KR20080036046A - 복합물 재료용 보강섬유 구조물 및 상기 구조물을 포함하는부재 - Google Patents

Abstract

복합물 재료 부재를 제작하기 위한 단일 조각으로서 직조된 보강 섬유 구조물로, 상기 섬유 구조물은 내부 부분 또는 코어(72)와, 상기 구조물의 외부 표면 또는 스킨(74, 76)을 갖고, 그리고 상기 섬유 구조물은 그 코어에서는 양면 위브와 다층 위브로부터 선택된 적어도 하나의 위브를 사용한 3-차원 위브에 의해, 그리고 스킨에서는 코어에서의 위브와 다른, 다층 위브와 2-차원 위브로부터 선택되는 위브로 직조되어 형성된다. 상기 구조물은 코어에서는 적어도 하나의 양면 위브를 사용한 3-차원 위브에 의해, 그리고 스킨에서는 플레인 위브, 사틴 위브, 또는 서지 위브의 직조에 의해 제조되고, 상기 스킨에서의 직조는 다층형 또는 2-차원형이다.

보강 섬유 구조물, 복합물 재료 부재, 3-차원 위브, 화학증기 침투법

Description

복합물 재료용 보강섬유 구조물 및 상기 구조물을 포함하는 부재{REINFORCING FIBROUS STRUCTURE FOR A COMPOSITE MATERIAL AND A PART CONTAINING SAID STRUCTURE}

본 발명은 복합물 재료 부재의 제조에 관한 것으로, 더욱 특별히는 이와 같은 부재용 보강 섬유 구조물의 제조에 관한 것이다.

본 발명의 적용분야는 섬유 보강재 및 수지 매트릭스를 갖는 복합물 재료의 구조적 부재를 제조하는 것이다. 이와 같은 부재는 매우 다양한 분야, 특히 항공분야에서 사용된다. 하나의 특별한 예는 터보엔진용 블레이드의 제조, 특히 송풍기 블레이드의 제조이다. 보강 섬유 구조물은 어느 공지 방법, 예를 들면 수지 이동 몰딩법(RTM)으로 수지 매트릭스에 의해 조밀화된다.

본 분야의 또 다른 적용분야는 열구조적 복합물 재료, 즉 재료를 구조적 요소를 이루기에 적당하도록 만드는 기계적 특성을 갖고 또한 이들 특성들을 고온에서 유지할 수 있는 능력을 갖는 재료의 부재를 제조하는 것이다. 열구조적 복합 재료는 통상적으로 탄소 매트릭스에 의해 조밀화된 탄소의 섬유 보강물을 갖는 탄소/탄소(C/C) 복합 재료, 및 세라믹 매트릭스에 의해 조밀화된 (탄소 또는 세라믹의) 내화성 섬유 보강물을 갖는 세라믹 매트릭스 복합물(CMC) 재료이다. 열구조적 복합 물 재료는 특히 항공 및 우주비행 분야에서 사용된다. 보강 섬유 구조물은, 잘 알려진 바와 같이, 화학증기침투(CVI)를 수행함에 의해, 또는 액체 기술을 사용함에 의해 조밀화 될 수 있다. 액체 조밀화는 섬유 구조물을 재료의 전구체를 함유하는 액체 조성물에 침지하고, 열처리에 의해 전구체가 변형되어 매트릭스, 통상적으로 수지를 구성하는 것으로 이루어진다.

특정 양의 두께로 존재하는 복합물 재료 부재의 경우, 층 분리를 막기 위해 서로 결합된 다수의 겹쳐진 층들로서 보강 섬유 구조물을 제조하는 것이 알려져 있고, 특히 3-차원 직조(weaving)에 의해 보강 구조물을 제조하는 것이 알려져 있다.

그러므로, 문헌 EP 1 526 285는 터보기계 블레이드, 특히 송풍기 블레이드용 보강 구조물 또는 예비성형물(preform)을 블레이드의 루트(root)와 익형(airfoil) 사이의 수직 방향으로 위브를 변형시키는 양면방식 3-차원 위브에 의해 제조하는 것을 제안한다.

복합물 재료 부재용 보강 섬유 구조물을 제조할 때 많은 면들을 고려해야 한다.

그러므로, 복합 재료 부재가 부드러운 표면 상태의 존재를 필요로 하는 경우, 예를 들면 조밀화 또는 압밀 단계의 첫 번째 단계 후, 표면 정돈과 같은 불규칙성을 제거하거나 피하기 위한 추가의 작업, 또는 조밀화의 마지막에 앞서, 예를 들면, 직물의 플라이와 같은, 2-차원 플라이를 표면에 첨가하는 것을 요구하는 다량의 표면 불규칙성이 존재하는 보강 섬유 구조물을 피하는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 수지 매트릭스를 갖는 복합 재료 부재에 대해, 상당한 표면 불 규칙성의 존재는 수지의 국지적 응집을 일으키고, 그것에 의해 이런 부분의 기계적 특성이 손상된다.

더우기, CVI에 의한 섬유 보강 구조물의 조밀화에 의해 생성된 복합 재료 부재의 경우, 섬유 구조물의 침투물이 코어에 도달하도록 접근하는데 용이하도록 남기고 코어가 상대적으로 균일한 다공성을 가져 가능한 한 비-균일성이 거의 없는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 섬유 구조물 내의 구멍으로의 접근이 어렵거나, 또는 구멍들이 매우 다른 크기를 갖는 경우, 작은 구멍은 더 신속히 밀폐되고, 그리고 나서 가파른 조밀화 구배를 피할 수 없고, 그것은 복합물 재료의 특성에 영향을 미친다.

마지막으로, 예를 들면 터보엔진 블레이드의 뒷전(trailing edge)과 같은 얇은 부분에 존재하는 복합물 재료 부재로, 상기 얇은 부분으로 연장되는 3-차원 구조를 보존하고, 반면 두꺼운 부분과의 구조적 연속성을 유지하여, 부재에 예상되는 기계적 특성을 부여하는 것이 바람직하다.

