface material.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 30 ° with respect to the reinforcement request direction of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcement composite having the same thickness was prepared in the same manner as in Example 1, except that the fiber reinforcement having an orientation in the second direction having an angle of -30 ° to the required direction was included.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 15 ° with respect to the required direction of reinforcement of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcing composite of the same thickness was prepared in the same manner as in Example 1, except that it included a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction having an angle of -15 ° with respect to the required direction.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprising a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 37 ° with respect to the reinforcement demand direction and -37 ° A / A / A / A / B / B / B by laminating the second fiber reinforcing sheet (B) comprising a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction having an angle to be laminated at a lamination ratio of 1: 1.
  • the laminate was prepared to have a structure of the same as in Example 1, a reinforcement composite of the same thickness was prepared.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 30 ° with respect to the reinforcement request direction of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcing composite of the same thickness was prepared in the same manner as in Example 4, except that it included a fiber reinforcing material having an orientation in the second direction having an angle of -30 ° to the required direction.
  • the first fiber reinforcement sheet (A) comprises a fiber reinforcement material having an orientation in a first direction having an angle of + 15 ° with respect to the required direction of reinforcement of the article
  • the second fiber reinforcement sheet (B) reinforces the article
  • a reinforcing composite of the same thickness was prepared in the same manner as in Example 4, except that it included a fiber reinforcing material having an orientation in a second direction having an angle of -15 ° to the required direction.
  • the first fiber reinforcing sheet A comprising a fiber reinforcing material having an orientation in a first direction having an angle of 0 ° with respect to the required direction of reinforcement of the article, and a second direction having a 90 ° angle.
  • the second fiber reinforcing sheet (B) including a fiber reinforcing material having an orientation property was alternately laminated at a lamination ratio of 1: 1, a reinforcing composite material having the same thickness was prepared.
  • a reinforcing composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the surface material was not laminated.
  • a sheet of the same UD sheet as the UD sheet described in the first embodiment was laminated with a surface material such that its fiber reinforcement had an orientation in a direction having an angle of 0 ° with respect to the reinforcement request direction. Except that, the reinforcement composite was prepared in the same manner as in Example 1.
  • the strength was measured by stretching in the direction of the required reinforcement of the article to which it was applied. Specifically, the strength was measured according to the ASTM D3039 standard, the results are shown in Table 1 below.
  • the elongation was measured by stretching in the direction of the reinforcement demand of the article to be applied. Specifically, elongation was measured according to ASTM D3039 standard, and the results are shown in Table 1 below.
  • the specific energy absorption was measured by stretching in the direction of the required reinforcement of the article to be applied. Specifically, the area (U T ) of the stress-strain curve (SS Curve, Stress-Strain Curve) obtained based on the ASTM D3039 standard was obtained, and the specific energy absorptivity of the reinforcement composite was measured by the following derivation equation. . The results are as described in Table 1 below.
  • the reinforcing composite material according to one embodiment of the present invention implements improved elongation and impact absorption performance with a certain level of strength and stiffness.
  • the reinforcing composite according to one embodiment of the present invention has a thickness of about 90 MPa to about 600 MPa, for example, about 150 MPa to about 600 MPa, for example, about 150 MPa to about 300 MPa, for example, about 170 MPa to about 300 MPa.
  • Strength can be achieved and at the same time a stiffness of from about 7 GPa to about 30 GPa, for example from about 7 GPa to about 15 GPa.
  • reinforcement composites according to one embodiment of the present invention have a strength and stiffness in the range of about 1% to about 15%, for example about 2% to about 15%, for example greater than about 5%, An elongation of less than or equal to about 15% and from about 140 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to about 1700 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 , for example from about 600 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to about 1700 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 , for example about 1200 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to about 1700 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 , for example about 1650 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 4 to 1700 J ⁇ m ⁇ 3 ⁇ 10 A specific energy absorption of 4 can be realized.
