KR20040047837A - 3차원 니트 스페이서 직물 샌드위치 복합재 - Google Patents

3차원 니트 스페이서 직물 샌드위치 복합재 Download PDF

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KR20040047837A
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패트릭 이. 맥
미첼 디. 스미스
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버던트 테크놀로지스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 대체로 샌드위치 코어 계면 복합재의 제조에 있어서 3차원 니트 스페이서 직물 성분의 용도에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 이러한 스페이서 직물의, 라미네이트 접합을 향상시키는, 특히 대략의 굴곡에 대한 단일체 코어 그리드 절단의 계면 평탄성을 향상시키고 복합재 구조물내의 불연속성을 없애는 스킨-대-코어 라미네이트 계면으로서의 용도에 관한 것이다.

Description

3차원 니트 스페이서 직물 샌드위치 복합재{THREE-DIMENSIONAL KNIT SPACER FABRIC SANDWICH COMPOSITE}
본 출원은 2002년 6월 17일에 출원된 미국 출원 제10/172,053호 및 이의 기초가 되는 2001년 7월 23일에 출원된 미국 가출원 제60/307,109호의 부분계속출원이고, 상기 문헌의 전 기재내용이 참고문헌으로 본 발명에 포함된다. 본 출원은 2001년 9월 17일에 출원된 미국 가출원 제60/322,602호에 대한 우선권의 이익을 향유하고, 이의 전 기재내용 또한 참고문헌으로 본 발명에 포함된다.
섬유 강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP) 복합재 구조는 대체로 공지된 것이고, 해양선박에서 욕조, 항공기 등에 이르는 최종 용도로 간단한 헝태에서부터 복잡한 형태에 이르는 많은 형상 및 형태를 취한다. 전형적으로는, 이러한 형태의 제조는 보통 예비성형체(preform)라고 불리는, 원하는 형태의 개방 주형내에 적층되는 강화 섬유 구조물, 직물(woven) 또는 부직물(non-woven)을 제공하는 것을 포함한다. 또한, 통상적으로 복합재의 내부 및 외부 라미나 사이에 코어 구조물이 삽입된다. 이러한 무수 섬유 보강물은 이어서 경화성의, 대체로 열경화성인 수지로 일반적으로 수동 기술을 이용해 완전히 습윤화되어야 한다. 예비성형체를 습윤화한 후, 수지는 경화되어 원하는 형태의 복합재를 형성한다. 생성된 복합재 구조물은 주형으로부터 최종적으로 제거되고 적절한 후처리 후 이용될 수 있다.
이러한 FRP 복합재가 다른 재료에 비해 나타내는 많은 이점에도 불구하고, 라미네이트 강성(stiffness)(굽힘 저항성)은 이의 강점 중 하나이지 않았다. 값비싼 높은 계수 섬유, 즉, 탄소섬유 및/또는 진보된, 즉, 비경제적인 제조공정 기술인 오토클레이브를 이용하는 것과 같은 예외가 있기는 하지만, FRP 라미네이트는 대체로 소정 중량의 패널이 굽힘 모멘트에 대해 저항하는 능력을 고려하였을 때 나무와 같은 다른 저밀도 재료에 비해 열등하다는 것이 일반적인 결과였다.
패널, 특히 FRP 복합재 패널의 강성은 재료 강성의 척도인 굽힘 계수(flexural modulus)에만 의존하는 것이 아니라, 패널 두께의 세제곱의 함수에도 대체로 의존한다. 따라서, 복합재 강성을 사실상 증가시키기 위해 이러한 패널 두께를 비교적 소량 증가시키면 이는 중량 및 비용의 면에서 결점을 또한 갖는다.
즉, FRP 패널을 강화시키기 위한 하나의 접근법이 그것을 더 두껍게 하는 것임은 분명하나, 이는 불필요하게 매우 무거운 라미네이트가 아마도 불필요한 강도 특성을 초래하고, 불필요하게 비싸며, 최종 목적 구조물에 대해 실질적인 제조 문제를 제공하는 단점을 일으킬 수 있다.
근본적으로, 부적당한 강도, 계수의 문제는 또한 FRP 복합재 제작시의 부적당한 균일성으로부터 흔히 일어날 수 있다. 예를 들어, 수지 성분은 섬유 매트릭스내에 수지가 완전히 분포되기 전에, 섬유 매트릭스를 통해 부적당하게 분포될 수 있고, 강도를 악화시키는 표면 불연속을 초래하는 공극을 가지거나, 불규칙적으로 경화(예를 들어, 미리 겔화점에 도달하는 것)될 수 있다.
