KR102025851B1 - Method for improving properties of carbon fiber reinforced polymer using silica - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소복합소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리카를 이용하여 탄소복합소재의 물성을 향상시키고자 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조방법을 통해 제조된 탄소복합소재는 상기 탄소복합소재 층 간의 강성과 인성을 동시에 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 층간 박리 현상을 억제하는데 현저한 효과를 나타낸다.The present invention relates to a method for producing a carbon composite material, and more particularly, to a technique for improving physical properties of a carbon composite material using silica.
The carbon composite material produced through the production method according to the present invention can not only improve the stiffness and toughness between the carbon composite material layers at the same time, but also have a remarkable effect in suppressing the delamination.

Description

실리카를 이용한 탄소복합소재의 물성 향상 기술{Method for improving properties of carbon fiber reinforced polymer using silica}Properties for improving properties of carbon fiber reinforced polymer using silica

본 발명은 탄소복합소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리카를 이용하여 탄소복합소재의 물성을 향상시키고자 하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a carbon composite material, and more particularly, to a technique for improving physical properties of a carbon composite material using silica.

탄소섬유강화고분자(carbon fiber reinforced polymer, CFRP, 탄소복합소재)는 철에 비교되는 강도를 보여주는 탄소섬유와 형상을 유지해주는 고분자가 결합된 복합소재로, 철보다 10배 강하지만 가볍기 때문에 운송기기, 스포츠용품, 건설 재료 등 다양한 분야에서 첨단 신소재로 큰 각광받고 있다.Carbon fiber reinforced polymer (CFRP, carbon composite material) is a composite material that combines carbon fiber showing strength compared with iron and a polymer that maintains shape. It is attracting great attention as a cutting-edge new material in various fields such as sports goods and construction materials.

Technavio사의 분석에 따르면 CFRP의 전세계 자동차 산업 시장 규모는 2016-2020년간 12.09% 증가할 것으로 예측하였다. CFRP는 보잉 787기 등의 항공용 소재로 이미 50% 넘게 사용되고 있으며, 최근에는 BMW를 비롯한 다양한 자동차에서 바디 인 화이트(Body in white)와 차체에 많이 사용되고 있다.Technavio's analysis predicts that CFRP's global automotive market will grow 12.09% over 2016-2020. CFRP is already used in more than 50% of aviation materials such as Boeing 787, and recently, it is widely used in body in white and body in various automobiles including BMW.

CFRP는 도 2의 (a)처럼 100~200 ㎛ 두께의 프리프레그(prepreg: 한 방향으로 배열된 탄소섬유가 고분자에 함침되어 있는 필름형태)가 적층되어 있는 구조를 가지고 있다. 따라서 탄소섬유 방향의 평면 내(in-plane)로는 큰 강성을 보여주지만, 각변형(out of plane) 방향으로는 힘과 충격에 취약한 특성을 가진다. 특히 압축과 굽힘 등의 힘을 받았을 때, 프리프레그 사이의 층들이 분리되는(delamination) 단점을 가진다. 즉, 인장되는 힘에는 월등한 물성을 보이지만 압축과 같은 충격에는 층과 층이 분리되는 층간 박리 현상이 발생하게 된다.CFRP has a structure in which a prepreg (a film form in which carbon fibers arranged in one direction are impregnated in a polymer) having a thickness of 100 to 200 μm is laminated as shown in FIG. Therefore, in-plane of the carbon fiber direction (in-plane) shows a great rigidity, but angular deformation (out of plane) direction of the vulnerable to force and impact properties. In particular, there is a disadvantage in that the layers between the prepregs are separated when subjected to compression and bending forces. That is, the tensile strength shows superior physical properties, but the impact such as compression causes the delamination to separate the layers.

현실적으로 CFRP가 다양한 분야에서 상용화되고 신뢰성 있는 소재로 인정받기 위해서는 CFRP의 층간 박리 현상을 최소화시키는 해결책이 마련되어야 하고, 이는 CFRP 층 사이에서의 강성과 인성를 동시에 향상시킬 수 있는 연구가 절실한 실정이다.
In order for CFRP to be commercialized in various fields and to be recognized as a reliable material, a solution for minimizing the interlayer peeling phenomenon of CFRP must be prepared, which is an urgent research to improve the rigidity and toughness between CFRP layers simultaneously.

한국공개특허 2014-0026520호Korean Patent Publication No. 2014-0026520

종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 탄소복합소재의 층간 박리 현상을 억제하고, 탄소복합소재 층 간의 강성과 인성을 동시에 향상시킬 수 있는 탄소복합소재와 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
An object of the present invention for solving the problems of the prior art is to provide a carbon composite material and a method for producing the same, which can suppress the delamination phenomenon of the carbon composite material, and at the same time improve the rigidity and toughness between the carbon composite material layer. .

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 제1 프리프레그 층;According to an exemplary aspect of the invention, the first prepreg layer;

상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 형성된 제1 실리카 층; 및A first silica layer formed on an upper surface of the first prepreg layer; And

상기 제1 실리카 층의 상부 면에 형성된 제2 프리프레그 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재에 관한 것이다.It relates to a carbon composite material comprising a; a second prepreg layer formed on the upper surface of the first silica layer.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, (a) 기재 층의 상부 면에 제1 프리프레그 층을 적층하는 단계;According to another exemplary aspect of the invention, (a) laminating a first prepreg layer on the upper surface of the substrate layer;

(b) 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제1 실리카 층을 형성하는 단계; 및(b) applying silica to the top surface of the first prepreg layer to form a first silica layer; And

(c) 상기 제1 실리카 층의 상부 면에 제2 프리프레그 층을 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법에 관한 것이다.
(c) stacking a second prepreg layer on an upper surface of the first silica layer.

