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KR20080016694A - 화학 기상침착 치밀화에 의해 복합재료 부품을 제조하기위한 기질과 그 제조방법 및 제조된 부품 - Google Patents

화학 기상침착 치밀화에 의해 복합재료 부품을 제조하기위한 기질과 그 제조방법 및 제조된 부품 Download PDF

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KR20080016694A
KR20080016694A KR1020077030696A KR20077030696A KR20080016694A KR 20080016694 A KR20080016694 A KR 20080016694A KR 1020077030696 A KR1020077030696 A KR 1020077030696A KR 20077030696 A KR20077030696 A KR 20077030696A KR 20080016694 A KR20080016694 A KR 20080016694A
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fibers
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브뤼노 베르나르
스떼빠네 귀자르
세바스뗑 베르뜨랑
쟈끄 떼볼뜨
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에스엔에쎄엠아 프로폴지옹 솔리드
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Abstract

본 발명은 섬유 예비성형체(20)를 형성하고, 적어도 그 한쪽으로부터 예비성형체 내에서 뻗어있는 구멍들(22)을 형성하고, 가스 위상의 화학 기상침착(CVI)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 매트릭스로 예비성형체를 치밀화함으로써 제조된 복합재료 부품에 관한 것이다. 구멍들(22)은 예컨대 고압의 제트 기계가공에 의해 섬유들을 파괴하여 그 재료를 제거함으로써 형성되는데, 구멍들을 구비한 예비성형체에서의 섬유 배치는 구멍들이 형성되기 전의 원래의 배치에 비하여 대체로 변경되지 않는다. 치밀화 그라디언트는 따라서 크게 감소되고, 밀도가 단일 치밀화 사이클에서 얻어질 수 있는데, 종래에는 중간의 외피제거 작업에 의해 분리된 몇개의 사이클들이 요구되었다.
기상침착, 구멍, 브레이크 디스크, 복합재료

Description

화학 기상침착 치밀화에 의해 복합재료 부품을 제조하기 위한 기질과 그 제조방법 및 제조된 부품 {METHOD AND SUBSTRATE FOR MAKING COMPOSITE MATERIAL PARTS BY CHEMICAL VAPOUR INFILTRATION DENSIFICATION AND RESULTING PARTS}
본 발명은 섬유 기질을 형성하고 이 기질을 화학 기상침착(CVI) 타입의 방법에 의해 형성된 매트릭스로 치밀화함으로써 복합재료 부품을 제조하는 것에 관한 것이다. 본 발명에 대한 특별하지만 비독점적인 응용분야는 탄소/탄소(C/C) 복합재료로 브레이크 디스크를 제조하는 것으로서, 특히 고정자 디스크와 회전자 디스크 사이에서 교대하는 공통축 상의 한 세트의 디스크를 구비하는 항공기 브레이크를 위한 브레이크 디스크를 제조하는 것이다. 그렇지만 본 발명은 다른 부품들을 C/C 복합재료로 또는 기타 복합재료로 제조하는 것에 적용할 수 있고, 특히 세라믹 매트릭스 복합(CMC) 재료로 제조하는 것에 적용할 수 있다.
CVI 타입의 방법을 사용하여 섬유 기질이나 예비성형체 등의 다공성 기질을 치밀화하는 것이 주지되어 있다.
종래의 CVI 공정에서는, 치밀화를 위한 기질이 오븐에 위치된다. 가스를 구성하는 하나 이상의 성분들을 분해함으로써 또는 복수의 성분들 사이의 반응에 의해 기질의 기공 내에 매트릭스를 이루는 재료를 적층시키기 위하여 반응 가스가 소 정의 온도와 압력 조건에서 오븐에 인입된다.
치밀화를 위한 기질이 매트릭스를 이루는 재료를 위한 전구체(precursor)가 존재하는 상태에서 반응기 내에 위치되어 가열되는 방법이 또한 알려져 있다. 전구체는 반응기 내에서 액체 상태로 존재하고 기질은 예컨대 전류를 흘리거나 또는 코일을 가진 전자기 결합에 의해 가열되는데, 기질은 탄소 섬유와 같은 전도성 섬유로 형성된다. 이러한 공정은 미국특허 제4,472,454호, 제5,397,595호, 또는 제5,389,152호에 특별히 기술되어 있는데, 때때로 가열에 의한 치밀화라 불린다. 전구체가 뜨거운 기질과 접촉하면 기화되므로 본 명세서에서는 그 공정이 CVI 타입의 치밀화 공정이라 여겨진다. 달리 말하면, "CVI 타입의 공정"이라는 용어 또는 "화학 기상침착 타입의 공정"이라는 용어가 종래의 화학 기상침착 공정 및 가열에 의한 치밀화 공정 모두를 커버하도록 본 명세서의 상세한 설명과 청구범위에서 사용된다.
이런 CVI 타입 공정에서의 주된 어려움은 그 부피 전체를 통해서 가능한 한 균일한 특성을 가지는 부품을 얻기 위하여 기질들 내에서의 치밀화 그라디언트(gradient)를 최소화하는 것이다.
매트릭스 적층(deposition)은 기질들의 표면 부분에서 우선하여 일어나는 경향이 있는데, 이 부분들이 반응가스에 의해 만나게 될 첫번째 부분이기 때문이다. 결과적으로, 기질의 코어로 확산하려고 하는 가스는 감소되고, 기질들의 표면 부분의 기공들이 일찍 닫혀서 코어로 확산하려는 가스의 능력을 점진적으로 감소시킨다. 이 때문에 기질의 표면 부분들과 코어들 사이에 치밀화 그라디언트가 생기게 된다.
이런 이유로 특히 두꺼운 부품들을 제조할 때, 일단 어느 정도의 치밀화가 달성되면 표면의 기공들을 다시 개방하는 역할을 하는 "스칼핑(scalping)"이라 부르는 작업에서 그 표면을 기계가공하기 위하여 공정을 중단하고 부분적으로 치밀화된 기질들을 제거할 필요가 실제로 있다. 이에 따라 반응가스가 기질들의 코어로 확산하기가 더 쉬운 접근성을 가진 상태에서 치밀화가 계속 진행될 수 있다. 예로서, 브레이크 디스크를 제조할 때, 중간에 스칼핑 작업을 가진 적어도 2개의 CVI 치밀화 사이클(사이클 I1과 I2)을 수행하는 것이 실무상 일반적이다. 그럼에도 불구하고 실제로는 최종적으로 얻어진 부품들에서 치밀화 그라디언트가 관찰된다.
치밀화 그라디언트가 생성되는 것을 피하고 그리고 스칼핑 작업을 가능하면 피하기 위하여, 예컨대 불균일한 방식의 기질 가열에 의한 온도 그라디언트를 포함하는 CVI 치밀화 방법을 구현하는 것이 실제로 알려져 있다. 유도 코일과 그리고 치밀화를 위한 하나 이상의 고리형상 기질들 사이의 직접 커플링에 의한 불균일 가열이 미국특허 제5,846,611호와 유럽특허 제0946461호에 기재되어 있다. 가스에 그다지 용이하게 접근할 수 없는 기질 영역에서의 매트릭스 적층은 기질의 다른 부분의 온도보다 더 높은 온도로 이 영역을 상승시킴으로써 촉진된다. 그럼에도 불구하고, 이 기술은 일정한 형상과 종류의 기질로 제한되며 그리고 오븐내에서 기질을 일정한 배치로 적재하는 것에 제한된다.
