JP2012106492A - 複合材組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】未硬化複合材組成物、硬化複合材料及び硬化複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】未硬化複合材組成物は未硬化樹脂及び三軸ブレイド１０を含有する。三軸ブレイドは、長手方向軸１１を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度２２で第１バイアス方向２１に延在する第１バイアス繊維２０、長手方向軸に対して第２バイアス角度３２で第２バイアス方向３１に延在する第２バイアス繊維３０及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維１４を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズが実質的に同じであり、トウサイズが約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、三軸ブレイド（編み物）を含有する未硬化複合材組成物に関する。さらに、本発明は、三軸ブレイドを用いて製造する硬化複合材料に関する。

繊維及び樹脂マトリックスから製造される複合材料を使用して帆船本体から航空機部品におよぶ多様な製品が形成される。複合構造は、数多くの利点、例えば最先端の構造用合金に近い又はそれを上回る比強度を有する。

従来、複合体又は複合構造を形成するのにいくつかの方法が用いられている。一般に、これらの方法はすべて、ほぼ最終複合構造の輪郭をとる、繊維材料の「レイアップ」、即ちプリフォームを形成する。このレイアップ、即ちプリフォームは、構造用繊維のファブリック又は独立した繊維自体から形成され、手動或いは機械化された器具によりマンドレル上に「レイアップ」される。複合構造用のプリフォームを形成するこのような方法の１つでは、マンドレルの周りに複数の構造用繊維をブレイド織りして二軸又は三軸ブレイドを形成する。

近年、宇宙用構造及び部品における複合材料用途が益々増加し、様々な用途の設計要求を満たすべく幅広い炭素繊維フォーム、特に三軸ブレイドが用いられている。多くの用途で三軸ブレイドプリフォームは二軸ブレイドより好ましい。三軸ブレイドからの完成品が、機械特性、主に強度と剛性に優れているからである。

しかし、用途によっては、繊維強化複合材料の物性が１つ又は２つ以上不足していることがあり、向上が必要なことがある。例えば、様々な繊維プリフォーム、特にブレイド構成から形成された、樹脂富化ポケットを有する複合材料は、熱サイクル時に微小クラックを発生する傾向がある。強靱化樹脂系は、複合材料の耐微小クラック性を向上すると報告されている。しかし、非強靱化樹脂は強靱化樹脂より複合材料製造での加工が容易なことがある。これは、複合材料製造に用いられる樹脂トランスファー成形法では通常、プリフォームを樹脂成分で完全に湿潤含浸するために樹脂成分が比較的低い注入粘度をもつことが必要であるからである。さらに、複合材料の製造に非強靱化樹脂を用いると、低コストの樹脂及び加工方法の選択幅を広げることができる。また、強靱化樹脂も耐微小クラック性をさらに向上することが必要となる。

米国特許第７７７０８３７号明細書

したがって、優れた耐微小クラック性の複合構造を形成する最適なブレイド構成の選択及び設計が必要とされている。さらに、ブレイド織プリフォームとともに様々な樹脂系を用いて、最終用途で必要な物性及び性能向上を示す複合材料を製造することが必要とされている。本発明は、複合材組成物に伴う上記その他の課題に対するさらなる解決策を提供するものである。

１実施形態では、本発明は未硬化複合材組成物を提供する。未硬化複合材組成物は未硬化樹脂及び三軸ブレイドを含有する。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズは実質的に同じであり、トウサイズは約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。

別の実施形態では、本発明は方法を提供する。本方法は、未硬化樹脂を含有する配合物を三軸ブレイドと接触させて未硬化複合材組成物を形成する工程を含む。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズは実質的に同じであり、トウサイズは約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。

他の実施形態では、本発明は、硬化樹脂及び三軸ブレイドを含有する硬化複合材料を提供する。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズは実質的に同じであり、トウサイズは約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。

本発明の上記その他の特徴、実施形態及び利点は、以下の詳細な説明を参照することで、一層容易に理解できるであろう。

発明の上記その他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照にして以下の詳細な説明を読むことで、一層明らかになるであろう。
本発明の１実施形態の三軸ブレイドの線図である。 異なる複合材料サンプルについて熱湿潤サイクル４００サイクル毎の微小クラック長さの合計を示すグラフである。 異なる複合材料サンプルについて熱湿潤サイクル３２００サイクル後の微小クラック長さの合計及び微小クラック数を示すグラフである。