본 발명은 복합물 재료 부재를 제작하는데 사용하기 위해, 단일 조각으로 직조되고 상기 제약 중 적어도 하나를 따를 수 있는 보강 섬유 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 목적은 내부 부분 또는 코어, 및 구조물의 외부 표면에 인접한 부분을 포함하는 섬유 보강 구조물에 의해 달성되고, 상기 섬유 구조물은 그 코어는 양면 위브(interlock weave)와 다층 위브로부터 선택된 적어도 하나의 위브를 사용하는 3-차원 직조에 의해, 그리고 그 스킨은 코어의 위브와 다르게 다층 위브와 2-차원 위브 중에서 선택되는 위브로 직조됨으로써 형성된다.

섬유 직물은 언제나 단일 조각으로 직조되고, 모든 층은 코어 단독에서 3-차원 직조에 의해 또는 표면에서 다층 직조와 결합하여 함께 결합된다.

섬유 구조물에 요구되는 특성에 따라, 코어 부분과 스킨 사이에 위브의 다양한 조합이 제공될 수 있다.

그러므로, 섬유 구조물은 코어에 적어도 하나의 양면 위브(interlock weave)를 갖는 3-차원 직조와 플레인, 사틴 또는 서지형 위브를 이용한 스킨에서의 직조에 의해 형성될 수 있다.

섬유 구조물이 복합물 재료 부재를 얻기 위해 CVI에 의해 조밀화될 때, 코어에서의 양면 위브는 예비 성형물의 코어로 침투하기 위한 접근을 더 용이하게 할 수 있다.

플레인, 사틴 또는 서지형 위브를 갖는 스킨에서의 직조는 표면 불규칙성을 제한하는 작용을 한다. 조밀화가 수지에서 실행될 때, 이것은 표면 불규칙성이 비교적 큰 상기 문헌 EP 1 526 285에서와 같은 양면 위브가 관찰될 수 있는 종류의, 표면에 수지 덩어리의 형성을 막는다. 사틴형 위브는 부드러운 외관이 필요한 경우 바람직하다. 스킨에서의 직조는 다층 위브일 수 있고, 또는 2-차원 위브일 수 있고, 여기서 양면 위브를 갖는 직조는 층들을 함께 결합시키고 표면의 일부로 연장된다.

다른 구현예에서, 섬유 구조물은 코어에서의 다층 직조 및 코어에서의 직조와 다른 위브를 이용한 표면에서의 다층 직조에 의해 형성될 수 있고, 또는 코어에서의 다층 위브 및 표면에서의 2-차원 위브를 갖는 직조에 의해 형성될 수 있다.

또 다른 특정 구현예에서, 코어 부분은 제1 위브로 직조되어 형성된 제1 부분과, 제1 부분과 표면 사이에 놓인 적어도 하나의 제2 부분을 포함할 수 있고, 제2 부분은 제1 부분과 다른 제2 위브의 3-차원 직조에 의해 형성될 수 있다.

제1 및 제2 위브는 양면 위브 또는 다층 위브일 수 있다. 다층 위브로, 제1 및 제2 위브는, 예를 들면, 다양한 피치의 다중 사틴 위브일 수 있다. 또한 제1 및 제2 위브의 하나는 양면 위브이고 나머지는 다층 위브일 수 있다.

코어와 표면에서의 3-차원 직조의 종류는 다음의 관점에서 바람직한 특성의 함수로서 선택될 수 있다: 직물에서의 섬유 함량(실제적으로 섬유가 차지하는 직물의 겉보기 부피 백분률); 층의 투과도; 섬유 구조물의 변형가능성; 및/또는 층의 평면 내의, 또는 그곳으로의 수직으로의 기계적 강도.

부재의 외부 표면 상에, 예를 들면, 씨실 및 날실 사이의 더욱 강한 결합이 수행되어야 하는 곳의 플레인 위브로부터, 더 부드러운 표면 외관이 수행되어야 하는 곳의 사틴 위브로의, 표면 직조를 변화시키는 것이 가능하다.

더우기, 씨실과 날실 번수(count) 중 적어도 하나는, 예를 들면 코어와 표면 사이의 번수를 감소시킴에 의해, 섬유 구조물이 CVI에 의해 조밀화되는 동안, 스킨을 통해 코어로의 침투를 더 쉽게 할 수 있도록 함으로써, 코어와 스킨 사이의 변화를 일으킬 수 있다.

또한, 예를 들면 씨실과 날실 사이의 섬유 부피 백분률의 비에 대한 그리고 전체 섬유 용적 백분률 값에 대한 값에서 원하는 한계에 맞도록, 코어와 스킨 사이의 얀의 직경을 변화시키는 것이 가능하다.

하나의 특징에 의하면, 섬유 구조물은 두 층의 씨실 얀을 갖는 두께가 감소된 적어도 하나의 부분을 갖고 그리고 2개의 씨실 층을 함께 결합하는 양면형 위브에 의한 3-차원 직조 및, 각각의 씨실 층 내에서 얀들을 결합하는 2-차원 직조에 의해 형성된다.

또 다른 특징에 의하면, 섬유 구조물은 세 층의 씨실 얀을 갖는 두께가 감소한 적어도 하나의 부분을 갖고 그리고 3개의 씨실 층을 함께 결합하는 양면형 위브에 의한 3-차원 직조에 의해 형성되고, 씨실 얀의 중심 층은 아마도 또한 다층 직조에 의해 다른 각각의 2 층에 결합된다.

또 다른 특징에 의하면, 섬유 구조물은 제1 부분과, 제1 부분과 비교하여 추가적인 씨실 얀의 완전층을 갖는 제2 부분 사이에 변환 부분을 갖고, 상기 변환 부분은 제1 부분과 비교하여 추가적인 씨실 얀의 불완전한 층을 갖는다. 추가적인 불완전 층의 씨실 얀은 씨실 얀의 2개의 완전층 사이에 놓일 수 있고 양면 위브를 이용한 직조에 의해 그 위에 결합될 수 있다.

