KR101258828B1 - 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 다기능 코어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 다기능 코어에 관한 것으로, 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 제1 원판부; 상기 제1 원판부와 일정 거리를 두고 위치하는 제2 원판부; 상기 제1,2 원판부들을 연결하는 다수 개의 연결부들; 상기 제1,2 원판부들과 연결부들에 의해 형성되는 냉각 채널들을 포함하며, 상기 냉각 채널들의 내벽에 내산화 코팅층이 구비된다. 이로 인하여, 본 발명은 냉각 채널들의 내면(내벽)이 산화되는 것을 방지할 뿐만 아니라 냉각 채널들을 통해 공기의 유동을 원활하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 다기능 코어는 내산화 코팅층이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하고 쉽게 제작하는 것이다.

Description

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 다기능 코어 {CARBON-CERAMIC BRAKE DISK AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME, AND MULTIFUNCTIONAL CORE FOR BEING USED IN THE SAME}

본 발명은 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 다기능 코어에 관한 것이다.

자동차의 브레이크 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 차축에 연결되는 햇파트(hat part)(일명, 허브라고도 함)(10)와, 상기 햇파트(10)에 결합되는 브레이크 디스크(20)와, 상기 브레이크 디스크(20)의 마찰면(21)에 인접하게 위치하여 상기 브레이크 디스크(20)의 마찰면(21)을 선택적으로 가압하는 브레이크 패드(일명, 라이닝이라고도 함)(30)들을 포함한다. 상기 브레이크 디스크(20)와 햇파트(10)는 결합수단(40)에 의해 결합된다.

상기 브레이크 시스템은 브레이크 패드(30)들이 브레이크 디스크(20)의 마찰면(21)을 가압함에 따라 브레이크 디스크(20)의 마찰면(21)과 브레이크 패드(30)들의 마찰로 인하여 발생되는 마찰력으로 브레이크 디스크(20)의 회전을 늦추거나 멈추게 함으로써 상기 브레이크 시스템이 장착된 자동차의 속도를 감속하거나 정지시키게 된다.

최근에는 브레이크 디스크(20)와 패드(30)의 내마모성 및 내열성을 높이고 무게를 가볍게 하기 위하여, 상기 브레이크 디스크(20)와 패드(30)를 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 제작한다. 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체는, 기지(matrix)가 세라믹이고 탄소섬유로 강화된 소재이다. 이하, 탄소섬유 강화 세라믹 복합체로 만들어진 브레이크 디스크(20)를 탄소-세라믹 브레이크 디스크라 한다.

브레이크 시스템에서, 브레이크 디스크(20)의 마찰면(21)에 브레이크 패드(30)가 가압되어 브레이크 디스크(20)에 제동력을 발생시킬 때 상기 브레이크 디스크(20)와 브레이크 패드(30)에 고온의 마찰 열이 발생된다. 상기 브레이크 디스크(20)에서 발생되는 고온의 열이 외부로 원활하게 방열되지 못할 경우 브레이크 디스크(20)에 결합되는 햇파트(10)와 브레이크 디스크(20)의 열팽창 계수의 차이로 인하여 브레이크 디스크(20) 또는 햇파트(10)에 뒤틀림, 즉 변형이 발생된다.

상기 브레이크 디스크(20)에서 발생되는 열을 외부로 방열시키기 위한 방법 중의 하나로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 브레이크 디스크(20)의 가운데 중심 구멍(H)이 구비되고, 상기 브레이크 디스크(20)의 내주면과 외주면을 관통하는 다수 개의 냉각 채널(22)들이 구비된다. 상기 냉각 채널(22)들 사이에 위치하는 부분은 연결부(23)들이며, 상기 냉각 채널(22)들과 연결부(23)들의 양쪽(도면상 상하)에 각각 위치하는 원판 부분을 제1,2 원판부(24)(25)라 한다.