따라서, 본 발명에 따른 제조방법을 통해 제조된 탄소복합소재는 상기 탄소복합소재 층 간의 강성과 인성을 동시에 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 층간 박리 현상을 억제하는데 현저한 효과를 나타낸다.
Therefore, the carbon composite material produced through the manufacturing method according to the present invention can not only improve the stiffness and toughness between the carbon composite material layers at the same time, but also have a remarkable effect in suppressing the interlayer peeling phenomenon.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소복합소재를 각각 나타낸 단면도이다.
도 2의 (a)는 고분자 수지와 탄소섬유로 구성된 프리프레그 층을 나타낸 모식도이고, (b)는 0°, 45° 및 90°의 세 가지 각도로 적층되어 있는 탄소복합소재를 나타낸 모식도이다.
도 3은 실시예에서 프리프레그 층에 실리카를 도포한 후 건조시키는 공정에서의 탄소복합소재를 나타낸 사진이다.
도 4의 (a)는 실시예에서 경화 공정 전에 진공 압축을 형성시킬 때의 탄소복합소재를 나타낸 사진이고, (b)는 실시예를 통해 제조된 최종 탄소복합소재를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 탄소복합소재의 층간 전단 응력(ILSS)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 탄소복합소재의 인성(Toughness)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예의 실리카 층이 형성된 탄소복합소재(b)와 대조군인 실리카 층이 형성되지 않은 탄소복합소재(a)의 파단면을 위에서 바라본 사진이다.
도 8은 실시예의 실리카 층이 형성된 탄소복합소재(b)와 대조군인 실리카 층이 형성되지 않은 탄소복합소재(a)의 파단면을 옆에서 바라본 사진이다.1 (a) and (b) is a cross-sectional view showing a carbon composite material according to an embodiment of the present invention, respectively.
Figure 2 (a) is a schematic diagram showing a prepreg layer composed of a polymer resin and carbon fiber, (b) is a schematic diagram showing a carbon composite material laminated at three angles of 0 °, 45 ° and 90 °.
Figure 3 is a photograph showing the carbon composite material in the drying step after applying silica to the prepreg layer in the embodiment.
Figure 4 (a) is a photograph showing the carbon composite material when forming a vacuum compression before the curing process in the embodiment, (b) is a photograph showing the final carbon composite material prepared through the embodiment.
5 is a graph showing the results of measuring the interlaminar shear stress (ILSS) of the carbon composite material.
Figure 6 is a graph showing the results of measuring the toughness (Toughness) of the carbon composite material.
7 is a photograph of the fracture surface of the carbon composite material (b) in which the silica layer is formed of the embodiment and the carbon composite material (a) in which the silica layer is not formed as a control.
8 is a photograph of the fracture surface of the carbon composite material (b) in which the silica layer is formed in the embodiment and the carbon composite material (a) in which the silica layer is not formed as a control.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 프리프레그 층;According to one aspect of the invention, the first prepreg layer;

상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 형성된 제1 실리카 층; 및A first silica layer formed on an upper surface of the first prepreg layer; And

상기 제1 실리카 층의 상부 면에 형성된 제2 프리프레그 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재를 제공한다.It provides a carbon composite material comprising; a second prepreg layer formed on the upper surface of the first silica layer.

상기 탄소복합소재는 상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 형성된 제2 실리카 층; 및 상기 제2 실리카 층의 상부 면에 형성된 제3 프리프레그 층;을 더 포함할 수 있다.The carbon composite material may include a second silica layer formed on an upper surface of the second prepreg layer; And a third prepreg layer formed on an upper surface of the second silica layer.

이와 관련하여, 도 1은 탄소복합소재의 일 구현예에 따른 각각 단면도를 나타낸 것이다.In this regard, Figure 1 shows a cross-sectional view according to one embodiment of the carbon composite material.

먼저, 도 1의 (a)를 참조하면, 제1 프리프레그 층(10); 상기 제1 프리프레그 층(10)의 상부 면에 형성된 제1 실리카 층(20); 및 상기 제1 실리카 층(20)의 상부 면에 형성된 제2 프리프레그 층(30);을 포함하는 탄소복합소재를 제공할 수 있다.First, referring to FIG. 1A, the first prepreg layer 10; A first silica layer 20 formed on an upper surface of the first prepreg layer 10; And a second prepreg layer 30 formed on an upper surface of the first silica layer 20.

또한, 도 1의 (b)는 탄소복합소재의 다른 구현예에 따른 단면도를 나타낸 것으로, 도 1의 (b)를 참조하면, 제1 프리프레그 층(10'); 상기 제1 프리프레그 층(10')의 상부 면에 형성된 제1 실리카 층(20'); 상기 제1 실리카 층(20')의 상부 면에 형성된 제2 프리프레그 층(30'); 상기 제2 프리프레그 층(30')의 상부 면에 형성된 제2 실리카 층(40); 및 상기 제2 실리카 층(40)의 상부 면에 형성된 제3 프리프레그 층(50);을 포함하는 탄소복합소재를 제공할 수 있다.In addition, Figure 1 (b) is a cross-sectional view according to another embodiment of the carbon composite material, referring to Figure 1 (b), the first prepreg layer (10 '); A first silica layer 20 'formed on an upper surface of the first prepreg layer 10'; A second prepreg layer 30 'formed on an upper surface of the first silica layer 20'; A second silica layer 40 formed on an upper surface of the second prepreg layer 30 '; And a third prepreg layer 50 formed on an upper surface of the second silica layer 40.

즉, 도 1에서 보는 바와 같이, 복수 개의 프리프레그 층 사이에 실리카 층이 개재된 구조의 탄소복합소재를 제공하는 것이 본 발명의 목적이며, 상기 탄소복합소재는 필요에 따라 최소 2개의 프리프레그 층을 형성할 수 있고, 나아가 2개 이상의 프리프레그 층(n층)을 형성할 수도 있다. 이때 상기 프리프레그 n층 사이에 개재되는 실리카 층은 n-1층으로 형성된다(n= 2 - 200). That is, as shown in FIG. 1, it is an object of the present invention to provide a carbon composite material having a structure in which a silica layer is interposed between a plurality of prepreg layers, and the carbon composite material may include at least two prepreg layers as necessary. May be formed, and further, two or more prepreg layers (n layers) may be formed. At this time, the silica layer interposed between the n layers of the prepreg is formed as an n-1 layer (n = 2-200).

상기 실리카 층은 프리프레그 층 사이에 형성되어 탄소복합소재의 층간 전단 응력과 인성을 동시에 향상시키는 역할을 하였다.The silica layer was formed between the prepreg layers to simultaneously improve the interlaminar shear stress and toughness of the carbon composite material.