FRP 패널의 강성을 증가시키는 바람직한 기술은 샌드위치 구조를 이용하는 것이다. 라미네이트의 샌드위치 구조는 I-빔 형태의 비교할만한 이점을 제공하나, 전형적인 I-빔의 웹 및 플랜지 대신에 FRP의 스킨(skin)에 의해 한면 또는 양면 모두를 대향하는 경중량(light-weight) 코어 물질을 이용한다. 복합재 구조물에서 이러한 스킨의 역할은 패널이 굽힘 하중력을 받을 때 반대쪽 스킨에서 설정된 압축 및 인장 하중을 저항함으로써 패널 또는 빔 상의 굽힘 모멘트를 견디는 것이다.
스킨이 굽힘 모멘트를 견딜 수 있기 위해서는, 이들은 샌드위치의 중심축(센터라인)에서 떨어져 단단히 고정되어 서로에 대해 움직이는 것이 예방되어야 한다. 선택된 코어 물질 및 코어와 스킨 사이의 접합 라인 강도의 임무는 이러한 조건을 제공하여 충족시키는 것이다. 소정 산업분야의 응용의 경우, 선택된 스킨 및 코어 물질에 관계없이 샌드위치 구조의 완전성이 스킨과 코어 물질간의 계면 접합 강도에 특히 의존한다.
라미네이트에서 코어의 물리적 또는 기계적 이용은 또한 소정 구조에 이용되는 제조기술에 매우 의존한다. 당업자는 대체로 코어 부재와 외측 스킨(암 주형을이용하는 경우, 반대로 수 압형을 이용하는 경우에는 내측 스킨) 사이의 완전한 및 긴밀한 접촉을 이루기 위해 진공 백 기술이 유용하게 이용됨을 인식하였다. 진공 백 기술에서, 스킨은 적층되어 습윤하되고, 코어 부재는 거기에 접합용 접착제로 또는 접착제 없이 부착되며, 진공 백은 조립체에 부착된다. 공기가 제거됨에 따라, 외부 주위 공기압은 스킨 표면에 균일하게 코어 부재를 가압하는 경향이 있으나, 코어 부재의 치수 형태에 의해 라미나와 코어 부재간의 접촉이 제한된다. 진공 백은 외측 스킨(예를 들어, 암 주형에서)이 그것에 부착되는 코어와 함께 경화될 때까지 흔히 제자리에 유지된다. 흔히 (궁극적으로) 내측 유리섬유 라미나의 제조는 적당히 균일한 적층 결과를 달성하는데 거의 어떠한 문제점도 제시하지 않는데, 이는 비교적 투명한 적셔진 유리섬유 라미네이트가 제조될 때 라미네이터(laminator)가 코어 표면을 시각적으로 관찰할 수 있기 때문이다. 그러나, 코어 부재가 시각적 관찰을 막거나 방해하는 경우에는 주형 툴에 인접한 FRP 스킨에 의해 심각한 문제가 제기될 수 있다.
진공 주입 기술은 주위 압력을 코어 부재에 적용하면서 스킨을 동시에 제작하도록 이용될 수 있다. 코어 부재용 물질이 비교적 경질이고 성형된 부품이 오목 또는 볼록 표면을 제공하도록 고안되는 경우에는, 코어 물질은 작은 구획으로 선이 그워질 수 있고, 몇몇 경우에는 마포(scrim)가 한쪽 면에 가해져서 편평한 x,y 식으로 작은 구획을 함께 유지시킬 수 있다.
그러나, 흔히 마주치게 되는 문제점은 선이 그어진, 흔히 직선으로 둘러쌓인 하나 이상의 코어 구획들의 측면 치수가 의도되는 구조물에 바람직한 주형 곡면의반경보다 훨씬 크다는 것이다. 이는 섬유 적층물과 코어 부재의 계면에서 공극을 초래한다. 이러한 경우에, 스킨과 코어 사이의 궁극적으로 요망되는 긴밀한 접촉은 생성된 치수상의 간격을 차지하는 과잉의 접착제 또는 기타 충전제를 이용함으로써만 흔히 달성될 수 있다.
이러한 기술은 진공 주입 방법론에 실용적이지 않고, 대체로 스킨 내지 코어 공극이 수지로 채워져야만 한다. 어느 경우든 스킨 내지 코어 간격은 스킨 내지 코어와 현저하게 상이한 기계적 및 강도 특성을 갖는 매질로 충전되어, 분기되는 응력 특성을 갖는 영역을 초래한다. 또한, 진공 주입을 적용함에 있어, 상술한 계면에서의 심각한 공극은 불완전한 수지 습윤화로부터 초래될 수 있다. 이어서 생성된 계면은 최적의 원하는 특성을 위해 손상될 수 있다. 그 결과, 원하는 목적의 강도에 대해 악영향을 갖는 불연속이 존재할 것이다.