상기 브레이크 디스크(20)의 회전시 브레이크 디스크(20)의 중심 구멍(H)을 통해 공기가 유입되어 냉각 채널(22)들을 통해 유동하면서 브레이크 디스크(20)의 외주면쪽으로 유출된다. 공기가 냉각 채널(22)들을 통해 유동하면서 브레이크 디스크(20)에서 발생되는 마찰열을 외부로 방열시킨다.

상기 냉각 채널(22)들이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)를 제조하는 종래 방법은 다음과 같다.

도 3에 도시한 바와 같이, 성형틀(100) 내부에 장섬유들과 페놀 수지를 포함하는 혼합물을 채워 제1 층(L1)을 형성한다. 상기 성형틀(100)은 한쪽이 막힌 원통 형상이다.

다수 개의 관통 구멍(2)들이 구비된 코어(C)를 상기 제1 층(L1)위에 놓이도록 상기 성형틀(100) 내부에 삽입한다. 상기 코어(C)는 균일한 두께를 갖는 원판으로, 상기 관통 구멍(2)들은 그 원판의 상면과 하면을 관통한다. 상기 코어(C)의 재질은 플라스틱이다.

상기 장섬유들과 페놀 수지를 포함하는 혼합물을 상기 코어(C)의 관통 구멍(2)들에 각각 넣는다.

상기 성형틀(100)에 장섬유들과 페놀 수지를 포함하는 혼합물을 채워 상기 코어(C)위에 제2 층(L2)을 형성한다.

상기 성형틀(100) 내부에 있는 제1 층(L1), 코어(C), 그리고 제2 층(L2)을 가압 가열하여 경화된 성형체를 만들고, 그 성형체를 성형틀(100)로부터 빼낸다. 이때, 프레스(300)를 이용하여 제1 층(L1), 코어(C), 그리고 제2 층(L2)을 가압한다.

상기 성형체를 노(furnace)에 넣고 고온으로 가열하여 성형체를 탄화시킨다. 상기 성형체를 가열시키는 온도는 성형체가 탄화되는 온도인 1200도에서 2000도이다. 상기 성형체가 탄화되는 과정에서 상기 성형체 내부에 위치하는 코어(C)가 용융되어 성형체로부터 제거된다. 상기 코어(C)가 용융 제거됨에 의해 코어(C)가 위치한 부분은 냉각 채널(22)들을 형성하게 되고 코어(C)의 관통 구멍(2)들에 채워진 혼합물들은, 최종 결과물에서 제1 층(L1)과 제2 층(L2)을 연결하는 연결부(23)가 된다. 또한 상기 제1 층(L1)과 제2 층(L2)은, 최종 결과물에서 각각 균일한 두께를 갖는 링 형상의 원판부가 된다.

상기 성형체를 기계 가공한다. 경우에 따라, 상기 제1,2 층(L1)(L2)의 외측면에 각각 마찰층을 이루는 마찰판을 부착한다. 상기 마찰판은 균일한 두께를 갖는 링 형상이며, 단섬유를 포함하는, 탄화된 탄화체이다.

상기 기계 가공된 탄화 성형체에 용융된 규소를 침투시킨다. 상기 규소가 용융되는 온도는 1400도에서 1700도이므로 이 온도에서 규소를 용융시켜 탄화 성형체에 침투시킨다. 탄화 성형체에 용융 규소를 침투시킨 후 규소가 침투된 탄화 성형체를 냉각시킨다.

상기 용융 규소가 탄화 성형체에 침투되면서 탄소인 탄화 성형체와 반응하여 탄화 규소(SiC)가 되고 반응되지 않은 규소(Si)는 응고되어 잔류한다.

이와 같은 결과물은 기지(matrix)가 탄화 규소, 즉 세라믹이고 탄소섬유로 강화된 탄소-세라믹 브레이크 디스크가 된다.

