KR100797827B1 - 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법은 탄소섬유-에폭시 복합재의 표면에 Ag 분말을 도포하는 단계, 상기 Ag 분말이 도포된 탄소섬유-에폭시 복합재의 표면을 전기 도금하는 단계 및 고속용사에 의해 상기 전기 도금된 탄소섬유-에폭시 복합재를 코팅하는 단계를 포함한다.
탄소섬유 에폭시 복합재, 고속용사코팅, 내마모성, 표면조도

Description

탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법{METHOD OF COATING ON CARBON FIBER-EPOXY COMPOSITE}
도 1은 일반적인 탄소섬유-에폭시 복합재의 단면 조직을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재에 Cr3C2-NiCr로 구성되는 서메트 등이 코팅된 것을 나타내는 사진이다.
도 3은 도 2의 확대 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재와 Cu 도금층의 경계면을 나타내는 사진이다.
도 5는 도 4에서의 Ag 원소를 맵핑한 사진이다.
본 발명은 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유-에폭시 복합재에 표면조도, 내구성, 내부식성을 부여하기 위하여 코팅하는 방법에 대한 것이다.
탄소섬유-에폭시 복합재는 도 1에서 보이는 바와 같이 탄소섬유의 방향에 따 라 강도나 전도성 등과 같은 기계적, 물리적 성질이 다른 특성을 지니게 된다. 탄소섬유-에폭시 복합재는 통상적으로 부피비가30~70%인 에폭시를 통하여 탄소섬유를 지지하게 되며, 그대로 사용시에는 사용 중 탄소섬유가 이탈되므로 고분자 수지나 금속을 코팅하여 사용한다.
그러나, 고분자 수지를 사용하면 내구성 및 전기전도성이 저하되므로, 이러한 내구성 및 전기전도성이 요구되는 적용처에는 금속을 코팅하여야 한다. 금속 코팅의 경우는 여러가지 코팅방법 중 용사(thermal spray) 코팅이 주로 적용된다. 그러나, 탄소섬유-에폭시 복합재는 에폭시가 100℃~150℃ 근처에서 용융되므로, 코팅 시의 온도가 최소 100℃~150℃ 이하에서 이루어져야 한다.
용사코팅 중 플라즈마 용사코팅이나 고속용사 (HVOF) 코팅은 고속과 고온을 사용하므로 코팅 특성 자체는 우수하나 고온으로 인하여 탄소섬유-에폭시 복합재에는 코팅이 거의 불가능하다. 따라서, 공정 온도가 낮은 화염 용사나 전기 아크 용사를 사용하게 된다. 그러나, 화염이나 전기 아크 용사 코팅은 산화물 생성 및 5~15% 정도의 기공 형성으로 인하여 평균 표면 조도를 1㎛ 이하로 제어하기가 곤란할 뿐만 아니라, 코팅 두께가 증가함에 따라 복합재 기판의 온도가 상승하는 단점을 지니게 된다. 또한, 연마를 하더라도 군데군데 표면에 결함을 지니게 된다.
아울러, 최근에 개발된 저온 분사 공정으로 탄소섬유-에폭시 모재에 코팅 시 저온 분사 공정의 고속 입자로 인하여 모재가 함몰하는 현상을 보여서 코팅이 거의 불가능하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고속용사 코팅에 의하여 표면조도, 내구성, 내부식성이 우수한 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법은 탄소섬유-에폭시 복합재의 표면에 Ag 분말을 도포하는 단계, 상기 Ag 분말이 도포된 탄소섬유-에폭시 복합재 표면을 전기 도금하는 단계 및 고속용사에 의해 상기 전기 도금된 탄소섬유-에폭시 복합재를 코팅하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 전기 도금 시의 금속 코팅재는 Cu 또는 Ni을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전기 도금시 코팅의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고속용사 코팅 시 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 비코팅면을 냉각하여 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 온도를 100℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고속용사 코팅 시의 코팅 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고속용사 코팅 시 코팅 소재는 금속 또는 서메트를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 금속으로는 스테인레스를 포함하는 금속을 이용하고, 서메트로는 WC-Co 또는 Cr3C2-NiCr을 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재는 탄소섬유-에폭시 복합재, 전기도금이 가능하도록 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 일면에 도포된 Ag층, 상기 Ag층 상에 전기도금으로 형성되고 고속용사 코팅시 탄소섬유-에폭시 복합재의 용융을 방지하는 금속 코팅층 및 상기 금속 코팅층 상에 고속용사 코팅 방법으로 형성된 금속층 또는 서메트층을 포함한다.