이들 특징에 의해, 매우 얇은 섬유 구조물의 일부, 예를 들면, 블레이드의 뒷전에 대응하는 터보 엔진의 블레이드용 섬유 예비성형물의 일부에 3-차원 직조 연속성을 제공할 수 있다.

원하는 특정 성질, 특히 마모 또는 산화를 견딜 수 있는 특성을 제공하기 위해, 다양한 화학적 특성을 나타내는 얀을 갖는 섬유 구조물의 다양한 부분을 형성하는 것이 가능하다.

본 발명은 또한, 수지 매트릭스를 갖는 복합물 재료 부재, 특히 터보 엔진 블레이드, 또는 열구조적 복합물 재료로 제조된 부재인, 상기 정의된 재료의 보강 섬유 구조물을 갖고 매트릭스에 의해 조밀화된 복합물 재료 부재를 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 기재된 다음의 설명에 의해 더욱 잘 이해될 수 있다.

도 1 ~ 도 3은 양면 및 다층 3-차원 위브의 평면을 나타낸다.

도 4A ~ 도 4H는 본 발명의 첫번째 구현예로 이루어지고, 코어의 양면 위브와 스킨의 플레인 위브가 결합된, 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 5A ~ 도 5H는 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어지고, 코어의 양면 위브와 스킨의 사틴 위브가 결합된, 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 6A ~ 도 6H는 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어지고, 코어의 양면 위브와 스킨의 다중 플레인 위브와 유사한 위브가 결합된, 섬유 구조물의 여러가지 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 7A ~ 도 7H는 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어지고, 코어의 양면 위브와 스킨의 다중 플레인 위브가 결합된, 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 8A ~ 도 8J 및 도 9A ~ 도 9H는 본 발명의 2개의 다른 구현예로 이루어지 고 그들의 코어의 양면 위브와 스킨의 다중 사틴 위브가 결합된, 섬유구조물의 다양한 연속 위브 평면의 일부를 나타낸다.

도 10A ~ 도 10J는 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어지고, 코어의 양면 위브와 스킨의 사틴 위브가 결합된, 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면의 일부를 나타낸다.

도 11A ~ 도 11L은 코어의 다중 사틴 위브와 스킨의 플레인 위브가 결합된 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어진 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면의 일부를 나타낸다.

도 12A ~ 도 12T 및 도 13AA ~ 도 13BN은 코어에 다양한 양면 위브가 결합된, 본 발명의 2개의 다른 구현예로 이루어진 섬유 구조물의 다양한 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 14A ~ 도 14B는 코어에 양면 위브를 갖는 다중 플레인 위브가 결합된, 또 다른 구현예로 이루어진 2개의 위브 평면의 일부를 나타낸다.

도 15A ~ 도 15D는 본 발명의 특징에 따른 2개의 씨실 층을 갖는 섬유 구조물의 일부의 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 16A ~ 도 16H는 본 발명의 또 다른 특징에 따른 3개의 씨실 층을 갖는 섬유 구조물의 일부의 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 17A ~ 도 17D는 본 발명의 특징에 따른, 도 15A ~ 15D 및 도 16A ~ 도 16H의 섬유 구조물 일부 사이의 변환 부분의 위브 평면을 나타낸다.

도 18A ~ 도 18H는 본 발명의 특징에 따른, 도 16A~ 도 16H의 섬유 구조물 일부와 씨실 얀의 완전 층에 의해 증가된 두께의 섬유 구조물 일부 사이의 변환 부분의 연속 위브 평면을 나타낸다.

도 19는 터보엔진용 블레이드 예비성형물 형태에서 본 발명의 또 다른 구현예로 이루어진 섬유 구조물의 일부를 나타내는 사진이다.

정의

용어, "2-차원 위브" 또는 "2D 위브"는 본 명세서에서 각각의 날실이 단일 씨실 층의 한 면에서 다른 얀으로 통과하는 통상의 직조법을 의미한다.

용어, "3-차원 위브" 또는 "3D 위브"는 본 명세서에서 다수의 씨실 층에 걸쳐 날실 얀의 적어도 일부가 씨실 얀과 함께 연결되는 직조법을 의미한다.

용어 "양면 위브"는 각각의 날실 층이 위브의 평면에서 동일한 이동을 갖는 주어진 날실 칼럼에서 모든 얀과 다수의 씨실 층과 함께 연결되는 3D 위브를 의미한다. 도 1은 7개의 날실 층과 8개의 씨실 층을 갖는 양면 위브의 8개의 평면 중 하나의 도면이다. 도시된 양면 위브에서, 씨실 층 T는 날실 방향으로 서로로부터 2개의 이웃하는 씨실 하프-층 t 오프셋으로 제조된다. 그러므로, 여기에는 교차된 열로 위치한 16개 날실 하프-층이 있다. 각각의 날실은 그러므로 3개의 씨실 하프-층을 연결한다. 이하, 용어 "층"은 특별한 반대가 없는 한, 씨실의 완전층 또는 하프-층을 지칭하는데 사용될 수 있다.

또한, 2개의 이웃하는 씨실층의 씨실 얀이 동일한 칼럼에 배열되도록, 교차되지 않는 씨실 습성을 채택하는 것이 가능하다.