미국특허 제5,405,560호는 그 마주보는 면들 사이에서 예비성형체를 통해 뻗어있는 구멍의 형태로 통로를 제공함으로써 C/C 복합재료로 제조된 브레이크 디스 크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체에 의해 구성되는 기질의 내부로의 반응가스의 접근을 촉진시키는 것을 제안한다. 이 경우 구멍들은 예비성형체를 손상시키지 않고 예비성형체의 섬유를 밀어젖히는 바늘을 삽입함으로써 제공된다. CVI 치밀화 동안에, 이 구멍들은 가스에 대하여 예비성형체의 중앙부분에 도달하기 위한 더 짧은 통로를 제공한다. 그러나 본 출원인에 의해 실행된 테스트에 의하면 이 기술은 아래에 기술하는 것처럼 치밀화 그라디언트를 최소화하는 것에 한계가 있음을 보여준다. 특허문헌 FR 2616779는 부분적으로 섬유를 파괴할 수 있는 가압 유체에 의해 구멍들을 형성하는 가능성을 언급하고 있지만, 섬유들의 손상을 피할 것을 권하고 있다.
C/C 복합재료로 제조된 브레이크 디스크 블랭크에 구멍들을 형성하는 것이 특허문헌 FR 2144329에 역시 기재되어 있다. 그러나, 이 문헌은 액체 기술에 의해, 예컨대 예비성형체에 탄소-전구체 수지를 주입시킴으로써 브레이크 디스크 섬유 예비성형체를 치밀화하는 것에 관한 것인데, 여기서 수지는 가교(경화)되고 탄소 매트릭스를 형성하도록 탄화되거나 흑연화된다. 구멍들은 수지가 경화된 후에 그리고 탄화되거나 흑연화되기 전에 형성되며, 이 구멍들은 탄화 또는 흑연화 동안 휘발성 물질들을 증발시키는 역할을 하고, 따라서 가스가 탄소 매트릭스 내에 붙잡혀 있는 것을 피하게 하는 역할을 한다. 그것은 CVI 치밀화와는 완전히 다른 공정이다.
본 발명의 목적은 CVI 타입의 치밀화 공정동안 반응가스의 확산을 용이하게 하여, 첫번째로 복합재료 부품들의 제조에 있어서 섬유기질들의 실제로 균일한 치밀화를 달성하고, 그리고 두번째로 중간의 스칼핑 단계에 의해 분리되는 치밀화 사이클의 수를 줄이고, 또는 중간의 스칼핑 단계에 의해 더 이상 구멍들을 다시 개방시킬 필요가 없기 때문에 가능하다면 단일 사이클에서 치밀화를 달성하는 것이다.
이 목적은 섬유 기질을 준비하는 단계, 기질의 적어도 하나의 표면으로부터 기질 내에 뻗어있는 구멍들을 형성하는 단계, 및 화학 기상침착 타입의 공정에 의해 적어도 부분적으로 형성된 매트릭스로 기질을 치밀화하는 단계를 구비하고, 여기서 상기 구멍들은 섬유들이 파괴되어 그로부터 섬유 재료를 제거함으로써 기질에 형성되고, 구멍들을 구비한 예비성형체에서의 섬유들의 배치는 구멍들이 형성되기 전의 초기 배치에 비하여 대체로 바뀌지 않는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법에 의해 달성된다.
아래에서 설명되는 것처럼, 섬유들이 파괴되고 재료를 제거함으로써 기질에 구멍들을 형성하면 놀랍게도 기질의 실제로 균일한 치밀화를 얻을 수 있게 되는데, 이 결과는 종래기술에서와 같이 구멍들이 섬유들에 비파괴 효과를 갖는 니들을 삽입하여 형성될 때는 결코 얻을 수 없다. 종래기술에서는 중간의 스칼핑 작업에 의해 분리된 복수의 사이클들을 요구하던 치밀화 정도를 단일 사이클에서 얻는 것도 가능하다.
구멍들은 가압 워터젯을 사용하여 기계가공함으로써 형성될 수 있다.
본 방법의 다른 구현예에서, 구멍들은 섬유들의 재료에 파괴적인 효과를 갖는 국부적인 열 작용에 의해 형성될 수 있는데, 가능하게는 산화 매체에 노출되는 것과 공동하여 형성될 수 있다. 이것은 탄소섬유에 특히 적용할 수 있다. 국부적인 열 작용은 레이저 방사에 의해 제공될 수 있다.
본 방법의 또 다른 구현예에서, 구멍들은 드릴 비트, 드릴러, 커터와 같은 고속의 공구를 사용하는 기계가공에 의해, 또는 나이프나 펀치 또는 다이를 사용하여 잘라냄으로써, 또는 전자-부식에 의해 형성될 수 있다.
구멍들은 기질의 2개의 표면 사이에서 기질을 관통할 수 있고, 또는 기질의 한쪽 표면으로만 개방된 한쪽이 막힌 구멍일 수 있다.
더욱이, 구멍들은 이 구멍들이 개방되는 기질 표면에 대하여 직교하여 형성될 수 있고, 또는 직교하지 않는 방향으로 뻗어 있을 수 있다.
브레이크 디스크를 위한 고리형상의 예비성형체를 형성하는 기질을 사용하면, 결과로서 생기는 구멍들은 예비성형체의 축에 수직하게 예비성형체의 주표면들중 적어도 하나로 개방되는 구멍들일 수 있고, 또는 외주면으로 그리고 가능하다면 내주면으로 개방되는 구멍들일 수 있고, 이 구멍들은 반경방향 또는 대략 반경방향으로 방위설정되거나 또는 구멍들은 이 구멍 타입들의 조합일 수 있다.
구멍들의 평균 직경은 CVI 치밀화 공정이 끝나기 전에 매트릭스 재료의 적층에 의해 구멍들이 닫히지 않도록 선택된다. 약 0.05mm 내지 2mm의 범위에 있는 평균 직경이 예컨대 선택될 수 있다. 구멍들은 직경이 작고 치밀화 공정 이후 후속 사용동안 어떠한 기능적 역할도 수행하지 않는데, 예를 들어 구멍들은 브레이크 디스크를 위한 냉각 기능을 제공하지 않는다.
구멍들의 밀도는 실제로 균일한 방식으로 치밀화하기를 원하는 기질의 모든 부분에 최단경로를 가진 반응가스를 제공하기에 충분하도록 선택된다. 예를 들어, 대략 0.06 구멍/cm2 내지 4 구멍/cm2의 범위에 있는 밀도를 선택할 수 있는데, 이 밀도는 기질의 중간면 또는 중간 표면에서 단위 면적당 구멍들의 개수로 측정된다. 달리 말하면, 인접하는 구멍들의 축들 사이의 거리 또는 피치는 바람직하게는 약 0.5 cm 내지 4 cm의 범위에 있다.