本明細書及び特許請求の範囲において、多数の用語に言及するが、その用語が次の意味を有するものと定義する。

単数表現は、文脈上明らかにそうでない場合以外は、複数も含む。

「任意の」又は「所望に応じて」は、後述する事象や状況が起こっても起こらなくてもよいことを意味し、関連する説明は事象が起こった場合と事象が起こらなかった場合両方を包含する。

本明細書及び特許請求の範囲全体を通して用いた近似的な表示は、それが関与する基本機能に変化をもたらすことなく変動することが許される量的表現を修飾するのに適用することがある。したがって、「約」及び「実質的に」のような用語で修飾された値は、特定された正確な値に限定されない。少なくともいくつかの例では、近似的な表示はその値を測定する計器の精度に対応する。同様に、「存在しない」は、用語と組合わせて用いることができ、ごくわずかな数又は量を含んでも、組合わせた用語が存在しないと見なす。本明細書及び特許請求の範囲全体を通して、文脈上又は文言で示していない限り、範囲の限定はその上下限を組合せたり、交換することができ、このような範囲は、表示通りでありかつすべての下位範囲を包含する。

１実施形態では、本発明は未硬化複合材組成物を提供する。未硬化複合材組成物は未硬化樹脂及び三軸ブレイドを含有する。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズが実質的に同じであり、トウサイズが約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。

１実施形態では、未硬化樹脂は熱硬化性樹脂から選択される。１実施形態では、未硬化樹脂はエポキシ、ビニルエステル、ポリイミド、ビスマレイミド、フェノール−ホルムアルデヒド、ポリウレタン、ＣＢＴ（環状ポリブチレンテレフタレート）及びポリエステルから選択される。

１実施形態では、未硬化樹脂は未硬化エポキシ樹脂を含む。未硬化エポキシ樹脂は硬化により熱硬化樹脂に変換することができる。１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、少なくとも１つの反応性エポキシ基を有する反応性モノマーを含有する。１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、複数の反応性エポキシ基を有する反応性モノマーを含有する。１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、２つのエポキシ基を有する少なくとも１つのモノマーを含有し、未硬化エポキシ樹脂は硬化剤での処理により硬化エポキシ樹脂に変換する。１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、３つ以上のエポキシ基を有する少なくとも１つのモノマーを含有し、未硬化エポキシ樹脂は、硬化剤での処理により硬化エポキシ樹脂に変換する。

１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、多価フェノールポリエーテルアルコール、エポキシ化フェノール−ホルムアルデヒドノボラック樹脂などのノボラック樹脂のグリシジルエーテル、単核の二及び三価フェノールのグリシジルエーテル、テトラブロモビスフェノールＡのジグリシジルエーテルなどのビスフェノールのグリシジルエーテル、多核のフェノールのグリシジルエーテル、脂肪族ポリオールのグリシジルエーテル、脂肪族二酸ジグリシジルエステルなどのグリシジルエステル、グリシジルアミド、アミド含有エポキシなどの窒素含有グリシジルエポキシ、シアヌル酸のグリシジル誘導体、メラミン由来グリシジル樹脂、ｐ−アミノフェノールのトリグリシジルエーテルアミンなどのグリシジルアミン、グリシジルトリアジン、チオグリシジルエーテル、ケイ素含有グリシジルエーテル、モノエポキシアルコール、グリシジルアルデヒド、２、２’−ジアリルビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ブタジエンジオキシド又はビス（２，３−エポキシシクロペンチル）エーテルの１つ又は２つ以上を含有する。