  • the reinforcing composite material according to the present invention while implementing a certain level of strength, in particular high elongation and high impact absorption performance bar, while faithfully performing the role of reinforcing strength and rigidity, while at the same time the degree of deformation to external force It may have the advantage of implementing high and improved shock absorption performance.

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

복수의 섬유 보강 시트의 적층체; 및 상기 적층체의 적어도 일면에 표면재를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며, 상기 표면재는 망구조의 금속 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다. 또한, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.

Description

보강 복합재 및 이를 포함하는 물품
차량, 항공기 등에 적용되어 강도 및 강성을 보완하는 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품에 관한 것이다.
근래에는 원유 가격의 상승 및 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 차량, 항공기 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.
기존의 차량 및 항공기 등을 구성하는 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 플라스틱을 주요 재질로 하여 제조되고 있다. 플라스틱은 일반적으로 금속에 비하여 비중이 약 1/4 내지 약 1/5 정도 수준이므로 경량화 효과를 얻을 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.
다만, 금속은 파괴에 대한 저항이 높아서 외력에 의한 영구 변형을 통해 최대 강도 도달 후에도 재료의 완전한 파단을 지연시키고, 에너지를 저장하며, 변형도가 큰 장점이 있다. 이에 비해, 플라스틱 재료의 경우 매우 작은 신율에서 재료의 최대 강도를 보인 후 급격한 파단이 이루어지는 형태의 거동을 보이며, 외력이 가해졌을 때, 파단 전에 영구 변형이 이루어지지 않고, 변형도가 적은 단점이 있다.
따라서, 경량화 소재 개발에 부합하여 기계적 물성을 확보하면서, 변형도가 높은 복합 재료의 개발이 중요해지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 강도 및 강성 측면에서 필요한 수준의 기계적 물성을 확보하면서도 신율 및 에너지 흡수 성능이 높아 내충격성이 향상된 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 보강 복합재를 포함하는 물품에 관한 것으로, 우수한 충격 흡수 성능과 함께 연비 향상 효과 및 경량화 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체; 및 상기 적층체의 적어도 일면에 표면재를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며, 상기 표면재는 망구조의 금속 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 보강 복합재는 강도 및 강성 측면에서 일정 수준 이상의 기계적 물성을 확보하면서도, 높은 신율 및 높은 에너지 흡수 성능을 바탕으로 이를 적용한 물품에 향상된 충격 흡수 성능을 부여할 수 있다.
또한, 상기 보강 복합재를 적용한 물품은 외력에 대한 변형도가 높아지고, 우수한 내충격성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 아울러, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 발명의 일 구현예에서, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체; 및 상기 적층체의 적어도 일면에 표면재를 포함하고, 상기 표면재가 망구조의 금속 시트를 포함하는 보강 복합재를 제공한다.
상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하며, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트 및 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함한다.
상기 제1 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트 이고, 상기 제2 섬유 보강 시트는 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트이다.
본 명세서에서 '보강 요구 방향(Reinforcement required direction)'이란 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 차량 또는 항공기 등에 장착될 때, 혹은 장착 이후 차량 또는 항공기 등이 가동 및 운동할 때, 외부에서 가해지는 외력 또는 하중을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 보강 복합재가 적용된 물품이 차량 또는 항공기 등의 부품으로 이에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
상기 보강 복합재는 상기 보강 요구 방향에 대하여 전술한 범위의 각도를 갖는 2 종류의 섬유 보강 시트가 복수로 적층된 적층체와 상기 적층체의 적어도 일면에 배치된 표면재로서, 망구조의 금속 시트를 포함하는 표면재를 함유함으로써 일정 수준의 강도 및 강성을 확보하면서, 향상된 신율 및 에너지 흡수 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재는 복수의 섬유 보강 시트(10)를 적층한 적층체와 상기 적층체의 일면에 배치된 표면재(40)를 포함한다.
