KR100239589B1 - 탄소-탄소 복합재료의 제조방법 - Google Patents

탄소-탄소 복합재료의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100239589B1
KR100239589B1 KR1019970081804A KR19970081804A KR100239589B1 KR 100239589 B1 KR100239589 B1 KR 100239589B1 KR 1019970081804 A KR1019970081804 A KR 1019970081804A KR 19970081804 A KR19970081804 A KR 19970081804A KR 100239589 B1 KR100239589 B1 KR 100239589B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
manufacturing
composite material
carbon composite
intermediate molded
Prior art date
Application number
KR1019970081804A
Other languages
English (en)
Other versions
KR19990061537A (ko
Inventor
오익현
박현철
김광수
Original Assignee
추호석
대우중공업주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 추호석, 대우중공업주식회사 filed Critical 추호석
Priority to KR1019970081804A priority Critical patent/KR100239589B1/ko
Publication of KR19990061537A publication Critical patent/KR19990061537A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100239589B1 publication Critical patent/KR100239589B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D10/00—Physical treatment of artificial filaments or the like during manufacture, i.e. during a continuous production process before the filaments have been collected
    • D01D10/02—Heat treatment
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/14—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon with organic compounds, e.g. macromolecular compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H18/00—Needling machines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

본 발명은 중간성형체를 제조하여 피치를 수회 함침/탄화시켜 제조하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 상기 중간성형체의 제조방법이, 옥시팬 섬유를 직조하여 옥시팬 섬유매트를 만드는 제 1 단계(S1); 제 1 단계 이후, 직조된 옥시팬 섬유 매트를 스티칭하는 제 2 단계(S2)로 이루어져 제조효율을 향상시킬 수 있게 된 것이다.