본 발명은 대체로 샌드위치 복합재의 강성 및 기타 성질을 증가시키고 수지의 주입을 개선시키는 코어 물질의 신규한 용도 및 응용에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 3차원 니트 스페이서 직물의 라미네이트 접합을 향상시키는 라미네이트 계면으로서의 용도, 특히 원하는 구조물에서 굴곡을 따르기 위한 시도로 절단되어 놓여진 단일체(monolithic) 그리드 코어 부재의 계면 평탄성(planarity)을 교정하는 라미네이트 계면으로서의 용도에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 FRP 라미네이트 구조물의 단면을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 FRP 라미네이트 구조물의 단면을 개략적을 도시한 것이며,
도 3은 비압축 상태로 본 발명에서 사용된 3차원 스페이서 직물을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 압축 상태로 본 발명에서 사용된 3차원 스페이서 직물을 개략적으로 도시한 것이며,
도 5는 비압축 상태로 본 발명에서 사용된 3차원 스페이서 직물의 확대 개략도이고,
도 6은 압축 상태로 본 발명에서 사용된 3차원 스페이서 직물의 확대 개략도이며,
도 7은 본 발명의 추가의 양태의 개략적 평면도이다.
종래 기술분야에서 이용되던 공지된 유형의 FRP 코어 및 진공 주입 응용 기술에 내재하는 전술한 결점의 측면에서, 본 발명은 접합성을 크게 향상시키기 위한 적층물내의 접합 계면으로서 3차원 니트 스페이서 직물의 사용을 통해 스킨 대 코어 접합시키는 신규한 기술을 제공한다.
특히, 본 발명의 스킨 대 코어 라미나 계면으로서, 또는 중간 라미나로서의 3차원 니트 스페이서의 신규한 용도는 절단된 단일체 코어 부재 그리드의 계면 평탄성을 향상시키고 통상적인 개념 및 종래 기술의 디자인을 벗어난다. 이렇게 함으로써, 본 발명은 FRP 스킨 대 코어 접합 라인 완전성을 향상시키기 위한 목적으로개발된 기술, 재료 및 제품을 제공한다.
뒤에 더욱 상세히 기술될 본 발명의 일반적인 목적 및 결과는 지금까지 이용되던 복합재 샌드위치 구조물에 비해 향상된 이점을 갖는 신규한 스킨 대 코어 부재 접합 계면을 제공한다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 대체로 스킨과 코어 사이의 라미나에(laminae)내에 하나의 라미나로서 이용되는 탄성 Z-방향 섬유를 갖는 3차원 니트 스페이서 직물의 이용을 포함한다. 이러한 기술은 개선된 스킨 대 코어 접합을 제공할 뿐만 아니라 라미네이트의 한 구성요소이다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 종래 장치의 결점을 극복하는, 샌드위치 복합재의 스킨과 코어 사이에 접합 매질로서 3차원 니트 스페이서 직물을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 복합재 제조를 위한 모든 공정에 사용하기 위해 샌드위치 복합재의 스킨과 코어 사이에 접합 매질로서 3차원 니트 스페이서 직물을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적 및 이점은 당업자에게 자명할 것이고, 이러한 목적 및 이점은 본 발명의 범위내에 속하는 것으로 의도된다.
상술한 및 기타 관련 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수반되는 도면에서 설명의 형태로 구체화되며, 이들에 주의가 기울여지나, 이들 도면은 단지 예시적인 목적으로 제시되는 것이며 예시된 구체적인 구조내에서 변경이 이루어질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 직물 또는 부직물 섬유 보강 예비성형체층(12)(궁극적으로는, 여기서 외측 스킨)은 원하는 형태의 주형(10)에 적용된다. 이 실시예에서, 코어 물질(14) 부재는 섬유 보강물 또는 라미나의 내측(12) 및 외측(16) 층 사이에 놓여져 라미나에 구조를 구성한다. 이 실시예에서 주형 형태(10)의 굴곡은 외측 스킨(12)과 코어 부재(14) 사이에 공극(18)이 형성되는 정도이다. 그 다음, 복합재의 여러 요소를 접합시키기 위해 선택된 수지를 이 공간(18)에 채울 것이 요구된다.