상기 실리카 층을 형성하는 실리카의 입자 크기는 5 내지 1000 nm인 것이 바람직한데, 상기 입자 크기가 5 nm 미만이거나, 1000 nm를 초과하면 실리카를 균일하게 분산하기 힘들게 되므로 탄소복합소재의 강도와 인성이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.It is preferable that the particle size of the silica forming the silica layer is 5 to 1000 nm. If the particle size is less than 5 nm or more than 1000 nm, it is difficult to uniformly disperse the silica, so that the strength and toughness of the carbon composite material There is a decreasing problem.

상기 실리카 층은 상기 탄소복합소재의 전체 100 중량부(질량)를 기준으로 0.1 내지 10 중량부로 형성되는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우, 즉, 0.1 중량부 미만이면 실리카 층으로 인한 효과가 미미하고, 10 중량부를 초과하면 탄소복합소재의 물성이 오히려 저하될 수 있어 바람직하지 않다.The silica layer is preferably formed in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight (mass) of the carbon composite material. If the silica layer is out of the range, that is, less than 0.1 part by weight, the effect due to the silica layer is insignificant. In addition, when the amount exceeds 10 parts by weight, the physical properties of the carbon composite material may be lowered, which is not preferable.

더욱 바람직하게는 ⅰ) 실리카의 입자 크기는 70 내지 130 nm이고, ⅱ) 상기 실리카 층은 탄소복합소재 전체 100 중량부를 기준으로 0.7 내지 2.5 중량부로 포함되는 것인데, 상기 ⅰ), ⅱ) 조건을 모두 충족했을 때 실리카 입자의 뭉침 현상(aggregation)이 전혀 발생하지 않으며, 또한 탄소복합소재에 혼입되는 효과를 나타낸다. 만일 상기 ⅰ), ⅱ) 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 뭉침 현상이 발생하거나 탄소복합소재에 혼입되지 않는 문제점이 발생하게 된다.More preferably, the particle size of the silica is 70 to 130 nm, and ii) the silica layer is included in an amount of 0.7 to 2.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total carbon composite material. When it is satisfied, no aggregation of silica particles occurs, and it also shows the effect of incorporation into a carbon composite material. If any one of iii) and ii) is not satisfied, agglomeration may occur or a problem of not being incorporated into the carbon composite material occurs.

상기 프리프레그 층은 고분자 수지에 강화섬유가 함침된 성형재료이다.The prepreg layer is a molding material impregnated with a reinforcing fiber in the polymer resin.

상기 제1 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제1 강화섬유를 포함하고, 상기 제2 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제2 강화섬유를 포함하며, 상기 제3 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제3 강화섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.The first prepreg layer includes a plurality of first reinforcing fibers impregnated therein, the second prepreg layer includes a plurality of second reinforcing fibers impregnated therein, and the third prepreg layer is It characterized in that it comprises a plurality of third reinforcing fibers impregnated in.

바람직하게는, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열 방향은 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향과 서로 다른 것인데, 이는 탄소복합소재의 강성을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.Preferably, the average arrangement direction of the plurality of first reinforcing fibers is different from the average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers, which shows a significant effect in improving the rigidity of the carbon composite material.

더욱 바람직하게는, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열 방향과 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향은 10 내지 90°를 이루고,상기 복수 개의 제2 강화섬유 평균 배열 방향과 상기 복수 개의 제3 강화섬유의 평균 배열 방향은 10 내지 90°를 이루는 것이며, 상기 각도를 형성함으로써, 다른 각도 조건과는 다르게 가장 뛰어난 강성을 나타내었으며, 장시간 이후에도 초기 강성을 그대로 유지하는 것을 확인하였다. 만일, 상기 각도 조건을 벗어나는 경우에는 장시간 경과 후에는 초기 강성이 저하되는 것을 확인하였다.More preferably, the average arrangement direction of the plurality of first reinforcing fibers and the average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers is 10 to 90 °, the plurality of second reinforcing fibers average arrangement direction and the plurality of The average arrangement direction of the third reinforcing fiber is 10 to 90 °, and by forming the angle, it showed the most excellent stiffness unlike other angular conditions, and it was confirmed that the initial stiffness was maintained even after a long time. If it is out of the angular conditions, it was confirmed that the initial stiffness decreases after a long time.

상기 고분자 수지는 에폭시, 아라미드, 아크릴, 에스터 및 나일론 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 제1 강화섬유, 상기 제2 강화섬유 및 상기 제3 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
The polymer resin is preferably at least one selected from epoxy, aramid, acrylic, ester and nylon, wherein the first reinforcing fiber, the second reinforcing fiber and the third reinforcing fiber are selected from carbon fiber, glass fiber and aramid fiber. It is desirable to be.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 기재 층의 상부 면에 제1 프리프레그 층을 적층하는 단계;According to another aspect of the invention, (a) laminating a first prepreg layer on the upper surface of the substrate layer;

(b) 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제1 실리카 층을 형성하는 단계; 및(b) applying silica to the top surface of the first prepreg layer to form a first silica layer; And

(c) 상기 제1 실리카 층의 상부 면에 제2 프리프레그 층을 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법을 제공한다.(c) laminating a second prepreg layer on the upper surface of the first silica layer. It provides a method for producing a carbon composite material, comprising a.

상기 탄소복합소재의 제조방법은 (d) 상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제2 실리카 층을 형성하는 단계; (e) 상기 제2 실리카 층의 상부 면에 제3 프리프레그 층을 적층하는 단계; 및 (f) 상기 적층된 탄소복합소재에 진공 압력을 가하여 경화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the carbon composite material may include: (d) applying a silica to an upper surface of the second prepreg layer to form a second silica layer; (e) depositing a third prepreg layer on the top surface of the second silica layer; And (f) hardening by applying a vacuum pressure to the laminated carbon composite material.

상기 (a) 단계는 기재 층의 상부 면에 제1 프리프레그 층을 적층하는 단계이다. 상기 기재 층은 스테인레스 판 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 제1 프리프레그 층을 고정시켜 탄소복합소재를 제조하는데 사용한다. 최종적으로 탄소복합소재가 제조되었을 때는 필요에 따라 상기 기재 층을 제거한 후 용도와 목적에 맞게 사용할 수도 있다.Step (a) is a step of laminating the first prepreg layer on the upper surface of the substrate layer. The base layer may be a stainless plate or the like, but is not limited thereto. The base layer may be used to prepare a carbon composite material by fixing the first prepreg layer. Finally, when the carbon composite material is manufactured, the substrate layer may be removed if necessary, and then used according to use and purpose.