본 명세서에서, 용어 "다층 위브"는 각각의 층의 기본 위브는 플레인, 사틴 또는 서지형의 위브와 같은 통상의 2D 위브와 동일하지만, 위브의 특정 지점은 씨실 층들이 함께 연결된 다수의 씨실 층을 갖는 3D 위브를 지칭한다. 도 2는 플레인형 다층 섬유의 평면, 또는 때때로 날실 얀이 주변의 씨실의 얀과 연합하기 위해 하나의 씨실과 연결되는 그들의 통상의 2D 평면 경로로부터 벗어나고 주변의 2개의 씨실 층과 함께 연결된 특정 플레인 교착점을 형성하는 "다중 플레인 섬유"를 나타낸다. 특정 플레인 교차점 PT에서, 날실 얀은 2개의 이웃 씨실 층의 동일 칼럼에 위치된 2개의 씨실 얀 주변을 통과한다.

도 3은 사틴형 다층 섬유의 평면, 또는 "다층 사틴 섬유"를 나타내고, 여기서 씨실 얀의 제1 층의 n에서 하나의 씨실 얀과 제1 층에 이웃하는 씨실 얀의 제2 층의 n에서 하나의 씨실 얀을 교대로 각각의 날실 얀을 유지하기 위해 한 방향에서 그리고 반대 방향에서 교대로 벗어나고, 여기서 n은 2 보다 큰 정수이고, 그러므로 2개의 층을 함께 연결한다. 도시한 예에서, n=16이다.

사틴형 위브에서, "피치"는 씨실 칼럼의 수로 측정된 주어진 날실 얀의 2개의 사틴 교차점 간의 간격을 말한다. 도 3에서, 이와 같은 피치는 6과 10 사이에서 교대되고, 평균 다층 사틴 피치 8, 즉, n/2를 제공한다.

도 2와 도 3의 위브에서, 씨실 얀은 교차되지 않고, 씨실 얀의 2개의 이웃 층의 씨실 얀은 동일 칼럼에 정렬된다. 그럼에도 불구하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 교차된 씨실 배열을 가질 수 있고, 2개의 이웃의 씨실 하프-층 사이가 연결될 수 있다.

다중 플레인 또는 다중 사틴 위브에서 주어진 날실 얀에 의한 연결은 2개의 이웃 씨실 층으로 제한되지 않고, 2개의 씨실 층 보다 더 깊게 연장될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "번수"는 씨실 방향과 날실 방향에서 단위 길이당 얀의 수를 말하고, 작은 (또는 느슨한) 번수는 더 작은 얀의 숫자를 의미하고, 그러므로 번수가 큰 (조밀한) 것과 비교하여 더욱 개방된 섬유를 의미한다.

아래 내용과 모든 도면에서, 약속에 의해 그리고 편리를 위해, 하나의 씨실 층 또는 다수의 씨실 층에서 씨실 얀을 유지하기 위해 그들의 경로로부터 이탈된 닐실 얀을 언급하거나 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 기능은 날실과 씨실 간의 자리바꿈이 있을 수 있고, 자리바꿈된 배열도 역시 청구범위에 포함된다고 고려되어야만 한다.

본 발명의 구현예의 상세한 설명

본 발명의 적용 분야는 매트릭스로 섬유 구조물을 조밀화함에 의해 얻어지는 부재를 갖는, 복합물 재료 부재를 제작하기 위한 섬유 보강물, 또는 예비 성형물을 구성하는데 알맞는 섬유 구조물을 제조하는 것이다. 매트릭스는 복합물 재료가 비교적 낮은 온도, 통상적으로 300℃에서 사용되고, 또는 열구조적 복합물 재료로서 탄소 또는 세라믹과 같은 내화성 재료가 사용될 때, 통상적으로 수지이다.

3D 직조로 섬유 구조물을 제작하는 것은 단일 직물 작업으로 층들 사이의 결합을 얻고, 그러므로 섬유 구조물과 우수한 기계적 강도를 갖는 결과의 복합재 재료 부재를 갖도록 하는 것을 가능하게 한다.

조밀화 후 대부분의 불규칙성이 없어진, 즉 양호한 마감이 존재하는 표면 상 태를 얻는 것을 촉진하여 기계에 의한 마감 작업을 피하거나 제한할 수 있고, 또는 수지-매트릭스 복합물의 수지에 덩어리가 형성되는 것을 피할 수 있는 것이 유리하다. 이 목적을 위해 내부 부분 또는 코어와, 외부 부분 또는 섬유 구조물의 외부 표면 주변에 스킨을 갖는 섬유 구조물에서, 스킨은 바람직하기는, 표면 불규칙성을 제한하기 위해 플레인, 사틴 또는 서지형 위브로 직조되어 제조되고, 사틴형 위브는 또한 부드러운 표면 외관을 제공한다. 스킨에서의 위브는 섬유 구조물의 외부 표면에서 변화될 수 있고, 예를 들면, 단단한 결합을 조장하는 플레인형 위브로부터 부드러운 표면 상태를 조장하는 사틴형 위브로 변함으로써, 특정의 원하는 특성을 제공하도록 직조된다.

섬유 구조물을 직조하는데 사용되는 얀의 직경이, 특히 코어와 표면에서 및/또는 날실과 씨실용으로 다른 직경의 얀을 사용함에 의해 변하는 것이 바람직할 수 있다. 얀의 직경은 특별히 원하는 범위 내의 날실 섬유의 용적 백분률과 씨실 섬유의 용적 백분률 간의 비율을 얻도록 선택될 수 있다.

복합물 재료 부재 내에 가능한 한 비-균일성이 거의 존재하지 않는 기계적 특성을 얻기 위해, 특히 CVI 조밀화를 수행할 때, 섬유 구조물의 코어와 그것의 스킨 사이의 밀도 구배가 가능한 한 작은 보강 섬유 구조물의 조밀화를 조장하는 것이 또한 바람직하다. 이 목적을 위해, 예비 성형물의 코어에 접근을 조장하기 위해, 코어의 직조는 양면 위브를 사용하여 수행할 수 있고, 그것에 의해 다수의 섬유 층들 사이에 용이한 전달을 제공할 수 있다.

또한, 다른 위브를 사용하는, 특히 코어에는 사틴형 위브 그리고 스킨에는 플레인 위브 또는 서지형 위브를 이용하는 다층 직조에 의해 코어와 스킨을 제조하는 것이 가능하다.