섬유 기질의 구멍들의 밀도는 치밀화를 위한 기질의 모든 부분에 같은 방식으로 반응가스를 위한 최단경로를 제공하기 위하여 일정할 수 있다. 변형예에 있어서, 구멍의 밀도는 변화할 수 있는데, 이 경우에 구멍들이 없을 때 가스에 대한 경로가 더 길어지고 기질의 코어에 공급되는 매트릭스 재료의 양이 더 작아지는 기질의 부분에서 밀도가 더 크게 되도록 선택가능하고, 구멍들이 없더라도 공급되는 매트릭스 재료의 양이 충분히 높은 기질의 부분에서는 밀도가 더 작게 또는 심지어 0으로 선택하는 것이 가능하다. 따라서, 구멍들이 기질의 주 표면들중 적어도 하나로 개방되는 상태를 갖는 브레이크 디스크, 특히 항공기 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 예비성형체 형태의 기질들에 대하여, 구멍들의 밀도는 디스크의 마찰 트랙에 대응하는 기질의 중앙부분과 그 내주면과 외주면에 인접하는 기질의 부분들 사이에서 변화할 수 있고 감소할 수 있다. 제조될 브레이크 디스크의 마찰 트랙에 대응하는 기질의 중앙부분에만 구멍들을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명은 또한 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질을 제공하는데, 이 기질은 적어도 하나의 표면으로부터 기질 내로 뻗어있는 구멍들을 포함하고, 이 기질의 구멍들의 벽 근방에 섬유들의 단위체적당 밀도가 기질의 다른 부분들에서의 섬유들의 단위체적당 밀도보다 유의적으로 더 크지 않다.
이 기질의 특징에 따르면, 구멍들은 섬유들이 제거되는 또는 파괴되는 한정 영역들에 의해 규정된다.
본 발명은 또한 화학 기상침착 타입의 공정에 의해 적어도 부분적으로 얻어진 매트릭스에 의해 치밀화되고 적어도 그 한쪽 표면으로부터 복합재료 부품 내로 뻗어있는 구멍들을 제공하는 섬유보강부를 구비하는 복합재료 부품을 제공하는데, 섬유보강부는 상술한 바와 같이 기질으로부터 제조되고, 또는 구멍들의 벽 근방에서의 보강 섬유들의 단위 체적당 밀도는 복합재료 부품의 다른 부분들에서의 섬유들의 단위체적당 밀도보다 유의적으로 더 크지 않다.
본 발명은 첨부도면을 참조하면서 제한할 목적이 아닌 이하의 상세한 설명을 읽게 되면 더 잘 이해할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 방법을 구현함에 있어서 복합재료 부품을 제조하는 연속적인 단계들을 나타낸다.
도2는 구멍들이 형성된 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체의 사시도이다.
도3은 도2의 평면 III의 부분단면도이다.
도4 내지 도6은 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체의 주 표면중 적어도 하나로 개방되는 구멍들의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도7 내지 도10은 섬유기질의 표면에서의 구멍들의 변형 배치를 나타낸다.
도11과 도12는 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 예비성형체의 외주면으로 적어도 개방되는 구멍들의 변형예를 나타내는 도면이다.
도13은 도2에 도시된 종류의 예비성형체를 사용하여 치밀화, CVI 및 최종 가공후 얻어진 브레이크 디스크를 나타낸다.
도14는 구멍들이 여러 밀도로 형성된 항공기 브레이크의 회전자 디스크를 위한 섬유 예비성형체의 평면도이다.
도15는 CVI 치밀화 오븐의 스택에 적재된 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체를 나타낸다.
도16은 도14의 예비성형체를 치밀화한 후 얻어진 디스크의 밀도가 내주와 외주 사이에서 어떻게 변화하는 지를 보여주는 그래프로서, 비교를 위하여 비슷하지만 구멍이 형성되지 않은 예비성형체를 치밀화한 후 디스크에 밀도가 변화하는지도 함께 나타낸다.
도1에 도시된 방법의 제1 단계(10)는 3차원(3D)의 섬유기질 또는 얻어질 복합재료 부품의 형상에 근접하는 형상을 갖는 섬유 예비성형체를 제조하는 것으로 이루어진다. 이러한 섬유 예비성형체를 제조하기 위한 기술들은 주지되어 있다.
성형기 또는 굴대에 감겨있는 안(yarn)이나 토우(tow), 또는 3차원의 직조, 뜨개질 또는 브래이딩(braiding)에 의해 직접 3차원 기질을 형성하는데 사용되는 얀 또는 토우와 같은, 1차원(1D)의 섬유 부재들로부터 시작하는 것이 가능하다.
직포, 니트, 플랫 브래이드(flat braid), 얇은 펠트(felt), 서로 평행한 얀 이나 토우로 제조된 쌍방향(UD) 웨브(web), 또는 여러 방향으로 중첩되고 예컨대 가벼운 니들링(needling) 또는 스티칭(stitching)에 의해 함께 결합된 쌍방향 웨브로 이루어진 다방향(nD) 웨브와 같은 2차원(2D)의 섬유 조직으로부터 시작하는 것도 가능하다. 이러한 2D 섬유 조직으로 이루어진 플라이(ply)들은 3D 기질을 얻기 위하여, 성형기나 굴대 위에 감겨지거나 또는 성형기나 지지부 위에 걸쳐짐으로써 중첩되고, 예컨대 니들링에 의해, 스티칭에 의해, 또는 플라이들을 통해 얀을 임플랜팅함으로써 함께 결합된다.
3D 기질은 무작위로 방향설정된 불연속의 섬유들을 니들링함으로써 제작된 두꺼운 펠트 형태로 얻어질 수도 있다.
이런 식으로 얻어진 3D 기질은 얻어질 부품을 위한 섬유 예비성형체로서 직접 사용될 수 있다. 원하는 형상을 얻기 위하여 3D 기질로부터 잘라내어 원하는 섬유 예비 성형체를 형성하는 것도 가능하다.
예비 성형체를 구성하는 섬유들은 얻어질 복합재료 부품의 응용의 함수로서 선택된다. 열구조적인 복합재료, 즉 양호한 기계적 성질과 고온에서 이 성질을 유지하는 능력을 가진 재료로는, 재료중 섬유 강화부의 섬유들이 전형적으로 탄소나 세라믹으로 제조된다. 예비성형체는 이러한 섬유들로 제조될 수 있고 또는 탄소나 세라믹에 대한 전구체들이고 3D 섬유 기질을 제조하는데 사용되는 여러 섬유 조직 작업을 견뎌내는데 더 적합할 수 있는 섬유들로부터 제조될 수 있는데, 기질이나 예비성형체가 만들어진 후에는 전구체가 통상 가열처리에 의해 탄소나 세라믹으로 변환된다.
본 방법의 제2 단계(12)는 후속의 CVI 타입의 치밀화 공정 동안 예비성형체의 코어에 반응가스가 접근하는 것을 개선시키기 위하여 예비성형체에 구멍을 형성하는 것으로 이루어진다. 예비성형체가 전구체 재료를 변화시켜서 얻어진 재료의 섬유로 제조되면, 구멍들은 전구체가 변환된 후 또는 변환 전에 예비성형체에 형성될 수 있다. 구멍들이 사전에 만들어지는 경우, 구멍들이 원하는 크기로 얻어지는 것을 보장하기 위하여 전구체의 변환동안 일어날 수 있는 임의의 수축을 고려하여야 한다.