그러나 상기한 바와 같이 제작된 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 연결부(23)들과 그 연결부(23)들와 연결되는 제1,2 원판부(24)(25)들의 각 내부에는 구조적 강도를 강화하기 위하여 탄소 성분, 즉 장섬유들이 많이 분포되어 연결부(23)들과 제1,2 원판부(24)(25)들에 의해 형성되는 냉각 채널(22)들의 각 내벽에 탄화 규소층이 균일하게 형성되지 못하게 된다. 이로 인하여, 상기 냉각 채널(22)들로 공기가 유동시 냉각 채널(22)들의 내벽이 산화되어 연결부(23) 및 제1,2 원판부(24)(25)의 강도를 저하시키게 된다.

또한, 상기 냉각 채널(22)들의 내벽으로 장섬유의 일부가 돌출되어 미관상 보기가 좋지 않을 뿐만 아니라 냉각 채널(22)들로 유동하는 공기의 유동 저항을 발생시키게 된다.

본 발명의 목적은 냉각 채널들의 내벽이 산화되는 것을 방지할 뿐만 아니라 냉각 채널들을 통해 공기의 유동을 원활하게 하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 내산화 코팅층이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하고 쉽게 제작하는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 원판부; 상기 제1 원판부와 일정 거리를 두고 위치하는 제2 원판부; 상기 제1,2 원판부들을 연결하는 다수 개의 연결부들; 상기 제1,2 원판부들과 연결부들에 의해 형성되는 냉각 채널들을 포함하며, 상기 냉각 채널들의 내벽에 내산화 코팅층이 구비된 것을 특징으로 하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크가 제공된다.

상기 내산화 코팅층과 상기 내산화 코팅층을 제외한 상기 연결부 및 제1,2 원판부는 같은 성분인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 성형틀에 장섬유들을 포함하는 혼합물을 채워 제1 층을 형성하는 단계; 상기 혼합물과 같은 성분을 갖는 외측 코어와, 상기 외측 코어의 내부에 삽입되는 내측 코어로 구성된 다기능 코어를 상기 제1 층위에 놓이도록 성형틀에 삽입하는 단계; 상기 성형틀에 혼합물을 채워 상기 다기능 코어위에 제2 층을 형성하는 단계; 상기 성형틀 내부에 있는 제1 층, 다기능 코어, 그리고 제2 층을 가압 가열하여 성형체를 만드는 단계; 상기 성형체를 탄화 온도로 가열하여 다기능 코어의 내측 코어가 제거되고 그 내측 코어가 제거된 성형체를 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 성형체에 용융 규소를 침투시키는 단계를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법이 제공된다.

또한, 다수 개의 내부 공간(통로)이 구비된 외측 코어; 및 상기 내부 공간들에 각각 삽입되는 내측 코어를 포함하며, 상기 외측 코어는 제1 하프 코어와, 상기 제1 하프 코어와 결합되어 상기 제1 하프 코어와 함께 다수 개의 내부 공간을 형성하는 제2 하프 코어를 포함하는 다기능 코어가 제공된다.

상기 제1,2 하프 코어는 각각 오목부와 볼록부가 연속적으로 반복된 링 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1,2 하프 코어의 각 내면 또는 내측 코어의 외면에 돌기들이 구비될 수 있다.

상기 외측 코어와 내측 코어는 탄화온도까지 가열할 때 내측 코어는 제거되고 외측 코어는 탄화되는 것이 바람직하다.

상기 외측 코어는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 재질이고, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것이 바람직하다.

상기 외측 코어는 페놀 수지와 단섬유를 포함하는 혼합물을 가압 가열하여 경화된 것이고, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것이 바람직하다.

한편, 상기 외측 코어는 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 포함하는 혼합액으로 코팅한 코팅막이며, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질일 수 있다.

상기 코팅막은 1mm 이하의 일정한 두께를 가지는 젤(jel) 상태인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 냉각을 위해 공기가 유동하는 냉각 채널들의 내벽에 내산화 코팅층이 구비되어 냉각 채널들의 내벽이 산화되는 것이 방지된다.

또한, 냉각 채널의 내벽에 탄화규소인 내산화 코팅층이 구비되므로 제1,2 원판부와 연결부들을 구성하는 장섬유가 냉각 채널들 내부로 돌출되는 것을 방지하게 된다. 이로 인하여, 냉각 채널들로 공기의 유동을 원활하게 한다.