조밀화 중 섬유 구조물의 코어로 접근을 조장하는 목적과 마찬가지로, 스킨은 코어의 번수보다 느슨한 번수를 사용하여 제조될 수 있다.

또한, 예를 들면 다른 양면 위브, 또는 다층 위브를 갖는 양면 위브, 또는 참으로 다른 다층 위브를 결합함에 의해 3-차원 위브가 코어 부분에서 변하도록 할 수 있다.

또한, 외부 표면을 따라 스킨에서 위브를 변화시키는 것이 가능하다.

섬유 구조물을 직조하는데 사용되는 얀의 직경을, 특히 코어와 스킨에서 및/또는 날실과 씨실에 다른 직경의 얀을 사용함에 의해 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 코어와 스킨 사이의 감소된 얀 직경은 CVI 조밀화를 수행할 때 침투물의 스킨을 통한 코어로의 접근을 조장한다. 얀의 직경은 특히, 날실 섬유의 용적 백분률과 씨실 섬유의 용적 백분률 간의 비율이 원하는 범위 내에 놓이도록 선택될 수 있다.

또한, 생성된 복합물 재료 부재에, 특히 내산화성 또는 내마모성의 능력 면에서 특성을 제공하기 위해, 섬유 구조물의 여러 부위들 사이, 특히 코어와 스킨 사이에 다양한 화학적 특성의 얀을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

그러므로, 내화성 섬유 보강물을 갖는 열구조적 복합물 재료 부재를 위해, 그 중심에 탄소 섬유, 그 스킨에 세라믹 섬유, 예를 들면 복합재 부재가 상기 스킨 위치를 통한 마모를 견딜 수 있는 실리콘 카바이드(SiC) 섬유를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 구조물의 구현예를 아래에 기재하였다. 모든 구현예에서, 직조는 자카드식(Jacquard type) 직조기로 수행되었다

실시예 1

도 4A 내지 도 4H는 3D 직조로 얻어진 섬유 구조물 위브의 8개의 연속 평면의 일부를 나타내고, 씨실 얀은 단면에서 보인다.

섬유 구조물 10은 9개의 씨실 얀 층, 즉 18개의 하프-층 t1 내지 t18을 포함한다. 2개의 마주보는 스킨 14와 16 사이에 놓인 코어 12에서, 3D 직조는 층 당 10/10 번수(씨실과 날실 방향으로 센티미터 당 10개의 얀)를 갖는 양면형이다. 스킨 14와 16에서, 직조는 층 당 5/5 번수를 갖는 2-차원 플레인형 위브이다. 플레인 위브는 오직 씨실 얀의 하프-층 t1과 t2 및 하프-층 t17과 t18에만 적용된다. 코어의 3D 양면 위브는 스킨의 가장 바깥의 하프-층 t1, t18로 연장되어 이들 하프-층이 코어 층들에 결합되도록 한다.

이 실시예에서, 직조 방법과 번수는 코어와 스킨에서 변한다. 플레인 위브 스킨은 비교적 부드러운 표면 상태를 얻는 것을 조장한다. 조밀화가 CVI에 의해 수행되면, 코어의 양면 3D 위브는 표면과 코어 사이의 조밀화 구배의 최소화를 촉진하고, 스킨에서의 작은 번수는 스킨을 통한 섬유 구조물의 코어로의 접근을 촉진한다.

실시예 2

도 5A 내지 도 5H는 3D 직조에 의해 얻어진 섬유 구조물 위브 20의 연속 평면을 나타내고, 상기 구조는 실시예 1의 구조와 스킨 24의 구조에서 다르고, 직조 는 5×5 번수의 사틴 위브이고 오직 씨실 얀 t1과 t18의 최외부 하프-층만을 포함하는 반면, 코어 22의 위브는 층 당 10×10 번수의 양면형이다.

이 실시예에서, 직조법은 코어 22와 스킨 24, 26에서 변하고, 스킨 사틴 위브는 부드러운 표면 외관을 제공한다.

실시예 3

도 6A 내지 도 6H는 3D 직조에 의해 얻어진 섬유 구조물의 연속 평면을 나타내고, 이 구조는 실시예 1의 구조와, 스킨 34, 36에서 2개의 씨실 하프-층의 두께에 걸친 다중 플레인 위브와 유사한 형태의 위브로 다층 직조가 수행되고, 코어 부분 32에서의 3D 위브는 양면형이고, 각각의 날실은 씨실 얀의 3개의 하프-층의 두께에 걸쳐 연장되고, 씨실 얀은 엇갈린(staggered) 배열을 갖는다는 점에서 다르다.

스킨에서 다층 직조를 수행할 때, 양면 위브가 스킨 부분의 모든 씨실 층에 걸쳐 연장될 필요는 없다. 모든 씨실 층들 사이가 결합된 3D 직조를 얻기 위해 양면 위브에서와 다층 위브 모두에 포함되어질 코어와 스킨 사이의 마주보는 면에 위치하는 씨실의 단일 층 또는 하프-층으로 충분할 것이다.

실시예 4

도 7A 내지 도 7H는 3D 직조로 얻어진 섬유 구조물에서의 연속 평면의 일부를 나타내고, 이 구조는 스킨 46에서의 다층 직조가 다중 플레인 위브를 이용하여 수행된다는 점에서 실시예 3의 구조와 다르다. 코어 부분 42에서의 3D 위브는 양면형 위브이고, 각각의 날실은 씨실 얀의 3개의 하프-층 두께에 걸쳐 연장되고, 씨실 얀은 엇갈린 배열이다.

각각의 위브 평면에서, 위브의 오직 일부만을 도시하였고, 씨실 층의 수는 점선으로 나타낸 바와 같이 더 많아질 수 있다. 반대의 단일 스킨의 위브는 예를 들면, 중간층에 대칭으로 계속될 수 있다. 도면에서, 스킨 46은 2개의 하프-층을 구성단위로 하는 씨실 얀의 완전한 층으로 나타낸다.