상기 (b) 단계는 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제1 실리카 층을 형성하는 단계이다.Step (b) is a step of forming a first silica layer by applying silica to the upper surface of the first prepreg layer.

상기 (b) 단계는 (b-1) 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카 용액을 도포하는 단계; (b-2) 상기 실리카 용액이 도포된 제1 프리프레그 층을 건조시켜 용매를 증발시키는 단계; 및 (b-3) 상기 건조 공정 후에 적층된 적층물의 총 무게를 측정하여 분석하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.(B) step (b-1) applying a silica solution to the upper surface of the first prepreg layer; (b-2) evaporating the solvent by drying the first prepreg layer coated with the silica solution; And (b-3) measuring and analyzing the total weight of the stacked laminates after the drying process.

특히, 상기 (b-3) 단계를 통해 측정된 적층물의 무게를 토대로 실리카 용액을 추가 도포하거나, 또는 실리카 용액의 도포를 종료함으로써, 상기 도포되는 실리카 입자의 질량과 탄소복합소재의 전체 질량 비율을 조절할 수 있다. In particular, by further coating the silica solution based on the weight of the laminate measured through the step (b-3), or by ending the application of the silica solution, the mass ratio of the silica particles to the total mass of the carbon composite material I can regulate it.

상기 (b) 단계는 앞서 상술한 (b-1) 내지 (b-3) 단계를 차례로 수행해야만 도포되는 실리카의 함량을 바람직한 범위로 조절할 수 있으며, 만일 이대로 수행되지 않는 경우에는 실리카의 함량을 바람직한 범위로 조절할 수 없어 탄소복합소재의 층간 전단 응력과 인성을 동시에 향상시킬 수 없다. 특히, 프리프레그 층 사이의 층간 전단 응력이 1/5로 급격히 저하되어 바람직하지 않다.In the step (b), the content of silica to be applied can be adjusted to a preferred range only by sequentially performing the above-mentioned steps (b-1) to (b-3). It is not possible to adjust the range to improve the interlaminar shear stress and toughness of the carbon composite material. In particular, the interlaminar shear stress between the prepreg layers drops sharply to 1/5, which is undesirable.

즉, 탄소복합소재의 강화재 역할을 하는 실리카의 주요 제어 변수는 입자 크기 및 첨가되는 실리카의 함량비인데, 상기 실리카의 함량비는 첨가할 실리카의 질량과 탄소복합소재의 질량의 비율로써, 각 프리프레그 층 사이에 실리카를 균일하게 혼입하기 위해서는 프리프레그 적층 수를 고려하여 (실리카의 전체 질량)/(실리카의 적층수)로 나누어서 분배하는 것이 바람직하다.That is, the main control parameters of silica, which serves as a reinforcing material of the carbon composite material, are the particle size and the content ratio of the added silica, and the content ratio of the silica is a ratio of the mass of the silica to the carbon composite material, In order to uniformly mix silica between the leg layers, it is preferable to divide and distribute by (the total mass of silica) / (the number of silica stacking) in consideration of the number of prepreg stacks.

상기 실리카는 용매에 분산시킨 용액 상태로 도포하는 것이 바람직한데, 상기 도포는 스프레이 법, 딥 코팅법 및 브러쉬 법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 수행되는 것이다. 상기 용매로는 아세톤, 에탄올 및 메탄올 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the silica is applied in a solution state dispersed in a solvent, and the coating is performed by any one or more methods selected from a spray method, a dip coating method, and a brush method. Acetone, ethanol and methanol may be used as the solvent, but is not limited thereto.

예를 들어, 브러쉬 법은 실리카가 분산되어 있는 용액에 붓을 담근 후 이를 프리프레그 층에 여러 차례 붓질을 하여 고르게 실리카를 분산시키는 방법이다. 스프레이 법은 아세톤, 에탄올, 메탄올 등의 용매에 실리카를 분산한 후 프리프레그 층 전면에 용액을 스프레이하여 실리카를 도포하는 방법이고, 딥코팅 법은 실리카가 분산되어 있는 용액에 프리프레그 층을 담금으로써 얇은 코팅 막을 생성하는 방법이다. 상기 방법들은 모두 용액을 사용하는 방법으로, 채에 실리카를 부어 뿌리는 법에 비해서 실리카를 더 고르게 분산시키는 결과를 보여주었으므로, 브러쉬 법, 스프레이 법, 그리고 딥코팅 법의 경우가 채를 이용한 방법보다 더 향상된 CFRP의 층간 전단 강도 (ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)을 보여준다.For example, the brush method is a method in which a brush is immersed in a solution in which silica is dispersed, and then brushed several times in a prepreg layer to evenly disperse the silica. The spray method is a method of dispersing silica in a solvent such as acetone, ethanol, methanol, etc., and then spraying the solution on the entire surface of the prepreg layer to apply silica. The dip coating method is to immerse the prepreg layer in a solution in which silica is dispersed. To produce a thin coating film. All of the above methods used solutions, which resulted in more evenly dispersing of silica compared to the method of pouring silica onto the shaker. It shows more improved CFRP interlayer shear strength (ILSS) and toughness.

이때, 상기 실리카의 입자 크기는 5 내지 1000 nm인 것이 바람직한데, 상기 입자 크기가 5 nm 미만이거나, 1000 nm를 초과하면 실리카를 균일하게 분산하기 힘들게 되므로 탄소복합소재의 강도와 인성이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.In this case, the particle size of the silica is preferably 5 to 1000 nm, when the particle size is less than 5 nm or more than 1000 nm it is difficult to uniformly disperse the silica, so the strength and toughness of the carbon composite material is reduced This will occur.

상기 실리카 입자가 도포되는 전체 함량은 상기 탄소복합소재의 전체 100 중량부(질량)를 기준으로 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다.The total content of the silica particles is preferably applied to 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight (mass) of the carbon composite material.

상기 제1 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제1 강화섬유를 포함하고, 상기 제2 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제2 강화섬유를 포함하며, 상기 제3 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제3 강화섬유를 포함한다.The first prepreg layer includes a plurality of first reinforcing fibers impregnated therein, the second prepreg layer includes a plurality of second reinforcing fibers impregnated therein, and the third prepreg layer is It includes a plurality of third reinforcing fibers impregnated in.