아울러, 상기 냉각 채널들의 내벽에 규칙적으로 돌기들이 구비된 경우 방열 면적이 넓어지게 되어 냉각 효율을 높이게 된다.

본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법은 다기능 코어를 이용하여 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 제작하게 되므로 다기능 코어의 내측 코어는 탄화 과정에서 용융 제거되어 냉각 채널들을 형성하게 되고 외측 코어가 용융 규소 침투과정에서 내산화 코팅층을 형성하게 되어 냉각 채널들의 내벽에 내산화 코팅층이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하고 쉽게 제작하게 된다.

도 1은 일반적인 브레이크 시스템을 도시한 측면도,
도 2는 냉각 채널들이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 일예를 도시한 사시도,
도 3은 상기 냉각 채널들이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 제작과정을 순차적으로 각각 도시한 단면도들,
도 4는 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 일실시예를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 일실시예에서 냉각 채널 내벽에 구비된 돌기들을 도시한 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 제작과정을 순차적으로 각각 도시한 단면도들,
도 7은 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 제작방법에 사용되는 다기능 코어의 제1 실시예를 도시한 평면도,
도 8은 상기 다기능 코어의 제1 실시예를 부분 확대하여 도시한 측면도,
도 9는 상기 다기능 코어의 제1 실시예에 구비된 돌기들을 도시한 다기능 코어의 부분 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 제작방법에 사용되는 다기능 코어의 제2 실시예를 도시한 단면도.

이하, 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 사용되는 코어의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 일실시예를 도시한 사시도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 일실시예는

제1 원판부(51)와, 상기 제1 원판부(51)와 일정 간격을 두고 위치하는 제2 원판부(52)와, 상기 제1 원판부(51)와 제2 원판부(52)를 연결하는 다수 개의 연결부(53)들과, 상기 연결부(53)들 사이에 형성된 냉각 채널(54)들을 포함하며, 상기 냉각 채널(54)들의 내벽에 내산화 코팅층(200')이 구비된다.

상기 제1,2 원판부(51)(52)는 각각 일정 두께를 가지며 가운데 부분에 관통된 중심 구멍(H)이 구비된 링 형상이다.

상기 연결부(53)의 한쪽 끝이 상기 제1 원판부(51)의 일측면에 연결되고 상기 연결부(53)의 다른 한쪽 끝이 상기 제2 원판부(52)의 일측면에 연결된다.

상기 연결부(53)들에 의해 상기 제1 원판부(51)와 제2 원판부(52)가 서로 일정 간격을 갖는다. 상기 연결부(53)들은 서로 일정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다.

상기 연결부(53)들의 각 외면과 상기 제1,2 원판부(51)(52)의 각 내측면에 의해 상기 냉각 채널(54)들이 형성된다. 상기 냉각 채널(54)은 제1,2 원판부(51)(52)의 방사 방향으로 관통된다. 상기 냉각 채널(54)의 단면 형상은 육각형, 사각형, 원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 내산화 코팅층(200')은 상기 냉각 채널(54)들을 이루는 제1,2 원판부(51)(52)의 각 내측면(내벽)과 상기 연결부(53)의 외면 내부로 일정 두께로 구비된다. 상기 연결부(53)들 및 제1,2 원판부(51)(52)에서 내산화 코팅층(200')과 그 내산화 코팅층(200')을 제외한 부분은 같은 성분인 것이 바람직하다.

