KR20140105290A - 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법 - Google Patents

섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 복수 개의 내부 튜브 및 상기 복수 개의 내부 튜브를 외부에서 감싸는, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘을 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법{FIBER REINFORCED CERAMIC COMPOSITE MATERIALS HONEYCOMB AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
복합소재 중 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 꿈의 재료로서 오늘날 특히 주목되고 있는 것이 일본에서 개발된 탄소섬유이다. 탄소섬유는 유기섬유를 질소기류 속에서 가열해서 만든다. 이러한 과정을 통해서 섬유는 탄화해서 결정화되며, 가볍고 튼튼해진다. 현재 상기 탄소섬유는 태양전지 패널과 안테나, 레이더 등에서 사용되고 있다.
상기 탄소섬유는 원료에 따라 품질, 성능에 차이가 있다. 크게 나누어 PAN(폴리아크릴로니트릴)계와 피치(석유, 석탄에서 방향족계 탄화수소)계의 두 가지가 있다. 또한 인장강도, 탄성률 등의 기계적 특성치에 의해서 분류된다.
한편, 섬유강화 복합소재는 고분자 수지로 이루어진 기지재(matrix)와 보강섬유(reinforcement)로 이루어진 소재로서, 가볍고 물성이 우수한 장점을 가진 소재이다. 상기 기지재는 천연수지나 합성 고분자 등을 사용하며, 보강섬유는 유기섬유 또는 탄소섬유 같은 무기 섬유 등이 사용된다.
내열성이 우수한 세라믹은 높은 온도에서도 잘 견딘다는 특성 이외에도 경도가 높고 내화학, 내마모 특성이 우수하며, 또한 강도 대비 비중이 낮아 재료의 무게를 줄일 수 있다. 그러나 세라믹 재료는 쉽게 깨어진다는(취성 파괴) 단점을 가지고 있어 보다 광범위한 응용에 문제점이 있다.
한편, 허니컴 구조체에 관한 대한민국 특허출원 제2007-0029786호의 경우, 배기가스 포집용 필터로서, 디젤 엔진의 배기가스 중의 입자상 물질을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF) 허니컴 구조체를 개시하고 있지만, 기계적인 물성, 열전도도 등이 떨어지는 문제점이 있다.
대한민국 특허출원 제2007-0029786호
본 발명의 목적은, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘 및 내부 튜브를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 장섬유 또는 2차원 직물로 이루어진 탄소섬유를 이용하여, 인성, 열충격 저항성 등의 기계적인 물성과 열전도도 등에 대한 방향성 부여 등 설계 영역을 크게 증가시킬 수 있는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 섬유를 원하는 형상으로 와인딩하여, 허니컴이 적용되는 장치에 용이하게 적용할 수 있는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 복수 개의 내부 튜브 및 상기 복수 개의 내부 튜브를 외부에서 감싸는, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘을 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴을 제공한다.
또한, 본 발명은 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침하는 단계; 상기 함침된 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 각각 형성하고 경화시키는 단계; 외부 쉘 내부에 내부 튜브를 위치시키는 단계; 상기 외부 쉘 및 내부 튜브를 탄화시키는 단계; 및 상기 외부 쉘 및 내부 튜브에 금속을 용융 침투시키는 단계를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴은 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘 및 내부 튜브를 포함함으로써, 인성, 열충격 저항성 등의 기계적인 물성과 열전도도 등에 대한 방향성 부여 등 설계 영역을 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법은, 섬유를 원하는 형상으로 와인딩하여, 허니컴이 적용되는 장치에 용이하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴은, 장섬유 또는 2차원 직물로 이루어진 탄소 섬유를 이용함으로써, 섬유를 균일하게 분산시킬 수 있으며, 이를 통해 기계적인 물성과 열전도도 등을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재의 제조방법에 관한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재의 제조방법에 있어서, 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 형성시키는 단계에 관한 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재의 제조방법에 있어서, 외부 쉘 및 내부 튜브를 결합시키는 단계에 관한 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재의 제조방법에 있어서, 외부 쉘 및 내부 튜브를 결합시키는 방법에 관한 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재의 제조방법에 있어서, 탄화 및 금속 용융 침투 단계에 관한 일실시예를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 복수 개의 내부 튜브(tube) 및 상기 복수 개의 내부 튜브를 외부에서 감싸는, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘(shell)을 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴을 제공한다.
상기 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴은, 세라믹 분말을 압출 또는 프레스 성형 또는 몰드를 이용하여 제조되는 세라믹 허니컴과 달리, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 내부 튜브 및 이를 외부에서 감싸고, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘을 포함하여, 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴을 제공할 수 있다. 상기 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴은 상기 내부 튜브 및 외부 쉘이 각각 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어짐으로써, 균일한 섬유의 분산이 가능하고, 이를 통해 기계적 물성과 열전도도 등이 우수하다.
상기 섬유는 장섬유 또는 2차원 직물(2D fabric)인 것이 바람직하며, 구체적으로, 장섬유 또는 2차원 직물을 포함함으로써, 단섬유를 포함할 때 나타나는 섬유의 불균일한 분산을 최소화하여, 기계적 물성과 열전도도 등을 개선시킬 수 있다.