상기 (c)단계는 상기 제1 실리카 층의 상부 면에 제2 프리프레그 층을 적층하는 단계이다.Step (c) is a step of laminating a second prepreg layer on the upper surface of the first silica layer.

이때, 상기 제2 프리프레그 층을 적층함에 있어서, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열 방향은 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향과 서로 다르게 적층하는 것이 바람직하다. 이는 적층된 복수 개의 프리프레그 층의 각도를 서로 다르게 형성함으로써 탄소복합소재의 강성을 향상시키기 위함이다.In this case, in the stacking of the second prepreg layer, the average arrangement direction of the plurality of first reinforcing fibers is preferably laminated differently from the average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers. This is to improve the rigidity of the carbon composite material by forming different angles of the plurality of laminated prepreg layers.

상기 (d) 단계는 상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제2 실리카 층을 형성하는 단계이다. 앞서 설명한 (b) 단계와 마찬가지로 (d-1) 상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 실리카 용액을 도포하는 단계; (d-2) 상기 실리카 용액이 도포된 제2 프리프레그 층을 건조시켜 용매를 증발시키는 단계; 및 (d-3) 상기 건조 공정 후에 적층된 적층물의 총 무게를 측정하여 분석하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.Step (d) is a step of forming a second silica layer by applying silica to the upper surface of the second prepreg layer. Like step (b) described above (d-1) applying a silica solution to the upper surface of the second prepreg layer; (d-2) evaporating the solvent by drying the second prepreg layer coated with the silica solution; And (d-3) measuring and analyzing the total weight of the stacked laminates after the drying process.

상기 (e) 단계는 상기 제2 실리카 층의 상부 면에 제3 프리프레그 층을 적층하는 단계이다. 이는 앞서 설명한 (c) 단계와 마찬가지로 상기 제3 프리프레그 층을 적층함에 있어서, 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향은 상기 복수 개의 제3 강화섬유의 평균 배열 방향과 서로 다르게 적층하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열, 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 및 상기 복수 개의 제3 강화섬유의 평균 배열은 모두 다른 각도를 갖는 것이 바람직하다.Step (e) is a step of laminating a third prepreg layer on the upper surface of the second silica layer. This is the same as the step (c) described above in the stacking of the third prepreg layer, the average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers is preferably laminated differently from the average arrangement direction of the plurality of third reinforcing fibers Do. That is, it is preferable that the average arrangement of the plurality of first reinforcing fibers, the average arrangement of the plurality of second reinforcing fibers, and the average arrangement of the plurality of third reinforcing fibers have different angles.

상기 (f) 단계는 상기 적층된 탄소복합소재에 진공 압력을 가하여 경화시키는 단계이다.Step (f) is a step of curing by applying a vacuum pressure to the laminated carbon composite material.

상기 (f) 단계는 50 내지 200 mbar로 진공 압력 후, 60 내지 100 ℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 열처리하여 1차 경화시키고, 120 내지 180 ℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 2차 경화 시키는 것이 바람직하다. 만일 상기 200 mbar를 초과하는 경우에는 CFRP내에 기포가 생겨 물성이 약화될 수 있으며, 50 mbar 미만이면 진공 압력 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 또한 상기 온도가 60 ℃ 미만이면 수지가 경화되지 않으며, 180 ℃를 초과하면 고온으로 인하여 수지가 타게 되므로 바람직하지 않다.
The step (f) is the first curing after vacuum pressure to 50 to 200 mbar, heat treatment for 30 minutes to 5 hours at a temperature of 60 to 100 ℃, secondary for 30 minutes to 5 hours at a temperature of 120 to 180 ℃ It is preferable to cure. If it exceeds 200 mbar bubbles in the CFRP may be weakened physical properties, less than 50 mbar is not preferable because the vacuum pressure effect is insignificant. In addition, the resin is not cured if the temperature is less than 60 ℃, it is not preferable because the resin is burned due to high temperature if it exceeds 180 ℃.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and the like, but the scope and contents of the present invention are not limited or interpreted by the following examples. In addition, if it is based on the disclosure of the present invention including the following examples, it will be apparent that those skilled in the art can easily carry out the present invention, the results of which are not specifically presented experimental results, these modifications and modifications are attached to the patent It goes without saying that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below are only representative of the experimental results of the Examples and Comparative Examples, and the effects of each of the various embodiments of the present invention not explicitly set forth below will be described in detail in the corresponding sections.

(( 실시예Example : 실리카가 혼입된 탄소복합소재의 제조): Manufacture of carbon composite material containing silica

실리카가 프리프레그 층 사이에 혼입된 탄소복합소재(CFRP, carbon fiber reinforced polymer)를 제작하기 위해서는 스테인리스 판, 프리프레그(prepreg), 브리더, 이형천, 이형제, 진공필름, 진공튜브, 진공펌프, 트랩, 실란트 테이프, 실리카 및 용매가 필요하며, 제작 과정은 다음과 같다.In order to produce carbon fiber reinforced polymer (CFRP) in which silica is interposed between the prepreg layers, stainless steel plates, prepreg, breather, release fabric, release agent, vacuum film, vacuum tube, vacuum pump, trap, Sealant tape, silica and solvent are required and the manufacturing process is as follows.

1. One. 프리프레그Prepreg (( PrepregPrepreg ) 제조 및 층간 실리카 혼입) Preparation and Intercalation of Silica

먼저, 몰드 또는 프리프레그(prepreg) 적층을 위한 기본판이 되는 스테인레스 판을 실란트 테이프의 부착을 고려하여 제작할 탄소복합소재(CFRP, carbon fiber reinforced polymer)의 규격보다 약 2cm 가량 크게 준비하고, 오염 제거를 위해 아세톤 세척 후 건조시켜 준비한다.First, prepare a stainless plate, which is a base plate for laminating mold or prepreg, about 2cm larger than the specification of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) to be manufactured in consideration of adhesion of sealant tape, and to remove contamination. In order to prepare acetone washed and dried.

프리프레그는 냉동보관 상태이므로 제작 바로 전에 상온에 노출시켜 해동시키고, 20 × 20 cm 규격으로 재단한 후, 도 3에서 보는 바와 같이 준비된 스테인레스 판에 적층 패턴에 따라 프리프레그를 적층하되, 각 프리프레그 층 사이에 실리카 분말을 도포하였다. Since the prepreg is stored in a frozen state, it is thawed by exposing to room temperature immediately before fabrication, cut to a 20 × 20 cm standard, and then prepreg is laminated on the prepared stainless plate according to the lamination pattern as shown in FIG. Silica powder was applied between the layers.