상기 제1,2 원판부(51)(52)에 각각 외측면으로부터 내측으로 일정 두께로 마찰층을 형성할 수 있다. 상기 마찰층은 내마모성 및 내열성 등이 우수하도록 조성되는 것이 바람직하다. 상기 마찰층과 내산화 코팅층(200')을 제외한 부분은 내구성 등이 우수하도록 조성된다. 상기 마찰층과 내산화 코팅층(200')을 제외한 부분은 장섬유(F1)들, 탄화 규소, 규소 등을 포함하고, 상기 마찰층은 탄화 규소, 규소 등을 포함한다. 상기 마찰층에 단섬유가 포함될 수도 있다. 상기 내산화 코팅층(200')은 탄화 규소 및 직조(fabric) 형태의 탄소 섬유(W)를 포함한다. 상기 내산화 코팅층(200')의 다른 실시예로, 상기 내산화 코팅층(200')은 탄화 규소 및 단섬유를 포함한다. 상기 장섬유 및 단섬유는 탄소섬유인 것이 바람직하다.

상기 냉각 채널(54)들의 내벽에, 도 5에 도시한 바와 같이, 다수 개의 돌기(55)들이 구비됨이 바람직하다. 상기 돌기(55)들은 규칙적으로 배열됨이 바람직하다. 상기 돌기(55)들은 방열 면적을 넓히게 되어 방열 효과를 높이게 된다.

상기 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)가 회전시 제1,2 원판부(51)(52)의 중심 구멍(H)으로 공기가 유입되어 내산화 코팅층(200')이 구비된 냉각 채널(54)들을 통해 제1,2 원판부(51)(52)의 외주면 방향으로 유출된다.

이하, 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 제작방법의 일실시예를 설명한다.

먼저, 도 6에 도시한 바와 같이, 성형틀(100)에 혼합물을 넣어 제1 층(L1)을 형성한다. 상기 성형틀(100)은 한쪽끝이 막힌 원통 형상이다. 상기 혼합물은 장섬유(F1)들과 페놀 수지를 포함한다. 상기 장섬유(F1)는 탄소섬유인 것이 바람직하다. 상기 혼합물에 단섬유들이 더 혼합될 수도 있다.

상기 제1 층(L1)위에 놓이도록 상기 성형틀(100)에 다기능 코어(200)가 삽입된다.

상기 다기능 코어(200)의 제1 실시예는, 도 7, 8에 도시한 바와 같이, 다수 개의 내부 공간(통로)이 구비된 외측 코어(210)와, 상기 내부 공간들에 각각 삽입되는 내측 코어(220)를 포함한다.

상기 외측 코어(210)는 제1 하프 코어(211)와, 상기 제1 하프 코어(211)와 결합되는 제2 하프 코어(212)를 포함한다. 상기 제1 하프 코어(211)는 균일한 두께를 가지며, 오목부(A)와 볼록부(B)가 연속적으로 반복된 링 형상으로 형성된다. 상기 제2 하프 코어(212)는 상기 제1 하프 코어(211)와 동일한 형상으로 형성됨이 바람직하다. 상기 제1 하프 코어(211)의 오목부(A)들과 상기 제2 하프 코어(212)의 오목부(A)들이 서로 접촉되도록 상기 제1,2 하프 코어(211)(212)가 결합됨이 바람직하다. 상기 제1 하프 코어(211)의 볼록부(B)들과 제2 하프 코어(212)의 볼록부(B)들에 의해 내부 공간이 형성된다.

상기 제1,2 하프 코어(211)(212)의 각 내면 또는 내측 코어(220)의 외면에, 도 9에 도시한 바와 같이, 돌기(213)들이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 외측 코어(210)는 상기 혼합물과 같은 성분을 갖는 것이 바람직하다. 상기 외측 코어(210)와 내측 코어(220)는 탄화온도까지 가열할 때 내측 코어(220)는 제거되고 외측 코어(210)는 탄화되는 것이 바람직하다.

상기 외측 코어(210)는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 재질이고, 상기 내측 코어(220)는 목재, 폴리머 중 하나의 재질인 것이 바람직하다. 상기 탄소섬유강화플라스틱은 일정 두께를 갖는 플라스틱 내부에 직조 형태의 탄소섬유(W)가 구비된 것이다.

상기 제1,2 하프 코어(211)(212)를 각각 탄소섬유강화플라스틱 재질로 제작한 후 그 제1,2 하프 코어(211)(212) 사이에 상기 내측 코어(들)를 위치시킨 다음 그 제1,2 하프 코어(211)(212)를 서로 가열 가압한다.