그러나, 코어 부재 사이 및 이러한 코어 부재(14)와 라미나(12) 사이의 공극(18)은 제조동안 완전히 채우기가 어려워 공기 공간 또는 공극이 거기에 생성되어 복합재의 접합에 악영향을 미치는 것이 당업계의 경험이다.
도 2를 보면, 유사한 주형 툴(20)이 도시되어 있고 외측 스킨 라미나(22), 코어 부재(24) 및 내측 스킨 라미나(26)가 도시되어 있다. 이 도면에서, 본 발명은 도시된 것과 같은 스페이서 직물의 추가의 라미나(28)의 이용으로 수행된다.
도 3은 스페이서 직물 구조물(30)의 추가의 개략도이다. 이는 두개의 공간 분리된 직물 및/또는 스티치된 외층(32 및 34)으로 구성됨을 알 수 있을 것이다. 이들 두 층 사이를 연장하고 이들 두 층을 연결하도록 제조된 횡섬유(36)가 있다. 이들 횡섬유들은 비교적 탄성이도록 제조된다.
도 4는 도 3의 스페이서 직물의 개략도이나, 외부 압력의 적용에 의해 압축 상태(40)에 있는 것을 도시하고 있다. 외층(42, 44)은 이들의 압축되지 않은 배향 및 형태를 비교적 잘 유지하고 있으나, 횡섬유(46)들은 라미나 두께의 감소의 결과로 각지게 변위되어 있다. 횡섬유(46)의 가압 및 변위는 그럼에도 불구하고되튀김(spring back) 경향 및 변형 저항성을 갖는 탄성 섬유를 남긴다. 몰론 전체적인 스페이서 직물은 가요성이기 때문에 코어 부재의 형태 및 주형 표면 자체의 불규칙성에 대한 순응성을 가져 그 사이의 공극이 감소된다.
후술되는 바와 같이, 그리고 본 출원인의 모출원에도 기술되어 있는 바와 같이, 흔히 본 출원인에 의해 상표명 "PolybeamTM"으로 불리는 이러한 스페이서 직물은 복합재 구조물의 제조동안 섬유/직물 예비성형체에 걸친 액체 수지의 흐름 및 분산을 촉진시키는 큰 이점을 가져, 심지어 수지의 겔화점 이전에도 코어 부재 사이의 공극의 충전을 가능하게 한다.
따라서 도 2 및 관련 도면에 도시된 바와 같이, 외측 스킨(22) 및 코어 부재(24) 사이에 위치되는 본 발명의 3차원 스페이서 직물(28)를 이용함으로써 공극이 구조적인 FRP 보강물에 의해 대체된다.
예를 들어, 도 5의 3차원 니트 스페이서 직물(50) 자체는 제 1 직물층(52), 제 2 직물층(54), 및 모노필라멘트 폴리에스테르, 유리섬유 등일 수 있고 상기 두 층(52 및 54)을 서로 연결하는 중간의 탄성 스페이서 얀(56)으로 구성된다. 직물층(52, 54)의 섬유들은 대체로 상기 도면에 지시된 바와 같이 X 및 Y 방향으로 연장한다. 대체로 Z 방향으로 연장하는(각도가 있기는 하나) 탄성 얀(56)은 두 직물층을 자유 형태로, 약 0.0625" 내지 1" 범위인 압력-자유 두께로 분리시킨다. 광범위한 범위의 직물 및 얀 섬유가 스페이서 얀에 이용될 수 있는데, 예를 들면, 폴리에스테르, 유리섬유, 케블라(Kevlar), 탄소 및 이들의 복합체가 있다. 또한, 유리섬유 매트 및 조방사(roving)와 같은 전통적인 재료들도 3차원 니트 스페이서 직물의 한면 또는 양면 모두에 접합되거나 스티치될 수 있고, 또한 기타 다른 재료 주위로 스티치될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 층(52, 54) 사이에 사실상 자유, 개방 공간이 존재한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 3차원 니트 스페이서 직물(60)은 진공(즉, 주위압력하에서)이 가해져 도 2에 도시된 바와 같이 스킨에 대해 코어 부재를 가압할 때, 도시된 Z-방향으로 탄성적으로 압축된다. 이러한 스페이서 직물은 이에 의해 다소 평탄화되나, 그럼에도 불구하고 코어-스킨 계면에 순응하여 계면 전체에 걸쳐 더욱 균일한 보강 구조물이 달성된다.