도2와 도3은 탄소/탄소(C/C) 재료로 된 브레이크 디스크를 제조하기 위한 탄소섬유로 제작된 고리형상의 섬유 예비성형체(20)를 나타낸다. 이러한 예비성형체는 예컨대 직물 플라이 또는 예비산화처리된 폴리아크릴오니트릴(preoxidized polyacrylonitrile(PAN))로 된 일방향 또는 다방향 웨브, 탄소를 위한 전구체를 중첩시키고 니들링함으로써 만들어진, 플레이트 형태의 3D 섬유기질로부터 잘라냄으로써 얻어질 수 있다. 예비성형체는 일방향 또는 다방향 직물 또는 예비산화처리된 PAN 섬유의 웨브로부터 잘라낸 고리형상의 플라이들을 중첩시키고 니들링함으로써 얻어질 수도 있다. 고리형상의 예비성형체가 예비산화처리된 PAN 섬유로 만들어진 후에, 이 예비산화처리된 PAN은 가열처리에 의해 탄소로 변환된다. 예를 들어 미국특허 제4,790,052호와 제5,792,715호를 참조할 수 있다.
구멍들(22)은 그 축(21)에 평행하게 예비성형체(20)에 형성되며 구멍들이 개방되는 마주보는 주 표면들(20a, 20b) 사이에서 그 전체 두께를 통해 뻗어있고, 주 표면들은 축(21)에 수직하다.
변형예에서는, 도4에 도시된 바와 같이, 한쪽이 막힌 구멍들(22a, 22b)이 예비성형체에 형성되는데, 구멍들(22a)은 표면(20a)으로만 개봉되어 있고 구멍들(22b)은 표면(20b)으로만 개봉되어 있다. 구멍들(22a, 22b)은 예비성형체의 두께중 매우 큰 부분에 걸쳐 뻗어있다는 것을 알아야 한다.
다른 변형예의 경우, 구멍들은 바이어스위에 형성될 수 있다, 즉 그들의 축이 표면들(20a, 20b)의 법선방향에 대하여 또는 예비성형체(20)의 축에 대하여 0이 아닌 각을 형성할 수 있고 이는 관통공(도5의 22')에 또는 한쪽이 막힌 구멍들(도6의 22a', 22b')에 적용할 수 있다.
도2에 있어서, 구멍들(22)은 동심원을 따라서 규칙적인 간격으로 배치된다. 이 구멍들은 나선을 따라서 배치될 수 있다. 또한, 섬유 예비성형체(20)가 고리형상인지 또는 다른 형상인지에 불구하고, 구멍들(22)은 예컨대 사각형의 꼭지점에서 (도7), 사각형의 꼭지점들과 중심에서 (도8), 6각형의 꼭지점에서 (도9), 또는 등변 삼각형의 꼭지점에서 (도10), 다른 패턴으로 배치될 수 있다. 주어진 밀도의 구멍들에 대하여, 등변 삼각형 배치가 구멍들로부터 예비성형체의 모든 지점들에 도달하기 위하여 가스가 뒤따르는 통로의 길이를 최소화하는데 가장 유리하다.
도11과 도12는 예비성형체(20)의 주 표면들(20a, 20b)의 한쪽 및/또는 다른 쪽만 아니라 외주면(20c)으로 그리고 임의선택사양으로서 내주면(20d)으로 개방된 구멍들이 형성된 다른 실시예를 나타내는데, 구멍들은 반경방향으로 또는 대체로 반경방향으로 뻗어있다.
도11에 있어서, 구멍들(22c)은 디스크의 중앙부분에 형성된다. 구멍들은 바 깥표면(20c)으로 개방되어 있고 표면(20c)과 내주면(20d) 사이의 거리의 주요 부분에 걸쳐 반경방향으로 뻗어있지만 그 안에서 개방되지는 않는다.
도12에 있어서, 구멍들(22d, 22e)은 디스크의 중앙부분에 형성되고, 구멍들(22d)은 표면(20c)과 표면(20d) 사이에서 반경방향으로 뻗어있는 관통공들이며, 구멍들(22e)은 표면(220c)으로만 개방되고 표면들(20c, 20d) 사이의 거리의 일부분, 약 절반에 걸쳐 뻗어있는 비관통공이다.
구멍들(22e)은 구멍들(22d)과 교번하며 표면들(20c와 20d) 사이의 구멍의 밀도 불균일성을 최소화하기 위한 것이다. 같은 이유로, 제한된 깊이의 중간 구멍들이 도11의 예에서 제공될 수도 있다.
도11과 도12가 디스크의 중간 부분에서 한 줄을 차지하는 구멍들을 나타내고 있지만, 디스크의 두께에 따라서는 복수열의 구멍들을 제공하는 것도 당연히 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 특징에 의하면, 구멍들은 재료를 제거함으로써 예비성형체에 형성된다.
이를 위하여, 가압상태의 워터젯으로 드릴링(drilling)하는 기술을 사용하여 관통공 또는 한쪽이 막힌 구멍들을 형성하는 것이 가능하다. 사용된 물은 임의선택사항으로서 고체 입자들로 장전될 수 있다. 드릴링은 하나 이상의 워터젯 펄스들을 사용하여 또는 연속으로 수행될 수 있다. 구멍들의 직경이 워터젯의 직경에 비하여 크다면, 구멍은 잘라내어, 즉 만들어질 구멍들의 각각의 주위를 잘라냄으로써 드릴링될 수 있다. 사용된 드릴링 기술에 따라서, 구멍들은 도4와 도6에 도시된 것처럼 형상에서 약간 준원추형일 수 있다. 그리고 구멍들의 직경은 워터젯 가공이 수행되는 표면으로부터 멀어져가면서 증가하는데, 이는 워터젯이 분산되기 때문이거나 또는 주로 고체가공 파편으로 장전된 물이 더 연마성이 있기 때문이다. 관통공을 이용하면, 구멍들에 의해 생성되는 보이드(void)의 밀도가 예비성형체의 두께 전체에 걸쳐서 대체로 균일한 것을 보증하기 위하여 구멍들의 약 50%는 표면들중 하나로부터 기계가공되고 다른 표면들로부터 다른 구멍들이 기계가공된다. 같은 목적을 위하여, 도4에서는, 대략 같은 수의 구멍들이 예비성형체의 표면들의 각각으로부터 형성된다.
섬유재료가 열에 의해 제거될 수 있는 경우에 적절한 구멍을 형성하는 다른 가능한 기술은 국부적인 열 작용을 생성하는 것으로서, 특히 레이저 방사에 의한 열 작용을 생성하는 것이다. 특히 탄소섬유를 이용하면, 예컨대 공기와 같은 산화매질 내에서의 이러한 열 작용은 섬유들의 재료들로 하여금 산화되어 제거될 수 있게 한다. 여러 타입의 레이저 소스가 사용될 수 있는데, 예컨대 이산화탄소 타입 또는 야그(YAG; yttrium aluminum garnet) 타입이 사용될 수 있다. 레이저 방사를 사용하면 비관통공을 제작할 때 구멍의 깊이를 제어할 수 있게 되고, 잘라내어 구멍들을 제작할 수 있게 하며, 구멍들의 방위를 제어하기 쉬워진다.