１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、オクタデシレンオキシド、エピクロロヒドリン、スチレンオキシド、ビニルシクロヘキセンオキシド、グリシジルメタクリレート、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（例えば、米国テキサス州ヒューストン所在Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商品名「ＥＰＯＮ８２８」、「ＥＰＯＮ１００４」及び「ＥＰＯＮ１００１Ｆ」及び米国ミシガン州ミッドランド所在Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商品名「ＤＥＲ−３３２」及び「ＤＥＲ−３３４」にて入手できるもの）、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル（例えば、米国ニューヨーク州ホーソーン所在Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社から商品名「ＡＲＡＬＤＩＴＥ ＧＹ２８１」にて及びＳｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商品名「ＥＰＯＮ８６２」にて入手できるもの）、ビニルシクロヘキセンジオキシド（例えば、米国コネチカット州ダンベリー所在Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ社から商品名「ＥＲＬ４２０６」にて入手できるもの）、３，４−エポキシシクロヘキシル−メチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート（例えば、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ社から商品名「ＥＲＬ−４２２１」にて入手できるもの）、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル−５，５−スピロ−３，４−エポキシ）シクロヘキサン−ｍ−ジオキサン（例えば、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ社から商品名「ＥＲＬ−４２３４」にて入手できるもの）、ビス（３，４−エポキシシクロヘキシル）アジペート（例えば、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ社から商品名「ＥＲＬ−４２９９」にて入手できるもの）、ジペンテンジオキサイド（例えば、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ社から商品名「ＥＲＬ−４２６９」にて入手できるもの）、エポキシ化ポリブタジエン（例えば、ＦＭＣ社から商品名「ＯＸＩＲＯＮ２００１」にて入手できるもの）、エポキシシラン、例えばβ−３，４−エポキシシクロヘキシルエチルトリメトキシシラン及びγ−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン、１，４−ブタンジオールジグリシジルエーテル（例えば、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社から商品名「ＡＲＡＬＤＩＴＥ ＲＤ−２」にて入手できるもの）、水素化ビスフェノールＡジグリシジルエーテル（例えば、Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商品名「ＥＰＯＮＥＸ１５１０」にて入手できるもの）又はフェノール−ホルムアルデヒドノボラックのポリグリシジルエーテル（例えば、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から商品名「ＤＥＮ−４３１」及び「ＤＥＮ−４３８」にて入手できるもの）の１つ又は２つ以上を含有する。

１実施形態では、未硬化エポキシ樹脂は、Ｃｙｔｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社（米国アリゾナ州テンピ所在）から市販されている「Ｃｙｃｏｍ９７７−２」、「Ｃｙｃｏｍ９７７−２０」、「Ｃｙｃｏｍ ＰＲ５２０」及び「Ｃｙｃｏｍ５２０８」；Ｈｅｘｃｅｌ社（米国カルフォルニア州ダブリン所在）から市販されている「ＨｅｘＦＬｏｗ ＲＴＭ−６」及び「ＨｅｘＦｌｏｗ ＶＲＭ３４」；又はＨｅｎｋｅｌ−Ｌｏｃｔｉｔｅ社（米国カルフォルニア州ベイポイント所在）から市販されている「Ｅｐｓｉｌｏｎ（登録商標）９９１００」の１つ又は２つ以上を含有する。

上述したように、未硬化複合材組成物はさらに、三軸ブレイドを含有する。ここで用いる用語「ブレイド」（ｂｒａｉｄ）は織り交ぜられた繊維の組みをいい、用語「三軸ブレイド」は、３つの織り交ぜられた繊維の組みからなるブレイドをいう。ここで用いる用語「繊維」は、単一の繊維、フィラメント又は糸、或いは複数の繊維、フィラメント又は糸を包含する。１実施形態では、用語「繊維」は、無撚り又は撚りの繊維、フィラメント又は糸を包含する。１実施形態では、用語「繊維」は、ストランド、トウ又はヤーンを包含する。

１実施形態では、繊維は複数の撚りフィラメントを含む。１実施形態では、繊維は複数の無撚りフィラメント、即ちトウを含む。ここで用いる用語「トウ」は複数の無撚りフィラメントをいう。１実施形態では、トウはトウサイズによって特徴づけることができる。ここで用いる用語「トウサイズ」は、トウ内に存在するフィラメントの数をいう。１例として、ここでは、トウサイズ１２ｋは１２，０００フィラメントを含有するトウをいう。