이때, 상기 금속 코팅층은 Cu 또는 Ni을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고속용사 코팅 시의 금속층은 스테인레스를 포함하여 형성되는 것이 바람직하고, 상기 고속용사 코팅 시의 서메트층은 Cr3C2-NiCr을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합체에의 코팅방법 및 이 방법을 이용하여 코팅된 탄소섬유-에폭시 복합체에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합체에의 코팅방법은 우선, 용사 코팅에 대한 내열 금속으로서 Cu 또는 Ni을 코팅재로 하여 상기 탄소섬유-에폭시 복합체의 표면에 전기 도금의 방법으로 코팅한다. 이때, 탄소섬유-에폭시 복합체는 그대로는 전기 도금이 불가능하므로, 표면에 Ag 분말을 페이스트(paste) 형태 로 만들어 탄소섬유-에폭시 복합체의 표면에 얇게 도포하여 표면에 전기가 통하게 하여 후속 전기 도금이 가능하게 한다.
상기 Ag 분말의 도포 후 Cu 또는 Ni을 전기 도금할 때 코팅층의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 두께가 0.1 mm 이하에서는 코팅 두께가 너무 작아서 후속의 고속용사 코팅이 불가능하게 되고, 두께가 0.5 mm 이상에서는 코팅의 잔류 인장 응력이 증대하기 때문에 코팅이 박리될 가능성이 높다.
다음으로, 고속용사에 의해 상기 전기 도금된 탄소섬유-에폭시 복합재를 금속이나 서메트(thermet)로 코팅하게 된다. 상기 고속 용사 코팅 시의 코팅 소재는 탄소섬유-에폭시 복합재의 내구성, 전도성을 부여하기 위하여 스테인레스를 포함하는 금속 또는 서메트를 이용하는 것이 바람직하다. 서메트로는 WC-Co 또는 Cr3C2-NiCr을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고속 용사 코팅 시의 코팅층의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성하는 것이 바람직한데, 코팅층의 두께가 0.1 mm 이하인 경우 코팅후 연마하게 되면 코팅 두께가 너무 작기 때문에 원하는 특성을 얻을 수 없으며, 코팅층의 두께가 0.5 mm 이상인 경우에는 생산성 및 경제성이 저하되기 때문이다.
한편, 고속용사 코팅은 고속과 고온을 사용하므로 고온으로 인해 에폭시가 150℃ 근처에서 용융할 수 있으므로, 상기 고속용사 코팅 시에는 탄소섬유-에폭시 복합체의 모재 후면이나 파이프 형태인 경우에는 파이프 내부를 공기로 냉각하여 탄소섬유-에폭시 복합체의 모재가100℃ 이하의 온도가 되도록 한다. 따라서 탄소섬유-에폭시 복합체의 경우에도 고속용사에 의한 코팅이 가능하다.
이상과 같이, 탄소섬유-에폭시 복합체에 금속 또는 서메트를 용사코팅 방식에 의하여 코팅하게 되므로, 내구성 및 전도성이 향상되고, 연마 후 우수한 표면조도를 부여할 수 있고, 우수한 내식성 및 내마모성을 지닌 탄소섬유-에폭시 복합체를 얻을 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명은 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
본 발명의 실험예에서는 탄소섬유에 에폭시가 부피비로 약 40% 첨가된 탄소섬유-에폭시 복합재 롤(roll)을 준비하였다. 롤의 두께는 10 mm, 롤의 외경과 길이는 각각 30, 200 mm이다. 먼저 탄소섬유-에폭시 복합재의 롤 표면에 Ag 분말을 페이스트 형태로 만들어 도포한 후, 전기 도금 방식으로 Cu를 약 0.15 mm 코팅하였다. 그 후 바로 고속용사 공정으로 Cr3C2-NiCr 소재를0.35 mm 두께로 코팅하여 완성하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재에 Cr3C2-NiCr로 구성되는 서메트 등이 코팅된 것을 나타내는 사진이고, 도 3은 도 2의 확대 사진이다.