다른 기술들이 재료를 제거함으로써 구멍들을 형성하는데 사용될 수 있다. 드릴 비트(drill bit), 드릴러, 또는 커터와 같은 고속으로 구동되는 공구에 의해 기계가공하는 기술, 나이프, 펀치, 다이(die)에 의한 절단, 또는 전기부식(elctroerosion)을 사용할 수 있다. 이러한 기계가공 기술들은 주지되어 있다.
상술한 기술들을 구현함으로써 재료를 제거하여 구멍들을 형성하는 것은 예비성형체의 섬유들에 파괴적인 효과를 가지지만, 구멍들이 형성되기 전의 초기 배치와 비교하면 구멍들의 벽 근방에서 섬유들의 배치를 변화시키지 않는다. 따라서, 초기에 구멍들의 위치에 위치하는 재료는 완전히 제거되어, 결과로써 생기는 구멍들은 섬유 제거 또는 파열의 한정된 영역에 의해 규정되며, 구멍들의 벽 근방에서 단위체적당 예비성형체에서의 섬유들의 밀도가 증가하지 않는데, 이는 구멍들의 벽을 구성하는 영역들에 섬유들을 밀어넣기 위해 바늘을 삽입함으로써 구멍들이 형성되는 경우에 일어날 수 있는 것과 다르다.
후속의 CVI 타입의 치밀화 공정 동안, 섬유 예비성형체의 재료로의 반응가스의 접근은 예비성형체의 바깥면을 통해 갈 때보다 구멍들의 벽을 통해 갈 때 더 이상 제한되지 않으며, 이는 구멍을 형성하는 동안 구멍의 벽 영역으로 섬유들이 밀어넣어진다면 적용할 수 있는 것과 다른데, 그 이유는 구멍들의 표면에서 섬유들의 단위체적당 밀도의 국부적인 증가와 그리고 치밀화 공정 동안 구멍들의 벽을 일찍 닫아버리는 결과를 초래하기 때문이다. 구멍들의 벽이 이처럼 일찍 닫혀버리는 것은, 구멍들이 그 효과를 잃어버리게 되므로, 따라서 치밀화공정 동안 회피된다.
예비성형체에서 그리고 또한 CVI 타입의 공정에 의한 치밀화 후에 얻어진 복합재료 부품에서, 구멍들의 벽 근방에서의 단위체적당 섬유들의 밀도가 예비성형체 또는 부품들의 다른 부분들에서의 섬유들의 단위체적당 밀도보다 유의적으로 크지는 않다. 따라서, 불균일성이 복합재료의 성질에서 피해진다.
구멍들의 평균직경은 이 구멍들이 CVI 타입의 치밀화 공정이 끝나기 전에 닫 히지 않도록 충분히 크게 선택되는데, 구멍이 닫히면 그 기능을 수행하지 못하기 때문이고, 그렇다 해도 치밀화 후에 얻어진 복합재료 부품들의 행동에 영향을 미치지 않도록 제한되는데, CVI 타입의 공정이 끝나더라도 구멍의 직경에 대한 어떤 값 이상으로는 가스에 대한 접근성이 실제로 개선되지 않기 때문에 이는 특별히 적용된다.
따라서 이 평균 직경은 섬유에 적층될 매트릭스 두께의 함수로서, 제조될 부품들의 크기의 함수로서, 그리고 부품들의 이용의 함수로서 변화될 수 있다.
일반적으로, 특별히 항공기의 브레이크 디스크 예비성형체에 대하여, 구멍들의 평균 직경은 약 0.05 mm에서 2 mm 범위의 값을 가지는 것으로 선택될 수 있다.
구멍들의 밀도는 직경과 관련하여 CVI 타입의 치밀화 공정 동안 예비성형체의 임의의 부분에 도달하기 위하여 반응가스가 따라갈 최단거리 경로를 제공하는 것이 충분하도록 선택되는데, 그래도 치밀화 공정 후에 얻어지는 복합재료 부품의 행동에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 제한된 채로 남아 있는다. 이 밀도는 제조될 부품들의 크기와 그 이용에 적합하게 될 수 있다.
일반적으로, 그리고 특별히 항공기의 브레이크 디스크 예비성형체에 대하여, 구멍들의 밀도는 약 0.06 구멍/cm2 내지 4 구멍/cm2의 범위에 있는 값과 같도록 선택될 수 있다. 도2 내지 도6에서, 이 밀도는 한쪽이 막힌 구멍들이 형성된 실시예들을 커버하기 위하여 예비성형체의 중앙면에서 측정된다. 구멍들이 도3과 도5에서와 같이 관통공인 경우 표면들중 하나에서 측정될 수도 있다. 도11과 도12에 있어 서, 밀도는 일정하지 않고 따라서 평균 밀도가 고려될 수 있다.
달리 말하면, 인접하는 구멍들의 축들 사이의 거리 또는 피치가 0.5cm 내지 4cm 범위의 값을 가지도록 선택되는 것이 바람직하다. 도11과 도12의 실시예에 있어서, 그것은 평균 피치이다.
주어진 예비성형체에 있어서, 구멍들은 직경이 동일하거나 또는 직경이 다를 수 있다.
비슷하게, 주어진 예비성형체 없이 구멍의 밀도는 일정하거나 변할 수 있다.
구멍들이 형성된 후, 예비성형체는 CVI 타입의 공정(단계 14)에 의해 치밀화된다. 탄소나 세라믹 매트릭스를 이용한 CVI 타입의 치밀화를 위한 공정들이 주지되어 있다. 적층될 매트릭스 재료의 성질에 적합한 전구체가 사용된다.
상황에 따라서, 그리고 특히 치밀화될 예비성형체의 두께와 달성될 밀도의 함수로서, 예비성형체의 적어도 노출된 면을 제거하는 것이 임의선택적으로 바람직할 수 있다. 이러한 제거작업이 수행되면, 단계 14는 예비성형체의 표면을 기계가공하는 작업과 그리고 제2 치밀화 사이클(I2)이 뒤따르는 제1 치밀화 사이클(I1)을 구비한다.
도13은 도2에 도시된 종류의 예비성형체를 CVI 타입의 치밀화 공정 후에 그리고 최종 크기로 기계가공한 후에 얻어진 브레이크 디스크(26)를 나타내는데, 이 디스크에는 디스크가 기계적으로 체결될 수 있도록 노치(notch; 26c)와 테논(tenon; 26d)이 형성된다. 이 예에서, 디스크는 2개의 마주보는 마찰면(26a와 26b)을 가지는 항공기 브레이크를 위한 고정자 디스크이다. 예비성형체에 형성된 구멍들에 대응하는 구멍들(28)이 눈에 보이도록 되어 있다는 것을 주목하여야 한다. 그래도 그 직경이 작기 때문에 구멍들은 브레이크 디스크가 나중에 사용되는 동안에 냉각기능과 같은 임의의 기능을 수행하지 않는다.