상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20); 및 수지 기지재(30)를 포함한다. 이때, '배향성'을 갖는다는 것은 상기 섬유 보강재(20)의 섬유 단일 가닥들이 어느 일 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. 이러한 섬유 보강재(20)를 포함하는 섬유 보강 시트(10)는 소위 UD 시트(unidirection sheet) 또는 UD 프리프레그(unidirection prepreg)라고도 한다. 즉, 상기 보강 복합재(100)는 복수의 UD 시트 또는 복수의 UD 프리프레그의 적층체를 포함할 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)는 보강 요구 방향(X)에 대하여 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함한다.
또한, 상기 θ는 약 1° 내지 약 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 제1 섬유 보강 시트(11)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(+θ)는 상기 제2 섬유 보강 시트(12)의 섬유 보강재의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도(-θ)와 절대값이 동일할 수 있다. 상기 제1 섬유 보강 시트(11)와 상기 제2 섬유 보강 시트(12)가 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 절대값이 동일한 섬유 보강재를 포함함으로써 그 절대값이 상이한 경우에 비하여 후변형을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 보강 복합재는 상기 보강 요구 방향에 대해 0° 또는 90°의 각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트를 함유하지 않을 수 있다. 즉, 상기 적층체를 이루는 섬유 보강 시트의 섬유 보강재는 보강 요구 방향과 일치하는 방향 또는 수직한 방향으로 배향성을 갖지 않는다.
상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 0°의 배향성을 갖는 경우, 강도 및 강성 측면에서 크게 향상될 수는 있으나, 요구되는 수준의 충격 흡수 성능을 확보할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 상기 섬유 보강재가 물품의 보강 요구 방향에 대하여 90°의 배향성을 갖는 경우 강도 및 강성이 오히려 저하되는 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트를 각각 1층 이상 포함할 수 있고, 예를 들어, 각각 1층 내지 2000층 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1 : 1의 적층비로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 적층비(lay-up ratio)란, 상기 제1 섬유 보강 시트의 개수와 상기 제2 섬유 보강 시트의 개수의 개수비를 의미한다. 예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체가 상기 제1 섬유 보강 시트를 2층, 상기 제2 섬유 보강 시트를 3층 포함하는 경우 적층비는 2 : 3, 즉, 1 : 1.5가 된다. 이와 같이, 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트가 약 1 : 2 내지 약 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)를 갖도록 각각의 층수를 설정함으로써 상기 보강 복합재를 적용한 물품의 내충격성이 크게 향상될 수 있고, 물품의 모든 방향에 대해 고른 강도 및 강성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트가 교호 적층된 것이거나, 연속적으로 적층된 복수의 제1 섬유 보강 시트와 연속적으로 적층된 복수의 제2 섬유 보강 시트가 적층된 것일 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트는 교호 적층될 수 있다. 즉, 상기 제1 섬유 보강 시트와 상기 제2 섬유 보강 시트가 각각 1층씩 교대로 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 전체적으로 모든 방향에 대해 고른 충격 흡수 성능을 구현할 수 있고, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트 각각을 연속적으로 적층한 경우에 비하여 적층체의 층간 계면 박리를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 섬유 보강 시트(10)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조할 때, 상기 섬유 보강 시트(10)는 배향성을 갖는 섬유 보강재(20) 및 수지 기지재(30)를 포함한다. 구체적으로, 상기 섬유 보강 시트(10)는 상기 수지 기지재(30)가 상기 섬유 보강재(20)에 함침된 구조일 수 있다. 상기 섬유 보강재(20)는 섬유 단일 가닥들이 일 방향으로 나란하게 배향된 것으로, 상기 수지 기지재(30)가 상기 섬유 단일 가닥들 사이사이에 침투되어 함침될 수 있다. 이러한 구조를 통하여, 상기 수지 기지재는 상기 섬유 보강재의 배향성을 잘 유지시키는 역할을 하며, 상기 섬유 보강재의 배향 각도를 상기 보강 요구 방향에 대해 제어하기 용이한 이점을 얻을 수 있다.