그 다음 평탄화된 계면에는 사용되는 제조 기술에 따라 접착제 또는 수지 등이 주입될 수 있으나, 계속되는 과정동안 수지로 충전되는 것이 바람직하다. 이 도면에 도시된 것과 같이 압축된 경우에도, 섬유 밀도가 계속하여 외표면의 것보다 현저히 작아진다는 점에서 외층 사이에는 상당한 자유 개방 공간이 여전히 존재한다. 측정에 어려움이 있지만, 현재의 계산은 비압축된 스페이서 직물이 약 88 내지 90%의 자유 체적을 갖는 반면, 압축된 스페이서 직물은 약 65 내지 75%의 자유 체적 또는 수지 주입용 개방 공간을 가짐을 보여준다.
도 7은 본 발명의 한 양태의 평면도이고, 이 평면도에 도시된 "Tool"은 복잡한 아치형을 갖는 주형 표면을 나타낸다. 이 예에서, "Vaccum"은 도면의 상부 말단에서 진공이 걸림을 의미하고 Resin Input은 바닥에 보여진다. 물론, 수지 주입의 정확한 지점은 다른 곳일 수 있으나 대체로 진공 펌프를 이끄는 지점에서 비교적먼 위치에서 있는 것이 가장 유용하다. 도 7에 나선형 절단 튜브 부분이 도시되어 있고, 이는 다량의 수지 주입 장치로서 간편하게 기능한다. 각각의 경우에 3차원 스페이서 직물을 포함하는, 이 도면에 도시된 Laminae A 및 Laminae B는 이후에 더욱 상세히 기술된다.
본 발명에 따른 3차원 스페이서 직물의 사용에 대한 하나의 극적인 특징은 진공 적용하에 압축된 경우에도 복합재 구조물 요소 전체에 걸쳐 미경화된 수지의 주입을 위한 사실상 개방 공간이 남아있다는 점이다. 이는 특히, 조립체에서 하나 이상의 수개의 구조물을 통해 액체 수지가 도입됨에 따라 액체 수지의 전방 흐름으로써 코어화되지 않은 샘플 복합재에서 시각적으로 관찰될 수 있다. 본 출원인의 모출원에 언급된 바와 같이, 이러한 전방 흐름의 이동 속도에 있어서 200 내지 400%의 증가가 관찰될 수 있다. 이러한 중요한 특징은 본 발명에서 많은 이점을 갖는다. 예를 들어, 사용되는 수지에 대해 더 넓은 편차의 점도를 이용할 수 있게 한다. 또한, 이러한 기술에서는 수지가 겔화점에 도달하기 전에 섬유 예비성형체의 습윤화 또는 완전한 수지 주입을 달성하는 어느정도의 "급한 진행(race)"이 항상 존재하여 제조되는 제품의 불합격을 야기한다. 수지 조성물의 전방 흐름에 대한 보다 높은 속도를 실현함으로써, 완전한 주입 및 습윤화가 다양한 범위의 주위 조건 및 수지/촉매 혼합물하에서 쉽게 달성될 수 있다.
본 발명의 실행은 이제 하기의 몇몇 실시예에 의해 상술될 것이나, 본 발명이 이에 기술된 특정 조건으로 제한되는 것으로 이해되어져서는 않된다.
최종 입자가 생성된 구조물의 평편한 표면에 대해 수직이도록(normal) 배열된, FRP 복합재내에 발사 나무(balsa wood) 코어 부재를 이용하는 것은 통상적이다. 여기서, 4개의 시험 패널을 지시된 바와 같이 최종 입자 발사 코어 부재로 제작하였다. 각 패널에 대한 라미네이트 스케쥴을 후술한다. 각각의 패널은 Hetron 922 비닐 에스테르 수지로 제조되었고, 수은(Hg)의 25in의 진공하에서 주입 및 경화되었다.
패널 1 : 18oz. 3Tex Glass 패널 2 : 18oz. 3Tex Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. 3Tex Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. 3Tex Glass
¾" CK-89 LamPrep Balsa ¾" CK-89 LamPrep Balsa
PolybeamTM7301PolybeamTM7031
18oz. 3Tex Glass 18oz. 3Tex Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. 3Tex Glass
패널 3: 18oz. 3Tex Glass 패널 4 : 18oz. Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. Glass
PolybeamTM703118oz. Glass
¾" CK-89 LamPrep Balsa ¾" CK-89 LamPrep Balsa
PolybeamTM703118oz. Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. Glass
18oz. 3Tex Glass 18oz. Glass
18oz. 3Tex Glass
1각주: PolybeamTM은 이들 패널에 사용된 스페이서 직물의 상표명이다.