도2와 도7에 도시된 예에서, 구멍들은 체적을 통해 형성된다. 변형예에서는 구멍을 형성하는 것이 예비성형체의 어떤 영역에 한정될 수 있고 또는 예컨대 브레이크 디스크를 가지고, 마찰면에 대응하는, 그리고 아마도 디스크와 기계적인 연결을 제공하는 테논에 대응하는 어떤 영역들에서 더 큰 밀도의 구멍일 수 있다.
따라서, 도14는 구멍들이 여러 밀도로 형성된 고리 형상의 예비성형체를 치밀화한 후에 얻어지는, 최종 기계가공 전의 항공기 브레이크 디스크(26')를 나타내는데, 구멍들은 디스크의 축에 평행한 관통공이고 예비성형체의 주 표면으로 개방되어 있다. 치밀화 공정 후에 남아있는 구멍들(28')의 배치에 의해 도시된 바와 같이, 예비성형체에 형성된 구멍들의 밀도는 그 중앙부에서, 디스크의 마찰 트랙 근방에서 최대인데, 상기 밀도는 상기 중앙부와 그리고 디스크의 내주면 및 외주면에 인접한 부분 사이에서 감소한다. 이는 브레이킹 동안 사용되는 디스크의 부분에서의 균일한 치밀화에 유리하다. 어떤 상황에서는, 치밀화의 다른 부분들, 즉 디스크의 마찰 트랙에 대응하는 것들 이외의 부분들, 예컨대 디스크와 고정부재 또는 회전 부재 사이의 기계적 연결을 제공하기 위하여 내주 또는 외주에 형성된 릴리프(relief) 또는 테논(tenon)의 부분들에 대응하는 예비성형체의 부분들에서도 치밀화를 촉진하고자 하는 구멍들을 형성하는 것이 예상 가능하다.
상기 설명은 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 섬유 예비성형체에 관한 것 이지만, 본 발명은 복합재료 부품들을 제조하는데 사용하기 위한 모든 타입의 예비성형체, 특히 균일한 치밀화 문제점이 생기는 두꺼운 부품들에 적용할 수 있다는 점은 명백하다.
또한, 본 발명은 예비성형체의 섬유들의 성질과 그리고 CVI 타입의 공정에 의해 예비성형체를 치밀화하기 위하여 적층되는 매트릭스와 무관하게 적용가능하다.
본 발명의 천공된 섬유 예비성형체를 치밀화하는 작업은 제2 단계의 CVI 타입의 치밀화 이전에 액체 기술을 이용하는 제1 단계의 부분적인 치밀화를 포함할 수 있다는 것을 역시 주목하여야 한다. 액체기술에 의한 치밀화는 주지되어 있는데, 매트릭스 재료를 위한 액체 전구체를 함유하는 액체 조성물로 예비성형체를 침착하는 적어도 하나의 사이클을 포함한다. 전구체는 전형적으로는 수지인데, 예컨대 탄소에 대한 전구체는 유기 수지이다. 임의의 용제를 제거하기 위하여 건조 후, 수지가 중합된 다음에 열처리가 수행되어 전구체를 변형시킨다.
예1
C/C 복합재료의 항공기 브레이크 디스크를 위한 탄소섬유로 만들어진 고리형상의 섬유 예비성형체는 다음과 같이 제조된다.
다방향 웨브들이 예비산화처리된 PAN 섬유들의 3개의 단방향 웨브를 중첩시키고, 서로에 대하여 ±60°의 각도로 뻗어있고 니들링에 의해 함께 결합되어 얻어졌다. 다방향 웨브들은 중첩되고 예비산화처리된 PAN의 고리형상 예비성형체가 잘 라내어지는 니들링된 판을 얻기 위하여 웨브들이 중첩됨에 따라서 점진적으로 함께 니들링된다.
예비산화된 PAN 예비성형체는 약 1600℃의 열처리를 받아서 PAN이 탄소로 변형된다. 이렇게 하여 내경 26cm, 외경 48cm, 두께 3.5cm, 및 약 23%의 섬유 체적 백분율을 가진 탄소섬유의 고리형상 예비성형체가 제조되며, 섬유체적 백분율이란 섬유가 차지하는 예비성형체의 겉보기 체적의 백분율이다.
예비성형체들중 일부는 축에 평행한 관통공들로 관통되는데, 이 관통공들은 가압 워터젯으로 형성되며, 대체로 약 1 구멍/cm2의 일정한 밀도로 형성된다. 예비성형체(A1, A2)에 대하여 각각 약 0.2mm의 직경을 가진 구멍들을 구비하고 예비성형체(B1, B2)에 대하여 약 0.5mm의 직경을 가진 구멍들을 구비하고, 예비성형체(C1, C2)에 대하여 약 1mm의 직경을 가진 구멍들을 구비한 예비성형체들이 얻어진다.
비교를 위하여, 구멍들은 직경이 2mm인 니들을 삽입하여 다른 예비성형체(D)에 약 1 구멍/cm2의 밀도로 만들어졌는데, 니들은 CVI 치밀화를 위하여 나중에 꺼내진다.
예비성형체의 로드는 기본적으로 비관통 예비성형체로 이루어진 고리형상 스택의 형태로 준비되었고, 예비성형체(A1, A2, B1, B2, C1, C2)는 비관통 예비성형체(E1, E2)의 쌍들 사이에서 스택에 삽입된다.
도15는 미국특허 제5,904,957호에 기술된 것처럼 "지향류(directed flow)" 타입의 CVI 치밀화를 수행하기 위하여 CVI 치밀화 오븐의 반응 챔버(32)에 삽입된 스택(30) 형태의 이러한 로드를 나타낸다. 간단히 말하면, 오븐은 코일(34)과 그리고 반응챔버를 규정하는 흑연 서셉터(36) 사이의 유도결합에 의해 가열되는데, 코일과 서셉터 사이에는 절연물이 개재한다. 반응가스가 서셉터(36)의 바닥을 통해 인입되어, 예비가열영역(37)을 통과하여, 그 상단부에서 닫힌 스택의 내부 체적(31)으로 향한다. 가스는 스택(30)의 바깥으로 챔버(32)의 내부 체적을 통해 흐르고, 예비성형체들 사이의 스페이서(미도시)에 의해 제공된 갭을 통과하여, 갭을 통해 확산한다. 유출하는 가스는 챔버 내의 원하는 압력 레벨을 구축하는 펌프 유닛으로 빨아내어 서셉터의 뚜껑을 통해 배출된다.
열분해 탄소 매트릭스를 구비한 기질의 CVI 치밀화가 약 5kPa의 압력과 약 1000℃의 온도에서 자연 가스에 의거한 반응가스를 사용하여 수행되었다.
치밀화는 로드가 오븐에서 제거되는 스칼핑(scalping) 작업에 의해 분리되는 2개의 사이클(I1, I2)에서 수행되었다. 사이클(I1)은 예비성형체(E)의 상대적인 밀도가 약 1.6의 값으로 상승되도록 할 수 있는 소정의 조건하에서 수행되었다. 그 두께를 제조될 디스크의 두께에 근접하도록 하기 위하여 부분적으로 치밀화된 예비성형체의 주 표면을 기계가공하여 스칼핑 작업을 한 후, 사이클(I2)이 상대적인 밀도를 약 1.8까지 가져오는 소정의 조건 하에서 수행되었다. 사이클(I2)에 대하여, 오븐은 부분적으로 치밀화된 예비성형체들(E1, A1, A2, B1, B2, C1, C2, E2)을 이 순서로 오븐에 위치시킴으로써 로딩되었다.