상기 내부 튜브의 절단면은 다각형 또는 원형인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 내부 튜브가 상기 외부 쉘의 내부에 위치하여, 허니컴의 단위 셀(cell)을 구성하고, 이때, 상기 내부 튜브는 목적하는 바에 따라, 그 형태 및 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 2차원 직물을 와인딩 함에 있어서, 그 형태를 절단면이 원형이 되도록, 원통형 튜브 형상으로 구비할 수 있으며, 사각형 또는 육각형 튜브 형상과 같이 절단면이 다각형인 내부 튜브를 구비할 수 있다.
상기 외부 쉘의 절단면은 다각형 또는 원형인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴이 적용되는 장치에 맞추어, 상기 외부 쉘의 절단면이 다각형 또는 원형이 되도록, 외부 쉘을 구비할 수 있다.
상기 섬유강화 세라믹 복합소재는 섬유강화 탄소 복합소재에 금속을 용융 침투시켜 제조된 것이 바람직하고, 상기 금속은 규소, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 니켈 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 섬유강화 탄소 복합소재의 내부나 탄화체 위에 금속을 장입한 후 진공분위기(10-1torr 이상)에서 1400 내지 1800℃로 열처리하여 금속을 용융시켜 침투시키는 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 열처리 온도 범위로 1400 내지 1800℃를 만족할 경우, 금속이 휘발되지 않고 용융되어 탄화체 내부로 원활히 침투할 수 있다.
상기 섬유강화 탄소 복합소재는 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침시키고 탄화시켜 제조된 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 고분자 수지는 페놀계 수지, 피치로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 수지인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 페놀계 수지인 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄화시키는 단계는 500 내지 2000℃ 온도 조건에서 탄화시키는 것이 바람직하고, 질소 또는 진공분위기(10-2torr 이상)에서 탄화시키는 것이 바람직하다. 상기 탄화시키는 단계를 거쳐, 고분자 수지로부터 제공되는 탄소가 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유와 함께 반응하여, 섬유강화 탄소 복합소재를 형성한다.
상기 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴은 장섬유 또는 2차원 직물을 포함함으로써, 기계적 물성, 열전도도 등이 우수하고, 따라서 태양열발전 시스템에 사용되는 흡수기용 허니컴, 구조강화용 허니컴 뿐만 아니라 배기가스 포집용 필터로서, 특히 디젤 엔진의 배기가스 중의 입자상 물질(미립자)을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF) 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다.
본 발명은 도 1에서와 같이, (A) 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침하는 단계; (B) 상기 함침된 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 형성하고 경화시키는 단계; (C) 외부 쉘 내부에 내부 튜브를 위치시키는 단계; (D) 상기 외부 쉘 및 내부 튜브를 탄화시키는 단계; 및 (E) 상기 외부 쉘 및 내부 튜브를 금속 용융 침투시키는 단계를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법을 각 단계별로 상세하게 설명한다.
첫째로, (A) 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침하는 단계를 포함한다. 도 2에서와 같이, 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 롤을 통하여 고분자 수지가 담긴 수조에 함침시키는데, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 페놀계 수지, 피치로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 수지인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 페놀계 수지인 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소 섬유는 장섬유 또는 2차원 탄소 섬유인 것이 바람직하며, 구체적으로 장섬유 또는 2차원 직물을 포함함으로써, 단섬유를 포함할 때 나타나는 섬유의 불균일한 분산을 최소화하여, 기계적 물성과 열전도도 등을 개선시킬 수 있다.
둘째로, (B) 상기 함침된 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 형성하고 경화시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 도 2에서와 같이, 상기 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유가 고분자 수지에 함침된 상태에서, 상기 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여, 내부 튜브 및 외부 쉘을 형성하고, 이때 상기 내부 튜브 및 외부 쉘의 절단면이 다각형 또는 원형이 되도록 와인딩하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 형성하고, 경화시키는 과정을 통해, 상기 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유로부터 섬유강화 고분자 복합소재가 형성된다.
셋째로, (C) 외부 쉘 내부에 내부 튜브를 위치시키는 단계를 포함한다. 도 3 또는 도 4에서와 같이, 상기 외부 쉘은 복수 개의 내부 튜브를 외부에서 고정시키고, 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 형태를 유지시킬 수 있도록 역할을 하며, 상기 내부 튜브는 외부 쉘의 내부에서, 허니컴의 단위 셀 역할을 한다.
넷째로, (D) 상기 외부 쉘 및 내부 튜브를 탄화시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 탄화시키는 단계는 500 내지 2000℃ 온도 조건에서 탄화시키는 것이 바람직하고, 질소 또는 진공분위기(10-2torr 이상)에서 탄화시키는 것이 바람직하다. 상기 탄화시키는 단계를 거쳐, 고분자 수지로부터 제공되는 탄소가 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유와 함께 반응하여, 섬유강화 탄소 복합소재를 형성한다.