상기 다기능 코어의 제2 실시예로, 상기 외측 코어(210)는 페놀 수지와 단섬유를 포함하는 혼합물을 가압 가열하여 경화된 것이고, 상기 내측 코어(220)는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것이 바람직하다. 상기 제1 하프 코어(211)와 제2 하프 코어(212)는 접착제에 의해 서로 접착되는 것이 바람직하다. 상기 접착제는 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 포함하는 혼합액인 것이 바람직하다. 한편, 상기 제1,2 하프 코어(211)(212)는 별도의 접착제를 사용하지 않고 가압 가열하여 결합시킬 수 있다.

상기 성형틀에 다기능 코어(200)를 삽입한 다음 상기 성형틀(100)에 상기 혼합물을 채워 상기 다기능 코어(200)위에 제2 층(L2)을 형성한다.

상기 성형틀(100) 내부에 있는 제1 층(L1), 다기능 코어(200), 그리고 제2 층(L2)을 가압 가열하여 제1 층(L1), 다기능 코어(200), 그리고 제2 층(L2)을 경화시킨다. 즉, 원판 형태의 프레스(300)를 상기 성형틀(100)에 삽입하여 아래로 누르고, 상기 성형틀(100)에 구비된 히터(미도시)를 통해 성형틀(100) 내부에 채워진 제1 층(L1), 다기능 코어(200), 그리고 제2 층(L2)을 가열하여 제1 층(L1), 다기능 코어(200), 그리고 제2 층(L2)을 경화시킨다.

상기 성형틀(100)에서 경화된 성형체를 성형틀(100)에서 빼낸다.

상기 성형체를 노(furnace)에 넣고 고온으로 가열하여 성형체를 탄화시킨다. 상기 성형체를 가열시키는 온도는 성형체가 탄화되는 온도인 1200도에서 2000도이다. 상기 성형체가 탄화 온도로 가열되는 과정에서 상기 성형체 내부에 위치하는 다기능 코어(200)의 내측 코어(220)가 용융되어 성형체로부터 제거된다. 그리고 다기능 코어(200)의 외측 코어(210)와 제1,2 층(L1)(L2)이 탄화된다. 상기 다기능 코어(200)의 내측 코어(220)가 용융됨에 의해 내측 코어(220)가 위치한 부분은, 최종 결과물에서 냉각 채널(54)들을 형성하게 된다.

상기 탄화된 탄화 성형체를 기계 가공한다. 상기 탄화 성형체 상태에서 탄화 성형체를 가공하게 되면 재질이 연성을 갖은 상태이므로 가공이 수월하게 된다. 기계 가공은 성형체가 경화된 상태에서도 할 수 있다.

한편, 기계 가공된 탄화 성형체의 제1 층(L1)과 제2 층(L2)의 외측면에 얇은 두께를 갖는 링 형상의 탄화체를 각각 부착시킬 수도 있다. 상기 링 형상의 탄화체는 최종 결과물에서 마찰층을 형성하게 된다.

상기 기계 가공된 탄화 성형체에 용융된 규소를 침투시킨다. 상기 규소가 용융되는 온도는 1400도에서 1700도이므로 이 온도에서 규소가 용융되어 탄화 성형체에 침투된다. 이때 용융 규소는 탄화 성형체를 구성하는 탄화된 다기능 코어(200)의 외측 코어(210)에 침투될 뿐만 아니라 탄화된 제1 층(L1) 및 제2 층(L2)에 침투된다. 상기 용융 규소가 탄화된 외측 코어(210)와 탄화된 제1,2 층(L1)(L2)에 침투되면서 그 탄화된 외측 코어(210)와 탄화된 제1,2 층(L1)(L2)과 반응하여 탄화 규소가 되고 반응하지 않은 규소는 잔류하여 냉각시 응고된다.