도 2 및 3에서 도시된 바와 같이, 탄소섬유-에폭시 복합체의 모재와 Cu 도금층과의 사이에 우수한 경계면이 형성된 것을 알 수 있다. 또한 상기 Cu 도금층은 두번쩨 코팅층인 고속용사 코팅층과의 사이에도 우수한 경계면이 형성된 것을 알 수 있다. 따라서, 우수한 코팅층이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 탄소섬유-에폭시 복합재와 Cu 도금층의 경계면을 나타내는 사진이고, 도 5는 도 4에서 Ag 원소를 맵핑한 사진이다.
도 4를 참조하면, 탄소섬유-에폭시 모재와 Cu 도금층과의 사이에 형성된 경계면이 Ag임을 알 수 있다. 도 5를 참조하면Ag 분말이 탄소섬유-에폭시 모재와 Cu 도금층 사이에 분산된 것을 확인할 수 있다.
이때, Cu 도금층의 평균 경도는 비커스 경도로 약 154 HV이고, Cr3C2-NiCr 고속용사층의 평균 비커스 경도는 약 800 HV이다. 연마 후 표면조도는 평균 0.1㎛ 이하를 부여한다. 따라서, 내구성 및 표면 조도가 우수한 탄소섬유-에폭시 복합체를 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명은 탄소섬유-에폭시 복합체에 금속 또는 서메트를 용사코팅 방식에 의하여 코팅하게 되므로, 코팅 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 내구성 및 전도성이 향상되는 탄소섬유-에폭시 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소섬유-에폭시 복합체에 서메트를 코팅하므로 연마 후 우수한 표면 조도를 부여할 수 있다.

Claims (10)

  1. 탄소섬유-에폭시 복합재의 표면에 Ag 분말을 도포하는 단계;
    상기 Ag 분말이 도포된 탄소섬유-에폭시 복합재의 표면을 Cu 또는 Ni인 금속 코팅재로 전기 도금하는 단계; 및
    고속용사에 의해 상기 전기 도금된 탄소섬유-에폭시 복합재를 코팅하는 단계
    를 포함하는 탄소섬유 에폭시-복합재에의 코팅방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 도금시 금속 코팅재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성하는 탄소섬유 에폭시-복합재에의 코팅방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 고속용사 코팅 시 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 비코팅면을 냉각하여 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 온도를100℃ 이하로 하는 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 고속용사 코팅 시의 코팅 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm로 형성하는 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 고속용사 코팅 시 코팅 소재는 금속 또는 서메트를 이용하는 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 금속으로는 스테인레스를 포함하는 금속을 이용하고, 상기 서메트로는 WC-Co 또는 Cr3C2-NiCr을 이용하는 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법.
  8. 탄소섬유-에폭시 복합재;
    전기도금이 가능하도록 상기 탄소섬유-에폭시 복합재의 일면에 도포된 Ag층;
    상기 Ag층 상에 전기도금으로 형성되고, 고속용사 코팅시 탄소섬유-에폭시 복합재의 용융을 방지하는 금속 코팅층; 및
    상기 금속 코팅층 상에 고속용사 코팅 방법으로 형성된 금속층 또는 서메트층
    을 포함하는 탄소섬유-에폭시 복합재.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 금속코팅층은 Cu 또는 Ni을 포함하여 형성되는 탄소섬유-에폭시 복합재.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 고속용사 코팅 시의 금속층은 스테인레스를 포함하여 형성되고, 서메트층은 WC-Co 또는Cr3C2-NiCr을 포함하여 형성되는 탄소섬유-에폭시 복합재.
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