동일한 절차가 2개의 사이클(I1과 I2)에서 E 타입의 기질으로 이루어진 스택 로드를 치밀화하기 위하여 사용되었는데, 기질(E3)에 인접한 스택에 삽입된 기질(D)는 제외하였다.
아래의 표1에는 사이클들(I1과 I2) 이후에 디스크들(A1, A2, B1, B2, C1, C2, E1, E2)에 대해 측정된 밀도 값들과 사이클(I2) 이후에 디스크들(E3, D)에 대해 측정된 밀도값들이 주어진다. 디스크들(A1, A2, B1, B2, C1, C2)에 대해 얻어진 최종 밀도는 디스크들(D, E1, E2)에 대해 얻어진 최종밀도보다 유의적으로 크고, 디스크(D)의 밀도는 디스크(E3)의 밀도와 비교할 때 사이클(I2)의 끝에서 동일한 정도로 증가되는 것과는 거리가 멀다는 것을 알 수 있다.
시작 예비성형체 구멍들 사이클(I1)의 끝에서의 밀도 사이클(I2)의 끝에서의 밀도
E1 A1 A2 B1 B2 C1 C2 E2 없음 φ0.2 mm φ0.2 mm φ0.5 mm φ0.5 mm φ0.1 mm φ1 mm 없음 1.58 1.59 1.56 1.56 1.57 1.57 1.59 1.61 1.81 1.88 1.88 1.89 1.89 1.89 1.89 1.80
E3 없음 1.79
D φ2 mm 니들 삽입 1.81
치밀화 그라디언트가 있었는지를 확인하기 위하여, 대체로 사각형 형상의 블록들이 사이클(I2) 이후에 얻어진 디스크들(A1, E1, D, E2)로부터 디스크의 반경을 따라서 잘라내어졌다. 각 블록에 대하여, 한쪽 표면 근방의, 다른쪽 표면 근방의 및 반경방향으로 중간부분의, 내경과 외경 사이의 여러 영역(Z1 내지 Z5)에서 밀도를 측정하였다.
아래의 표2에는 측정된 밀도값들이 주어진다. 본 발명에 따라서 만들어진 디스크(A1)를 가지고 현저한 결과가 얻어졌다는 것을 알 수 있는데, 왜냐하면 그 밀도가 실제적으로 균일하기 때문이다 (변동이 1.7%보다 적음).
구멍들이 없는 예비성형체로부터 얻어진 디스크들(E1과 E3)로는, 밀도의 상당한 변동이 관찰되었는데, 중간의 스칼핑 작업에도 불구하고 상당히 가파른 치밀화 그라디언트가 존재하는 것을 보여주었다(변동은 각각 8.1% 내지 7.7%).
6%의 밀도변동이 디스크(D)에 대하여 측정되었는데, 이 변동은 디스크(E1, E3)에서 관찰된 것보다는 적지만 그래도 여전히 매우 상당한 것이다.
시작 예비성형체 구멍들 사이클(I2)의 끝에서의 밀도
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 (바깥 반경)
표면 A1 중앙 표면 φ0.2 mm 1.86 1.86 1.87 1.87 1.86 1.87 1.88 1.86 1.87 1.87 1.85 1.86 1.87 1.85 1.86
표면 E1 중앙 표면 없음 1.83 1.80 1.81 1.77 1.69 1.76 1.78 1.70 1.76 1.79 1.69 1.78 1.84 1.78 1.82
표면 D 중앙 표면 φ0.2 mm 니들 삽입 1.82 1.77 1.79 1.79 1.72 1.77 1.77 1.71 1.76 1.79 1.72 1.78 1.80 1.79 1.79
표면 E3 중앙 표면 없음 1.80 1.75 1.75 1.78 1.70 1.73 1.75 1.67 1.74 1.77 1.71 1.76 1.81 1.78 1.81
따라서, 본 발명의 방법은 치밀화 그라디언트를 실제로 제거하면서 치밀화의 정도가 증가되는 점에서 (그래서 주어진 표적 밀도에 대하여 치밀화 시간이 짧아진다는 점에서) 현저하고, (바늘을 삽입하여 구멍을 형성하는) 종래의 방법으로는 얻지 못하는 결과를 준다.
예2
공정단계는 중간의 스칼핑이 없지만, 24mm 내지 36mm 범위에 있는 여러 두께의 예비성형체와 그리고 (대략 1구멍/cm2의 일정한 밀도를 갖는 직경 0.5mm의 구멍들) 가압 워터젯에 의해 형성된 예비성형체와 그리고 천공되지 않은 예비성형체와 함께, 고정자 디스크와 회전자 디스크에 대한 고리형상의 탄소섬유 예비성형체 스택 형상의 로드를 준비하는 것이 예1과 대략 같다.
CVI 치밀화 사이클은 열분해 탄소 매트릭스를 제공하기 위해 수행되었고, 부분적으로 치밀화된 예비성형체들의 상대적인 밀도를 측정하기 위하여 전체 기간의 3/4 에서 중단되었다. 아래의 표3에는 사이클의 기간의 3/4 후에 그리고 사이클의 끝에서 측정된 중간 및 최종의 평균 상대밀도값이 주어진다.
예비성형체 디스크 타이프 두 께 (mm) 중간의 밀도 최종 밀도
천공하지 않음 고정자 24 1.65 1.74
30 1.65 1.72
36 1.68 1.70
회전자 28.5 1.71 1.75
33 1.71 1.77
구멍들 있음 고정자 24 1.66 1.79
30 1.69 1.80
36 1.73 1.82
회전자 28.5 1.75 1.83
33 1.74 1.83
원하는 표적 밀도(1.78)가 중간 단계에서는 도달되지 않았지만, 더 큰 밀도가 구멍들을 구비한 예비 성형체에서 관찰되었다. 사이클의 끝에서, 표적 밀도는 구멍들을 가진 (굵은 글씨로 된 값) 모든 예비 성형체에 대하여 달성되었고 천공하지 않은 예비성형체중 어느 것에 대해서는 달성되지 않았다.
이 예는 요구되는 밀도를 가진 C/C 복합재료 브레이크 디스크가 본 발명에 따라 예비성형체에 구멍들을 형성함으로써 중간의 스칼핑 작업없이 단일 사이클에서 얻어질 수 있다는 것을 보여준다.
예3
공정단계는 중간의 스칼핑 작업이 없지만 (기간의 단일 치밀화 사이클은 실제로 예2의 사이클의 그것과 동일함), 브레이크 디스크에 대한 고리형상의 탄소섬유 예비성형체의 스택으로서 로드를 형성하는 것은 예1과 대략 같고, 예비성형체는 천공하지 않은 예비성형체와 여러 구멍밀도로 천공된 예비성형체를 준비하였다. 구멍들은 축에 평행한 관통공으로서 직경은 0.5mm이고 도7에 도시된 바와 같이 사각형 어레이 패턴을 사용하여 가압 워터젯으로 형성되었다.