상기 섬유 보강재는 연속 섬유일 수 있다. 상기 '연속 섬유'란, 구조적으로 절단되지 않고 길게 연속되어 있는 섬유를 의미하며, 상기 섬유 보강 시트의 전체 크기에 의존하여 그 내부에서 끊어지지 않고 연속적인 형태로 존재하는 섬유를 의미한다. 상기 섬유 보강재가 연속 섬유의 형태로 사용됨으로써, 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖도록 절단된 비연속 섬유를 사용하는 경우에 비하여 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있으며, 내충격성 향상을 위하여 상기 물품의 보강 요구 방향에 대한 배향 각도의 제어를 더욱 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리할 수 있다.
상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체를 지칭하는 것이며, 상기 섬유 단일 가닥들은 각각 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 50㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 30㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 배향성을 가지면서 1겹 내지 30겹으로 나란히 배열될 수 있고, 상기 섬유 보강 시트의 제조 과정에서 상기 수지 기지재의 함침이 용이할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강 시트가 적절한 두께로 형성될 수 있다.
도 2에서는 상기 섬유 보강재가 섬유 단일 가닥들이 2겹으로 나란히 배열된 구조를 예시로 도시한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수지 기지재(matrix)는 수지를 포함하는 것으로, 물품의 종류 및 요구되는 성능에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 수지 기지재는 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수지 기지재는 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 섬유 보강 시트가 전술한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하는 경우, 상기 보강 복합재가 충격 흡수 성능이 주요하게 요구되는 물품에 적용되기 유리한 이점을 얻을 수 있다.
상기 수지 기지재는 상기 수지를 주재료로 하면서, 적절하게는 열안정제, 커플링제, 상용화제, 가소제, 가교제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 첨가제를 더 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 약 10중량% 내지 약 90중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 20중량% 내지 약 70중량% 포함할 수 있다. 상기 섬유 보강 시트가 섬유 보강재를 상기 범위의 함량으로 함유함으로써 상기 보강 복합재가 강도 및 강성을 일정 수준 이상으로 보완할 수 있고, 적절한 층수의 섬유 보강 시트를 적층하여 신율 및 에너지 흡수율이 향상된 보강재를 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유 보강 시트는 두께가 약 50㎛ 내지 약 10000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 2000㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 50㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 보강 복합재(100)는 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)의 적층체의 적어도 일면에 표면재(40)를 포함하며, 상기 표면재(40)는 망구조의 금속 시트를 포함한다.
상기 보강 복합재(100)는 최외각 표면에 망구조의 금속 시트를 포함하는 표면재를 배치함으로써 적합한 신율 및 강도를 구현할 수 있고, 충격 흡수 성능이 크게 향상될 수 있다.
구체적으로, 상기 망구조의 금속 시트는 약 2mesh 내지 약 400mesh의 격자 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 약 2mesh 내지 약 100mesh의 격자 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 약 5mesh 내지 약 20mesh의 격자 구조를 가질 수 있다. 상기 금속 시트는 이와 같은 망구조를 통하여 상기 보강 복합재가 적절한 인장 특성과 에너지 흡수 특성을 나타내도록 할 수 있다.
상기 망구조의 금속 시트는 철, 아연, 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 은 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함한다. 즉, 이와 같은 종류의 금속으로 이루어진 망구조의 시트로 이루어진다.
상기 망구조의 금속 시트를 포함하는 표면재는 총 두께가 약 0.03mm 내지 약 2.00mm일 수 있고, 예를 들어, 약 0.10mm 내지 약 1.00mm일 수 있다. 상기 표면재는 상기 범위의 두께를 갖는 한 장의 망구조의 금속 시트로 이루어질 수도 있고, 상기 범위의 두께를 갖도록 여러 장의 망구조의 금속 시트가 적층되어 이루어질 수도 있다. 상기 표면재의 두께 범위가 상기 범위에 해당함으로써 열전도도가 최적화되고 및 열성형시 늘어지지 않고 형상 그대로 핸들링이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 보강 복합재를 포함하는 물품을 제공한다.