PolybeamTM730 직물은 다음 특성을 갖는 이중 베드 머신으로부터 제조된 3중 바 라셀 니트 스페이서 직물(three bar Raschel knitted spacer fabric)이다:
웨일/미터(wale/meter)는 590, 코스/미터(course/meter)는 530이다(웨일은 스티치의 수직선이고, 코스는 스티치의 수평선이다). 얀은 약 0.2mm 직경의 100% 모노필라멘트 폴리에스테르로 이해된다. 이 구조에 대한 래핑은 다음과 같다:
바 1 02, 22, 20, 00, 02, 66, 810, 1010, 108, 88, 810, 66,
바 2 (20, 46, 810, 64) ×3
바 3 66, 810, 1010, 108, 88, 810, 66, 20, 00, 02, 22, 02,
0-2 는 하나의 니들 쇽(shog)(변위)이다. 트릭 플레이트 갭은 10mm이다.
PolybeamTM703은 유사한 특성을 갖는 유사한 라셀 니트 스페이서 직물이다.
내측 및 외측 "스킨"은 3Tex로부터 공급되는, 직교 직조된 유리섬유 재료로 이루어진다.
경화후에, 2회의 시험을 패널에 수행하였다.
Test 1: ASTM C-393 "Flexure Test"는 굽힘 하중을 받는 샌드위치 패널 표본의 강성 및 강도에 대한 평가이다.
Test 2: ASTM C-297 "Flat-wise Tension Test"는 샌드위치 외면에 대해 수직인 방향으로 구조적 코어의 인장강도 및 인장계수에 대한 평가이다.
샌드위치 패널의 가장자리를 따른 하중(edgewise loading)은 샌드위치 패널의 면에 휨(buckling)을 유도할 수 있다. 이러한 외측방향의 휨은 이들 평편방향의 응력의 대표적인 것이다.
결과:
[표 1]
시험 ASTM C-297 인장강도 및 인장계수 ASTM C-393 휨강성 및 휨계수
강도(psi) 계수(psi) 강성(in*lbf)주형면/후면 계수(psi)주형면/후면 편향@ 100lbs (in)주형면/후면
패널 1 1164 30356.3 53642.4/53888.4 20700.2/21049.1 0.045/0.045
패널 2 1083 27506.1 45069.3/43350.0 19350.9/18681.1 0.054/0.056
패널 3 877.2 25944.7 51947.5/51592.7 21128.7/20435.9 0.047/0.047
패널 4 1205.4 28016.2 50772.9/49408.1 22361.4/21922.7 0.046/0.049
이들 시험 결과는 반대로 떨어져 분리 위치된 직물층을 갖는 구조가 비압축 형태 및 압축 형태 모두에서 크게 감소된 섬유 밀도의 내부 영역을 분명히 포함함에도 불구하고, 스페이서 PolybeamTM직물의 사용으로 인해 복합재 강도 특성에 어떠한 악영향도 미치지 않음을 나타낸다.
이 실험의 현저한 관찰 결과는 인장파괴가 항상 코어(발사 부재)와 스킨 사이에서 일어난다는 것이었다. 스페이서 직물과 접촉하도록 접합된 발사 코어 부재의 면에서는 파괴가 전혀 관찰되지 않았다. 사실상, PolybeamTM703을 갖는 패널 3의 경우에는 코어의 양면에서 관찰되었다. 외측 3Tex 유리섬유 스킨과 코어 부재는 파괴되었으나, 코어 계면에 대한 PolybeamTM은 항상 손상되지 않고 남아있었다.
시험 패널 제작 :
PolybeamTM함유 라미네이트의 기계적 특성을 평가하기 위해 추가의 편평한 시험 패널을 제조하였다. 치수적인 고려사항은 선택된 ASTM 시험의 필요조건에 의해 지정되었다. 라미네이트를 적절한 두께의 복합재를 생산하도록 이러한 기초하에 선택하였다. 선택된 라미나에 스케쥴은 하기 표에 기록된 것과 같다(설명을 위해 도 7을 또한 참조).
[표 2]
섬유-수지 복합재의 ASTM D3039 인장 시험
ASTM D790 3점 휨 시험
라미나에 A:
라미나 재료 날실(warp) 배향 플라이(ply)배향1
1 E-LTM 2415-7 0° -
2 PolybeamTM730 0° NA
3 E-LTM 2415-7 0° -
[표 3]
ASTM D790 3점 휨 시험
라미나에 B:
라미나 재료 날실(warp) 배향 플라이(ply)배향
1 E-LTM 2415-7 0° -
2 PolybeamTM730 0° NA
3 E-LTM 2415-7 0° -
4 E-LTM 2415-7 0° -
5 PolybeamTM730 0° NA
6 E-LTM 2415-7 0° -
12415는 1.5oz/ft2를 갖는, 24oz/yd2의 이축 스티치된 로빙(roving)이다. CSM은 한면에 스티치한다. 여기서, (-)는 PolybeamTM에 대한 로빙을 갖는 매트를 나타낸다.