사이클은 도달된 평균 중간밀도를 측정하기 위하여 그 전체 기간의 2/3의 끝에서 중단되었다. 아래의 표4에는 구멍들의 밀도를 달리하는 예비성형체들에 대하여 사이클의 중간 및 끝에서 측정된 평균 상대밀도값이 주어진다. 사이클의 중간의 휴지와 사이클의 끝 사이의 밀도증가율이 (시간당 밀도 포인트로) 주어지는데, 최종시간에 걸친 적층율을 나타낸다.
구멍들 중간 밀도 사이클의 끝 밀도 밀도 율 증가 (밀도 포인트/시간)
없음 1.661 1.772 6.27 ×10-4
2cm ×2cm 어레이 1.650 1.793 8.08 ×10-4
1.5cm ×1.5cm 어레이 1.661 1.817 8.81 ×10-4
1cm ×1cm 어레이 1.690 1.852 9.15 ×10-4
구멍들의 밀도를 증가시키는 것은 치밀화 사이클의 최종 부분에서 더 높은 속도로 적층이 일어나게끔 한다는 것을 알 수 있다.
예4
공정단계는 중간의 스칼핑 작업이 없지만, 브레이크 디스크에 대한 고리형상의 탄소섬유 예비성형체의 스택으로서 로드를 형성하는 것은 예1과 대략 같고, 예비성형체는 천공하지 않은 예비성형체와 도14에 도시된 배치의 구멍들로 천공된 예비성형체를 준비하였다. 천공된 예비성형체는 외경과 내경이 각각 46.8cm와 26.7cm이고 두께가 3.5cm인 회전자 디스크 예비성형체로서 직경이 0.5mm인 576 관통공들을 가진 회전자 디스크 예비성형체였다. 구멍들은 예비성형체의 축에 평행한 가압 워터젯을 사용하여 형성되었다.
도16의 곡선(A)은 측정된 밀도가 예2와 예3에서와 동일한 자릿수의 크기로 표준 기간의 치밀화 사이클의 끝에서 디스크 반경의 함수로서 어떻게 변화되는지 보여준다. 비교를 위하여 곡선(B)은 동일한 크기를 갖지만 구멍이 없는 예비성형체로부터 얻어진 디스크에서 측정된 밀도 변화를 나타낸다.
예비성형체의 중앙부분의 구멍 밀도가 커지면 커질수록 이 부분에서 더 큰 디스크 재료의 밀도를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있고, 천공되지 않은 예비 성형체로부터 얻어진 디스크는 예비성형체의 중앙부분에서 최소값을 가진 강한 밀도 그라디언트를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

Claims (25)

  1. 섬유 기질을 준비하는 단계, 기질의 적어도 하나의 표면으로부터 기질 내에 뻗어있는 구멍들을 형성하는 단계, 및 화학 기상침착 타입의 공정에 의해 적어도 부분적으로 형성된 매트릭스로 기질을 치밀화하는 단계를 구비하는 복합재료 부품들을 제조하는 방법으로서,
    상기 구멍들은 섬유들이 파괴된 상태로 기질로부터 섬유 재료를 제거함으로써 기질에 형성되고, 구멍들을 구비한 예비성형체에서의 섬유들의 배치는 구멍들이 형성되기 전의 초기 배치에 비하여 대체로 바뀌지 않는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 구멍들은 가압 워터젯으로 기계가공함으로써 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 구멍들은 예비성형체의 섬유재료에 가해지는 국부적인 열 작용에 의해 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 구멍들은 레이저 방사의 결과로 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 구멍들은 산화에 의해 섬유재료를 제거함으로써 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 구멍들은 고속의 공구를 사용하여 기계가공에 의해 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 구멍들은 잘라내어 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 구멍들은 전자-부식에 의해 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기질은 고리형상의 예비성형체이고 구멍들은 예비성형체의 주 표면들중 적어도 하나로 개방되도록 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기질은 고리형상의 예비성형체이고 구멍들은 예비성형체의 적어도 외주면으로 개방되도록 형성되는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 구멍들은 평균 직경이 0.05mm 내지 2mm의 범위에 있는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 기질의 구멍들의 밀도는 0.06 구멍/cm2 내지 4 구멍/cm2의 범위에 있는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 기질의 구멍들의 밀도가 변화하는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 기질은 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 예비성형체를 형성하고 구멍들은 예비성형체의 주 표면들중 적어도 하나로 개방되도록 형성되고, 구멍들의 밀도는 디스크의 마찰 트랙에 대응하는 기질의 중앙부분과 그 내주면과 외주면에 인접하는 기질의 부분들 사이에서 변화하고 감소하는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 인접하는 구멍들의 축들 사이의 거리는 0.5cm 내지 4cm의 범위에 있는, 복합재료 부품들을 제조하는 방법.
  16. 기질의 적어도 하나의 표면으로부터 기질 내로 뻗어있는 구멍들을 포함하는 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질(20)으로서,
    상기 기질의 구멍들의 벽 근방에서의 섬유들의 단위체적당 밀도는 기질의 다른 부분들에서의 섬유들의 단위체적당 밀도보다 유의적으로 더 크지 않은, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  17. 제16항에 있어서, 구멍들은 섬유 제거 또는 파괴의 한정 영역들에 의해 규정되는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 구멍들은 평균직경이 0.05mm 내지 2mm의 범위에 있는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 기질들의 구멍 밀도는 0.06 구멍/cm2 내지 4 구멍/cm2의 범위에 있는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 기질의 구멍 밀도가 변화하는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  21. 제20항에 있어서, 브레이크 디스크를 위한 고리형상의 예비성형체를 형성하되, 구멍들이 기질의 주 표면들중 적어도 하나로 개방되는, 복합재료 부품을 제조 하기 위한 섬유기질.
  22. 제21항에 있어서, 구멍들의 밀도가 디스크의 마찰 트랙에 대응하는 기질의 중앙부분과 그 내주면과 외주면에 인접하는 기질의 부분들 사이에서 감소하면서 변화하는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  23. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 고리형상의 예비성형체를 형성하되, 구멍들은 적어도 기질의 외주면으로 개방되는, 복합재료 부품을 제조하기 위한 섬유기질.
  24. 화학 기상침착 타입의 공정에 의해 적어도 부분적으로 얻어진 매트릭스에 의해 치밀화되고 적어도 그 한쪽 표면으로부터 복합재료 부품 내로 뻗어있는 구멍들(28)을 제공하는 섬유보강부를 구비하고,
    상기 섬유보강부는 제16항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 기질에 의해 형성되는, 복합재료 부품.
  25. 화학 기상침착 타입의 공정에 의해 적어도 부분적으로 얻어진 매트릭스에 의해 치밀화되고 적어도 그 한쪽 표면으로부터 복합재료 부품 내로 뻗어있는 구멍들(28)을 제공하는 섬유보강부를 구비하고,
    상기 구멍들의 벽 근방에서의 보강 섬유들의 단위 체적당 밀도는 복합재료 부품의 다른 부분들에서의 섬유들의 단위체적당 밀도보다 유의적으로 더 크지 않은, 복합재료 부품.
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