상기 물품은 차량, 항공기 등의 운송 수단(vehicle)의 외부 또는 내부에 설치 또는 적용되는 다양한 부품일 수 있다.
종래에는 이러한 부품들의 전체적인 재질이 금속으로 이루어졌다. 금속 재질의 부품들은 경량화 효과 및 연비 향상의 효과를 구현하기 위하여 그 본체를 플라스틱 복합재료로 대체하여 제조할 수 있다. 이와 같이, 본체가 플라스틱 복합재료로 제조되는 물품, 즉, 경량화 플라스틱 재질의 물품은 금속 재질의 물품에 비하여 변형도가 크지 않고, 충격에 대한 저항성이 좋지 못한 문제가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보강 복합재를 플라스틱 재질의 물품에 적용하는 경우, 금속 재질의 물품 대비 강도 및 강성을 유사하게 확보하거나 더 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 신율 및 에너지 흡수 성능을 크게 향상시키는 이점을 갖는다.
상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치될 수도 있고, 물품의 본체를 이루는 재질 자체로 활용될 수도 있다.
구체적으로, 상기 보강 복합재 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우, 상기 물품의 본체 내부, 즉, 차량 또는 항공기에 장착되었을 때 외부로 드러나지 않는 본체 내부의 표면 상에 배치될 수 있다. 상기 보강 복합재는 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부의 표면에 배치됨으로써 외관으로 드러나지 않으면서 물성을 보완하는 역할을 수행할 수 있고, 상기 물품의 본체를 성형하는 동시에 상기 보강 복합재를 배치하기에 용이할 수 있다.
구체적으로, 상기 별도의 재질로 형성된 물품의 본체는 플라스틱 복합재료를 압축 또는 사출 성형하여 형성될 수 있다. 본 명세서에서, '플라스틱 복합재료'란 플라스틱을 주요 성분으로 하는 재료를 의미한다. 예를 들어, 상기 플라스틱 복합재료는 장섬유, 단섬유 또는 연속섬유를 포함하는 섬유와 플라스틱 수지를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 복합재료일 수 있고, 상기 섬유 및 플라스틱 수지의 종류는 물품의 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
플라스틱 복합재료를 성형하여 상기 물품의 본체를 제조할 때, 상기 보강 복합재는 미리 금형에 배치될 수 있고, 상기 플라스틱 복합재료를 금형에 사출하여 용도에 적합한 형상으로 성형함으로써 상기 복합재가 적용된 물품을 제조할 수 있다.
대안적으로, 상기 보강 복합재는 그 자체를 성형하여 물품의 본체를 이루는 재질로 활용될 수 있다. 상기 보강 복합재는 전술한 특징들을 가짐으로써 우수한 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보할 수 있고, 이로써 그 자체를 성형하여 상기 물품을 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 보강 복합재가 별도의 재질로 형성된 물품의 본체 내부 표면에 배치되는 경우보다 물성 향상의 측면에서 더 유리할 수 있다.