三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維及び長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維を有する。図１を参照すると、１実施形態では、三軸ブレイド１０は長手方向軸１１を有する。三軸ブレイドはさらに、長手方向軸に対して第１バイアス角度２２で第１バイアス方向２１に延在する第１バイアス繊維２０及び長手方向軸に対して第２バイアス角度３２で第２バイアス方向３１に延在する第２バイアス繊維３０を含む。ここで、第１バイアス角度２２は、ブレイド長手方向軸から第１バイアス繊維までを計測した鋭角である。同様に、第２バイアス角度３２は、ブレイド長手方向軸から第２バイアス繊維までを計測した鋭角である。

１実施形態では、第１バイアス角度と第２バイアス角度は異なる。１実施形態では、第１バイアス角度は約１５°〜約７５°の範囲である。１実施形態では、第１バイアス角度は、約４５°〜約６０°の範囲である。１実施形態では、第２バイアス角度は、約３０°〜約７５°の範囲である。１実施形態では、第２バイアス角度は、約４５°〜約６０°の範囲である。１実施形態では、第１バイアス角度と第２バイアス角度は同じであり、どちらか１つを用いてブレイド角度を表す。１実施形態では、第１バイアス角度と第２バイアス角度は約６０°である。

三軸ブレイドはさらに、長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を有する。図１を参照すると、１実施形態では、三軸ブレイド１０は、長手方向軸１１に平行な方向に延在する軸繊維１４を含み、軸繊維と長手方向軸間の鋭角が約０°である。軸繊維を経繊維又は一方向繊維或いはレイドイン（ｌａｉｄ−ｉｎ）繊維ともいう。軸繊維数は変えることができる。１実施形態では、軸繊維は三軸ブレイドの周囲で等距離、即ち規則的、即ち均一に間隔をあけている。

図１に示したように、軸繊維は、バイアス繊維と織り合わせており、バイアスストランドが軸繊維の上を通過したり、下を通過したりする。１実施形態では、三軸ブレイドは、ダイアモンドブレイド織り（ｄｉａｍｏｎｄ ｂｒａｉｄ）として知られる方式で織られ、バイアスストランドが１本上１本下の配置で織られる。別の実施形態では、三軸ブレイドはレギュラーブレイド織り（ｒｅｇｕｌａｒ ｂｒａｉｄ）として知られる方式で織られ、バイアスストランドが２本上２本下の配置で織られる。他の実施形態では、三軸ブレイドはヘラクレスブレイド織り（ｈｅｒｃｕｌｅｓ ｂｒａｉｄ）として知られる方式で織られ、バイアスストランドが３本上３本下の配置で織られる。これらの織り方式のどれも図１に用いることができる。

上述したように、１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維は、複数の無撚りフィラメント、即ちトウサイズにより特徴づけられるトウを含む。１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維は、実質的に同じトウサイズ、即ちトウ内に実質的に同じ数のフィラメントを有する。１実施形態では、トウサイズは約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。１実施形態では、トウサイズは約３ｋ〜約９ｋの範囲である。１実施形態では、トウサイズは約４ｋ〜約８ｋの範囲である。１実施形態では、トウサイズは約６ｋである。

１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維の少なくとも１つは、ガラス繊維又はセラミック繊維を含む。１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維の少なくとも１つは、ポリマー繊維を含む。繊維の適当な例には、ガラス繊維（例えば、ＰＰＧ、ＡＧＹ、Ｓｔ． Ｇｏｂａｉｎ、Ｏｗｅｎｓ−Ｃｏｒｎｉｎｇ、Ｊｏｈｎｓ Ｍａｎｖｉｌｌｅなどの業者からの石英、Ｅ−ｇｌａｓｓ、Ｓ−２ ｇｌａｓｓ、Ｒ−ｇｌａｓｓ）、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維（例えば、米国デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ社から入手できるＮＹＬＯＮ（登録商標）ポリアミド）、芳香族ポリアミド繊維（例えば、米国デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ社から入手できるＫＥＶＬＡＲ（登録商標）芳香族ポリアミド、又はオーストリア所在のＬｅｎｚｉｎｇ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ社から入手できるＰ８４（登録商標）芳香族ポリアミド）、ポリイミド繊維（例えば、米国デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ社から入手できるＫＡＰＴＯＮ（登録商標）ポリイミド）及び長鎖ポリエチレン（例えば、米国ニュージャージー州モリスタウン所在のＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社からのＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）ポリエチレン及び東洋紡株式会社からのダイニーマ（登録商標）ポリエチレン）があるが、これらに限らない。