라미나에 A는 ASTM 표준 조건에 따라 두께 0.157"(4mm)를 가지도록 고안되고 라미나에 B는 두께 0.354"(9mm)를 가지도록 고안된다.
보강 라미나는 존슨 인더스트리즈(Johnson Industries)로부터 공급되는, 스티치 결합된 유리섬유로 구성되고, 다음 특성을 갖는다:
존슨 확인번호: E-LTM 2415-7
섬유 유형: 유리섬유(E)
구조: 0°/90°이축 "LT" 시리즈
건조 두께: 0.066in./1.6764mm
총 중량: 39.08oz/yd2/1291.41g/m2
섬유 구조 데이타
0°: 12.03oz/yd2/ 304.64g/m2
90°: 11.95oz/yd2/ 405.06g/m2
매트/베일: 13.5oz/yd2/ 1.5oz/ft2
제조공정:
상술된 것과 같은 샘플 조건을 충족하기 위해, 하나의 24"×24" 패널을 제조하였다. 툴은 왁스 분리 처리된(wax release treated) 48"×48" 플랫 포르미카 플레이트로 이루어졌다. 라미나에 A(표 2)는 라미나를 24"×24" 치수로 절단한 다음 이들을 툴 표면에 특정 순서로 놓음으로써 완성되었다. 라미나에 B(표 3)는 하나의 모서리를 따라 정렬된 그룹 A의 상부에 정확한 배향으로 6"×24" 라미나로 라미나에 A의 플라이 적층 순서를 반복함으로써 완성되었다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단일 진공 포트를 라미나에 B 근처에 장착하고 수지 주입용 나선형 절단 튜브 랩을 라미나에 A의 반대쪽 가장자리에 장착하였다. 이어서, 가요성 진공 백을 라미네이트에 장착 및 밀봉하고, 수지 주입 튜브를 클램프로 밀봉하고, 진공을 끌어들였다.
진공 눈금은 표준 수지 트랩에 부착된 게이지로 읽었다. 진공이 26"Hg에 도달하였을 때, 클램프를 수지 주입 튜브에서 제거하고, 튜브를 비닐에스테르 수지(∼230cps)에 놓았다. 이 부품을 가로지르는 균일한 전방 흐름이 목격되었다. 수지 전방이 진공 포트에 도달하였을 때 수지 클램프를 주입 튜브에 재부착하였다. 충분한 진공(26"Hg)을 이 과정동안 유지하였다. 이 지점에서, 라미네이트 내의 과량의 수지는 수지가 겔화되어 더 이상 유동하지 않는 시간에서의 지점까지 진공에 의해 제거되었다. 이러한 시간까지 충분한 진공이 유지되었다. 수지가 이의 발열을 완료하고 실온으로 냉각된 후, 패널을 후경화 및 시험을 위해 제거하였다. 이 시험동안 다음 조건이 관찰되었다:
실온: ∼68℉
수지 온도: ∼68℉
툴링(tooling) 온도: ∼68℉
점도는 77℉에서 230cps로 지정되었다.
섬유 체적: 라미네이트내에 진공 주입을 위한(주입 매질 없이) 전형적인 섬유/수지비 범위는 40:60 내지 75:35이다. 이들 범위는 중량에 기초한 것이고, 따라서 수지와 섬유 둘다의 측면에서 사용되는 구성성분에 매우 의존적이다. 따라서 본 발명이 이들 특정 비율로 결코 제한되지 않음을 이해할 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 이점 및 유용성은 광범위한 섬유 크기 및 섬유 조성의 사용으로 실현될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 유리 섬유는 흔히 가장 널리 사용되나, 탄소섬유 또는 케블라(Kevlar) 폴리방향족 섬유와 같은 다른 섬유도 사용될 수 있다. 유사하게, 광범위한 범위의 열경화성 수지(에폭시, 비닐 및 기타 가교결합성 재료) 또한 이러한 용도에 적합하다. 3차원 스페이서 직물의 종래 이용과 대조하여 본 발명에서 본질적으로 발견된 것은 이들이 복합재 적층물내로 및 이를 통해 수지의 더욱 신속한, 향상된 도입 및 유동을 허용하는 특별한 능력을 갖는다는 점이다. 놀랍게도, 이러한 특징은 스페이서 직물에 진공 적용되어 압축된 상태하에서도 존재한다. 또한, 스페이서 또는 Z-방향 섬유(도 6 및 7에 도시됨)가 탄성을 유지하기 때문에 구조물이 되튀기는 경향을 간직하여, 그렇지 않았을 경우에 최종 경화된 복합재내에 바람직하지 않은 공극 및 기공 또는 비교할만한 불연속물로 있었을 것들을 채운다. 이러한 되튀김 경향(spring back)은 사실상 수지 주입에 의해 도입되는 윤활작용에 의해 보조되어, 그렇지 않은 경우에 무수 재료에 존재하는 섬유 대 섬유 상호 마찰을 감소시킨다. 따라서 생성된 복합재는 이이 구조에서 뿐만 아니라 최종 강도 특성의 면에서 더욱 높은 등급의 완전성 및 균일성을 나타낸다. 제조공정에서의 현저한 경제성은 소모량을 줄이고 규격미달 제품을 줄일 수 있다는 점에서 본 발명의 이용의 추가의 이점이다.