Description

탄소-탄소 복합재료의 제조방법(Method of Manufacturing a Carbon-Carbon Composites)
본 발명은 탄소-탄소 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 특히 옥시팬 섬유를 3방향으로 배향시킨 중간성형체를 제조한 후 이 중간성형체로부터 탄소-탄소 복합재료를 제조하게 되어 생산성을 향상시키고, 이 방법에 따라 제조된 복합재료의 물성을 향상시킬 수 있는 탄소-탄소 복합재료 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소-탄소 복합재료는 탄소섬유 강화제와 탄소 기지 물질로 구성된 것으로, 탄소섬유 강화제로는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계, 피치계 등이 있고, 탄소 기지 물질로는 피치, 페놀수지, 퓨란수지, CVD방법에 의한 열분해 탄소 등이 있다. 이러한 탄소-탄소 복합재료는 가벼우면서 고온강도, 비강도, 내열 충격성, 내화학성 및 생체 적합성 등이 우수하고 불활성 분위기하에서 3,000℃이상에서도 사용 가능한 우수한 재료이다. 특히 이 소재는 마찰 및 마모특성이 우수하여 항공기 및 고속대형차량 등의 브레이트 디스크로 사용되고 있다.
이와 같은 탄소-탄소 복합재료의 제조공정은 도 1에 도시한 바와 같이, 먼저 중간성형체를 제조하고, 이 중간성형체를 밀도화시키는 밀도화 공정으로 이루어진다. 기존의 중간성형체(green body)는 팬(PAN)계 탄소섬유를 이용하여 직조한 2-D(X,Y방향)형태의 탄소직물에 피치를 함침하여 프리프레그(prepreg)를 제조하게 되고, 이 프리프레그는 마찰 및 마모 특성을 담당하는 마찰부분과 충격강도를 담당하는 구조부분, 밀도화 과정중 발생할 수 있는 표면산화 및 제품의 평평도를 유지하개 위한 여분의 기계가공부분을 고려하여 적층되어지며, 프리프레그와 프리프레그 사이에는 적정량의 절단된 섬유와 피치가 혼합되어 중간성형체를 제조하게 된다. 중간성형체의 밀도화 공정은 성형틀에서 중간성형체를 탈착한 후 불활성 분위기에서 20기압 이하의 압력과 800℃이상의 온도에서 열처리하여 1차 탄화체를 제작한다. 1차 탄화체를 불활성 분위기의 조건에서 700~2,500℃사이의 온도에서 피치를 수회 함침/탄화하면 탄소-탄소 복합재를 얻을 수 있게 된다.
여기에 상기 탄소-탄소 복합재에 탄화수소가스를 800℃이상의 온도에서 열분해시켜 화학증착이 되면 고밀도의 탄소-탄소 복합재료를 얻을 수 있게 된다.
그런데, 이와 같은 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 공정중 중간성형체를 제조하기 위해 여러단계의 공정을 거치므로 제조시간이 길게 소요되고, 공정중에 발생하는 변수도 많아 성형체의 불량률이 높고 제조비용도 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 공정중 중간성형체를 간단한 제조공정을 통하여 제조할 수 있게 된 탄소-탄소 복합재료 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소-탄소 복합재료 제조방법은, 중간성형체를 제조하여 이를 탄화시키고, 피치를 수회 함침/탄화시켜 제조하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법에 있어서, 상기 중간성형체의 제조방법은, 옥시팬 섬유를 직조하여 옥시팬 섬유매트를 만드는 제 1 단계; 제 1 단계 이후, 직조된 옥시팬 섬유 매트를 스티칭하는 제 2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 탄소-탄소 복합재료 제조방법은 옥시팬 섬유를 사용하여 단지 2단계로 이루어진 제조공정으로 중간성형체를 제조할 수 있게 됨으로써, 제조시간의 단축과 제조비용을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 탄소-탄소 복합재료의 제조방법에 따른 흐름도,
도 2는 본 발명의 탄소-탄소 복합재료 제조방법에 따른 흐름도,
도 3은 본 발명의 중간성형체 제조장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 중간성형체 제조장치중 니들을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 중간성형체 제조장치에서 제조된 중간성형체의 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 섬유매트 12 : 공급장치
14 : 베드 16 : 스트리퍼
18 : 니들 20 : 니들판
22 : 미늘
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
우선 도 2를 참조하여 본 발명의 탄소-탄소 복합재료 제조방법을 설명하면, 도 2는 본 발명의 탄소-탄소 복합재료 제조방법을 나타낸 흐름도로서, 옥시팬 섬유를 직조하여 옥시팬 섬유매트를 만들고, 옥시팬 섬유매트를 스티칭하여 중간성형체를 제조한 다음, 1차 탄화시키고, 피치로 수회 함침/탄화시켜 탄소-탄소 복합재료를 제조할 수 있다. 이후 화학증착과정을 통해 고밀도 탄소-탄소 복합재료를 얻을 수 있게 된다. 이를 공정별로 설명하면 다음과 같다.
옥시팬 섬유를 직조하여 옥시팬 섬유매트를 만들고, 옥시팬 섬유매트를 스티칭하여 중간성형체를 제조하는 공정에서 사용한 옥시팬 섬유는 기존의 중간성형체 제작에 사용된 팬계 탄소섬유와는 달리 탄화처리 및 표면처리와 사이징처리가 되어 있지 않은 저가의 재료이고, 두 재료의 물성값은 다음 표 1에 나타내었다.
구 분 팬 파이버 옥시팬 파이버
파이버 지름(μm) 6.8 11~14
섬유 다발(yarn, K) 12 320
탄화수율(%) 99 48
밀도(g/cc) 1.8 1.36~1.40
강도(kg/mm2) 350 17
탄성율(kg/mm2) 24,000 680
연신율(%) 1.3 15~25
기존의 2-D 형태의 탄소직물 및 탄소섬유 대신 본 발명에 사용된 옥시팬 상태의 섬유는 팬계 탄소섬유보다 모든 물성값이 떨어지며 탄화수율 또한 50%미만이다.
이와 같이 기존의 중간성형체를 제조하는데 이용한 탄소섬유보다 훨씬 물성이 떨어지는 옥시팬 섬유를 이용하여 중간성형체를 3-D(X,Y,Z방향) 형태로 제조하여 제조방법적으로 뿐만 아니라 이 방법으로 제조된 탄소-탄소 복합재료의 물성을 향상시킬 수 있게 된 것이다.
중간성형체를 제조하는 장치의 예로 도 3에 도시한 것을 사용할 수 있는데, 이것은 옥시팬 섬유를 직조하는 직조기(도시하지 않음), 직조기에서 만들어진 옥시팬 섬유매트를 여러층으로 쌓은 후, 이 여러층으로 쌓인 옥시팬 섬유매트(10)가 공급장치(12)를 통하여 하부에는 베드(14), 상부에는 스트리퍼(16)가 설치된 사이로 지나가게 하면서 수개의 니들(18)이 설치된 니들판(20)으로 펀칭하여 옥시팬 섬유를 Z방향으로 배향시켜 중간성형체를 제조할 수 있게 된 것이다. 상기 니들(18)은 도 4에 도시한 바와 같이 아랫방향으로 여러개의 미늘(barb,22)을 가진 것으로 X,Y방향으로 배열된 매트에 수직아래방향으로 움직이면서 옥시팬 섬유가 Z방향으로 배열되게 된다. 여기서 상기 베드(14)는 니들판(20)에 설치된 니들(18)에 의해 니들링 될 때 섬유직물의 형태가 아래로 휘어짐과 같은 변형이 발생하지 않도록 하는 역할을 하고, 상기 스트리퍼(16)는 니들링된 후 니들(18)에 의해 Z방향으로 섬유가 배열되어진 후 니들(18)이 위로 들려질 때 탄소직물의 들뜸현상을 방지하는 역할을 한다.