１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維の少なくとも１つは、炭素繊維を含む。炭素繊維の適当な例には、ＡＳ２Ｃ、ＡＳ４、ＡＳ４Ｃ、ＡＳ４Ｄ、ＡＳ７、ＩＭ６、ＩＭ７、ＩＭ９及びＰＶ４２／８５０（Ｈｅｘｃｅｌ社製）；トレカＴ３００、Ｔ３００Ｊ、Ｔ４００Ｈ、Ｔ６００Ｓ、Ｔ７００Ｓ、Ｔ７００Ｇ、Ｔ８００Ｈ、Ｔ８００Ｓ、Ｔ１０００Ｇ、Ｍ３５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｍ４６Ｊ、Ｍ５０Ｊ、Ｍ５５Ｊ、Ｍ６０Ｊ、Ｍ３０Ｓ、Ｍ３０Ｇ及びＭ４０（東レ株式会社製）；ＨＴＳ１２Ｋ／２４Ｋ、Ｇ３０−５００ ３Ｋ／６Ｋ／１２Ｋ、Ｇ３０−５００ １２Ｋ、Ｇ３０−７００ １２Ｋ、Ｇ３０−７００ ２４Ｋ Ｆ４０２、Ｇ４０−８００ ２４Ｋ、ＳＴＳ ２４Ｋ、ＨＴＲ４０ Ｆ２２ ２４Ｋ １５５０ｔｅｘ（東邦テナックス株式会社製）；３４−７００、３４−７００ＷＤ、３４−６００、３４−６００ＷＤ、３４−６００（Ｇｒａｆｉｌ社製）；及びＴ−３００、Ｔ−６５０／３５、Ｔ−３００Ｃ、Ｔ−６５０／３５Ｃ（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製）があるが、これらに限らない。１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維は、炭素繊維を含む。１実施形態では、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維は、複数の炭素繊維を含有するトウである。

１実施形態では、未硬化樹脂は、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約１０体積％〜約８０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。別の実施形態では、未硬化樹脂は、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約２０体積％〜約７０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。他の実施形態では、未硬化樹脂は、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約３０体積％〜約６０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。

１実施形態では、三軸ブレイドは、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約２０体積％〜約９０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。別の実施形態では、三軸ブレイドは、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約３０体積％〜約８０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。他の実施形態では、三軸ブレイドは、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約４０体積％〜約７０体積％に相当する量で未硬化複合材組成物中に存在する。

１実施形態では、本発明は方法を提供する。本方法は、未硬化樹脂を含有する配合物を三軸ブレイドと接触させて未硬化複合材組成物を形成する接触工程を含む。１実施形態では、接触工程は、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）、Ｓｃｒｉｍｐ（Ｓｅｅｍａｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｒｅｓｉｎ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ）成形、ハンドレイアップ、圧縮成形、引抜成形、「Ｂ段階」成形又はオートクレーブ成形条件下で行うことができる。

１実施形態では、本方法は、未硬化樹脂を含有する配合物を三軸ブレイドに含浸させる工程を含む。１実施形態では、本方法は、真空補助樹脂トランスファー法（以下「ＶＡＲＴＭ」という）を用いて未硬化樹脂を含有する配合物を三軸ブレイド中に注入する工程を含む。

１実施形態では、本発明は、未硬化複合材組成物を提供し、これは未硬化樹脂の粘度が比較的低いので硬化複合材組成物の製造に用いるのに適当である。１実施形態では、硬化複合材料の製造に用いる未硬化樹脂は、注入プロセス時に三軸ブレイドに完全、均一に接触するのに特に良好な粘度特性を有する。