본 발명의 상기 이점은 3차원 스페이서 직물과 소통하는 부(negative) 압력의 후속 경화성 수지 유동을 유발하는 진공 백 수단을 사용하여 주형 표면에 적층된 최외측 예비성형체 사이에 배치된 하나 이상의 단일체 코어 부재로 가장 완전하게 실현되는 것으로 현재 여겨지는 것이다. 본 발명의 특징은 경화성 수지의 생성된 비교적 높은 속도 흐름이 섬유 직물층 자체가 3차원 스페이서 직물 구조를 가지지 않을 경우에도 인접한 섬유 직물층의 완전한 측면 습윤화를 제공하여, 균일한 수지 주입이 복합재 라미네이트 전체에서 달성될 수 있다는 점이다. 물론, 본 발명은 또한 많은 상이한 주형으로 이용될 수 있고, 마찬가지로 상술한 개방식 주형 기술 뿐만 아니라 밀폐식 주형 기술에서도 사용하기에 적합하다.
따라서, 본 발명은 첨부되는 특허청구범위의 범위 및 요지에 의해서만 제한된다.

Claims (3)

  1. 하나 이상의 직물 또는 부직물 섬유-함유 면과 이와 마주보는 직물 또는 부직물 섬유-함유 면으로 구성되고, 이들 사이에 하나 이상의 라미네이트간 3차원 스페이서 직물 구조물이 배치되는 섬유-강화된 복합재 라미네이트로 이루어진 제품으로서, 상기 구조물이 첫번째 X 및 Y 평면에 대체로 놓여있는 섬유들을 갖는 제 1 직물층, 두번째 X 및 Y 평면에 대체로 놓여있는 섬유들을 갖는 제 2 직물층, 및 이들사이에 상기 제 1 및 제 2 직물층을 서로 연결하고 Z 방향으로 대체로 연장하는 복수의 스페이서 섬유들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 직물층을 통해 그리고 이들사이에 수지를 주입하기 위한 사실상 측면 유리 경로를 제공하며, 상기 복합재 라미네이트 전체가 경화성 수지로 사실상 포화되어 있는 제품.
  2. 직물 또는 부직물 섬유 구조물로 이루어진 하나 이상의 제 1 예비성형체를 주형 표면에 놓고, 그 위에, 첫번째 X 및 Y 평면에 대체로 놓여있는 섬유들을 갖는 제 1 직물층, 두번째 X 및 Y 평면에 대체로 놓여있는 섬유들을 갖는 제 2 직물층, 및 이들사이에 상기 제 1 및 제 2 직물층을 서로 연결하고 Z 방향으로 대체로 연장하는 복수의 스페이서 섬유로 이루어진 3차원 스페이서 직물을 가하는 단계;
    그 위에, 직물 또는 부직물 섬유 구조물로 이루어진 제 2 예비성형체를 가하는 단계;
    생성된 적층물을 진공 백내에 봉입시키는 단계;
    상기 진공백의 봉입물에 진공을 가하기 위한 수단을 제공하는 단계;
    적어도 상기 3차원 스페이서 직물과 소통하면서 상기 진공백의 하나 이상의 면을 따라 경화성 수지 조성물을 도입하기 위한 수단을 제공하는 단계; 및
    상기 전 섬유 구조물을 통해 유동하고 이를 습윤화시키기 위해 상기 수지를 도입하는 단계를 포함하는, 섬유-강화된 복합재 라미네이트의 형성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 섬유 적층물의 적어도 한 부분과 상기 3차원 스페이서 직물 사이에 하나 이상의 단일체 코어 부재를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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