상기 실리카 분말을 균일하게 도포하기 위하여 상기 실리카 분말은 아세톤 용매에 분산시킨 용액 상태로 도포하고, 뿌려진 용액의 용매가 모두 증발한 뒤에 적층된 프리프레그의 무게를 재는 방식으로 실리카 분말의 도포 함량 및 속도를 최적화하였다.In order to uniformly apply the silica powder, the silica powder is applied in a solution state dispersed in an acetone solvent, and the content and speed of the silica powder are applied by weighing the prepregs laminated after all of the solvent in the sprayed solution has evaporated. Was optimized.

그리고, 이형천의 경우 프리프레그를 다른 재료와 접촉하지 못하게 하는 용도로 사용되고(프리프레그 보다 1~2mm 크게 재단), 탈형의 효율을 극대화하기 위해 이형제를 적신 후 상온에서 수시간 이상 건조시켰으며, 과잉 수지를 흡수하기 위한 브리더는 프리프레그의 형상과 동일한 규격으로 재단하고, 진공을 형성하기 위한 진공필름은 스테인리스 판을 충분히 덮을 수 있도록 약 5~10cm 가량 크게 재단하고, 진공튜브는 스테인리스 판에서 진공 펌프까지 거리를 고려하여 재단하여 사용하였다.In addition, the release cloth is used to prevent the prepreg from contacting other materials (cutting 1 ~ 2mm larger than the prepreg), and after immersing the release agent to maximize the efficiency of demolding, it was dried at room temperature for more than several hours. The breather for absorbing the resin is cut to the same size as the shape of the prepreg, and the vacuum film for forming the vacuum is cut about 5 to 10 cm large enough to cover the stainless steel plate, and the vacuum tube is vacuum pumped from the stainless steel plate. In consideration of the distance to the cutting was used.

과잉 수지를 흡수하기 위한 브리더는 프리프레그의 형상과 동일한 규격으로 재단하고, 진공 형성하기 위한 진공필름은 스테인리스 판을 충분히 덮을 수 있도록 약 5~10cm 가량 크게 재단하고, 진공튜브는 스테인리스 판에서 진공 펌프까지 거리를 고려하여 재단하였다.The breather for absorbing excess resin is cut to the same size as the shape of the prepreg, and the vacuum film for forming the vacuum is cut about 5 to 10 cm large enough to cover the stainless steel plate, and the vacuum tube is vacuum pumped from the stainless steel plate. It was cut in consideration of distance.

2. 진공 압축 및 경화 단계2. Vacuum compression and curing step

진공 압축에는 진공 튜브, 진공 필름, 트랩, 진공 펌프가 추가로 필요하며, 제조과정은 다음과 같다.Vacuum compression requires additional vacuum tubes, vacuum films, traps and vacuum pumps. The manufacturing process is as follows.

먼저 스테인리스 판의 가장자리를 따라서 실란트 테이프를 부착한 후, 실란트 테이프 위에 진공 필름을 부착하는 과정에서 진공 튜브를 삽입한다. 그리고 진공 튜브의 끝단을 트랩에 연결하고 진공 펌프를 작동시켜 진공 필름 내부에 진공을 형성시킨다. 펌프를 작동시킨 후 수분간 펌프를 작동하여 진공 상태를 만들고 펌프를 끄고 약 5분간 게이지를 관찰하며 압력 변동이 있는지 확인한다. 게이지 압력이 상승할 경우 진공필름 및 실란트 테이프를 제거 후 a/b과정을 다시 반복한다. 게이지 압력 값의 변동이 없다면 진공 압력이 유지될 수 있게 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이 진공 튜브를 마감 후 절단하였다.First, the sealant tape is attached along the edge of the stainless steel plate, and then a vacuum tube is inserted in the process of attaching the vacuum film on the sealant tape. The end of the vacuum tube is then connected to a trap and a vacuum pump is operated to create a vacuum inside the vacuum film. After the pump has been running, run the pump for a few minutes to create a vacuum, turn off the pump, observe the gauge for about five minutes, and check for pressure fluctuations. If the gauge pressure rises, remove the vacuum film and sealant tape and repeat the a / b process. The vacuum tube was cut after finishing as shown in (a) of FIG. 4 so that the vacuum pressure could be maintained if there was no change in the gauge pressure value.

경화 과정을 위해서는 진공 압축된 복합재와 오븐이 필요하며, 오븐의 온도는 80 ℃로 조절하여 40분 동안 1차 경화하고, 130 ℃에서 3시간 경화하였다. 경화 사이클을 지난 후, 제조된 탄소복합소재는 도 4의 (b)에 나타내었다.
The curing process requires a vacuum compressed composite and an oven, the temperature of the oven was adjusted to 80 ℃ primary curing for 40 minutes, and cured at 130 ℃ 3 hours. After the curing cycle, the prepared carbon composite material is shown in Figure 4 (b).

(( 시험예Test Example : 탄소복합소재의 물성 분석): Physical property analysis of carbon composite material)

실시예를 통해 제조된 탄소복합소재의 물성을 분석하였으며, 실리카 층의 전체 질량을 0(nove), 1.0 및 2.0 wt%으로 조절하고, 상기 실리카의 입자 크기를 100 및 700 nm로 각각 조절하여 물성을 비교하였다.The physical properties of the carbon composite material prepared through the examples were analyzed, and the total mass of the silica layer was adjusted to 0 (nove), 1.0 and 2.0 wt%, and the particle size of the silica was adjusted to 100 and 700 nm, respectively. Was compared.

도 5 및 6을 참조하면, 실리카가 첨가된 경우 실리카가 없는 복합 소재에 비해 향상된 층간 전단 응력(ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)의 증가를 동시에 볼 수 있다. 층간 전단 응력(ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)은 실리카 분말의 양이 증가함에 따라 함께 향상됨을 알 수 있다. 이는 실리카의 함유량이 많을수록 힘의 분산을 더욱 잘 시키기 때문으로 결과적으로 더 많은 양의 실리카를 첨가할수록 더 향상된 층간 전단 강도와 인성을 얻을 수 있다.5 and 6, when silica is added, an improved inter-laminar shear stress (ILSS) and toughness can be simultaneously observed compared to a composite material without silica. It can be seen that the inter-laminar shear stress (ILSS) and toughness (ILSS) are improved together as the amount of silica powder increases. This is because the higher the silica content, the better the dispersion of the force. As a result, the higher the amount of silica added, the better the interlaminar shear strength and toughness.