상기 탄화 성형체에 용융 규소를 침투시킨 후 규소가 침투된 탄화 성형체를 냉각시킨다.

상기 용융 규소가 침투되어 반응된 탄화 성형체는 기지(matrix)가 탄화 규소, 즉 세라믹이고 탄소 섬유로 강화된 탄소-세라믹 브레이크 디스크가 된다. 상기 제1 층(L1)에서 외측 코어(210)의 제1 하프 코어(211)의 오목부(A)에 채워진 부분과, 제2 층(L2)에서 외측 코어(210)의 제2 하프 코어(212)의 오목부(A)에 채워진 부분, 그리고 제1,2 하프 코어(211)(212)의 오목부(A)는 서로 연결되며, 그 연결된 두 오목부 부분은 연결부(53)를 이루게 된다. 상기 제1 층(L1)에서 외측 코어(210)의 제1 하프 코어(211)의 오목부(A)들에 채워진 부분들을 제외한 부분은 원판부가 되고, 제2 층(L2)에서 외측 코어(210)의 제2 하프 코어(212)의 오목부(A)들에 채워진 부분들을 제외한 부분은 원판부가 된다. 상기 다기능 코어(200)의 외측 코어(210)는 냉각 채널(54)들의 내벽에 구비된 내산화 코팅층(200)이 되며, 상기 내산화 코팅층(200')은 기지가 탄화 규소이다. 또한, 상기 다기능 코어(200)에 돌기(213)들이 구비된 경우 그 돌기(213)들은 냉각 채널(54)의 내벽을 이루게 된다. 이 경우 냉각 채널(54)들의 내벽 면적을 증가시켜 방열 면적이 크게 된다.

한편, 상기 다기능 코어(200)의 제3 실시예로, 도 10에 도시한 바와 같이, 내측 코어(220)와, 상기 내측 코어(220)를 감싸는 외측 코어(210)를 포함하며, 상기 외측 코어(210)는 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 포함하는 혼합액으로 코팅한 코팅막이며, 상기 내측 코어(220)는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질로 이루어진다. 상기 코팅막은 1mm 이하의 일정한 두께를 가지는 젤(jel) 상태인 것이 바람직하다.

상기 외측 코어(210)와 내측 코어(220)는 탄화온도까지 가열할 때 내측 코어(220)는 제거되고 외측 코어(210)는 탄화된다.

상기 제3 실시예의 다기능 코어(200)는 성형틀(100)에 삽입시 다수 개 배열됨이 바람직하다. 상기 내측 코어(220)의 외면에 다수 개의 돌기들이 구비됨이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 그 제작방법 및 그 제작방법에 이용되는 다기능 코어(200)의 작용과 효과를 설명한다.

본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크가 구비된 브레이크 시스템이 자동차에 장착된다. 자동차가 주행시 속도를 줄이거나 정지할 경우 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 마찰면에 브레이크 패드(30)들을 가압시킨다. 상기 브레이크 패드(30)들이 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 마찰면을 가압함에 따라 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 마찰면과 패드(30)들의 마찰로 인하여 발생되는 마찰력으로 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 회전 속도가 감속되거나 브레이크 디스크(50)가 멈추게 됨으로써 자동차의 속도를 감속하거나 자동차를 정지시키게 된다.

상기 브레이크 패드(30)가 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 마찰면을 가압할 때 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)에서 발생되는 열은 공기가 냉각 채널(54)들을 통해 유동하면서 외부로 방열된다.

상기 탄소-세라믹 브레이크 디스크(50)의 냉각 채널(54)들의 내벽에 내산화 코팅층(200')이 구비되므로 상기 냉각 채널(54)들의 내벽이 산화되는 것이 방지된다.

또한, 냉각 채널(54)의 내벽에 탄화규소인 내산화 코팅층(200')이 구비되므로 제1,2 원판부(51)(52)와 연결부(53)들을 구성하는 장섬유(F1)가 냉각 채널(54)들 내부로 돌출되는 것을 방지하게 된다. 이로 인하여, 냉각 채널(54)들로 공기의 유동을 원활하게 한다.