상기한 장치로 본 발명의 중간성형체 제조방법에 따라 중간성형체를 제조하게 되면 도 5에 도시한 옥시팬 섬유가 X,Y,Z방향으로 배열된 구조로 된다. Z방향으로 적정량의 섬유량을 조절하는 것이 탄소-탄소 복합재료의 기계적, 열적특성을 좌우하기 때문에 단위 면적당 니들의 수와 형상, 배향각도, 간격의 변수를 조절하여야 하고, 중간성형체의 탄화처리과정에서 수축되는 양을 고려하여 충분한 두께와 외경을 갖도록 하여야 한다.
바람직하게는 상기 중간성형체가 3-D(X,Y,Z)방향으로의 전체 탄소섬유의 부피분율을 40~80%로 유지하도록 하고, 3-D방향중 Z축방향으로 탄소섬유의 부피분율을 전체 부피분율중 5~30%로 되게 한다.
그리고 상기 제 2 단계에서 3-D방향중 Z축방향으로의 니들(18)의 간격을 0.1~3mm로 하여 스티칭하게 하는 것이 바람직하고, 또한 니들판(20)에 부착된 니들(18)의 수를 단위면적(mm2)당 1~10개로 하며, 니들(18)의 배향각도를 0°~10°로 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 중간성형체를 제조한 후, 1차 탄화시키는 단계는, 상기 중간성형체를 성형틀에서 탈착한 뒤 불활성 분위기에서 20기압이하의 압력과 700~2,000℃의 온도범위로 열처리하는 것으로 이루어진다.
이후 1차 탄화체를 불활성 분위기에서 대기압이하의 압력과 700~2,000℃의 온도범위로 피치를 수회 함침시켜 탄화한 다음 이를 탄화수소가스로 800℃이상의 증착온도로 화학증착단계를 거쳐 최종적인 고밀도의 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따라 다음과 같은 구체적인 실시예로 복합재료를 제조하여 그 물성을 측정하여 보았는바, 그 구체적인 실시예 및 물성결과는 다음과 같다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1.
도 2의 장치를 이용하여 옥시팬 섬유의 전체 부피분율이 47%로 하고, 두께가 35mm, 외경 400mm, 내경 100mm인 형상으로 제조하였다. Z방향으로 적정량의 섬유를 배열하기 위하여 니들의 단위 면적당(mm2)수는 3개로 하였고, 니들의 간격은 0.25mm로 하여 제조하였다. 또한 니들의 배향각도는 0°로 하였으며, X,Y방향으로의 부피분율은 전체 부피분율의 37%로 하고, Z방향으로의 부피분율은 10%가 되게 하였다. 이후 1차 탄화처리를 위해 2150℃의 온도조건에서 2시간동안 처리하였다. 그런 다음 1차 탄화체를 피치를 사용하여 3회 함침시켜 탄화한 후 탄소-탄소 복합재료를 제조하였고 이를 화학증착법에 따라 800℃의 온도에서 탄화수소가스로 증착시켜 고밀도의 탄소-탄소 복합재료를 제조하였다.
상기 실시예 1에서 제조된 고밀도 탄소-탄소 복합재료와 도 1에 도시된 종래의 제조방법으로 제조된 고밀도 탄소-탄소 복합재료의 열적, 기계적 물성을 비교한 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
구 분 종래 제품 실시예 1
밀도(g/cc) 1.78 1.73
열팽창계수(mm) 9.7×10E-6/℃ 6.6×10E-6/℃
수직방향 열전도도(W/mK) 27.41 65.9
전단강도(MPa) 110 129
굴곡강도(MPa) 11 15
그리고 본 발명의 탄소-탄소 복합재료의 제조방법에서 중간성형체를 제조하는 공정은 종래의 약 12개 공정에서 2개로 줄어든 것으로, 공정시간을 약 1/10로 줄일 수 있었다.
상기 표 1에 나타난 결과에 의하면, 옥시팬 섬유를 이용하여 3방향으로 제조된 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 기존제품보다 낮음에도 불구하고 열팽창계수는 낮고, 전단강도와 굴곡강도는 향상된 결과를 나타낸다. 다판으로 형성된 마찰재 브레이크 디스크의 경우, 열전도도 또한 큰 의미를 갖는데, 기존제품보다 본 발명에 따른 것이 훨씬 우수한 값을 나타냄을 알 수 있다. 만약 본 발명의 제품을 기존제품과 동일한 밀도를 갖게 제조한다면 열적, 기계적 특성이 더 크게 향상될 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제조공정이 단축되므로써 생산성이 향상될 수 있고, 상대적으로 저렴한 원재료를 사용하게 되어 제조비용을 줄일 수 있으며, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탄소-탄소 복합재료는 우수한 열적, 기계적 특성을 가질 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 중간성형체를 제조하여 이를 탄화시키고, 피치를 수회 함침/탄화시켜 제조하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법에 있어서, 상기 중간성형체의 제조방법은, 옥시팬 섬유를 직조하여 옥시팬 섬유매트를 만드는 제 1 단계(S1); 제 1 단계 이후, 직조된 옥시팬 섬유 매트를 스티칭하는 제 2 단계(S2)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중간성형체가 3-D(X,Y,Z)방향으로의 전체 탄소섬유의 부피분율을 40~80%로 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서 3-D방향중 Z축방향으로 탄소섬유의 부피분율을 전체 부피분율중 5~30%로 되게 하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서 3-D방향중 Z축방향으로의 니들(18)의 간격을 0.1~3mm로 하여 스티칭하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서의 3-D방향중 Z축방향으로의 스티칭을 위하여 니들판(20)에 부착된 니들(18)의 수를 단위면적(mm2)당 1~10개로 하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서의 3-D방향중 Z축방향의 스티칭을 위하여 니들(18)의 배향각도를 0°~10°로 하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합재료 제조방법.
KR1019970081804A 1997-12-31 1997-12-31 탄소-탄소 복합재료의 제조방법 KR100239589B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019970081804A KR100239589B1 (ko) 1997-12-31 1997-12-31 탄소-탄소 복합재료의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019970081804A KR100239589B1 (ko) 1997-12-31 1997-12-31 탄소-탄소 복합재료의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990061537A KR19990061537A (ko) 1999-07-26
KR100239589B1 true KR100239589B1 (ko) 2000-01-15