실시예 5

도 8A 내지 도 8J는 3D 직조에 의해 얻어진, 코어 52의 양면 위브와 스킨의 다층 위브를 사용한 섬유 구조물의 연속 평면의 일부를 나타낸다. 양면 위브는 씨실 얀의 2개의 하프-층의 깊이에 걸쳐 연장된 각각의 날실 얀으로 제조된다. 스킨 56의 다층 위브는, 이웃의 씨실 하프-층을 갖는 2개의 하프-층들로 형성된 외부 씨실 층을 구성단위로 하는, 5개의 피치를 갖는 다중 사틴형 위브로 제조된다.

도 7A 내지 도 7H에 나타낸 바와 같이, 오직 위브의 일부만을 도시하였고, 이것은 점선으로 나타낸 바와 같이 씨실 층의 수가 증가될 수 있고, 스킨 56과 마주보는 스킨은 도시하지 않았고, 상기 마주보는 스킨은 스킨 56과 동일한 타입일 것이다.

실시예 6

도 9A 내지 도 9H는 실시예 5의 변형으로 3D 직조에 의해 얻어진 섬유 구조물 60의 연속 평면을 나타내고, 코어 62의 양면 위브는 2개 대신 씨실 얀의 3개의 하프-층에 걸쳐 연장되고, 스킨 66에서 위브는 4개의 피치를 갖는 다중 사틴 위브이다. 스킨에서의 위브는, 2개 단위의 하프-층으로 제조된 씨실 얀의 외부층에 걸 쳐, 외부 층 이웃의 씨실 얀의 이웃 하프-층의 하나 또는 다른 것에 교대로 걸쳐 연장된다(이것이 맞는가?).

실시예 7

도 10A 내지 도 10J는 코어 72에서 3D 양면 위브와 스킨 74, 76에서 피치 10의 사틴 위브에 의해 얻어진 섬유 구조물 70의 연속적인 위브 평면을 나타낸다.

씨실 얀은 엇갈린 배열이다. 코어에서의 씨실 하프-층의 수는 점선으로 표현한 바와 같이 더 커질 수 있다.

코어에서의 양면 위브는 2개의 하프-층에 걸쳐 연장되고, 스킨에서의 사틴 위브는 2개의 하프-층에 걸쳐 연장되고, 스킨에서 외부 하프-층은 코어의 양면 위브에 포함되지 않는다.

실시예 8

도 11A 내지 도 11L은 다층 3D 직조로 얻어지고 씨실 얀 U1 내지 U12의 12개의 층을 포함하는 구조물 80의 연속 위브 평면을 나타낸다. 하기의 표에 위브와 사용된 3D 위브의 번수를 요약하였고, 구조물 80의 위브에서의 변화는 중간면에 대해 대칭이고, 스킨 84, 86은 코어 82의 반대 측면에 위치한다. 씨실 얀은 엇갈린 배열이 아니지만, 특정 씨실 얀들은 다른 층에서의 갯수와 다른 갯수의 씨실 얀을 갖는다는 것을 확인하여야 한다(씨실 번수에서의 변화).

씨실 얀 층	다층 위브	번수
U1	플레인 위브	6.6/6.6
U2	다층 플레인 위브	6.6/6.6
U3	다층 5 사틴 위브	8/8
U4	다층 5 사틴 위브	8/8
U5	다층 6 사틴 위브	10/10
U6	다층 6 사틴 위브	10/10
U7	다층 6 사틴 위브	10/10
U8	다층 6 사틴 위브	10/19
U9	다층 5 사틴 위브	8/8
U10	다층 5 사틴 위브	8/8
U11	다층 플레인 위브	6.6/6.6
Y12	플레인 위브	6.6/6.6

도면에 나타낸 바와 같이, 다중 사틴 위브는 제1 씨실 층으로부터의 씨실 얀과, 제1 이웃에 있는 제2 씨실 층으로부터의 씨실 얀을 취하는 것을 교대로 하여 날실 얀을 사용하여 수행하였다.

이 실시예에서, 다층 3D 위브와 번수는 코어 82와 스킨 84, 86 사이에서 변한다. 위브와 번수에서의 변화는 코어와 스킨 사이의 지나치게 급격한 불연속성을 피하기 위해, U5 내지 U8 층의 6개의 사틴과 스킨의 플레인 위브 사이에 씨실 U3, U4 및 U9, U10에 대한 5개의 사틴을 채택함에 의해 어느 정도 진행되도록 제조된다.

코어에서의 다중 사틴 위브는 날실의 수축을 덜 가져오고 특히 날실 방향에서, 양면 위브와 비교하여 씨실 층에 대응하여 더 나은 기계적 강도를 가져온다.

CVI 조밀화가 사용될 때, 스킨을 위한 플레인 위브는 사틴 위브를 이용한 것과 비교하여 스킨을 통한 침투를 위한 더 용이한 접근을 제공한다.

변화로서, 스킨의 직조에 서지형 위브를 사용하는 것이 가능하다.

실시예 9

도 12A 내지 도 12T는 3D 직조로 얻어지고, 씨실 얀이 엇갈리게 배열된 섬유 구조물의 코어 92의 일부의 12개의 연속 평면을 나타낸다.

코어 부분 92은 씨실 얀의 2개의 하프-층에 걸친 제1 양면 위브로 직조된 제1 부분 92a과 씨실 얀의 2개의 하프-층에 걸친 제2 양면 위브로 직조된 제2 부분 92b를 포함한다. 제1 부분 92a에서, 점선으로 그려진 날실 얀은 단순히 하나 이상의 얀이 원하는 두께에 따라 동일한 경로에 제공된다는 것을 보여준다. 제2 부분 92b에서, 오직 하나의 날실 얀 만이 도시된다. 이것은 원하는 두께에 따라 필요한 수 만큼 반복되어야 한다.