１実施形態では、配合物は、未硬化樹脂及び追加の強靱化剤を含有する。１実施形態では、未硬化樹脂及び強靱化剤を含有する配合物は、注入プロセスに適当な粘度を有する。１実施形態では、未硬化樹脂は実質的に強靱化剤を含有せず、未硬化樹脂は注入プロセスに適当な粘度を有する。１実施形態では、未硬化樹脂を含有する配合物の粘度は、注入温度（注入工程を行う温度）で約５センチポアズ〜約１２００センチポアズの範囲である。別の実施形態では、配合物の粘度は、注入温度で約１０センチポアズ〜約５００センチポアズの範囲である。他の実施形態では、配合物の粘度は、注入温度で約２０センチポアズ〜約１００センチポアズの範囲である。

１実施形態では、１５℃〜約１５０℃の範囲の注入温度で未硬化樹脂を三軸ブレイド中に注入することにより接触を行う。別の実施形態では、３０℃〜約１２０℃の範囲の注入温度で未硬化樹脂を三軸ブレイド中に注入することにより接触を行う。他の実施形態では、４５℃〜約１００℃の範囲の注入温度で未硬化樹脂を三軸ブレイド中に注入することにより接触を行う。

１実施形態では、本方法はさらに、未硬化複合材組成物を硬化して硬化複合材料を形成する工程を含む。１実施形態では、熱又は圧力又は熱と圧力両方を未硬化複合材組成物にかけることにより硬化を行う。

１実施形態では、本発明は硬化複合材料を提供する。硬化複合材料は硬化樹脂及び三軸ブレイドを含有する。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズは実質的に同じであり、トウサイズは約１ｋ〜約１１ｋの範囲である。

１実施形態では、硬化複合材料は硬化エポキシ樹脂及び三軸ブレイドを含有する。三軸ブレイドは、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含み、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズは実質的に同じであり、トウサイズは約６ｋである。

１実施形態では、硬化複合材料は、微小クラック形成に耐性がある。１実施形態では、硬化複合材料は、２０００サイクルの約−５４℃〜約７１℃の範囲での熱湿潤試験後、標準試験クーポンの断面に生じる微小クラックの長さが約２００００μｍ未満である。１実施形態では、硬化複合材料は、２０００サイクルの約−５４℃〜約７１℃の範囲での熱湿潤試験後、標準試験クーポンの断面に生じる微小クラックの長さが約１５０００μｍ未満である。１実施形態では、硬化複合材料は、２０００サイクルの約−５４℃〜約７１℃の範囲での熱湿潤試験後、標準試験クーポンの断面に生じる微小クラックの長さが約３０００μｍ未満である。

１実施形態では、物品を提供する。物品は上述の通りの硬化複合材料を含有する。１実施形態では、物品は、高強度と軽量を兼ね備える必要がある航空及び宇宙用途に有用である。１実施形態では、物品は、航空機の部品、例えば翼、胴体又は航空機エンジンのタービンブレードである。１実施形態では、物品は、航空機エンジンの部品である。別の実施形態では、物品は、宇宙船、自動車の耐力構造、建設材料、例えば梁及び屋根材、個人用通信機器、例えば携帯電話、家具、例えばテーブルや椅子、スポーツ用具、例えばテニスラケット及びゴルフクラブ、スポーツ施設の座席、電車車両及び機関車の耐力構造、個人用小型船舶、帆船及び大型船の耐力構造並びに上記の用途で高強度と軽量を兼ね備える必要がある非耐力構造に有用である。

以下の実施例は、本発明の方法及び実施形態を具体的に示すものである。特記しない限り、すべての成分は、Ａｌｐｈａ Ａｅｓａｒ社（米国マサチューセッツ州ワードヒル所在）、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社（米国ミズーリ州セントルイス所在）、Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社（米国カルフォルニア州ガーデナ所在）などの一般的な化学薬品業者から市販されている。

特記しない限り、エポキシ樹脂ＲＴＭ６（米国カルフォルニア州ダブリン所在Ｈｅｘｃｅｌ社から入手）をすべての複合材料の未硬化樹脂として用いた。異なるトウサイズ（６ｋ〜４８ｋ）の軸繊維及びバイアス繊維からなる三軸ブレイドＴ８００ＨＢ（東レ株式会社から入手）を強化材として用いて複合材料を製造した。すべての三軸ブレイドは、０°／６０°／−６０°で示されるように長手方向軸に対して６０°の第１バイアス角度及び第２バイアス角度を有した。