만일, 탄소복합소재의 질량 대비 10 wt%가 넘어가는 실리카 함량에서는 실리카가 고르게 분산되지 않고 뭉치는(aggregation) 현상을 확인되었다. 즉, 10 wt% 미만의 함량의 첨가 시 물성 향상을 얻을 수 있다.If the silica content exceeds 10 wt% of the carbon composite material, it was confirmed that the silica was not evenly dispersed but aggregated. That is, when the content of less than 10 wt% is added, the physical properties may be improved.

또한, 100 nm의 입자 크기를 갖는 실리카가 700 nm의 입자 크기를 갖는 실리카보다 향상된 층간 전단 강도(ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)을 보여주는데, 이는 사이즈 감소에 따라 실리카의 표면적이 증가하여 CRFP와 더 많은 표면에서 접촉하기 때문이다. 따라서, 마이크로 단위보다 나노 단위의 실리카를 사용하는 것이 더욱 효과적임을 확인할 수 있다.In addition, silica with a particle size of 100 nm exhibits improved inter-laminar shear stress (ILSS) and toughness over silica with a particle size of 700 nm. Increased contact with the CRFP on more surfaces. Therefore, it can be seen that it is more effective to use nano-unit silica than micro-unit.

반대로, 5nm 미만의 입자 크기를 갖는 실리카의 경우 심한 뭉침 현상으로 오히려 층간 전단 강도(ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)이 감소하는 결과를 얻었으며, 1000 nm를 초과하는 입자 크기를 갖는 실리카는 큰 사이즈로 프리프레그 층 사이에 첨가되기 힘들다. 따라서, 5~1000 nm의 지름 범주에 들어오는 실리카를 사용하는 것이 바람직하다.On the contrary, in the case of silica having a particle size of less than 5 nm, the agglomeration phenomenon resulted in a decrease in inter-laminar shear stress (ILSS) and toughness, and a particle size exceeding 1000 nm was observed. Silica having a large size is difficult to add between the prepreg layer. Therefore, it is preferable to use silica that comes in the diameter range of 5 to 1000 nm.

실리카가 첨가된 시편과 실리카가 첨가되지 않은 시편의 차이를 확인하기 위해 전자투과현미경(SEM)을 통하여 파단면을 찍은 사진을 도 7에 나타내었다. 사진에서 보이듯이 실리카가 첨가되지 않은 CFRP는 깔끔한 파단면을 보여주고 있다. 원기둥 모양의 탄소섬유 주변으로 CFRP의 플라스틱 부분, 즉 고분자 수지가 깔끔하게 떨어진 파괴 형상을 보여준다.In order to confirm the difference between the silica-added specimen and the silica-added specimen, a photograph taken of the fracture surface through the SEM is shown in FIG. 7. As shown in the photo, CFRP without silica shows a clean fracture surface. The plastic part of the CFRP, ie the polymer resin, is neatly broken around the cylindrical carbon fiber.

하지만 실리카가 첨가된 CFRP는 원기둥 모양의 탄소 섬유 주변으로 CFRP의 플라스틱 부분(고분자 수지)가 감싸고 있으며, 이 부분을 확대하였을 때 구형의 실리카 분말들이 첨가되어 있음을 확인할 수 있다.However, CFRP with silica is wrapped around the plastic part of the CFRP (polymer resin) around the cylindrical carbon fiber, and it can be seen that spherical silica powders are added when this part is enlarged.

도 8은 도 7의 파단면을 옆면에서 바라본 것으로, 도 7에서 보여준 패턴과 마찬가지로 실리카가 첨가되지 않은 시편은 깔끔하게 떨어져 있지만, 실리카가 첨가된 시편은 고분자가 붙어 있으며 가시 모양으로 고분자가 찢어져 있는 것을 볼 수 있다.FIG. 8 is a side view of the fracture surface of FIG. 7. As in the pattern shown in FIG. 7, the silica-free specimen is neatly separated, but the silica-added specimen is attached to the polymer and the polymer is torn into a visible shape. can see.

따라서 도 7 및 8에 따르면, CFRP에 실리카가 첨가됨에 따라 CFRP의 파단 메커니즘(mechanism)이 바뀌게 되고 이로 인해 CFRP의 층간 전단 강도(ILSS, inter-laminar shear stress) 및 인성(toughness)이 향상된 것을 확인할 수 있다.Therefore, according to FIGS. 7 and 8, as silica is added to the CFRP, the fracture mechanism of the CFRP is changed, thereby improving the inter-laminar shear stress (ILSS) and toughness of the CFRP. Can be.

10, 10': 제1 프리프레그 층
20' 20': 제1 실리카 층
30, 30': 제2 프리프레그 층
40: 제2 실리카 층
50: 제3 프리프레그 층10, 10 ': first prepreg layer
20 '20': first silica layer
30, 30 ': second prepreg layer
40: second silica layer
50: third prepreg layer

Claims (18)