다섯째로, (E) 상기 외부 쉘 및 내부 튜브에 금속을 용융 침투시키는 단계를 포함한다. 도 5에서와 같이, 금속 용융 침투를 통해 금속 및 섬유강화 탄소 복합소재가 반응하여, 섬유강화 세라믹 복합소재를 형성한다. 이때, 상기 금속 용융 침투 단계에 사용되는 금속은 규소(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 섬유강화 탄소 복합소재의 내부나 탄화체 위에 금속을 장입한 후 진공분위기(10-1torr 이상)에서 1400 내지 1800℃로 열처리하여 금속을 용융시켜 침투시키는 것이 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 열처리 온도 범위로 1400 내지 1800℃를 만족할 경우, 금속이 휘발되지 않고 용융되어 탄화체 내부로 원활히 침투할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
도 2에서와 같이, 4-axis winding process를 통하여 탄소 섬유(Toray T-700)를, 고분자 수지인 열경화성 페놀 수지(KRD-HM2, Kolon)에 함침시키고, 상기 함침된 탄소 섬유를 맨드렐(165mm diameter × 800mm length)에 와인딩(각 60˚)하여, 복수 개의 내부 튜브(단면이 원형, 지름 2.56mm, 길이 150mm, 두께 0.3mm), 및 외부 쉘(단면이 원형, 지름 50mm, 길이 150mm, 두께 5mm)을 제조한 후, 경화시켰다. 이때 상기 내부 튜브를 제조하기 위한 상기 탄소 섬유는 2차원 탄소 섬유이고, 상기 외부 쉘을 제조하기 위한 상기 탄소 섬유는 장섬유이고, 상기 장섬유를 회전 맨드렐 위에 감아 외부 쉘을 제조하였다.
이후, 복수 개의 내부 튜브의 외부를 외부 쉘이 감싸도록 위치시키고, 상기 섬유를 함침한 열경화성 페놀 수지를 이용하여 접합시켜, 허니컴을 제조하였다.
상기 제조된 허니컴을 1000℃, 진공 조건하에서 탄화시키고, Si를 1650℃, 진공 조건 하에서 용융 침투 반응을 시켜서 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴을 제조하였다.
< 실시예 2>
도 2에서와 같이, 4-axis winding process를 통하여 탄소 섬유(Toray T-700)를, 고분자 수지인 열경화성 페놀 수지(KRD-HM2, Kolon)에 함침시키고, 상기 함침된 탄소 섬유를 맨드렐(165mm diameter × 800mm length)에 와인딩(각 60°)하여, 복수 개의 내부 튜브(단면이 원형, 지름 2.56mm, 길이 150mm, 두께 0.3mm) 및 외부 쉘(단면이 원형, 지름 50mm, 길이 150mm, 두께 5mm)을 제조하고, 경화시켰다. 이때 상기 내부 튜브 및 외부 쉘을 제조하기 위한 상기 탄소 섬유는 2차원 탄소 섬유이고, 상기 외부 쉘을 제조하기 위하여, 미리 준비된 형틀에 상기 2차원 탄소 섬유를 와인딩하여 제조하였다.
이후, 복수 개의 내부 튜브의 외부를 외부 쉘이 감싸도록 위치시키고, 상기 섬유를 함침한 열경화성 페놀 수지를 이용하여 접합시켜, 허니컴을 제조하였다.
상기 제조된 허니컴을 1000℃, 진공 조건하에서 탄화시키고, Si를 1650℃, 진공 조건 하에서 용융 침투 반응을 시켜서 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴을 제조하였다.

Claims (13)

  1. 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 복수 개의 내부 튜브; 및
    상기 복수 개의 내부 튜브를 외부에서 감싸는, 섬유강화 세라믹 복합소재로 이루어진 외부 쉘을 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 섬유강화 세라믹 복합소재는 섬유강화 탄소 복합소재에 금속을 용융 침투시켜 제조된 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 금속은 규소, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 니켈 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 섬유강화 탄소 복합소재는 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침시키고 탄화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 섬유는 장섬유 또는 2차원 직물인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 내부 튜브의 절단면은 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 쉘의 절단면은 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴.
  8. 고분자 수지에 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 함침하는 단계;
    상기 함침된 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를 와인딩하여 내부 튜브 및 외부 쉘의 형태를 각각 형성하고 경화시키는 단계;
    외부 쉘 내부에 내부 튜브를 위치시키는 단계;
    상기 외부 쉘 및 내부 튜브를 탄화시키는 단계; 및
    상기 외부 쉘 및 내부 튜브에 금속을 용융 침투시키는 단계를 포함하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 탄소 섬유는 장섬유 또는 2차원 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 탄화시키는 단계는 500 내지 2000℃에서 탄화시키는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 용융 침투 단계에 사용되는 금속은 규소, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 니켈 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 함침된 탄소 섬유 또는 탄화 규소(SiC) 섬유를, 절단면이 다각형 또는 원형이 되도록 와인딩하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 고분자 수지는 페놀계 수지 및 피치로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화 세라믹 복합소재 허니컴의 제조방법.
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KR20200137275A (ko) 2019-05-29 2020-12-09 한국에너지기술연구원 세라믹복합소재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 세라믹복합소재

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