同じトウサイズを有する軸繊維及びバイアス繊維を含有する三軸ブレイドを用いた硬化複合材料の製造（実施例１及び２）
３５ｃｍ×３５ｃｍの寸法の三軸ブレイドＴ８００ＨＢ６ｋ／６ｋ（軸方向及びバイアス方向に６０００炭素繊維）を、樹脂入口及び約１４．７ｐｓｉ（完全真空）の真空レベルに到達する出口を有するナイロン真空バッグフィルムエンクロージャーに封入した。任意の工程として、第１層の真空バッグフィルムが完全真空に達するのに不十分であると判明した場合、第２層の真空バッグフィルムを適用することができる。最終複合材料の厚さが１／８インチとなるように異なるプライ数の三軸ブレイドを適用した。真空に引いたままでアセンブリを約８０℃に加熱した。２５０ｇのＲＴＭ６樹脂（米国カルフォルニア州ダブリン所在Ｈｅｘｃｅｌ社から入手）を含有する未硬化樹脂配合物を繊維構造に真空下で注入した。樹脂を満たしたアセンブリを真空下１８０℃で２時間硬化して無ボイド硬化複合パネルを得た（実施例１）。同様に、三軸ブレイドＴ８００ＨＢ１２ｋ／１２ｋ（軸方向及びバイアス方向に１２０００炭素繊維）を用いて、上述の方法により硬化複合パネル（実施例２）を製造した。

異なるトウサイズを有する軸繊維及びバイアス繊維を含有する三軸ブレイドを用いた硬化複合材料の製造（比較例１〜４）
３５ｃｍ×３５ｃｍの寸法の三軸ブレイドＴ８００ＨＢ６ｋ／１２ｋ（６０°／−６０°／０°、軸方向に１２０００炭素繊維及びバイアス方向に６０００繊維）を、樹脂入口及び約１４．７ｐｓｉ（完全真空）の真空レベルに到達する出口を有するナイロン真空バッグフィルムエンクロージャーに封入した。任意の工程として、第１層の真空バッグフィルムが完全真空に達するのに不十分であると判明した場合、第２層の真空バッグフィルムを適用することができる。最終複合材料の厚さが１／８インチとなるように異なるプライ数の三軸ブレイドを適用した。真空に引いたままでアセンブリを約８０℃に加熱した。２５０ｇのＲＴＭ６樹脂（米国カルフォルニア州ダブリン所在Ｈｅｘｃｅｌ社から入手）を含有する未硬化樹脂配合物を繊維構造に真空下で注入した。樹脂を満たしたアセンブリを真空下１８０℃で２時間硬化して無ボイド硬化複合パネルを得た（比較例１）。同様に、三軸ブレイドＴ８００ＨＢ１２ｋ／２４ｋ及びＴ８００ＨＢ２４ｋ／４８ｋを用いて、上述の方法により硬化複合パネルを製造した（比較例２及び比較例３）。比較例４は、用いた未硬化配合物がＣｙｃｏｍ９７７−２０樹脂フィルム（米国アリゾナ州テンピ所在Ｃｙｔｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社から入手）を含有する以外同様の方法を用いて製造した。

Ｔｈｅｒｍｏｔｒｏｎ社の環境試験チャンバーを用いて複合パネルの熱湿潤サイクルを行った。熱衝撃チャンバーは高温（７１℃）及び低温（−５４℃）の２つのコンパートメントからなる。パネルを各室内に５分間保ち、これを１サイクルとした。熱湿潤サイクルの間、複合パネルを自立鉛直姿勢に置いた。

４００サイクル毎に複合材料の微小クラックを評価した。倍率５０ｘの顕微鏡及び社内開発の自動画像解析ソフトを用いて微小クラックを分析した。各サンプルで微小クラックの数と長さを３切断方向（０°、９０°及び４５°）を合わせて合計５．５インチ×１／８インチの断面で求めた。