제2 부분 92b은 제1 부분 92a과 도시하지 않은 스킨 부분 사이에 놓인다. 스킨의 위브는 예를 들면, 실시예 5의 섬유 구조물의 스킨 부분 56과 같은 다중 사틴 위브를 갖는 다층 위브일 수 있다.

코어 부분 92이 두 개의 마주보는 스킨 부분에 놓일 때, 제2 부분 92a에 대하여 제1 부분과 반대 측면에, 예를 들면 중간면에 대해 그것과 대칭으로, 제1 부분과 스킨 부분 사이에 놓인 세번째 부분을 포함할 수 있다.

코어 부분에 2개의 다른 위브의 사용은, 다른 기계적 특성을 갖도록 할 수 있다. 실시예에 나타낸 바와 같이, 부분 92a의 양면 위브는 부분 92b에서의 양면 위브 보다 씨실 얀의 더 강한 결합을 제공한다.

실시예 10

도 13AA 내지 도 13BN은 3D 직조로 얻은 섬유 구조물의 코어 부분 102의 40 연속 평면의 일부를 나타내고, 코어 부분 102는, 제1 부분 102a에서 다른 양면 위브에 의해 다르고, 반면 제2 부분 102b에서의 양면 위브는 실시예 9의 제2 부분 92b와 동일함에 의해, 실시예 9의 코어 부분 92과 다르다.

부분 102a의 양면 위브는 실시예 9의 부분 92a에서의 위브보다 약한 위브를 제공하지만, 이것은 직조하기 쉽다.

실시예 11

도 14A 및 도 14B는, 코어 부분 112의 제1 부분 112a에서의 위브가 다중 평면형인 반면, 제2 부분 112b는 실시예 9의 제2 부분에서의 것과 유사한 양면형으로, 실시예 9의 것과 다른 섬유 구조물의 코어 부분 112의 2개의 연속 평면을 나타낸다.

부분 122a에서의 다중 플레인 위브는 씨실 얀의 매우 강한 결합을 제공한다.

실시예 12

도 15A 내지 도 15D는 오직 2층의 씨실 얀 t1 및 t2의 층만을 갖는, 매우 작은 두께의 섬유 구조물 부분 120을 위한 위브의 연속 평면을 나타낸다.

씨실 층은 양면 위브를 이용하여 날실 C1에 의해 함께 결합되고, 반면 각각의 씨실에서의 얀은 각각 날실 C2와 C3를 이용한 2-차원 위브에 의해 함께 결합된다. 2-차원 위브는 도시된 실시예의 사틴형이다. 이와 같은 위브는 특히, 제조될 복합물 재료 부재의 매우 얇은 부분에 대응하는 섬유 구조물의 부분, 예를 들면, 터보 엔진 블레이드의 익형의 뒷전 근처의 부분으로 알맞다.

실시예 13

도 16A 내지 도 16H는 얇은 섬유 구조물의 부분 130을 위한, 오직 3층의 씨실 얀 즉, 스킨 층 t1과 t2, 그리고 중간 코어층 t3을 갖는 위브의 연속 평면이다.

씨실 층들은 양면형 위브를 사용한 얀에 의해 함께 결합된다. 섬유 구조물 103의 스킨 134, 136에서, 직조는 다중 사틴 위브로 형성된다. 변화로서, 사틴 또는 플레인형 위브를 이용하거나, 다중 사틴 위브 이외의 다층 위브를 이용하여 스킨에서의 2-차원 직조를 수행하는 것이 가능하다.

섬유 구조물 부분 120 및 130에서, 씨실은 상기 실시예들과 달리 엇갈린 배열임을 알아야 한다.

실시예 14

도 17A 내지 도 17D는 실시예 12와 13의 부분 120과 130 사이의 변화를 형성하는 섬유 구조물의 부분 140의 연속 평면을 나타낸다.

부분 140에서, 씨실 얀 t1과 t2 그리고 일부의 중간층 t'3, 예를 들면, 층 t1 및 t2로서의 씨실 얀의 수의 반을 함유하는 층을 볼 수 있다.

중간층 t'3는 부분 130의 씨실 얀들을 함께 결합시키는 양면 위브와 유사한 방법으로 양면 위브에 의해 층 t1과 t2에 결합된다.

스킨에서, 층 t1 및 t2에서, 섬유 구조물 부분 120의 각각의 층 t1과 t2에 사용된 것과 유사한 사틴 위브를 이용하여 2-차원 위브가 수행된다.

실시예 15

도 18A 내지 도 18H는 실시예 13의 부분 130과 한 층이 증가된 두께를 갖는 부분 사이의 변화를 형성하는 섬유 구조물의 부분 150의 연속 평면을 나타낸다.

부분 150에서 씨실 얀 t1과 t2의 층, 중간층 t3, 및 추가의 씨실 층 t'4을 갖는 층을 볼 수 있고, 층 t3의 얀은 엇갈린 배열을 형성하도록 하나의 씨실 칼럼 을 다음 칼럼으로 상쇄한다.

코어 152에서, 층 t3와 t'4는 양면 위브의 직조에 의해 층 t1 및 t2에 결합된다. 스킨 154, 156에서, 층 t1과 t2 층에서, 다층직조, 특히 도 9A 내지 도 9H의 구조 부분 60에서 스킨에 사용된 것과 동일한 타입의 다중 사틴 위브가 사용된다.