Family

ID=19530677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019970081804A KR100239589B1 (ko) 1997-12-31 1997-12-31 탄소-탄소 복합재료의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100239589B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100447840B1 (ko) * 2002-05-20 2004-09-08 주식회사 데크 탄소 복합재 제조 방법
KR101222467B1 (ko) * 2011-09-16 2013-01-15 국방과학연구소 니들펀치 탄소복합재 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR19990061537A (ko) 1999-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4983451A (en) Carbon fiber-reinforced carbon composite material and process for producing the same
US3657061A (en) Reinforced carbon and graphite bodies
EP0179137B1 (en) Method for forming composite articles of complex shapes
US6691393B2 (en) Wear resistance in carbon fiber friction materials
EP2093453B1 (en) CVI followed by coal tar pitch densification by VPI
US20110083305A1 (en) Low cost, high density aircraft friction materials utilizing low fiber volume nonwoven preforms with pitch densification
JP2002541002A (ja) 繊維−強化製品用のコーダルプレフォーム及びその製造方法
KR20090056896A (ko) 탄소섬유 강화 복합재료 부품을 제조하는 방법
US20110111123A1 (en) Increased area weight segments with pitch densification to produce lower cost and higher density aircraft friction materials
EP2264330A1 (en) Low cost, high density C-C composites densified by CVD/CVI for aircraft friction materials
KR101628461B1 (ko) 탄소섬유 단열재 및 이의 제조방법
KR100503499B1 (ko) 니들 펀칭을 이용한 고온 복합재용 프리폼 제조방법
US20110033622A1 (en) Nonwoven preforms made with increased areal weight fabric segments for aircraft friction materials
US20050093188A1 (en) Binderless preform manufacture
KR100239589B1 (ko) 탄소-탄소 복합재료의 제조방법
EP3225871B1 (en) High density carbon-carbon friction materials
JPH02225381A (ja) セラミック繊維製多方向性強化製品の製造方法と該方法から得られた製品
US20040074075A1 (en) Wear resistance in carbon fiber friction materials
JPS6360155A (ja) 不織布を原料とした炭素／炭素複合材の製造方法
US5935359A (en) Process for producing carbonaceous preform
WO2005059225A1 (en) Method of producing a fibrous preform
EP1568911A1 (en) Improved wear resistance in carbon fiber friction materials
US20170001917A1 (en) High density carbon-carbon friction materials
US20240158970A1 (en) Systems and methods for selective needling of fibrous preforms for shape-forming
CN115231939A (zh) 一种碳碳埚托及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121017

Year of fee payment: 14

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130813

Year of fee payment: 15

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141020

Year of fee payment: 16

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170904

Year of fee payment: 19

EXPY Expiration of term