表１及び図２を参照すると、データから、実施例１及び２で２０００サイクルまで有意なクラックは認められないことが分かる。比較例１〜３の微小クラック長さは、実施例１及び２に比べて長い。トウサイズが増加するにつれて、微小クラックの長さが長くなり、トウサイズの影響は、トウサイズが軸方向とバイアス方向で異なる場合に一層顕著となる。

表２及び図２を参照すると、熱湿潤サイクル３２００サイクル後のデータから、実施例１の微小クラック長さ及び微小クラック数の両方が、良好な耐微小クラック性を有すると考えられている比較例４と同程度であることが分かる。さらに、ブレイド６ｋ／６ｋ（実施例１）は、ブレイド１２ｋ／１２ｋ（実施例２）より優れた耐微小クラック性を示す。

上記の実施例は例示にすぎず、本発明のいくつかの特徴だけを例証するものである。特許請求の範囲は着想した広い範囲で本発明を請求することを目的としており、ここで示した実施例は可能な多種多様なすべての実施形態から選択された実施形態を具体的に示すものである。したがって、出願人は、特許請求の範囲が本発明の特徴を示すのに用いた実施例の選択に限定されないと考えている。特許請求の範囲で用いた用語「含む」及びこの文法上の異形は、論理的に境界を定め、「のみからなる」、「からなる」などの言及範囲が変動する（異なる）語句を含む。必要に応じ、様々な範囲を与えたが、これらの範囲は、範囲内にあるすべての下位範囲を含む。これらの範囲の変更は当業者にとって自明であり、これらの範囲の変更を記載していなくても、特許請求の範囲は可能な限りこれらの変更を含むものとする。文言の不明確さのために現在は予想できない均等物及び置換が科学技術の進展により可能になるかもしれず、これらの変更は可能な限り特許請求の範囲に含まれるものとする。

１０ 三軸ブレイド
１１ 長手方向軸
１４ 軸繊維
２０ 第１バイアス繊維
２１ 第１バイアス方向
２２ 第１バイアス角度
３０ 第２バイアス繊維
３１ 第２バイアス方向
３２ 第２バイアス角度

Claims (10)

1. 未硬化樹脂と、
   長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含む三軸ブレイドと
   を含む未硬化複合材組成物であって、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズが実質的に同じであり、トウサイズが約１ｋ〜約１１ｋの範囲である、未硬化複合材組成物。
2. トウサイズが約３ｋ〜約９ｋの範囲である、請求項１記載の未硬化複合材組成物。
3. トウサイズが約６ｋである、請求項１記載の未硬化複合材組成物。
4. 第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維の少なくとも１つが炭素繊維を含む、請求項１記載の未硬化複合材組成物。
5. 三軸ブレイドが、未硬化複合材組成物の総体積に基づいて約４０体積％〜約７０体積％の範囲の量で未硬化複合材組成物中に存在する、請求項１記載の未硬化複合材組成物。
6. （ａ）未硬化樹脂を含有する配合物を三軸ブレイドと接触させて未硬化複合材組成物を形成する工程
   を含む方法であって、上記三軸ブレイドが、長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含んでおり、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズが実質的に同じであり、トウサイズが約１ｋ〜約１１ｋの範囲である、方法。
7. 未硬化複合材組成物を硬化して硬化複合材料を形成する工程を含む、請求項６記載の方法。
8. 約１５℃〜約１５０℃の範囲の注入温度で三軸ブレイド中に未硬化樹脂を注入することにより接触工程を行う、請求項６記載の方法。
9. 接触工程を真空補助樹脂トランスファー法条件下で行う、請求項６記載の方法。
10. 硬化樹脂と、
    長手方向軸を有し、長手方向軸に対して第１バイアス角度で第１バイアス方向に延在する第１バイアス繊維、長手方向軸に対して第２バイアス角度で第２バイアス方向に延在する第２バイアス繊維及び長手方向軸に平行な方向に延在する軸繊維を含む三軸ブレイドと
    を含む硬化複合材料であって、第１バイアス繊維、第２バイアス繊維及び軸繊維のトウサイズが実質的に同じであり、トウサイズが約２ｋ〜約１１ｋの範囲である、硬化複合材料。