상기 냉각 채널(54)들의 내벽에 돌기(55)들이 구비된 경우 방열 면적이 넓어지게 되어 냉각 효율을 높이게 된다.

본 발명에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법은 다기능 코어(200)를 이용하여 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 제작하게 되므로 다기능 코어(200)의 내측 코어(220)는 탄화 과정에서 용융 제거되고 냉각 채널(54)들을 형성하게 되고 외측 코어(210)가 용융 규소 침투과정에서 내산화 코팅층(200')을 형성하게 되어 냉각 채널(54)들의 내벽에 내산화 코팅층(200')이 구비된 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 제작하는 과정이 간단하고 제작이 쉽게 된다.

51; 제1 원판부 52; 제2 원판부
53; 연결부 54; 냉각 채널
200'; 내산화 코팅층 200; 다기능 코어
210; 외측 코어 220; 내측 코어
211; 제1 하프 코어 212; 제2 하프 코어

Claims (16)

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5. 성형틀에 장섬유들을 포함하는 혼합물을 채워 제1 층을 형성하는 단계;
   상기 혼합물과 같은 성분을 가지며, 링 형상으로 형성되어 내부에 방사상으로 관통된 다수 개의 내부 공간이 구비된 외측 코어와, 상기 외측 코어의 내부 공간과 상응하게 형성되어 상기 외측 코어의 내부 공간들에 각각 삽입되는 내측 코어로 구성되며, 상기 외측 코어와 내측 코어는 탄화온도까지 가열할 때 내측 코어는 제거되고 외측 코어는 탄화되는 다기능 코어를 상기 제1 층위에 놓이도록 성형틀에 삽입하는 단계;
   상기 성형틀에 혼합물을 채워 상기 다기능 코어 위에 제2 층을 형성하는 단계;
   상기 성형틀 내부에 있는 제1 층, 다기능 코어, 그리고 제2 층을 가압 가열하여 성형체를 만드는 단계;
   상기 성형체를 탄화 온도로 가열하여 다기능 코어의 내측 코어가 제거되고 그 내측 코어가 제거된 성형체를 탄화시키는 단계; 및
   상기 탄화된 성형체에 용융 규소를 침투시키는 단계를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 외측 코어는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질이고, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 외측 코어는 페놀 수지와 단섬유를 포함하는 혼합물을 가열 가압하여 경화시킨 것이며, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 외측 코어는 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 포함하는 혼합액으로 코팅한 코팅막이며, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크 제작방법.
9. 링 형상으로 형성되며, 내부에 방사상으로 관통된 다수 개의 내부 공간이 구비된 외측 코어; 및
   상기 외측 코어의 내부 공간과 상응하게 형성되며, 상기 내부 공간들에 각각 삽입되는 내측 코어를 포함하며,
   상기 외측 코어와 내측 코어는 탄화온도까지 가열할 때 내측 코어는 제거되고 외측 코어는 탄화되며,
   상기 외측 코어는
   제1 하프 코어와, 상기 제1 하프 코어와 결합되어 상기 제1 하프 코어와 함께 상기 다수 개의 내부 공간을 형성하는 제2 하프 코어를 포함하는 다기능 코어.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1,2 하프 코어는 각각 오목부와 볼록부가 연속적으로 반복된 링 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 코어.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 제1,2 하프 코어의 각 내면 또는 내측 코어의 외면에 돌기들이 구비된 것을 특징으로 하는 다기능 코어.
12. 삭제
13. 제 9 항에 있어서, 상기 외측 코어는 CFRP 재질이고, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 다기능 코어.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 외측 코어는 페놀 수지와 단섬유를 포함하는 혼합물을 가열 가압하여 경화시킨 것이며, 상기 내측 코어는 목재, 폴리머, 금속 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 다기능 코어.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 외측 코어와 내측 코어사이에 접착층이 구비되며, 상기 접착층은 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 포함하는 혼합액을 도포하여 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 코어.
16. 삭제

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