실시예 12 내지 15의 위브는 스킨 위브의 연속성을 확실히 하는 동안 점진적으로 섬유 구조물의 두께를 증가시키는 작용을 한다. 이 목적을 위해, 위브의 평면 P로부터 다음 위브 (modulo 그 안의 평면의 수)의 평면 P+1로 통과하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 구조물 120에서 구조물 150으로의 두께의 증가는 다음의 연속에 의해 점진적으로 얻어질 수 있다:

ㆍ구조물 120을 갖는 평면 1, 2, 3 (도 15A, 15B, 15C);

ㆍ평면 4, 5, 즉 변환 구조물 140의 위브의 4, 1(5 = 1 modulo 4 이므로)(도 17D, 17A)

ㆍ위브 130의 평면 6, 7, 8(도 16F, 16G, 16H); 및

ㆍ평면 9, 10, 11, 즉 변환 구조물 150의 위브의 1, 2, 3(9, 10, 11 = 1, 2, 3 modulo 8 이므로)(도 18A, 18B, 18C).

도 19의 사진은 터보엔진 팬 블레이드의 섬유 예비 성형물을 구성하는 두께가 변한 섬유 구조물의 일부를 나타낸다. 스킨 위브의 연속성은 블레이드 익형의 뒷전에 대응하는 예비성형물의 가장자리 BF까지 보장된다는 것을 확인할 수 있다. 얇은 부분은 실시예 12 내지 15에 따라 직조되었다(도 15 내지 도 18).

Claims (26)

1. 복합물 재료 부재의 제작을 위하여 단일 조각으로 직조된 보강 섬유 구조물로, 상기 섬유 구조물은 내부 부분 또는 코어, 그리고 상기 구조물의 외부 표면에 이웃한 부분 또는 스킨을 갖고, 그리고 상기 섬유 구조물은 코어에서는 양면 위브와 다층 위브로부터 선택되는 하나 이상의 위브를 이용한 3-차원 직조로, 그리고 스킨에서는 코어의 위브와 다른, 다층 위브와 2-차원 위브로부터 선택되는 위브의 직조로 형성되는 것인 보강 섬유 구조물.
2. 제1항에 있어서, 코어에서는 하나 이상의 양면 위브를 갖는 3-차원 직조로, 그리고 스킨에서는 플레인, 사틴 또는 서지형 위브를 갖는 직조로 형성되는 섬유 구조물.
3. 제2항에 있어서, 상기 스킨 위브는 다층형인 섬유 구조물.
4. 제2항에 있어서, 상기 스킨 위브는 2-차원형인 섬유 구조물.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 스킨 위브는 사틴형 위브인 섬유 구조물.
6. 제1항에 있어서, 코어에서는 다층 직조로 그리고 스킨에서는 코어의 위브와 다른 위브를 갖는 다층 직조로 형성되는 섬유 구조물.
7. 제1항에 있어서, 코어에서는 다층 직조로 그리고 스킨에서는 2-차원 직조로 형성되는 섬유 구조물.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어는 제1 위브를 갖는 3-차원 직조로 형성된 제1 부분과, 상기 제1 부분과 스킨 사이에 놓인 하나 이상의 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 제1 위브와 다른 제2 위브를 갖는 3-차원 직조에 의해 형성되는 섬유 구조물.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위브는 양면 위브인 섬유 구조물.
10. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위브는 다층 위브인 섬유 구조물.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위브는 다른 피치들을 갖는 다중 사틴 위브인 섬유 구조물.
12. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위브 중 하나는 양면 위브이고 다른 하나는 다층 위브인 섬유 구조물.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스킨 위브는 섬유 구조물의 외부 표면에 걸쳐 다른 것인 섬유 구조물.
14. 제13항에 있어서, 상기 스킨 위브는 플레인형 위브와 사틴형 위브 사이에서 다른 것인 섬유 구조물.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 날실과 씨실의 번수 중 하나 이상은 코어와 스킨 사이에서 다른 것인 섬유 구조물.
16. 제16항에 있어서, CVI 조밀화에 의해 복합물 재료 부재를 제작하기 위한 것으로, 날실과 씨실의 번수 중 하나 이상은 코어보다 스킨에서 더 작은 것인 섬유 구조물.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 직조에 사용되는 얀들은 코어와 스킨 사이에서 다른 직경을 갖는 것인 섬유 구조물.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 두 층의 씨실 얀을 갖는 하나 이상의 두께 감소 부분을 갖고, 그리고 두 개의 씨실 층을 함께 결합시키는 양면형 위브를 갖는 3-차원 직조에 의해 그리고 각각의 스킨 층에서는 얀들을 함께 결합시키는 2-차원 위브에 의해 형성되는 섬유 구조물.
19. 제18항에 있어서, 상기 3-차원 직조는 사틴형 위브를 이용하는 것인 섬유 구조물.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 세 층의 씨실 얀을 갖는 감소된 두께의 섬유를 갖고 3개의 씨실 층을 함께 결합시키는 양면 위브를 갖는 3-차원 위브에 의해 형성되는 섬유 구조물.
21. 제20항에 있어서, 씨실 얀의 중심 층은 또한 다층 직조에 의해 다른 두 개의 층의 각각에 결합되는 것인 섬유 구조물.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부분과, 상기 제1 부분과 비교하여 추가된 씨실 얀의 완전 층을 갖는 제2 부분 사이에 변환 부분을 갖고, 상기 변환 부분은 상기 제1 부분과 비교하여 추가된 씨실 얀의 불완전 층을 갖는 것인 섬유 구조물.
23. 제22항에 있어서, 상기 추가적인 불완전 층의 씨실 얀들은 씨실 얀들의 2개의 완전층 사이에 놓이고 양면 위브를 갖는 직조에 의해 그곳에 결합되는 것인 섬유 구조물.
24. 수지 매트릭스에 의해 조밀화된 섬유 보강물을 갖는 복합물 재료 부재로, 상기 섬유 보강물은 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 섬유 구조물로 형성되는 것인 복합물 재료 부재.
25. 제24항에 있어서, 터보엔진 블레이드를 구성하는 것인 부재.
26. 매트릭스에 의해 조밀화된 섬유 보강물을 갖는 열구조적 복합물 재료 부재로, 상기 섬유 보강물은 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 섬유 구조물로 형성되는 것인 부재.

Images