제1 프리프레그 층;
상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 형성된 제1 실리카 층; 및
상기 제1 실리카 층의 상부 면에 형성된 제2 프리프레그 층;을 포함하며,
상기 제1 실리카 층을 형성하는 실리카의 입자 크기는 70 내지 130 nm이고,
상기 제1 실리카 층은 탄소복합소재 전체 100 중량부에 대하여 0.7 내지 2.5 중량부로 형성되고,
상기 제1 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제1 강화섬유를 포함하며, 상기 제2 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제2 강화섬유를 포함하되, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열 방향과 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향은 10 내지 90°를 이루며,
상기 제1 강화섬유 및 상기 제2 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.
A first prepreg layer;
A first silica layer formed on an upper surface of the first prepreg layer; And
And a second prepreg layer formed on an upper surface of the first silica layer.
The particle size of the silica forming the first silica layer is 70 to 130 nm,
The first silica layer is formed of 0.7 to 2.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total carbon composite material,
The first prepreg layer includes a plurality of first reinforcing fibers impregnated therein, and the second prepreg layer includes a plurality of second reinforcing fibers impregnated therein, wherein the plurality of first reinforcing fibers An average arrangement direction and an average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers constitute 10 to 90 °,
The first reinforcing fiber and the second reinforcing fiber is a carbon composite material, characterized in that selected from carbon fibers, glass fibers and aramid fibers.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소복합소재는
상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 형성된 제2 실리카 층; 및
상기 제2 실리카 층의 상부 면에 형성된 제3 프리프레그 층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.
The method of claim 1,
The carbon composite material
A second silica layer formed on an upper surface of the second prepreg layer; And
And a third prepreg layer formed on the upper surface of the second silica layer.
제4항에 있어서,
상기 제3 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제3 강화섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.
The method of claim 4, wherein
The third prepreg layer is a carbon composite material, characterized in that it comprises a plurality of third reinforcing fibers impregnated therein.
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 복수 개의 제2 강화섬유 평균 배열 방향과 상기 복수 개의 제3 강화섬유의 평균 배열 방향은 10 내지 90°를 이루는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.
The method of claim 5,
The average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers and the average arrangement direction of the plurality of third reinforcing fibers is 10 to 90 ° characterized in that the carbon composite material.
제5항에 있어서,
상기 제3 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.
The method of claim 5,
The third reinforcing fiber is a carbon composite material, characterized in that selected from carbon fibers, glass fibers and aramid fibers.
(a) 기재 층의 상부 면에 제1 프리프레그 층을 적층하는 단계;
(b) 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제1 실리카 층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 제1 실리카 층의 상부 면에 제2 프리프레그 층을 적층하는 단계;를 포함하며,
상기 (b) 단계는
(b-1) 상기 제1 프리프레그 층의 상부 면에 실리카 용액을 도포하는 단계;
(b-2) 상기 실리카 용액이 도포된 제1 프리프레그 층을 건조시켜 용매를 증발시키는 단계; 및
(b-3) 상기 건조된 제1 프리프레그 층의 무게를 측정하여 분석하는 단계;를 포함하며,
상기 (b-3) 단계를 통해 측정된 제1 프리프레그 층의 무게를 토대로 실리카 용액을 추가 도포하거나, 또는 실리카 용액의 도포를 종료함으로써, 상기 도포되는 70 내지 130 nm 크기의 실리카 입자와 탄소복합소재의 질량 비율을 0.7 내지 2.5 : 100으로 조절하며,
상기 제1 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제1 강화섬유를 포함하며, 상기 제2 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제2 강화섬유를 포함하며, 상기 복수 개의 제1 강화섬유의 평균 배열 방향과 상기 복수 개의 제2 강화섬유의 평균 배열 방향은 10 내지 90°를 이루며,
상기 제1 강화섬유 및 상기 제2 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 것 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법.
(a) depositing a first prepreg layer on the top surface of the substrate layer;
(b) applying silica to the top surface of the first prepreg layer to form a first silica layer; And
(c) depositing a second prepreg layer on the top surface of the first silica layer;
Step (b)
(b-1) applying a silica solution to the top surface of the first prepreg layer;
(b-2) evaporating the solvent by drying the first prepreg layer coated with the silica solution; And
(b-3) measuring and analyzing the weight of the dried first prepreg layer; and
Applying the silica solution on the basis of the weight of the first prepreg layer measured in the step (b-3), or by the end of the application of the silica solution, the silica particles and the carbon particles of the applied 70 to 130 nm size The mass ratio of the material is adjusted to 0.7 to 2.5: 100,
The first prepreg layer includes a plurality of first reinforcing fibers impregnated therein, and the second prepreg layer includes a plurality of second reinforcing fibers impregnated therein, and the plurality of first reinforcing fibers An average arrangement direction and an average arrangement direction of the plurality of second reinforcing fibers constitute 10 to 90 °,
The first reinforcing fiber and the second reinforcing fiber is a method of producing a carbon composite material, characterized in that any one selected from carbon fiber, glass fiber and aramid fiber.
제9항에 있어서
상기 탄소복합소재의 제조방법은
(d) 상기 제2 프리프레그 층의 상부 면에 실리카를 도포하여 제2 실리카 층을 형성하는 단계;
(e) 상기 제2 실리카 층의 상부 면에 제3 프리프레그 층을 적층하는 단계; 및
(f) 상기 적층된 탄소복합소재에 진공 압력을 가하여 경화시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법.
The method of claim 9
The carbon composite material manufacturing method
(d) applying silica to the top surface of the second prepreg layer to form a second silica layer;
(e) depositing a third prepreg layer on the top surface of the second silica layer; And
(f) applying the vacuum pressure to the laminated carbon composite material to cure; and further comprising a carbon composite material manufacturing method.
제9항에 있어서,
상기 실리카는 용매에 분산시킨 용액 상태로 도포하며,
상기 도포는 스프레이 법, 딥 코팅법 및 브러쉬 법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법.
The method of claim 9,
The silica is applied in a solution state dispersed in a solvent,
The coating is a method for producing a carbon composite material, characterized in that carried out by any one or more methods selected from a spray method, a dip coating method and a brush method.
삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 제3 프리프레그 층은 내부에 함침된 복수 개의 제3 강화섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법.
The method of claim 10,
And the third prepreg layer comprises a plurality of third reinforcing fibers impregnated therein.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 (f) 단계는 50 내지 200 mbar로 진공 압력 후, 60 내지 100 ℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 열처리하여 1차 경화시키고, 120 내지 180 ℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 2차 경화시키는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재의 제조방법.The method of claim 10,
The step (f) is the first curing after vacuum pressure to 50 to 200 mbar, heat treatment for 30 minutes to 5 hours at a temperature of 60 to 100 ℃, secondary for 30 minutes to 5 hours at a temperature of 120 to 180 ℃ Method for producing a carbon composite material, characterized in that for curing.
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US8636868B2 (en) * 2007-03-20 2014-01-28 Sumitomo Bakelite Co., Ltd. Method for manufacturing laminated board, and laminated board
GB0717507D0 (en) * 2007-09-07 2007-10-17 Cytec Tech Corp Composite materials and their use
TW201204548A (en) * 2010-02-05 2012-02-01 Sumitomo Bakelite Co Prepreg, laminate, printed wiring board, and semiconductor device

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