상기 물품은 차량, 항공기 등에 장착될 때, 또는 장착 이후 이를 가동 및 사용할 때, 이에 가해지는 외력 또는 하중에 따라 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향으로서 보강 요구 방향(Reinfocement required direction)을 가진다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 물품이 최종적으로 장착 또는 적용될 때 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
이때, 상기 보강 복합재에 관한 사항은 전술한 바와 동일하다. 일 구현예에서, 상기 물품은 상기 보강 복합재를 포함함으로써 일정 수준의 강도 및 강성과 우수한 내충격성을 동시에 확보하는 이점을 얻을 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 물품은 외력 및 하중에 대한 보강 요구 방향(X)을 가지며, 이에 적용된 상기 보강 복합재(100)는 상기 보강 요구 방향(X)에 대해 +θ 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트와 상기 물품의 보강 요구 방향(X)에 대하여 -θ 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함한다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 θ는 1° 내지 44°일 수 있고, 예를 들어, 약 20°내지 약 40°일 수 있고, 예를 들어, 약 25°내지 약 40°일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 보강 요구 방향(X)에 대한 배향 각도(±θ)가 상기 범위를 만족함으로써 신율 및 에너지 흡수 성능의 향상이 극대화될 수 있고, 상기 보강 복합재를 적용한 물품이 우수한 내충격성을 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
단면의 직경이 17㎛인 유리 섬유가 폴리프로필렌 수지 기지재에 함침된 8장의 UD 시트를 준비하였다. 상기 UD 시트의 두께는 300㎛로 제조되었다. 상기 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때 보강 요구 방향에 대해 +37°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -37°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층되도록 적층하여, A/B/A/B/A/B/A/B구조를 갖도록 적층체를 제조하였다. 이어서, 220℃의 온도에서 7ton의 압력을 가해 상기 UD 시트들을 합지하여 2.4mm 두께를 갖는 적층체를 제조하였다.
이어서, 10mesh의 격자 구조를 갖는 0.8mm 두께의 망구조의 철 시트를 준비하였고, 상기 철 시트를 상기 적층체의 일면에 적층하여 표면재를 형성함으로써 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 2
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 3
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 4
상기 8장의 UD 시트들을 적층 및 합지하는데, 이때, 보강 요구 방향에 대해 +37°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 -37°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 연속 적층되도록 적층하여 A/A/A/A/B/B/B/B의 구조를 갖도록 적층체를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 5
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +30°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -30°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
실시예 6
상기 제1 섬유 보강 시트(A)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 +15°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하고, 상기 제2 섬유 보강 시트(B)가 물품의 보강 요구 방향에 대해 -15°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
비교예 1
상기 UD 시트를 8장 준비하고, 물품의 보강 요구 방향에 대해 0°각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트(A)와 90°각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트(B)가 1 : 1의 적층비로 교호 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 동일한 두께의 보강 복합재를 제조하였다.
비교예 2
상기 표면재를 적층하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 보강 복합재를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1의 표면재 대신에, 상기 실시예 1에 기재된 UD 시트와 동일한 UD 시트 한 장을, 이의 섬유 보강재가 상기 보강 요구 방향에 대해 0°의 각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖도록 표면재로 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 보강 복합재를 제조하였다.
<평가>
실험예 1: 인장 강도의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여, 이를 적용할 물품의 보강 요구 방향으로 인장시켜 강도를 측정하였다. 구체적으로, ASTM D3039 규격에 의거하여 강도를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 2: 신율의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여, 이를 적용할 물품의 보강 요구 방향으로 인장시켜 신율을 측정하였다. 구체적으로, ASTM D3039 규격에 의거하여 신율을 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실험예 3: 비에너지 흡수량의 측정
상기 실시예 및 비교예의 각각의 보강 복합재에 대하여, 이를 적용할 물품의 보강 요구 방향으로 인장시켜 비에너지 흡수량을 측정하였다. 구체적으로, ASTM D3039규격에 의거하여 얻은 응력-변형률 곡선(S-S Curve, Stress-Strain Curve)의 면적(UT)을 구하여 하기 도출식에 의해 보강 복합재의 비에너지 흡수량(Specific Energy Absorption)을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
UT = 응력-변형률 곡선의 하부 면적
= MPa × %
= (N·m-2·106) · (m·m-1·10-2)
= N·m·m-3·104
= J·m-3·104
표면재 UD시트두께[㎛] 적층방법 ±θ° 강도[MPa] 강성[GPa] 신율[%] 비에너지 흡수량[J·m-3·104]
실시예 1 철 시트 300 교호적층 ±37° 175 7.3 14.0 1,698
2 철 시트 300 교호적층 ±30° 268 14.2 6.3 1,281
3 철 시트 300 교호적층 ±15° 550 27.3 2.4 681
4 철 시트 300 연속적층 ±37° 92 7.2 2.1 148
5 철 시트 300 연속적층 ±30° 130 14.2 2.0 169
6 철 시트 300 연속적층 ±15° 279 28.8 1.2 202
비교예 1 철 시트 300 교호적층 0°, 90° 402 25.3 2.3 519
2 - 300 교호적층 ±37° 158 7.1 14.3 1,647
3 0°UD 시트 300 교호적층 ±37° 161 11.1 2.6 1,336
표 1을 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재는 일정 수준 이상의 강도 및 강성과 함께 향상된 신율 및 충격 흡수 성능을 구현함을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 보강 복합재는 약 90MPa 내지 약 600MPa, 예를 들어, 약 150MPa 내지 약 600MPa, 예를 들어, 약 150MPa 내지 약 300MPa, 예를 들어, 약 170MPa 내지 약 300MPa의 강도를 구현할 수 있고, 이와 동시에 약 7GPa 내지 약 30GPa, 예를 들어, 약 7GPa 내지 약 15GPa의의 강성을 구현할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 구현예에 다른 보강 복합재는 상기 범위의 강도 및 강성과 함께 약 1% 내지 약 15%, 예를 들어, 약 2% 내지 약 15%, 예를 들어, 약 5% 초과, 약 15% 이하의 신율을 구현할 수 있고, 약 140J·m-3·104 내지 약 1700J·m-3·104, 예를 들어, 약 600J·m-3·104 내지 약 1700J·m-3·104, 예를 들어, 약 1200J·m-3·104 내지 약 1700J·m-3·104, 예를 들어, 약 1650J·m-3·104 내지 1700J·m-3·104의 비에너지 흡수량을 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 보강 복합재는 강도는 일정 수준 이상을 구현하면서, 특히 높은 신율과 높은 충격 흡수 성능을 구현하는바, 강도 및 강성의 보강 역할을 충실히 수행하면서, 이와 동시에 외력에 대한 변형도가 높고 향상된 충격 흡수 성능을 구현하는 이점을 가질 수 있다.
(부호의 설명)
100: 보강 복합재
10: 섬유 보강 시트
11: 제1 섬유 보강 시트
12: 제2 섬유 보강 시트
20: 섬유 보강재
30: 수지 기지재
40: 표면재
X: 보강 요구 방향

Claims (13)

  1. 복수의 섬유 보강 시트의 적층체; 및 상기 적층체의 적어도 일면에 표면재를 포함하고,
    상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고,
    상기 복수의 섬유 보강 시트는 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)에 대해 +1° 내지 +44°의 각도를 갖는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 상기 보강 요구 방향에 대해 -1° 내지 -44°의 각도를 갖는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며,
    상기 표면재는 망구조의 금속 시트를 포함하는
    보강 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보강 요구 방향에 대해 0°또는 90°각도를 갖는 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트가 함유되지 않은
    보강 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 1 : 2 내지 2 : 1의 적층비(lay-up ratio)로 포함하는
    보강 복합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 연속 섬유인
    보강 복합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는
    보강 복합재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지 기지재는 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 보강 시트는 상기 섬유 보강재를 10중량% 내지 90중량% 포함하는
    보강 복합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 망구조의 금속 시트는 2mesh 내지 400mesh의 격자 구조를 갖는
    보강 복합재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 망구조의 금속 시트는 철, 아연, 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 은 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    보강 복합재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 표면재의 두께가 0.03mm 내지 2.00mm인
    보강 복합재.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 보강 복합재를 포함하는 물품.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보강 복합재가 물품의 본체 내부 표면에 배치되거나; 물품의 본체를 이루는 물품.
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